Brevet FR2707762A1 — publié le 19950120

APPAREIL DE MESURE EN CONTINU DE LA CONCENTRATION DANS L'AIR DE LA FRACTION THORACIQUE TOTALE D'AEROSOLS RADIOACTIFS. Llinvention concerne un appareil de mesure en continu de la concentration dans l'air de la fraction thoracique totale d'aérosols radioactifs. Un besoin existe de mesurer à tout moment la pollution de l'atmosphère par la radioactivité artificielle, à des fins de surveillance voire d'alarme si la concentration devient excessive. Une des difficultés provient de la présence de la radioactivité naturelle due essentiellement au radon et à ses descendants et qui est normalement beaucoup plus intense que la radioactivité d'origine artificielle qui est la seule que l'on veut mesurer. L'énergie des particules produites par la désintégration du radon et de ses descendants est d'ailleurs souvent voisine de celle des produits radioactifs artificiels, avec lesquels ils risquent de se confondre, ce qui rend délicate la discrimination par une analyse spectrale. La particule a émise par le Po 218 (à 6 MeV) descendant du Rn 222 peut ainsi être difficilement discernée de celle du Pu 239 (à 5.15 MeV) d'origine artificielle, le pic du Pu 239 étant petit par rapport à celui du Po 218 risque d'être masqué par ce dernier si la résolution de l'analyse spectrométrique est insuffisante. Par ailleurs, pour estimer l'impact sanitaire dû à la présence de radionucléides artificiels, il est indispensable de connaître la fraction thoracique totale (fraction qui pénètre dans les voies respiratoires inférieures) des aérosols radioactifs présents dans l'environnement. Cette fraction est constituée des aérosols dont le diamètre aérodynamique équivalent est inférieur à IOlun. Les particules de diamètre supérieur constituent les fractions extrathoracique et sédimentable. I1 n'existe pas actuellement de dispositif qui permette de mesurer en temps réel la radioactivité artificielle de la fraction thoracique totale des particules atmosphériques. L'invention a pour objet de combler cette lacune en proposant un appareil qui fasse automatiquement le tri granulométrique des aérosols et la mesure simultanée de la radioactivité de la fraction thoracique totale. Cet appareil comprend un conduit de prélèvement d'air, un moyen d'aspiration de l'air dans le conduit et, logés dans le conduit, une surface de dépôt des aérosols à mesurer, un détecteur de radioactivité placé devant la surface, ces moyens étant usuels, et il se caractérise en ce qu'il comprend encore dans le conduit, avant la surface et le détecteur, un moyen de séparation de la fraction thoracique totale des aérosols à mesurer d'autres aérosols formés de particules plus volumineuses. Le moyen de séparation est avantageusement composé d'une buse d'accélération de l'air aspiré, d'une buse de captation des aérosols dits "sédimentables", faisant face à la buse d'accélération et plus large, et d'un conduit annulaire de captation de la fraction thoracique des aérosols à mesurer entourant la buse de captation. Les aérosols "sédimentables" sont dirigés vers une cartouche filtrante. Ces caractéristiques ainsi que d'autres vont apparaître plus précisément de la description que voici des figures - la figure 1 est une coupe générale de l'appareil, et - la figure 2 est une coupe de la cartouche fixe. L'appareil est représenté dans son ensemble à la figure 1. Il comprend successivement une tête omnidirectionnelle 1 d'aspiration d'air, un conduit d'aspiration 2 que la tête borne, un dispositif séparateur 3, une cartouche fixe 4 pour collecter les aérosols "sédimentables", une surface filtrante défilante 5 pour recueillir les aérosols à mesurer, un détecteur 6 et une pompe 7 pour assurer l'aspiration. Ces composants vont être décrits successivement. La tête omnidirectionnelle 1 est formée par un rebord épanoui 10 à l'extrémité du conduit d'aspiration 2 et un couvercle 11 vissé sur le rebord épanoui 10 par des vis 12 qui sont munies de rondelles 13 grâce auxquelles des ouvertures 14 subsistent sous tout le tour du couvercle 11. L'air pénètre ainsi dans le conduit d'aspiration 2 par une large ouverture circulaire. La concentration en aérosols de diamètre inférieur à 1olim de l'air aspiré est d'après l'expérience semblable à celle de l'air ambiant. Le diamètre de coupure de la tête de captation, c'est-àdire le diamètre des particules pour lequel le rendement de prélèvement est égal à 50%, qui dépend de la vitesse du vent, reste supérieur à 10pm jusqu'à une vitesse de 10 m/s. Ainsi, ni la vitesse du vent ni sa direction n'influence la mesure en continu de la fraction thoracique totale. Le conduit d'aspiration 2 est ensuite occupé dans sa partie éloignée de la tête omnidirectionnelle 1 par un séparateur granulométrique constitué d'un manchon 17 qui rétrécit le conduit, ce qui accélère l'air prélevé. Le manchon 17 se termine sur une buse d'accélération 18 après laquelle la section du conduit de transport de l'air s'accroît brutalement. L'air est alors entré dans le dispositif séparateur 3, qui comporte également une buse de captation 19 qui s'étend face à la buse d'accélération 18, en la prolongeant à peu de distance, et dont le diamètre est plus large. La section du conduit de transport d'air est divisée en deux parties concentriques par la buse de captation 19. Si les caractéristiques géométriques du dispositif séparateur 3 ainsi que les débits d'air dans les conduits sont bien choisis (diamètre intérieur de 11,4mm pour la buse d'accélération 18 et 15mm pour la buse de captation 19, avec une distance de 10,2mm entre les buses pour un débit d'air de 35 1/min en amont du séparateur) et si ensuite le débit est réparti pour 90% dans le conduit annulaire et 10% dans la buse de captation, les accélérations subies par l'air et les particules d'aérosol ont une valeur telle que seules les particules de diamètre supérieur à 10zm sont suffisamment projetées vers la buse de captation grâce à leur inertie et aboutissent à la cartouche fixe 4. On y retrouve les produits et débris de diamètre supérieur à lOpia tels que des poussières, des moucherons, et d'autres corpuscules qui en s'accumulant sur la surface filtrante 5 auraient affecté la mesure par dégradation de l'énergie des particules a émises au sein du dépôt. Les particules plus petites sont entraînées autour de la buse de captation par un conduit annulaire 20 qui aboutit à la surface filtrante défilante 5 au-dessus de laquelle se situe le détecteur 6. Une discrimination granulométrique satisfaisante est ainsi obtenue par un moyen aéraulique plus sûr et moins coûteux que l'utilisation de filtres ou de membranes. Une petite quantité de particules de diamètre inférieur à 10zm est cependant entraînée dans la buse de captation 19 par le débit d'air qui la traverse mais cette proportion est invariable et égale à 10% de la fraction passant dans le conduit 20 si bien qu'il suffit d'en tenir compte par un coefficient multiplicateur après avoir fait les mesures. La cartouche fixe 4 se trouve au fond d'un conduit 21 qui prolonge la buse de captation 19. Elle est composée (figure 2) d'un boîtier 22 cylindrique que l'air traverse en direction d'une pompe 7 chargée de l'aspiration. Le boîtier 22 est pourvu de deux couvercles ajourés 23 et 24 à ses extrémités et rempli de charbon actif destiné à piéger les grosses particules ; un charbon destiné à l'adsorption de l'iode gazeux radioactif est recommandé. De plus, une toile 25 s'étend sous le couvercle 23 supérieur ou amont et un filtre 26 sous le couvercle 24 inférieur ou aval. La toile 25 peut consister en une toile à bluter d'ouverture de maille égale à 1731lm et de surface libre sur 47% de la surface totale. Cette toile de Nylon laisse passer les particules tout en retenant le charbon. Elle est choisie dans un matériau insensible à l'humidité et non électrostatique. Le filtre 26 est destiné à laisser passer l'air tout en retenant les fines particules radioactives ; il peut s'agir d'un filtre à fibres de verre à faible perte de charge. Ce type de cartouche permet d'effectuer un prélèvement dans l'environnement pendant un mois sans entraîner de perte de charge excessive. Ce dispositif est une adaptation d'une cartouche normalisée pour l'analyse spectrométrique des iodes. Le conduit annulaire 20 s'évase, entoure la cartouche fixe 4 et s'étend encore au-dessous de celleci, jusqu'à une partie de convergence 32 en direction d'une portion horizontale 33 de la surface filtrante 5. La surface filtrante est constituée d'un ruban contenu dans une cassette de manière analogue aux pellicules photographiques; il est enroulé sur des bobines 35 dont l'une est animée par un moteur 36. La portion horizontale 33 est tendue entre des rouleaux 34. Le défilement de la surface 5 est effectué séquentiellement pour éviter le colmatage de la portion horizontale 33 avec des rythmes choisis par l'utilisateur. On préconise à titre d'exemple d'employer employer comme matériau constitutif de la surface filtrante 5 un polymère microporeux homogène d'esters de cellulose formés autour d'une trame en cellulose destinée à retenir les particules fines avec une efficacité élevée. Ce matériau présente l'avantage de collecter les particules à sa surface ; en empêchant leur enfouissement, il évite la dégradation du spectre d'énergie des particules a émises. L'air arrive sur la surface filtrante 5 avec une incidence faible, presque rasante, et la traverse ensuite vers la pompe 7 d'aspiration. A ce niveau, le filtre est soutenu par une grille qui laisse passer l'air ; les particules d'aérosols radioactifs sont collectées de manière homogène sur une partie de la portion horizontale 33 délimitée par la surface de la grille porte-filtre. Le détecteur 6 comprend un capteur de particules a et ss qui est disposé devant la portion horizontale 33. Un cordon 37 relie le détecteur 6 à une station de mesure 38 qui n' est que schématique car elle est d'un genre connu et apte en particulier à effectuer des mesures en continu et à donner l'alarme si un seuil est atteint. Une grille collimatrice 39 est intercalée entre la surface filtrante défilante 5 et le détecteur 6 afin d'absorber celles des particules a qui sortiraient de la portion horizontale 33 avec un angle important par rapport à la normale elle est composée de cellules dont les dimensions sont choisies telles que les particules a dont l'incidence est supérieure à 100 environ soient absorbées par cette grille collimatrice 39. En effet, ces particules parcourant une distance dans l'air plus grande que celles qui frappent le détecteur perpendiculairement auraient une énergie dégradée lorsqu'elles seraient détectées, ce qui aurait pour conséquence d'augmenter la largeur des pics du spectre d'énergie a et donc de détériorer la discrimination entre les descendants du radon et un radionucléide artificiel. La partie inférieure de l'appareil, qui contient la surface défilante 5 et la cartouche 4, est amovible pour permettre de les remplacer facilement. Pour des débits de prélèvement différents les buses 18 et 19 auront des diamètres et un espace interbuses différents calculés de manière à respecter les critères suivants : le diamètre de la buse accélératrice 18 sera calculé en fonction du débit d'air qui la traverse pour que les particules de 101lu aient un nombre de Stokes de 0,34, la buse de captation 19 aura un diamètre égal à 1,31 fois celui de la buse accélératrice 18 et la distance inter-buses sera égale à 0,89 fois le diamètre de la buse accélératrice 18. L'écoulement dans le manchon 17 sera turbulent sans excès (avec un nombre de Reynolds compris entre 1200 et 5000)- La cartouche fixe 4 sera démontée mensuellement, ou en cas d'alarme sur la voie de mesure continue, à des fins d'analyste spectrométrique des impuretés qu'elle a recueillies et en particulier de la radioactivité due aux particules "sédimentables", de diamètre supérieur à 10pm et à l'iode. REVENDICATIONS 1.Appareil de mesure en continu de la concentration dans l'air de la fraction thoracique totale des aérosols radioactifs d'origine artificielle, comprenant un conduit de prélèvement d'air (2), un moyen d'aspiration (7) de l'air dans le conduit et, logés dans le conduit, un détecteur de radioactivité (6) placé devant la surface (33), caractérisé en ce qu'il comprend encore dans le conduit, avant la surface et le détecteur, un moyen de séparation (3) des aérosols à mesurer d'autres aérosols formés de particules plus volumineuses. 2. Appareil de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de séparation (3) est composé d'une buse d'accélération (18) de l'air aspiré, d'une buse de captation (19) des aérosols de diamètre supérieur à 10m, faisant face à la buse d'accélération et plus large, et d'un conduit annulaire (20) entourant la buse de captation pour la collecte des aérosols constituant la fraction thoracique totale et qui sont destinés à une mesure en continu de leur radioactivité. 3. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le conduit de prélèvement est surmonté par une tête d'aspiration omnidirectionnelle (1) de l'air. 4. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface de dépôt (5) appartient à une bande filtrante qui permet la collecte en surface des particules fines des aérosols. 5. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une grille de collimation (39) est intercalée entre la surface de dépôt (5) et le détecteur (6). 6. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la buse de captation (19 aboutit par un conduit (21) à une cartouche (4) normalisée pour l'analyse spectrométrique y des iodes et adaptée à la collection et à la mesure des aérosols de diamètre supérieur à 1OLm.