Brevet FR2716599A1 — publié le 19950825

La présente invention concerne les sources de rayonnement, leur simulation et la mesure des doses produites par ces sources. L'invention s'applique en particulier à la mesure des doses de rayonnement auxquelles peut être soumis un appareillage électronique dans un vaisseau spatial. Des sources existantes de rayonnement pour la simulation ont tendance à former des faisceaux unidirectionnels provenant d'accélérateurs linéaires de particules ("LINACS"), de machines radiographiques ou d'un matériau radioactif. Dans le cas des sources unidirec- tionnelles, on peut supposer, avec une bonne approximation, que toutes les particules du rayonnement passant dans une petite région quelconque ont des trajectoires parallèles. Cependant, dans l'espace, les flux de rayonnement qui sont rencontrés sont tels que l'intensité est une fonction non triviale des variables de direction. S'il faut établir les doses fournies aux parties sensibles d'un système d'un vaisseau spatial avant le lancement, il est nécessaire de modéliser ou simuler les flux de rayonnement directionnels en laboratoire. Les sources disponibles dans certaines installations connues sont habituellement sous forme de disques qui soit produisent un faisceau de rayonnement perpendiculairement au plan des disques, soit émettent des particules dans un cône avec des directions telles que l'axe est perpendiculaire au plan des disques (par exemple la suite de modélisation ITS de Sandia National Laboratories aux Etats-Unis d'Amérique). La figure 1 représente une paire de disques 1, 2 placés de part et d'autre d'un modèle de vaisseau spatial pour la reproduction de la directionnalité du rayonnement à symétrie axiale dans un volume 3 délimité par l'intersection de deux cônes formés à l'aide de disques constituant des bases et ayant des demi-angles au sommet égaux à l'angle de coupure 0 du flux du rayonnement. Cependant, une petite partie seulement des particules du rayonnement émis par les disques 1, 2 passe dans le volume d'intersection 3, surtout lorsque l'angle de coupure est élevé (comme cela est nécessaire lorsque le flux du rayonnement a une intensité importante sur une large plage de directions) si bien que cette solution est habituellement très peu efficace. En outre, elle ne peut pas être utilisée lorsqu'il n'existe pas de symétrie axiale et en outre la polarisation directionnelle convenable des particules émises par les disques nécessite un calcul compliqué. Dans une variante d'ensemble connu, il est possible de réaliser un flux directionnel dans une région cible par disposition d'un grand nombre de sources sous forme de disques ou de faisceaux autour de la région. La solution classique de cet exercice comprend l'orientation des faisceaux dans les directions délimitées par des angles polaires sphériques 0 et pour des plages régulièrement espacées de ces angles. Le problème principal est alors qu'il donne des concentrations d'orientations à proximité des pôles. Il est manifestement souhaitable d'espacer les orientations choisies régulièrement sur la sphère angulaire entière pour éliminer la nécessiter de la polarisation en fonction de la couverture angulaire solide et pour l'optimisation de la résolution directionnelle de la source. Cependant, il n'existe pas de dispositif exact donnant ce résultat dans le cas général. L'invention a pour objet la réalisation d'une source de rayonnement ayant des propriétés directionnelles arbitraires mais qui peuvent être définies par l'opérateur, dans un volume prédéfini. Ainsi, l'invention concerne une source de rayonnement qui comprend plusieurs sources de rayonnement en forme de disques qui sont orientées les unes par rapport aux autres comme les faces d'un polyèdre semirégulier dans lequel le centre de chaque disque est en contact tangentiel avec l'espace sphérique de simulation ayant le même rayon que les disques. L'invention exploite le degré élevé de symétrie qui est propre aux polyèdres semi-réguliers, à certains polyèdres d'Archimède et à certains polyèdres d'Archimède dont certaines des faces sont subdivisées. Il est alors possible de réaliser des sources à plusieurs disques à des niveaux de résolution angulaire qui peuvent être choisis, avec des ensembles d'orientations suffisamment espacées régulièrement pour que la polarisation d'angle solide soit superflue, et qui donnent une résolution angulaire optimale par rapport au nombre de sources sous forme de disques qui sont utilisées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente la disposition connue d'une source de rayonnement; la figure 2 représente la disposition géométrique d'une source de rayonnement sous forme d'un disque élémentaire selon l'invention; les figures 3 et 4 représentent des variantes de sources de rayonnement selon l'invention; la figure 5 est un tableau de vecteurs déterminant les directions de la source de rayonnement de la figure 3; et la figure 6 est un tableau des vecteurs déterminant les directions d'une source représentée sur la figure 4. Une source polyédrique selon l'invention peut donner un flux de rayonnement dans une région cible sphérique qui a les mêmes propriétés directionnelles en chaque point de la région. Elle comprend un certain nombre de sources unidirectionnelles sous forme de disques de même rayon que la région cible (qui peuvent être formées par les ouvertures de machines à accélérateur linéaire, par exemple dans le cas d'un exercice de simulation). Sur la figure 2, chaque source 4 sous forme d'un disque (une seule est représentée par raison de clarté) a son centre O en contact tangentiel avec la surface d'une région sphérique cible 5. Les coordonnées sphériques polaires du point de tangence par rapport au centre de la sphère déterminent une direction qui est diamétralement opposée à la direction des particules du rayonnement du disque. Grâce à l'établissement d'un nombre suffisamment grand de disques de source avec des points de tangence régulièrement répartis sur la surface de la sphère, la différence angulaire entre les particules du rayonnement des disques avec des orientations adjacentes peut être rendue suffisamment faible pour que la distribution continue réelle des directions des particules soit représentée d'une manière approximativement satisfaisante. Pour la détermination d'un ensemble de vecteurs de directions pour les orientations des sources sous forme de disques, il est possible de se référer aux ensembles de vecteurs qui déterminent les centres des faces de certains polyèdres semi-réguliers. (Les solides réguliers "platoniques" ont un nombre insuffisant de faces pour donner une bonne résolution angulaire). Si les faces ont toutes des dimensions et configurations analogues, la condition d'espacement uniforme des vecteurs de directions est automatiquement remplie. Les polyèdres d'Archimède qui remplissent le mieux ces conditions sont l'icosaèdre tronqué de la figure 3 et la version subdivisée du dodécaèdre tronqué de la figure 4. L'icosaèdre tronqué 6 de la figure 3 possède trente- deux faces comprenant douze pentagones réguliers 7 et vingt hexagones réguliers 8. Deux hexagones et un seul pentagone se rencontrent à chaque sommet et tous les sommets se trouvent à la surface d'une sphère circonscrite. La distribution des vecteurs des centres des faces sur la sphère pour ce polyèdre est suffisamment régulière pour que les corrections soient négligeables dans la plupart des circonstances. Les intensités relatives des sources sous forme de disques dans chacune des trente-deux directions sont déterminées par intégration de la fonction de directionnalité pour les conditions nécessaires dans l'angle solide délimité par un cône dont l'axe est le vecteur correspondant au centre de la face et la base sous-tend un angle solide égal à 1/32 fois la sphère (c'est-à-dire n/8 stéradian) . La valeur obtenue est exprimée sous forme d'une fraction de l'environnement global par division par la somme des trente-deux intégrations pour toutes les faces. Le dodécaèdre tronqué 9 de la figure 4 comprend quatre- vingt faces triangulaires équilatérales 10 et douze faces pentagonales régulières 11. Quatre triangles et un seul pentagone se rencontrent à chaque sommet, tous les sommets se trouvant à la surface d'une sphère circonscrite. Comme les faces pentagonales sous-tendent un angle solide beaucoup plus grand au centre de la sphère circonscrite que les faces triangulaires, il est nécessaire de les subdiviser pour créer une dispersion régulière des vecteurs des centres des faces. Les pentagones sont subdivisés en cinq triangles 12, deux points étant les sommets du pentagone et le troisième se trouvant au point d'intersection d'une droite passant par les centres de la sphère circonscrite et de la face pentagonale avec la surface de la sphère circonscrite. La division d'un pentagone de cette manière est représentée en trait interrompu sur la figure 4. Les vecteurs de directions associés à chacun des nouveaux triangles sont perpendiculaires à leur plan. On peut calculer que les surfaces des nouveaux triangles sont seulement légèrement inférieures à celles des triangles équilatéraux, si bien que les conditions de distribution uniforme sont remplies avec une bonne approximation. La configuration 9 de dodécaèdre tronqué subdivisé détermine un ensemble de cent quarante vecteurs de directions si bien qu'elle est utile lorsqu'il faut une meilleure résolution angulaire que celle que donne la configuration d'icosaèdre tronqué. Pour une résolution angulaire encore plus fine, il est possible de subdiviser chacun des cent quarante triangles du dodécaèdre tronqué en quatre triangles plus petits 13 de surfaces semblables. Cette disposition est aussi représentée en trait interrompu sur la figure 4. Les points des sommets supplémentaires nécessaires sont créés par détermination des intersections des droites passant par le centre de la sphère circonscrite et les points médians des bords des triangles avec la sphère circonscrite. Dans le cas de polyèdres comprenant entièrement des triangles équilatéraux ou presque équilatéraux, les vecteurs sommets constituent aussi un ensemble de directions régulièrement espacées sur la sphère circonscrite. Pour des sources polyédriques de plus grande résolution, il peut être satisfaisant de fixer les intensités relatives de chaque source sous forme d'un disque proportionnellement à la valeur de la fonction nécessaire de directionnalité dans la direction de la source. Par ailleurs, on peut adopter le même procédé d'intégration sur un cône spatial que dans le cas de la source formée par l'icosaèdre tronqué. Une dose de rayonnement déposée dans une structure, par exemple un vaisseau spatial, peut être déterminée à l'aide d'une source polyédrique de la manière suivante. La source du rayonnement polyédrique est réalisée par utilisation des sources en forme de disques qui sont couramment disponibles dans les installations de modélisation de Monte Carlo, telles que le système précité ITS. Dans la modélisation de Monte Carlo, un grand nombre de particules du rayonnement est suivi dans une cible et le résultat des divers processus d'interaction est déterminé par la valeur d'un nombre aléatoire dans une gamme polarisée de possibilités. De cette manière, le dépôt d'une dose de rayonnement dans des régions déterminées d'une structure complexe (c'està-dire un vaisseau spatial) est déterminé. Il s'agit d'un problème essentiel, car de nombreux composants électroniques d'un vaisseau spatial sont très sensibles au rayonnement et le dépôt d'une dose par le rayonnement dans l'espace des structures des vaisseaux spatiaux varie de plusieurs puissances de 10 d'un emplacement à un autre. D'abord, on utilise une table de consultation des vecteurs unitaires des sources sous forme de disques qui sont des vecteurs centrés sur les faces de la configuration polyédrique choisie. Un tableau de trente-deux vecteurs unitaires déterminant les orientations des faces pour un icosaèdre tronqué est indiqué sur la figure 5. Un tableau analogue de cent quarante vecteurs pour le dodécaèdre tronqué subdivisé est indiqué sur la figure 6. Une installation permettant la réorientation de la source polyédrique par rotation de l'ensemble des vecteurs de direction autour de l'origine est obtenue pour l'alignement d'un axe de symétrie de la source polyédrique avec un axe commode de modélisation. Une rotation d'angle a autour de l'axe x est obtenue par multiplication de chaque vecteur de direction par la matrice: 10 o 0O cosa sincx LO -sinc cosaj Des multiplications matricielles analogues peuvent être utilisées pour des rotations autour des axes y et z le cas échéant. Ensuite, une sphère cible est adaptée au modèle unitaire; elle doit avoir un volume minimal pour optimiser le rendement de la modélisation. Une procédure simple (mais pas obligatoirement optimale) comprend la détermination des valeurs maximale et minimale de x, y et z pour le modèle; le centre de la sphère est alors placé à : [(Xmax - Xmin)/2, (Ymax - Ymin)/2, (Zmax - Zmin)/2] et le rayon est donné par: V[(Xmax - Xmin)2/4 + (Ymax - Ymin)2/4 + (Zmax - Zmin)2/4] Pour chaque histoire particulaire, une source de l'ensemble de sources sous forme de disques doit être sélectionnée (et un point d'injection du disque est alors choisi au hasard de manière classique). Il est nécessaire de polariser la sélection du disque particulier proportionnellement à l'intensité relative du rayonnement dans cette direction du disque. Si la fraction du rayonnement que doit produire le ie disque est fi, pour un nombre aléatoire r compris entre O et 1, le je disque doit être sélectionné de manière que: y-lfi Dans une variante, il est possible de réaliser une source unidirectionnelle par réglage de la fraction égale à 1 pour un disque et à O pour tous les autres. De même, une source isotrope est modélisée lorsque toutes les fractions sont égales à 1/n pour une source polyédrique à n directions. Pour une fonction générale de directionnalité, les fractions fi peuvent être calculées en fonction des valeurs de la fonction de directionnalité des directions des sources cibles ou une meilleure approximation peut être dérivée par intégration sur un cône de l'angle solide comme indiqué précédemment. Dans le cas d'une fonction compliquée de directionnalité, l'intégration doit être réalisée numériquement. REVENDICATIONS 1. Source de rayonnement, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs sources de rayonnement (4) en forme de disque qui sont orientées les unes par rapport aux autres comme les faces d'un polyèdre semi-régulier (6) tel que le centre de chaque disque (4) est en contact tangentiel avec un espace sphérique de simulation (5) ayant le même rayon que les disques (4) . 2. Source de rayonnement selon la revendication 1, dans lequel le polyèdre est un icosaèdre tronqué (6). 3. Source de rayonnement selon la revendication 1, dans lequel le polyèdre est un dodécaèdre tronqué (9) dont les faces pentagonales (11) sont subdivisées en triangles (12).