Brevet FR2758396A1 — publié le 19980717

DISPOSITIF DE MESURE DE LA RADIOACTIVITÉ DES AÉROSOLS CONTENUS DANS L'AIR, COMPENSÉE DE LA CONTRIBUTION NATURELLE ET DE L'IRRADIATION GAMMA AMBIANTE. L'invention est relative à un dispositif de mesure de la radioactivité des aérosols présents dans l'atmosphère à surveiller, comprenant un capteur à diodes réceptrices sensibles aux rayonnements radioactifs émis par les aérosols, et un circuit électronique de traitement associé au capteur pour élaborer en continu un signal représentatif de iadite radioactivité détectée par les diodes. Une surveillance radiologique des installations nucléaires, et/ou radio écologique de l'environnement est indispensable pour connaître en continu le niveau de risque encouru. L'atmosphère à surveiller est généralement filtrée par un support qui retient les poussières radioactives présentes dans l'air. Les poussières déposées sur le support sont des descendants solides des gaz radon de la chaîne radioactive de l'uranium et du thorium normalement présents dans l'air ( contamination naturelle), et des poussières d'autres composés révélatrices d'un problème de contamination artificielle. Ces différentes poussières émettent des particules Alpha, des particules Bêta, et des rayonnements Gamma. La détection avec précision des aérosols Bêta contaminants artificiels présente de grandes difficultés techniques, étant donné qu'il faut extraire cette mesure d'un bruit environ cent fois plus grand que constituent les descendants solides à rayonnements Bêta dus au Radon ( contaminants naturels). Les diodes réceptrices d'un capteur classique sont sensibles aux rayonnements Alpha, Bêta et Gamma, et l'étude des spectres de détection rend impossible une séparation des rayonnements Gamma et Bêta par un fenêtrage en énergie. II a déjà été proposé d'utiliser un capteur à diode équipé d'une grille collimatrice à ailettes radiales de 0,lmm d'épaisseur, et de 11mm de hauteur. Une telle grille d'une part constitue en raison de son épaisseur de 0,lmm un écran aux particules Bêta, selon la position sur le filtre, et l'angle d'incidence du rayonnement, et d'autre part entraîne un éloignement entre la diode de détection et le filtre qui altère le rendement de détection des particules Bêta. La grille arrête certaines particules Bêta, mais en laisse passer d'autres. L'agencement de ce capteur permet de déterminer le rayonnement Bêta engendré par les seuls contaminants artificiels avec des caractéristiques nettement moins performantes que celles qui sont réalisées avec la présente invention. L'objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif de mesure de la radioactivité des aérosols permettant d'obtenir en continu une détection précise des contaminants Bêta, et des rayonnements Gamma. Le dispositif de mesure selon l'invention est caractérisé en ce que le capteur est disposé en regard d'une bande de filtration destinée à capter un échantillon des aérosols avec interposition d'un intervalle ayant une distance prédéterminée, ledit capteur comportant: - un premier écran continu de séparation intercalé entre la première diode réceptrice proche de la bande de filtration, et une deuxième diode réceptrice, ledit premier écran étant destiné à inhiber la détection du rayonnement Bêta par la deuxième diode, - un deuxième écran en forme de grille plane de séparation, accolé à la première diode réceptrice du côté de l'intervalle et en regard de l'échantillon des aérosols déposé sur la bande de filtration, ledit deuxième écran étant transparent au rayonnement Bêta, et comprenant dans la zone centrale un trou calibré pour la séparation du rayonnement Alpha. La présence de deux écrans permet d'obtenir une séparation des descendants solides Alpha, et une compensation des rayonnements Gamma. Selon un mode de réalisation préférentiel du capteur, la grille de séparation du deuxième écran est réalisée en un matériau opaque aux particules Alpha, notamment une feuille métallique en aluminium, ayant une épaisseur e de l'ordre de 5.10-3cm. La distance de l'intervalle entre la première diode et la bande de filtration est déterminée en relation avec la dimension du détecteur, le filtre, le débit de prélèvement, le niveau de pression/dépression ambiant du volume de détection, et le parcours des particules Alpha dans le volume de détection. Cette distance est comprise avantageusement entre 3mm et 16mm. Le trou calibré présente une forme circulaire ayant un diamètre (dd) approprié aux conditions de détection (dimensions du détecteur, etc..), notamment de l'ordre du tiers de celui du deuxième écran. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit électronique comprend: - une première voie de détection associée à la première diode réceptrice pour élaborer un premier signal de mesure correspondant à l'image du rayonnement total Bêta, Alpha et Gamma incluant des descendants solides du Radon contenus dans l'air ambiant et des contaminants, - une deuxième voie de détection associée à la deuxième diode réceptrice pour délivrer un deuxième signal de mesure représentatif du rayonnement Gamma global; - et un circuit de traitement à processeur recevant après amplification lesdits signaux de mesure, et délivrant un signal de sortie représentatif du rayonnement Bêta compressé dû aux seuls contaminants. Le processeur fonctionne avec un algorithme de calcul, permettant à partir des rayonnement Bêta et Gamma globaux, et des rayonnements Alpha séparés en énergie, grâce à la grille plane d'obtenir avec précision: - les rayonnements séparés en énergie des descendants solides Bêta du Radon ( contaminants naturels); - le rayonnements Bêta compensé dû aux seuls contaminants artificiels. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bande de filtration poreuse, est enroulée sur une bobine débitrice et une bobine réceptrice montées à rotation à l'intérieur d'une cassette de captage, laquelle est équipée d'une chambre de dépression destinée à aspirer l'air contaminé dans ledit intervalle pour déposer l'échantillon des aérosols sur une partie intermédiaire de la bande située en regard de la première diode réceptrice. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de mesure selon l'invention; - la figure 2 est une vue de la cassette selon la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 montre une vue du capteur selon la ligne 3-3 de la figure 1; - la figure 4 représente un schéma du circuit électronique associé au capteur de la figure 1; - la figure 5 montre à échelle agrandie la structure du capteur selon l'invention; - la figure 6 illustre sous forme synoptique les différentes étapes pour obtenir la détermination du rayonnement Bêta compensé. Sur les figures 1 à 3, un dispositif de mesure 10 de la radioactivité des aérosols est utilisé pour assurer un contrôle en continu de toute atmosphère, susceptible de générer une exposition radioactive, dans le but de protection des personnes physiques ou de surveillance de procédés nucléaires, ou métrologiques en laboratoire. Le dispositif de mesure 10 comporte une cassette 12 de captage renfermant une bande 14 de filtration, et un capteur 16 à diodes réceptrices D1, D2 reliées à un circuit électronique 18 de surveillance. II est clair que la cassette 12 ou la bande 14 de filtration peuvent être remplacées par tout autre moyen de captage. La bande 14 de filtration est réalisée au moyen d'un matériau poreux, et est enroulée sur une bobine débitrice 20, et une bobine réceptrice 22 montées toutes les deux à rotation à l'intérieur de la cassette 12 de captage. La partie intermédiaire 14A de la bande 14 défile en regard du capteur 16 grâce à un système motorisé (non représenté) à commande automatique séquentielle. La face opposée de la partie intermédiaire 14A de la bande 14 de filtration se trouve du côté d'une chambre de dépression 24 agencée entre les deux bobines 20,22. L'effet d'aspiration F dû à la présence de la chambre de dépression 24 aspire l'air contaminé vers l'intervalle 26 situé entre la partie 14A de la bande 14 de filtration et le capteur 16 (voir flèches F1 et F2). L'air est filtré par la bande 14A, laquelle retient les poussières radioactives pour former un dépôt d'aérosols 28 (figure 2). L'échantillon constitué par ce dépôt 28 renferme un premier groupe de descendants solides des gaz Radon de la chaîne radioactive de l'uranium et du thorium se trouvant normalement présents dans l'atmosphère, et un deuxième groupe de poussières d'autres composés représentant l'image d'une contamination radioactive. Ces différentes poussières radioactives émettent des particules Alpha, des particules Bêta, et des rayonnements Gamma. La mesure de la radioactivité des poussières du deuxième groupe doit être extraite du rayonnement important engendré par les descendants solides du premier groupe. Le rayonnement du premier groupe est environ 100 fois plus important que celui des poussières radioactives du deuxième groupe. Les diodes D1 et D2 du capteur 12 sont soumises d'autre part au rayonnement Gamma ambiant naturel ou non (source Gamma). En référence aux figures 4 et 5, le capteur 16 comprend une première voie de détection VD1 incluant la première diode réceptrice D1 sensible aux rayonnements Bêta, Alpha et Gamma de l'échantillon d'aérosols 28 déposé sur la partie intermédiaire 14A du filtre 14, et une deuxième voie de détection VD2 comportant la deuxième diode réceptrice D2 sensible uniquement au rayonnement Gamma. Les deux diodes D1, D2 superposées sont séparées l'une de l'autre par un premier écran 30 continu destiné à écarter le rayonnement Bêta. Les sorties des deux diodes réceptrices D1, D2 sont connectées respectivement à des préamplificateurs 32,34 du circuit électrique 18, lequel comporte de plus un amplificateur 36 intercalé entre les sorties respectives des préamplificateurs 32,34 et un circuit de traitement à processeur 38. Le circuit de traitement à processeur 38 fonctionne avec un algorithme de calcul permettant de discriminer le rayonnement des aérosols Bêta à partir de la mesure des rayonnements émis par les particules de l'échantillon 28 déposé sur le filtre 14. Il ressort de l'analyse des spectres de détection des diodes D1, D2 qu'il est impossible de séparer les rayonnements Gamma et Bêta par une fenêtrage en énergie. La détermination du rayonnement des aérosols Bêta met en oeuvre une géométrie spécifique du capteur 16, combinée avec une méthode de calcul élaborée dans le processeur 38 pour obtenir, à partir des rayonnements Bêta et Gamma globaux, et des rayonnements Alpha séparés en énergie: - d'une part les rayonnements séparés en énergie des descendants solides Bêta du premier groupe; - d'autre part le rayonnement compensé Bêta correspondant à la radioactivité des contaminants du deuxième groupe. La structure du capteur 16 est représentée en détail à la figure 5. En plus du premier écran 30 écartant la venue du rayonnement Bêta sur la deuxième diode D2, le capteur 16 comporte un deuxième écran 40 en forme de grille plane de séparation accolée à la première diode D1 du côté de l'intervalle 26, et positionné en regard de l'échantillon 28 d'aérosols sur le filtre 14. Le deuxième écran 40 est transparent au rayonnement Bêta, et est percé dans la zone centrale d'un trou 42 calibré de forme circulaire pour la séparation du rayonnement Alpha. La présence du trou 42 dans cette grille plane de séparation permet d'obtenir la détection et la séparation des descendants solides Alpha du Radon. Les caractéristiques spécifiques du dimensionnement du capteur 16 déterminent essentiellement l'épaisseur e du deuxième écran 40, de la distance d de l'intervalle 26 entre la bande 14A de filtration et la première diode D1, et du diamètre dd du trou 42. Pour déterminer l'épaisseur e, le deuxième écran 40 doit arrêter le rayonnement Alpha tout en étant transparent au rayonnement Bêta. L'énergie E maximale à prendre en compte est celle du ThC', soit 8,78 MeV. La distance d'arrêt R(milieu) dans un milieu quelconque est donnée par la règle de Bragg-Kherman et la distance d'arrêt R(air) dans l'air par la loi de Geiger: R(milieu) = 3,2.1ou 4Wj. R(air) R(air) = O, 32E312 Avec une grille en aluminium (A=26,98 et p=2,7), il faut une épaisseur e=5,12.10-3 cm pour arrêter le rayonnement Alpha d'énergie inférieure à 8,78 MeV. La distance d'arrêt Rp(air) pour l'aluminium du rayonnement Bêta d'énergie inférieure à 800KeV est donnée par la formule: Rp(air) = 0,4E 1,38 Soit pour une épaisseur e de 5,12.10-3 cm, une énergie de 85 KeV. Le rayonnement Bêta d'énergie inférieure à 85KeV est arrêté par la grille plane de l'écran 40. Cela n'a pas d'incidence sur le capteur, car la fenêtre d'énergie pour le Rayonnement Bêta est entre 100 et 200 KeV. La distance d de l'intervalle 26 a été choisie à 3mm pour réaliser un compromis entre le rendement au rayonnement Bêta, et la réalisation matérielle du capteur 16. La distance dd du trou 42 circulaire du deuxième écran 40 est calculée pour séparer les deux corps les plus proches en énergie E, à savoir le radium C', et le thorium C'. L'énergie maximum Emax du premier corps RaC' doit être inférieure ou égale à l'énergie minimum Emîn du deuxième corps ThC'. Dans le cas d'un écran 40 ayant un diamètre extérieur ds de 24 mm, le diamètre du trou 42 doit être de l'ordre de 8 mm pour assurer une bonne séparation des descendants solides Alpha. La distance d de 3mm de l'intervalle 26 entre le filtre 14 et la première diode D1 correspond au trajet minimal d'une particule émise par l'échantillon 28. Le trajet maximal d'une particule émise est donné par la relation (1): Le signal de mesure S1 à la sortie de la première diode Dt correspond à l'image des rayonnements Bêta, Alpha et Gamma. Le fenêtrage en énergie permet de discriminer les dérivés solides (RaA, RaC', ThA, ThC') présenté dans le tableau suivant: El MeV El (MeV) AIE CORPS E0 (MeV) t=0,3cm t=1,628cm U 238 4,20 3,885 2,309 1,576 U 235 4,40 4,093 2,574 1,519 U 234 4,78 4,486 3,059 1,427 U 233 4,82 4,535 3,119 1,416 PU 239 5,15 4,871 3,518 1,353 AM 241 5,48 5,210 3,913 1,297 PU 238 5,49 5,220 3,925 1,295 Po218RaA 6,00 5,742 4,520 1,222 Bi212ThC 6,09 5,834 4,623 1,211 Po216ThA 6,78 6,538 5,405 1,133 Po2i4RaC' 7,68 7,453 6,401 1,052 Po212ThC' 8,78 8,568 7,594 0,974 Le calcul effectif des seuils électroniques devra bien entendu tenir compte de la dispersion et de la précision des éléments électroniques. La géométrie du capteur 16 permet d'obtenir un rendement maximal aux rayonnements Bêta et une discrimination des descendants solides Alpha. La séparation des rayonnements Bêta et Gamma résulte de la compensation des rayonnements Gamma obtenue par une opération de soustraction du signal de mesure S2 délivré par la deuxième voie de détection VD2, laquelle est associée à la deuxième diode D2 sensible uniquement au rayonnement Gamma. Une erreur de réjection existe néanmoins due à une légère différence résultant de la géométrie du capteur 16, entre le rendement au rayonnement Gamma de la première diode D1 et de la deuxième diode D2. La détection de la radioactivité par le capteur 16 permet de définir les relations (2) suivantes Ni=Nfi+Nyi N2 = Nr2 Ne = Nyl + Nr2 WNI -N2=Np+Ne où N1 est le nombre total d'impulsions sur la diode D1 (pendant un temps donné); N2 est le nombre total d'impulsions sur la diode D2; Nss est le nombre total d'impulsions Bêta sur la diode Di Ny1 est le nombre total d'impulsions Gamma sur la diode Di; Ny2 est le nombre total d'impulsions Gamma sur la diode D2; N est l'erreur de réjection des Gamma; En fonction du rendement du capteur aux rayonnements Bêta, le nombre d'impulsions Bêta (NB) pour une même irradiation sera plus ou moins grand. Ainsi l'erreur de réjection sera imputable à une quantité Nss différente .Pour quantifier ce phénomène on définit un rapport de réjection, r, par la relation (3): rp K où r est le rendement géométrique au rayonnement Bêta: K est un coefficient qui dépend de l'efficacité des diodes D1 et D2 au rayonnement Gamma. Le rapport de réjection est caractéristique de la géométrie du capteur. Plus il est grand, plus la réjection des Gammas (séparation des Gamma et des Bêta) est bonne. On note que l'amélioration du rendement géométrique aux rayonnements Bêta entraîne indirectement une meilleure mesure du rayonnement Bêta, car le rapport de réjection augmente. L'extraction de la mesure compensée des aérosols Bêta du bruit constitué par les descendants solides à rayonnement Bêta, est complexe. La solution proposée est basée sur: - la géométrie du capteur 16 telle que décrit précédemment, - l'algorithme de calcul dans le processeur 38. L'étude des équations de filiation du système global (atmosphère+filtre) montre qu'il est possible de calculer les quantités de descendants solides à rayonnements Bêta à partir des quantités de descendants solides à rayonnement Alpha. Ainsi par "soustraction" de la mesure globale, on obtient la valeur du rayonnement Bêta compensée. La figure 6 montre la contribution globale des deux critères constituant la géométrie du capteur 16 et l'algorithme de calcul mis en oeuvre dans le processeur 38. La structure du capteur 16 permet d'obtenir - le rayonnement Alpha des descendants solides séparés en énergie; - à la sortie de la deuxième diode D2, le signal S2 représentatif du rayonnement Gamma global; - à la sortie de la première diode D1, le signal S1 représentatif du rayonnement Gamma et Bêta total. Il en ressort que la seule structure du capteur 16 rend impossible la séparation des rayonnements Gamma et Bêta par un fenêtrage en énergie. La mise en oeuvre de l'algorithme de calcul dans le processeur 38 permet de calculer le rayonnement Bêta des descendants solides séparés en énergie à partir des quantités de descendants solides à rayonnement Alpha. Par soustraction de la mesure globale, on obtient la valeur du rayonnement Bêta compense. Le rendement maximal aux rayonnements Bêta, et la séparation des descendants solides Alpha du Radon permet une détection en continu des aérosols Bêta. Cette mesure est considérée " continue compte tenu que l'intervalle de temps nécessaire au renouvellement du filtre au moyen de la commande motorisée de la cassette de captage 12, est très court ( quelques secondes) au regard de la période de temps qui sépare deux renouvellements successifs ( de un à plusieurs jours). Le signal S3 à la sortie du circuit de traitement 38 peut être visualisé sur un afficheur 46 et/ou un dispositif d'alarme. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la radioactivité des aérosols présents dans un local à surveiller, comprenant un capteur (16) à diodes réceptrices (D1, D2) sensibles aux rayonnements radioactifs émis par les aérosols, et un circuit électronique (18) de traitement associé au capteur (16) pour élaborer en continu un signal représentatif de ladite radioactivité détectée par les diodes, caractérisé en ce que le capteur (16) est disposé en regard d'une bande (14) de filtration destinée à capter un échantillon (28) des aérosols avec interposition d'un intervalle (26) ayant une distance d prédéterminée, ledit capteur (16) comportant: - un premier écran (30) continu de séparation intercalé entre la première diode réceptrice (D1) proche de la bande (14) de filtration, et une deuxième diode réceptrice (D2), ledit premier écran (30) étant destiné à inhiber la détection du rayonnement Bêta par la deuxième diode (D2), - un deuxième écran (40) en forme de grille plane de séparation accolé à la première diode réceptrice (D1) du côté de l'intervalle (26) et en regard de l'échantillon (28) des aérosols déposés sur la bande (14) de filtration, ledit deuxième écran (40) étant transparent au rayonnement Bêta, et comprenant dans la zone centrale un trou (42) calibré pour la séparation du rayonnement Alpha. 2. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille de séparation du deuxième écran (40) est réalisée en un matériau opaque aux particules Alpha, notamment une feuille métallique en aluminium, ayant une épaisseur e de l'ordre de 5.10-3cm. 3. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance d de l'intervalle (26) entre la première diode (D1) et la bande (14) de filtration est déterminée en relation avec les dimensions du détecteur, le filtre, le débit de prélèvement, le niveau de pression/dépression ambiant du volume de détection, et le parcours des particules Alpha dans le volume de détection. 4. Dispositif de mesure de la radioactivité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le trou (42) calibré présente une forme circulaire ayant un diamètre (dd) de l'ordre du tiers de celui du deuxième écran (40). 5. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 4, caractérisé en ce que le diamètre (dd) du trou (42) est voisin de 8mm. 6. Dispositif de mesure de la radioactivité selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit électronique (18) comprend: - une première voie de détection (VDi) associée à la première diode réceptrice (D1) pour élaborer un premier signal de mesure S1 correspondant à l'image du rayonnement total Bêta et Gamma incluant des descendants solides de l'air ambiant et des contaminants, - une deuxième voie de détection (VD2) associée à la deuxième diode réceptrice (D2) pour délivrer un deuxième signal de mesure S2 représentatif du rayonnement Gamma global; - et un circuit de traitement à processeur (38) recevant après amplification les signaux de mesure (S1, S2), et délivrant un signal de sortie S3 représentatif du rayonnement Bêta compensé dû aux seuls contaminants. 7. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 6, caractérisé en ce que le processeur du circuit de traitement (38) fonctionne avec un algorithme permettant de déterminer le rayonnement Bêta des descendants solides séparés en énergie, qui après soustraction avec le rayonnement Bêta total, donne ledit signal de sortie S3. 8. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande (14) de filtration est poreuse, et est enroulée sur une bobine débitrice (20) et une bobine réceptrice (22) montées à rotation à l'intérieur d'une cassette (12) de captage, laquelle est équipée d'une chambre de dépression (24) destinée à aspirer l'air contaminé dans ledit intervalle (26) pour former l'échantillon (28) des aérosols sur une partie intermédiaire (14A) de la bande (14) située en regard de la première diode réceptrice (Dl). 9. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cassette (12) est associée à un système motorisé à commande automatique séquentielle de la bande (14) de filtration, autorisant ia détection en continu des aérosols Bêta pendant des intervalles de temps prédéterminés, le signal S3 issu du circuit de traitement (38) étant délivré vers un afficheur (46) et/ou un dispositif d'alarme. 10. Dispositif de mesure de la radioactivité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance d de l'intervalle (26) est comprise entre 3mm et 16mm.