Brevet FR2808092A1 — publié le 20011026

DETECTEUR SOLIDE PAR SCINTILLATION présente invention concerne un détecteur solide par scintillation susceptible de mesurer simultanément des rayonnements a, @ et X basse énergie. détecteurs solides par scintillation susceptibles de mesurer simultanement des rayonnements a, 5 et X basse énergie sont couramment utilisés pour la détection de particules radioactives, notamment dans les ambiances des industries et laboratoires de recherche liées à la production d'énergie nucléaire, à la médecine nucléaire, à la radioprotection, à la prospection pétrolière, à la physique. Ces détecteurs solides sont notamment utilisés pour détecter d'éventuelles contaminations, par exemple d'air ou de poussières, dans des installations. Les mesures obtenues par ces détecteurs sont d'une tres grande importance car elles permettent de déterminer si un environnement, exemple d'une installation susceptible de comprendre des matériaux radioactifs, apte à être utilisé. On décidera notamment d'arrêter le fonctionnement d'une installation si un seuil limite de rayonnement est dépassé. détecteurs solides par scintillation susceptibles de mesurer simultanément les rayonnements a, 0 et X basse énergie connus actuellement sont détecteurs comprenant un cristal de scintillation de la composition Iodure de Césium, dopé Thallium, noté usuellement Csl(TI). détecteurs solides, comprenant un photomultiplicateur, ont longtemps donné satisfaction car ils permettent un comptage global des particules a, (i et X basse energie. Leur efficacité de scintillation permet notamment de détecter la présence de particules radioactives telles que celles émises par isotopes suivants : 24'Am (a et y à 60 keV), ' 9Cd (RX à 22 keV), 36CI (5 avec 270 keV d'énergie moyenne), 22Na (p avec 545 keV d'énergie moyenne et y). On définit l'efficacité de détection par le nombre de photons lumineux, issus du scintillateur, collectés par la photocathode du photomultiplicateur par unité d'énergie du rayonnement considéré. II convient de noter que l'efficacité de détection varie d'un type de particule à l'autre : pour information rendement lumineux (nombre de photons émis par unité d'énergie incidente), à énergie équivalente incidente égale, un proton produit entre un quart la moitié de la lumiere produite par une électron là où une particule alpha n' produira qu'un dixième ). Cependant alors que les exigences de sécurité augmentent régulièrement, ces détecteurs connus semblent avoir atteint une limite dans pertinence des informations qu'ils donnent dans le cas de contaminations résiduelles. En outre on observe une dégradation des performances de ces détecteurs cours du temps. Les contaminations résiduelles font l'objet d'attention croissante et la limite à partir de laquelle on décide d'arrêter une installation décroît régulièrement. On s'intéresse notamment à détecter des rayonnements de très basse énergie, par exemple ceux émis par le '4C (P avec 49,4keV d'énergie moyenne). II convient de noter que l'énergie moyenne du rayonnement d'un émetteur @i correspond sensiblement à un tiers de la valeur de l'énergie maximale ce rayonnement. Dans le cas du '4C, l'énergie maximale émise par le rayonnement (i est de 158 détecteurs connus, susceptibles de mesurer simultanément les rayonnements a, 0 et X basse énergie, ne permettent pas de mesurer avec une bonne efficacité les rayonnements de très basse énergie. On appelle rayonnements de très basse énergie notamment les rayonnements P dont l'énergie maximale est inférieure à keV, et les rayonnements X avec une énergies inférieure à 5 keV . Le problème technique résolu par la présente invention celui de la détection simultanée de rayonnements a, P et X basse et de très basse énergie, notamment les rayonnements P dont l'énergie maximale est inférieure à 200 keV. Ce problème est résolu par un détecteur solide par scintillation comprenant au moins un moyen de mesure de la lumière, ledit détecteur étant susceptible de mesurer simultanément des rayonnements a, (i et X basse énergie et qui comprend au moins un matériau cristallin à base d'oxyde d'aluminium et d'Yttrium sous la forme perovskite, de formule chimique YA103 dopé par du Cérium, noté usuellement YAP(Ce). En effet, un tel détecteur solide par scintillation est susceptible de mesurer des rayonnements X et @ de très basse énergie. Tout système photosensible qui dispose d'une efficacité de réponse à la longueur d'onde d'émission du YAP(Ce), c'est à dire 370 nm, est susceptible de constituer un moyen de mesure de la lumière selon l'invention. On peut citer, par exemple, des capteurs de type CCD, photodiode, PSPMT. Selon un mode de réalisation de l'invention le moyen de mesure de la lumière de ce détecteur solide scintillation est un photomultiplicateur. Selon un mode de réalisation de l'invention le détecteur comprend également une fenêtre d'entrée. Selon une variante la fenetre d'entrée est un film polymère métallisé ou étanche à la lumière, notamment type des films connu sous le nom commercial MYLAR. Selon une autre variante la fenêtre d'entrée est constituée par un dépôt métallique en couche mince, notamment d'aluminium sur un cristal en YAP. Une épaisseur typique d'un tel dépôt est de l'ordre de 100 nm. Selon une variante la fenêtre d'entrée est une feuille mince métallique, notamment d'aluminium, d'une épaisseur typiquement de l'ordre de quelques micromètres. Selon un autre mode réalisation le détecteur est dépourvu de fenêtre d'entrée. Ce mode de réalisation convient aux cas où une étanchéité à la lumière est superflue. Selon un mode de réalisation préféré le matériau cristallin à base YAP(Ce) est un monocristal de YAP(Ce). Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau cristallin à base de YAP(Ce) est un polycristal de YAP(Ce). Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau cristallin à base de YAP(Ce) est une poudre de cristaux de YAP(Ce). L'invention concerne également un détecteur solide par scintillation qui peut mesurer le rayonnement 0 de l'isotope 14 du carbone , '4C ,avec un rapport signal sur bruit supérieur à 20. L'invention concerne également un détecteur solide par scintillation qui peut mesurer le rayonnement (3 de l'isotope de tritium ,3H. Selon un mode de réalisation préféré ce détecteur solide par scintillation comprend un cristal de YAP(Ce) de faible épaisseur, notamment moins de 100 /J M. Selon un autre mode de réalisation de l'invention , ce détecteur solide par scintillation comprend une poudre de YAP(Ce). L'invention concerne également une méthode de détection du Tritium, 3H où le détecteur par scintillation utilisé est un détecteur solide. Afin d'illustrer l'intérêt du dispositif selon l'invention des essais comparatifs ont été effectués avec un dispositif connu comprenant un matériau cristallin à base Csl(TI) . conditions de mesure sont les suivantes - Geométrie de cristal : cristal sous forme d'un disque de diamètre 36mm et d'epaisseur 1,5 mm. - Configuration du détecteur CSI(TI) : cristal de CSI(TI) adhéré à la graisse un plexiglass d'épaisseur 2 mm, le tout adhéré à l'aide d'une graisse optique sur un photomultiplicateur Philips XP2008. - Configuration du détecteur Yap(Ce) : le détecteur intègre directement un cristal de Yap(Ce) collé sur un photomultiplicateur Hamamatsu 2060. - Fenêtre d'entrée : Mylar aluminisé 14 ,um, montées de la même façon sur chacun des cristaux. - Conditions de mesures pour les comptages et efficacités : la chaîne de mesure la même pour les deux produits avec des réglages de seuils et de tension identiques. Chacun des produits est placé à son tour dans un montage mécanique et les acquisitions sont faites sur chaque source. Le temps d'acquisition est de 10 secondes sur une échelle de comptage NOVELEC à une tension fixe de 1300 V. Pour ces mesures, les angles solides sous lesquels les deux détecteurs voient sources sont semblables. Le tableau I compare les performances des deux dispositifs terme de taux de comptage. Le tableau II permet de comparer l'amélioration du rapport signal sur bruit que permet le détecteur selon l'invention, comparé au détecteur à base de CSI(TI) mesure du comptage brut et du bruit de fond (exprimés en coups par seconde) pour déterminer le rapport signal sur bruit d'un détecteur comprenant un cristal de YAP(Ce) comparé à un détecteur comprenant un cristal de Csl(TI). Le tableau III présente le rendement (en %) du détecteur comprenant un cristal de YAP(Ce) comparé au détecteur comprenant un cristal Csl(TI). Type de cristal Sources Energies Csl(TI) YAP(Ce) n'Am cc : 5486 keV+ y : 60 keV 233 269 7 yCd RX : 22 keV 818 767 36 cl 5:710 keV max. 807 049 22 Na 5 : 545 keV max. + y : 511 et 1274 keV 9123 8546 14C P : 158 keV max. 19 125 Tableau I : Mesure du taux de comptage, en coups par seconde pour une tension de 1300 V appliquée sur le photomultiplicateur. Type de matériau cristallin de Scintillation Csl(TI) YAP(Ce) Comptage Bruit de Rapport Comptage Bruit d Rapport signal Sources Energies brut fond signal sur brut fond sur Bruit Bruit 2e'Am a : 5486 keV 237,1 3,7 64 271,5 2,7 101 +y: 60 keV 7 'Cd RX : 22 keV 825,9 7,9 105 769,7 2,7 285 ' C1 (3 : 710 keV max. 809,9 3,1 261 1048,7 3,0 350 545 keV max. 9125,0 2,2 4148 8545,7 1,9 4498 22Na + 511 et 1274 keV 14C [3: 158 keV max. 22,0 3,0 7 127,1 2,5 51 Tableau II: comptages et rapport signal sur bruit d'un détecteur comprenant un cristal de YAP(Ce) comparé à un détecteur comprenant un cristal de CSI(TI). Energie P moyenne Energie 0 maximale Rendement du Rendement du Isotopes détecteur détecteur (keV) (keV) avec Csl(TI) (%) avec YAP(Ce) (%) 14C 49,4 156,5 7 46 "Na 215,6 545,5 27 25 36CI 251,5 709,5 31 40 Tableau III : rendements d'un détecteur comprenant un cristal de YAP(Ce) comparé un détecteur comprenant un cristal de Csl(TI). L'invention démontre donc la possibilité d'utiliser de manière avantageuse un scintillateur solide, c'est à dite où des particules interagissent avec au moins un cristal, pour détecter des rayonnements de très basses énergies . Cette détection peut, en fonction des activités et de type de phase concernée (gaz, liquide, solide), se faire en un temps relativement court et à moindre coût. De plus, pour des zones à fortes voire très forte contaminations (activités), il est avantageux d'utiliser un scintillateur rapide tel que le YAP(Ce) qui autorise des taux de comptage supérieurs à 1 MHz. REVENDICATIONS 1. Détecteur solide par scintillation comprenant au moins un moyen mesure la lumière, ledit détecteur étant susceptible de mesurer simultanément des rayonnements a, (3 et X basse énergie caractérisé en ce qu'il comprend cristal YAP(Ce). Détecteur solide par scintillation selon la revendication 1 caractérisé ce le moyen de mesure de la lumière est un photomultiplicateur. Détecteur solide par scintillation selon l'une des revendications 1 à caractérisé en ce que le détecteur comprend également une fenêtre d'entrée. 4. Détecteur solide par scintillation selon la revendication 3 caractérisé ce que la fenêtre d'entrée est un film polymère métallisé ou étanche à la lumière, notamment du type des films connu sous le nom commercial MYLAR. 5. Détecteur solide par scintillation selon la revendication 3 caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée est constituée par dépôt métallique en couche mince, notamment d'aluminium sur un cristal de YAP(Ce). 6. Détecteur solide par scintillation selon la revendication 3 caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée est une feuille mince métallique, notamment d'aluminium, d'une épaisseur typiquement de l'ordre de quelques micromètres. 7. Détecteur solide par scintillation selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le détecteur est dépourvu de fenêtre d'entrée. 8. Détecteur solide par scintillation selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le matériau cristallin à base YAP(Ce) est un monocristal de YAP(Ce). 9. Détecteur solide par scintillation selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le matériau cristallin à base de YAP(Ce) est un polycristal de YAP(Ce). 10. Détecteur solide par scintillation selon l'une des revendications 1 à caractérisé en ce que le matériau cristallin à base de YAP(Ce) est une poudre cristaux YAP(Ce). 1 . Détecteur solide par scintillation selon l'une des revendications 1 à caractérisé en ce qu'il comprend un cristal de YAP(Ce) de faible épaisseur, notamment moins de 100 pm. 12. Application du détecteur solide par scintillation suivant l'une des revendications 1 à 11 à la mesure des rayonnements X et P de très faible énergie. 13. Application du détecteur solide par scintillation suivant l'une des revendications 1 à 11 à la mesure rayonnement 5 de l'isotope 14 du carbone avec un rapport signal sur bruit superieur à 20. 14. Application du détecteur solide par scintillation suivant l'une des revendications 1 à 11 à la mesure du rayonnement P de l'isotope de tritium, 3H.