Brevet FR2883383A1 — publié le 20060922

La présente invention se rapporte à la localisation à distance et à la cartographie des sources électromagnétiques émettant dans l'extrême ultraviolet, X et gamma ou dans le domaine des rayonnements bêta. On rencontre ce type de radiations dans la Recherche Scientifique, dans l'Industrie notamment Nucléaire et dans le domaine Médical. Les rayonnements d'extrême UltraViolet sont devenus d'usage courant dans la gravure des plaques de silicium ou Wafers dans l'industrie électronique. Les rayonnements X sont un outil incontournable pour le diagnostic dans l'industrie de la manufacture, dans le domaine médical mais aussi dans la recherche notamment biologique. Les rayonnement bêta, X ou gamma sont émis par les Radionucléides tels que les Transuraniens, et les Produits de fission nucléaire rencontrés dans l'Industrie Nucléaire; alors qu'ils posent un sérieux défi pour la protection des Travailleurs et du Public, ils sont difficiles à localiser par les méthodes conventionnelles imprécises, peu sensibles et nécessitant le plus souvent l'intervention rapprochée d'un Travailleur soumis alors au rayonnement ionisant. Ces rayonnements électromagnétiques sont caractérisés par leur longueur d'onde( en nm) ou bien par l'énergie de leur photons ( en eV ou KeV ou MeV). On passe de l'un à l'autre par la formule: E=h*c/X, h, étant la Constante de Planck, c, la vitesse de la lumière, ?,la longueur d'onde. Pour créer des images à partir de rayons X,ou gamma on ne dispose pas de lentilles permettant de focaliser ces rayons et donc ensuite de fabriquer un appareil photo ou encore une caméra au sens habituel ou camescope. Les moyens actuels se résument: + à une plaque sensible à coller contre l'objet à imager, comme on le voit en radiographie du corps humain; cette plaque est encombrante et peut être contaminée si les sources radioactives sont affleurantes. +à 1 utilisation d'un sténopé, qui permet de créer une image homothétique sur un CCD. Le sténopé est toujours un trou de petite taille qui capte en très petite quantité le rayonnement de la source X. Donc sa sensibilité est vraiment très mauvaise. +à la mise en oeuvre complexe de masques codés , dont la lisibilité est précaire, à cause des artefacts propres à ce genre de technique. +au balayage à distance avec un capteur collimaté sensible au rayonnement à percevoir. Ces trois dernières réalisations donnent une cartographie très lente et de mauvaises résolution et sensibilité. Par ailleurs, la distance parcourue par les rayonnements bêta est 55 faible et ne permet pas de les détecter à distance, par les moyens cidessus. Le dispositif optique et électronique selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients, en permettant de façon inattendue, de localiser à distance les sources électromagnétiques émettant dans le domaine de l'extrême UltraViolet et des X et gamma, avec plus de sensibilité que les moyens déjà connus. C'est une nouvelle sorte de caméra X et gamma qui peut prendre des images à distance et au travers de protections, des sources mêmes faibles de ces radiations invisibles. Par ailleurs, les émetteurs bêta, au contact de matériaux absorbants tels que les métaux ou les bétons, produisent une émission X par effet bremstrahlung. Ces rayonnements X voyagent suffisamment loin pour être détectés par l'invention. Pour imager les susdits rayonnements, l'invention revendiquée utilise un fagot ou faisceau de longues fibres creuses ou capillaires,dit faisceau optique, associé à un moyen de détection des photons. Un long capillaire X,ou gamma est un tube creux, de faible diamètre qui guide les rayons X ou gamma, suivant de multiples réflexions. Diamètre: 10 gm à 2 mm et préférentiellement 50 à 500 m; plus courte est la longueur d'onde à observer, plus fin doit être le capillaire. Longueur 2 cm à 50 cm et préférentiellement 5 à 40 cm. La longueur est 25 en relation avec la longueur d'onde des photons,le matériau des fibres,et la définition de l'image souhaitée. Son domaine de détection des photons revendiqué est ici de 10 eV à 200 KeV, ce qui correspond aux longueurs d'onde de 115 à 0.006 nm. En présence d'une source multi-énergies, les rayons les plus énergétiques, dits durs, se concentreront dans l'axe de vue directe des capillaires, tandis que les rayons mous s'étaleront en halo, autour. D'une certaine façon, cela mettra davantage en évidence les rayons mous, ce qui est un plus, de cet appareillage. L'invention utilise un paquet de milliers de ces capillaires pour former un polycapillaire, de diamètre extérieur de plusieurs cm, préférentiellement de 1 à 20 cm. Nous appelons ce paquet un faisceau optique . Le matériau de constitution des capillaires et donc sa réflectivité est adapté à la longueur d'onde des sources à imager. Typiquement ce peut être du verre borosilicaté dopé ou non en baryum ou en plomb; ce peut être aussi tout matériau ductile qu'on peut travailler facilement, tels que l'or, l'argent, le nickel, le cuivre ou des alliages de ces matériaux. On peut aussi envisager des matériaux plus difficiles tels que le tungstène, le carbure de silicium, le carbure de bore si l'on sait les perforer à la manière du faisceau optique décrit dans l'invention. Plus l'énergie des photons à capter augmente plus il faut augmenter la densité du matériau. La transmission de la lumière est affectée par la rugosité des parois du capillaire, rugosité qui entraîne des phénomènes de diffraction; elle est aussi affectée par sa longueur. La paroi interne des capillaires devra être aussi lisse que possible. Parce que ce faisceau est l'optique de l'imageur il doit être soigneusement dessiné en fonction de l'application. Il a pour l'essentiel, la forme d'un cylindre ou d'un tronc de pyramide à base carrée ou préférentiellement d'un tronc de cône. Sa base la plus large dite avant est dirigée vers la source à localiser. Sa base la moins large dite arrière est en contact avec le détecteur de photons. Lorsque le faisceau est en verre, on assemblera et compressera les capillaires et on les étirera dans un four électrique une fois atteint la température de ramollissement. Chaque fibre prend alors une forme effilée avec un diamètre plus grand côté avant et un diamètre plus fin côté arrière. Cette forme effilée est une des formes privilégiée de la réalisation de l'invention, y compris avec d'autres matériaux. Le ratio diamètre du capillaire à l'avant sur diamètre du capillaire à l'arrière sera compris entre 1 et 10 et préférentiellement entre 2 et 4 L'assemblage de plusieurs centaines de fibres conduit alors naturellement à la forme tronc de cône globale, l'axe des capillaires convergeant virtuellement en un point extérieur F. L'angle en profil conique des perforations du faisceau, définit le 20 champ d'observation de l'appareil optique. De façon préférentielle, la grande base du tronc de cône, donc l'avant, sera hémisphérique; le rayon de courbure de cette calotte sphérique sera voisin de la distance séparant l'avant du faisceau, du point de convergence virtuel des capillaires. La conicité, la nature du verre ou du matériau réfléchissant seront avantageusement adaptés à la longueur d'onde et à la largeur de champ que l'on veut capter; de même, le nombre capillaires ainsi que leur diamètre, longueur et épaisseur sont en relation avec la définition ou la précision de l'image obtenue. Le ratio surface totale perforée sur surface frontale du faisceau est en relation directe avec la sensibilité de l'appareil. Comme on le voit tous ces paramètres géométriques sont à optimiser en vue d'une application donnée. Un opercule est placé derrière ou préférentiellement devant le faisceau optique. Il est en matériau d'épaisseur faible, de 0.1 à 2mm, et de densité faible et préférentiellement fait en Aluminium ou mieux en Béryllium. A l'arrière du faisceau optique est appliqué le détecteur de photons, dont le premier élément est le photoscintillateur. C'est une plaque mince dont l'épaisseur est d'autant plus forte que l'énergie des photons est élevée, qui convertit les photons incidents ultraviolets, X ou gamma en photons visibles; on l'appelle l'écran phosphore. Sa matière est de l'iodure de Césium, ou de l'Iodure de Sodium. Alternativement, et préférentiellement il consiste en un dépôt de grains ou de cristaux sur un substrat: verre ou aluminium... de Gd2O2S: Tb ou CsI: TI. Derrière le photoscintillateur est appliqué un photoamplificateur électronique. Le signal lumineux crée dans le Scintillateur est électroniquement amplifié dans ce tube intensifieur. Derrière l'amplificateur est placé un chignon de fibres optiques ou taper , destiné à réduire la taille de l'image pour la faire correspondre à la taille du capteur CCD. Derrière ce réducteur d'image est placé le capteur CCD ou CMOS qui convertit l'image finale en signal électronique envoyé à la carte électronique d'acquisition d'image de l'ordinateur. Le couplage optique de tous ces éléments peut se faire au moyen d'une 5 colle transparente ou d'un gel ad hoc . L'image configurée sur le CCD ou CMOS, est acheminée en temps réel vers un ordinateur, et analysée en léger différé, par un logiciel d'imagerie approprié, permettant entre autre, d'assembler toutes les taches de lumière issues de chaque fibre en une image,en tenant compte de l'éclairement des fibres voisines. De cette façon on améliore l'éclairement et la définition de l'image finale. Si une seule image acquise dans l'ordinateur ne suffit pas, plusieurs dizaines d'images peuvent être accumulées dans la mémoire de l'ordinateur ou du capteur, pour finalement être assemblées en une image statistique synthétique. L'ensemble du montage, hors ordinateur, est enfermé et fixé dans un boîtier support qui, étanche aux radiations lumineuses, protège de par son épaisseur le photoscintillateur et le CCD ou CMOS des radiations X ou gamma parasites. Seul, l'avant du boîtier est ouvert sur l'avant du faisceau optique et de son opercule. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente un faisceau optique ou polycapillaire de forme tronconique, les axes des capillaires effilés convergents au point F. La figure 2 présente un mode de réalisation du faisceau optique pyramidal à base carrée. La figure 3 montre un mode de réalisation du faisceau optique 30 tronconique à base de capillaires en verre. La figure 4 représente selon un premier mode de réalisation du dispositif complet sans son opercule et sans son boîtier protecteur. La figure 5 schématise ce premier mode de réalisation assemblant de façon appropriée, un opercule(2), un faisceau optique à base de capillaires(l), un photoscintillateur(3), un photoamplificateur(4), un chignon ou taper de fibres optiques(5),un CCD(6) ou un CMOS ou encore un capteur électronique de lumière et un ordinateur(7. La figure 6 représente selon un deuxième mode de réalisation, le montage de façon appropriée d'un obturateur, d'un faisceau optique à base de capillaires(l)imprégnés d'un photoscintillateur(3), d'un photoamplificateur (4), d'un taper de fibres optiques(5), d'un CCD (6) ou d'un CMOS ou encore d'un capteur électronique de lumière et d'un ordinateur(7. De façon préférentielle, l'avant du faisceau, est hémisphérique. Dans ce mode particulier de réalisation, l'extrémité arrière des fibres est imprégnée de grains ou cristaux de CsI, ou NaI, ou Gd2O2S:Tb ou CsI:TI, sur un ou plusieurs millimètres. Le photoamplificateur est alors plaqué directement sur l'arrière du taper . Le reste du dispositif n'est pas différent de ce qui est exposé ci-dessus. Pour faciliter les repérages, et créer une cartographie, cette image UV, X ou Gamma est convertie en fausses couleurs traduisant l'intensité du rayonnement reçu ou encore les différentes longueurs d'ondes captées et superposée à une image visible prise en même temps par un appareil photo opérant en lumière visible et d'axe colinéaire à celui du dispositif de l'invention. Deux visées décalées de façon appropriée, d'une même scène la feront avantageusement apparaître en relief et permettront une imagerie dite 3D; ceci permet de lever le doute sur l'emplacement exact en profondeur, de la source UV, X ou gamma. Cette invention peut être appliquée industriellement et avantageusement partout ou le besoin d'imagerie à distance se fait sentir, ceci couvrant une large bande de longueurs d'onde, de l'ultraviolet aux rayonnements gamma durs (de 10 eV jusqu'à 0.2 MeV)émis directement ou provenant de sources bêta. Il suffira à chaque fois d'adapter le matériau, la forme et les perforations du faisceau optique, ainsi que la matière photoscintillante. A chaque fois le gain par rapport à d'autres systèmes connus, se fera en termes de sensibilité, compacité, légèreté, coût de réalisation, superpositions faciles d'images ou encore robustesse. L'expérience du Déclassement des Installations Nucléaires a montré par exemple, que la radioactivité responsable de l'irradiation ionisante, est rarement uniformément distribuée. Elle est souvent située à des endroits spécifiques dépendant de la configuration de l'Installation Nucléaire, ou encore des incidents produits durant son exploitation. En localisant à distance ces sources radioactives, elles peuvent être astucieusement traitées par des moyens appropriés, tels que l'enlèvement par moyens téléopérés ou robotisés, la décontamination ou la mise en place d'écrans. Dans les procédures de Décontamination, à titre de second exemple, la localisation des taches radioactives est cruciale pour l'économie de temps, d'exposition radioactive du Personnel, ou tout simplement des produits de nettoyage utilisés et des déchets à stocker sur de longues durées qu'ils représentent. Dans l'exploitation d'une Installation Nucléaire,à titre de troisième exemple, les différentes sources radioactives se déplacent et nécessitent un suivi cartographique. Dans un Réacteur Nucléaire, les contaminants se déplacent dans le Circuit Primaire, ou diffusent dans les piscines de stockage avant d'être piégés sur des lits de résines échangeuses d'ions. Dans les Usines de Retraitement, l'énorme radioactivité contenue dans les crayons de Combustible, est libérée puis traitée et séparée, avant de refaire un nouveau combustible. Tous ces processus peuvent être suivis à distance et au travers des parois de confinement, par une cartographie X ou gamma, relevant de cette Invention. Des aspects concernant la sécurité s'imposent aussi dans la gravure des Wafers ou dans le domaine biomédical ou dans le contrôle industriel, de façon à s'assurer qu'aucun faisceau dangereux ne s'échappe des appareils émetteurs UV ou X et gamma. L'invention permettant de repérer facilement les fuites de rayonnement, il sera facile d'y remédier. Toute la description ci-dessus et les schéma ci-dessous sont destinés à la compréhension de l'invention sans en limiter la portée et les applications potentielles. -6-REVENDICATIONS 1+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, caractérisé en ce qu'il comporte pour imager les susdits rayonnements, un faisceau optique ou faisceau de longues fibres creuses ou capillaires, ce faisceau ayant la forme d'un cylindre ou d'un tronc de pyramide à base carrée ou d'un tronc de cône, dont la base la plus large dite avant est dirigée vers la source à localiser et dont la base la moins large dite arrière est en contact avec un détecteur de photons, ce faisceau ayant un diamètre extérieur de plusieurs cm, et préférentiellement de 1 à 20 cm et ayant une longueur de 2 à 50 cm. 2+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capillaires du faisceau optique sont des tubes creux, de faible diamètre, de 10 gm à 2mm et préférentiellement 50 à 500 m, de longueur 2 cm à 50 cm et préférentiellement 5 à 40 cm, leur longueur étant en relation avec la longueur d'onde des photons à capter, le matériau des fibres, et la définition de l'image souhaitée. 3+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les fibres capillaires ont une forme effilée avec un diamètre plus grand côté avant et un diamètre plus fin côté arrière, le ratio diamètre du capillaire à l'avant sur diamètre du capillaire à l'arrière étant compris entre 1 et 10 et préférentiellement entre 2 et 4. 4+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les capillaires du faisceau optique sont en verre borosilicaté dopé ou non en baryum ou en plomb, ou en matériau ductile qu'on peut travailler facilement, tel que l'or, l'argent, le nickel, le cuivre ou des alliages de ces matériaux ou encore des matériaux plus difficiles tels que le tungstène, le carbure de silicium, le carbure de bore si l'on sait les perforer à la manière du faisceau optique décrit dans l'invention, le dit matériau étant choisi en fonction de l'énergie des photons à capter. 5+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, caractérisé en ce que il comporte, selon une première réalisation, l'addition de façon appropriée, d'un opercule étanche à la lumière visible, d'un faisceau optique à base de capillaires selon les Revendications 1,2, et 4, d'un détecteur de photons constitué d'un photo-scintillateur, d'un photoamplificateur, d'un chignon ou taper de fibres optiques, d'un CCD (charged coupled device) ou d'un CMOS (Compementary Metal Oxide Semiconductor) et d'un ordinateur, l'ensemble du montage, hors ordinateur, étant enfermé et fixé dans un boîtier support qui, étanche aux radiations lumineuses, protège de par son épaisseur le photoscintillateur et le CCD ou CMOS des radiations X ou gamma parasites, l'avant seul du boîtier étant ouvert sur l'avant du faisceau optique et de son opercule. 6+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, caractérisé en ce que il comporte en l'addition de façon appropriée, d'un opercule étanche à la lumière visible, d'un faisceau optique à base de capillaires selon les Revendications 1,2,3,4 dont l'extrémité arrière est imprégnée d'une matière photoscintillante et préférentiellement de grains ou cristaux de CsI, ou NaI, ou Gd2O2S:Tb ou CsI:TI, sur un ou plusieurs millimètres, le dit faisceau optique étant encore additionné d'un photoamplificateur, d'un taper de fibres optiques, d'un CCD (charged coupled device) ou d'un CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-Conductor)et d'un ordinateur, l'ensemble du montage, hors ordinateur, étant enfermé et fixé dans un boîtier support qui, étanche aux radiations lumineuses, protège de par son épaisseur le photoscintillateur et le CCD ou CMOS des radiations X ou gamma parasites,l'avant seul du boîtier étant ouvert sur l'avant du faisceau optique et de son opercule. 7+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, selon les revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que l'image configurée sur le CCD ou CMOS, est acheminée en temps réel vers un ordinateur, analysée en léger différé, par un logiciel d'imagerie approprié, permettant entre autre, d'assembler toutes les taches de lumière issues de chaque fibre en une image, tout en tenant compte de l'éclairement des fibres voisines, plusieurs dizaines d'images pouvant être accumulées dans la mémoire de l'ordinateur ou du capteur, pour finalement être assemblées en une image statistique synthétique. 8+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, selon les revendications 5 ou 6 ou 7, caractérisé en ce que pour faciliter les repérages, l'image UV, X ou Gamma est traduite en fausses couleurs représentant l'intensité du rayonnement reçu ou encore les différentes longueurs d'ondes captées, et en ce que la dite image est superposée à une image visible prise en même temps par un appareil photo opérant en lumière visible et d'axe colinéaire à celui du dispositif de l'invention. 9+ Dispositif optique et électronique pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, selon les revendications 5 ou 6 ou 7 ou 8, caractérisé en ce que deux visées de la même scène avec un décalage approprié, la feront avantageusement apparaître en relief et permettront une imagerie dite 3D de façon lever le doute sur l'emplacement exact en profondeur, de la source UV, X ou gamma, ou bêta. 10+ Dispositif optique selon les revendications précédentes utilisé pour localiser des sources électromagnétiques d'extrême ultraviolet, X ou gamma, de 10 eV à 200 KeV ou encore des sources bêta, dans l'Industrie Nucléaire en Décontamination, en Exploitation ou en Sécurisation, dans le domaine biomédical, dans le contrôle industriel, ou dans la gravure des Wafers, l'invention permettant de s'assurer qu'aucun faisceau dangereux ne s'échappe des appareils émetteurs UV ou X et gamma, et facilitant ainsi les actions correctrices.