Brevet FR2912223A1 — publié le 20080808

CAPTEUR GEIGER-MULLER MINIATURISE ET INSTALLATION DE MESURE ASSOCIEE DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un capteur Geiger-Müller miniaturisé ainsi qu'une installation de mesure de débits de dose qui comprend des capteurs Geiger-Müller miniaturisés selon l'invention. 10 Le capteur Geiger-Müller miniaturisé de l'invention permet avantageusement de réaliser des mesures de débits de dose ainsi que des contrôles radiologiques, in situ, dans des tuyauteries de faibles diamètres lors de réalisation d'états des lieux 15 d'installations nucléaires. La compacité, le faible coût, la facilité de mise en oeuvre et la réponse instantanée que fournit le capteur Geiger-Müller miniaturisé de l'invention ouvrent également de nouvelles perspectives d'utilisation dans l'industrie 20 nucléaire. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Il existe à l'heure actuelle très peu d'équipements permettant de réaliser des mesures de débits de dose in situ dans des tuyauteries de faible 25 diamètre. Une première chaîne de mesures de l'art antérieur est représentée en figure 1. La chaîne de mesures de la figure 1 comprend une sonde à luminescence stimulée optiquement 1 ou sonde OSL (OSL pour Optically Stimulated Luminescense ), une diode 30 laser 2, un photomultiplicateur 3, un amplificateur 4, une carte d'acquisition de données 5, un microprocesseur 6 pour le traitement des données et le calcul du débit de dose D. La technique de détection de la chaîne de mesures à sonde OSL est fondée sur la photoluminescence de cristaux dopés. L'irradiation du cristal se traduit par l'excitation des électrons du matériau. Une stimulation optique du cristal à l'aide d'un couplage diode laser/fibre optique permet de récupérer un signal dépendant de la dose absorbée dans le cristal. Cette chaîne de mesures, bien que présentant un certain nombre d'avantages (méthode de détection sensible et de grande dynamique, faible encombrement du détecteur) présente cependant des inconvénients majeurs, à savoir : -l'impossibilité de faire des mesures en temps réel, - un étalonnage long à effectuer (typiquement 2 jours par sonde), - un coût très élevé, - un faible niveau d'industrialisation. Une deuxième chaîne de mesures de l'art antérieur est représentée en figure 2. La chaîne de mesure de la figure 2 comprend une sonde CdTe ou CdZnTe 7, un bloc de mesures 10 et un microprocesseur 14. La sonde CdTe ou CdZnTe comprend un détecteur CdTe ou CdZnTe 8 et un préamplificateur 9. Le bloc de mesures 10 comprend un amplificateur 11, un bloc codeur + analyseur multicanaux 12 et une alimentation Haute Tension (HT) 13 pour polariser la sonde 7. Le microprocesseur 14 délivre comme résultat, à partir des mesures délivrées par le bloc 10, le spectre gamma S. A partir du spectre gamma, il est possible d'évaluer le débit de Kerma dans l'air. Cette mesure n'est pas immédiate et nécessite un étalonnage. Cette deuxième technique, fondée sur l'utilisation de cristaux semi-conducteurs de type CdTe ou CdZnTe est d'encombrement et de poids réduit (diamètre 8 mm, longueur 100 mm). Facile à mettre en oeuvre, elle permet d'effectuer des mesures dans des lieux non adaptés aux chaînes de mesures de spectrométrie gamma conventionnelles. Elle présente plusieurs avantages : obtention de spectre en énergie ; mise en oeuvre à température ambiante ; fonctionnement possible sous forte irradiation (plusieurs Gy/h) ; étalonnage rapide (1/2 journée). Toutefois, cette technique présente également des inconvénients majeurs, à savoir : l'impossibilité de faire des mesures de débits de dose en temps réel ; les spectres obtenus doivent nécessairement être dépouillés par une personne compétente ; le coût de la chaîne d'acquisition de mesures est très élevé. Un inconvénient majeur des deux systèmes de mesures nucléaires mentionnés ci-dessus est de ne pas permettre l'obtention instantanée d'information liée à l'efficacité des opérations de rinçage et de décontamination. L'invention ne présente pas cet inconvénient. 30 EXPOSÉ DE L'INVENTION En effet, l'invention concerne un capteur Geiger-Müller comprenant un tube cylindrique contenant un gaz sous pression, deux électrodes ayant, chacune, une première partie d'électrode située à l'intérieur du tube cylindrique et une deuxième partie d'électrode située à l'extérieur du tube cylindrique et un câble coaxial ayant une âme et une tresse de masse conductrice, l'âme étant électriquement reliée à la deuxième partie d'électrode d'une première électrode et la tresse de masse conductrice étant électriquement reliée à la deuxième partie d'électrode de la deuxième électrode, caractérisé en ce que les deuxièmes parties d'électrode situées à l'extérieur du tube sont électriquement isolées l'une de l'autre, en ce que les liaisons de l'âme conductrice et de la tresse de masse conductrice avec les deuxièmes parties d'électrode respectives sont des liaisons par soudure et en ce qu'une gaine thermo-rétractable enveloppe et enserre complètement le tube cylindrique, les deuxièmes parties d'électrode et une partie du câble coaxial située à proximité des deuxièmes parties d'électrode. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, la liaison électrique entre l'âme du câble coaxial et la deuxième partie d'électrode de la première électrode comprend une résistance. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le matériau qui constitue le tube cylindrique est un verre au plomb. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, la longueur du tube est 4 sensiblement comprise entre 1 cm et 5 cm et le diamètre du tube est sensiblement compris entre 0,55 et 0,75 cm. L'invention concerne également une installation de mesure de débit de dose caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un tube guide dans lequel est inséré un capteur Geiger-Müller selon l'invention. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les tubes guides sont en acier inoxydable. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les tubes guides ont un diamètre extérieur de 17,14 mm et un diamètre intérieur de 12,5 mm (standard DN 3/8, Schédule 40). Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les tubes guides ont un diamètre extérieur de 2,134cm et un diamètre intérieur de 1,58 cm (standard DN 1/2, Schédule 40). BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, représente une première chaîne de mesures de débit de dose de l'art antérieur ; - la figure 2, déjà décrite, représente une deuxième chaîne de mesures de débit de dose de l'art antérieur ; - les figures 3A-3E représentent différentes étapes pour l'obtention d'un capteur Geiger-Müller selon l'invention ; 30 la figure 4 représente une chaîne de mesures de débit de dose qui utilise un capteur Geiger-Müller selon l'invention ; la figure 5 représente une courbe d'étalonnage de capteur Geiger-Muller de l'invention ; la figure 6 représente un exemple de cellule étudiée à l'aide d'une chaîne de mesures de débit de doses qui utilise un capteur Geiger-Müller de l'invention ; la figure 7 représente un exemple d'utilisation de capteurs Geiger-Müller de l'invention dans les tuyauteries présentes dans la cellule représentée en figure 6 ; la figure 8 représente les courbes de débits de dose mesurées lors du déplacement du capteur Geiger-Müller de l'invention dans le réseau de tuyauteries implanté selon la figure 7 ; la figure 9 représente une cartographie des débits de dose mesurés à l'aide de la structure de capteurs implantés selon la figure 7 ; la figure 10 représente la localisation des zones les plus irradiantes, dénommées Z1, Z2, Z3, qui résultent des mesures de débit de dose représentées aux figures 7 et 8. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 3A-3E représentent différentes étapes pour l'obtention d'un capteur Geiger-Müller de l'invention à partir d'un capteur Geiger-Müller de l'art antérieur. La figure 3A représente une vue éclatée en deux parties d'un capteur Geiger-Müller de l'art antérieur : une partie détectrice 16 est placée en regard d'un câble coaxial 15 muni d'un connecteur K. La partie détectrice 16 est conditionnée dans une capsule métallique rigide en forme de doigt. La capsule métallique rigide en forme de doigt a une longueur sensiblement égale à 10cm et un diamètre sensiblement égal à 12 mm. Le connecteur K qui équipe le câble a un diamètre sensiblement égal à 1,45cm. La capsule métallique rigide en forme de doigt présente l'inconvénient de ne pas pouvoir être introduite au coeur de certains équipements lors d'opérations d'assainissement, en particulier les tuyauteries de diamètre interne inférieur à 15 mm. Une adaptation mécanique et électrique s'avère nécessaire, qui est représentée sur les figures 3B-3E. La figure 3B représente la partie détectrice contenue dans la capsule métallique rigide en forme de doigt de la figure 3A. La partie détectrice comprend une ampoule de verre 17 qui contient un gaz sous pression et deux électrodes 18a, 18b. Chaque électrode comprend une première partie d'électrode située à l'intérieur de l'ampoule de verre et une deuxième partie d'électrode située à l'extérieur de l'ampoule de verre. La longueur de l'ampoule est, par exemple, sensiblement égale à 3cm et le diamètre sensiblement égal à, par exemple, 0,65cm. Une résistance de charge R est montée en série sur l'une des deux parties d'électrode située à l'extérieur de l'ampoule de verre. La résistance de charge R est une résistance qui adapte l'impédance de la partie détectrice 17 à l'impédance du câble coaxial 15. Une gaine thermo-rétractable g1 enserre, au niveau de la résistance R, une fraction des parties d'électrode située à l'extérieur de l'ampoule de verre. La figure 3C représente la partie détectrice de la figure 3B sur laquelle un câble coaxial d'alimentation haute tension 15 est soudé. Une première électrode 18a est électriquement reliée à l'âme du câble coaxial par l'intermédiaire de la résistance de charge R, la deuxième électrode 18b étant directement reliée à la gaine du câble coaxial (tresse de masse). Les électrodes 18a, 18b sont électriquement isolées l'une de l'autre, par exemple par une gaine isolante g2 qui entoure l'électrode 18b. La figure 3D représente, dans sa version finale, un capteur Geiger-Müller selon l'invention 19, lequel correspond au dispositif représenté en figure 3C équipé d'une gaine thermo-rétractable G. La longueur du capteur enserré dans la gaine thermo-rétractable est, par exemple, sensiblement égale à 10cm et le diamètre sensiblement égal à, par exemple, 0,73cm. La gaine thermo-rétractable G est étanche et électriquement isolante. Un tel capteur est facilement maniable et apte à intervenir directement sur site pour effectuer, en temps réel, des mesures au sein des cuves et appareils. La figure 3E est une vue en coupe du capteur Geiger représenté en figure 3D. Dans l'exemple de capteur Geiger-Müller de l'invention décrit ci-dessus, le gaz sous pression est contenu dans un tube de verre d'environ 3cm de long et 0,65cm de diamètre. D'autres matériaux et d'autres dimensions sont toutefois possibles pour réaliser le tube qui contient le gaz sous pression. Le matériau sera ainsi choisi pour pouvoir supporter, en fonction de son épaisseur, la pression du gaz. Par ailleurs, dans la plupart des applications, la longueur du tube peut, selon les cas, varier sensiblement entre lcm et 5cm et le diamètre entre sensiblement 0,55cm et 0,75cm. Un exemple de chaîne de mesures selon l'invention est représenté en figure 4. La chaîne de mesures comprend un capteur Geiger-Müller selon l'invention 20, un circuit d'alimentation Haute Tension 21 du capteur Geiger- Müller, un amplificateur 22, un circuit de mise en forme du signal 23, un ictomètre 24, un dispositif d'affichage 25 qui comprend un écran d'affichage 26 et une imprimante 27. La chaîne de mesures de l'invention est apte à mesurer et suivre des variations de débits de dose en temps réel, ce qui répond au cahier des charges de suivi de décontamination durant les phases de rinçages. Un coefficient d'étalonnage est affecté à chaque type de capteur Geiger-Müller afin de convertir le taux de comptage mesuré (coups par seconde) en unité de débit de dose permettant une lecture directe en unité physique sur l'indicateur numérique. Le tableau 1 ci-dessous donne les résultats d'étalonnage pour un capteur Geiger-Müller selon l'invention équipé d'un premier type de source (source 137 Cs n 10). Dans ce tableau, la grandeur D représente la distance qui sépare le capteur de la source de rayonnement, le coefficient h*k est le coefficient de transfert massique en énergie du milieu radio exposé, la grandeur K (ou KERMA / Kinetic Energy Realased per MAss unit ) représente l'énergie cinétique déposée par unité de masse radio exposée, la grandeur N est, à titre d'exemple non limitatif, le nombre de coups détecté sur un intervalle de temps donné (par exemple 10s) et la grandeur C est le coefficient d'étalonnage. L'étalonnage a été effectué sur un irradiateur accrédité COFRAC (Comité Français d'Accréditation). Tableau 1 : D Type de h k K (air) N C Incertitude source élargie (cm) (Sv/Gy) (pGy.h-l) (cps.s-') (pGy.h-')/( cps.s-l) (%) 100 137 Cs n 10 1,202 23700 2834 8,36 5,0 200 '37 Cs n 10 1,202 5850 752 7,78 5,1 300 '37Csn 10 1,202 2590 335 7,73 5,1 400 137 Cs n 10 1,202 1444 188 7,66 5,5 500 137 Cs n 10 1,202 921 121 7,61 5,2 Coefficient moyen : 7,83 Le tableau 2 ci-dessous donne les résultats 20 d'étalonnage, en fonction des mêmes grandeurs, pour trois autres capteurs Geiger-Müller selon l'invention équipés, respectivement, d'un deuxième type de source (source 137 Cs n 11), d'un troisième type de source (60 Co n 2) et d'un quatrième type de source (60 Co n 1). 25 Tableau 2 : D Tope de h*k K (air) N C 100 137 Cs n 11 1,202 247 32 7,66 200 60 Co n 2 1,158 2504 308 8,13 100 60 Co n 2 1,158 10140 1207 8,40 150 6 Co n 1 1,158 87100 8849 9,84 100 6 Co n 1 1,158 197200 16633 11,86 La courbe d'étalonnage d'un détecteur sensible aux rayonnements des radioéléments 137Cs et 60Co 10 est déduite des tableaux 1 et 2. Cette courbe d'étalonnage est représentée en figure 5. Que ce soit pour le 137 Cs ou le 60 Co, la réponse du détecteur de l'invention est quasiment linéaire pour un taux de comptage inférieur ou égal à 103 coups s-1. Le 15 coefficient d'étalonnage moyen est dans ce cas égal à 7,8 pGy.h-1/cps.s-1. Pour des valeurs supérieures à 1000 cps.s-1, le détecteur est utilisable avec des valeurs de coefficient d'étalonnage différentes (voir courbe d'étalonnage de la figure 5). Les résultats de cet 20 étalonnage montrent le bon fonctionnement du capteur de l'invention. Un exemple d'utilisation de capteurs Geiger-Müller de l'invention va maintenant être décrit. Cet exemple concerne des mesures de débits de dose dans 25 des tuyauteries de faible diamètre lors d'opérations d'état des lieux. La figure 6 représente la cellule étudiée dans le cadre de cet exemple. C'est une cellule5 dite "aveugle", car elle ne dispose d'aucune ouverture permettant un passage humain. Seules deux traversées t1, t2 pouvant recevoir un éclairage E et un périscope P sont placées dans un mur de la cellule. La cellule possède une largeur de 9,75m, une hauteur de 4,60m et une profondeur de 4,50m. Sa surface au sol est de 44m2 et son volume de 202m3. Un revêtement en acier inoxydable recouvre l'ensemble des murs intérieurs de la cellule, hormis le mur de briques barytées MB dans lequel les deux traversées sont intégrées. Les murs de béton de la cellule ont une épaisseur sensiblement égale à 1,50m. Cette épaisseur assure la protection biologique nécessaire au personnel qui intervient. Des cuves CV1-CV5 et des circuits de procédé CKT sont placés dans la cellule. Les cuves CV1-CV5 sont, par exemple, des cuves plates qui ont une largeur de 7,6cm, une longueur de 3m et une hauteur de 2,5m. Deux cuves CV1 et CV2 sont placées sur un premier côté de la cellule et trois cuves CV3, CV4, CV5 sont placées sur le côté opposé au premier côté. Des murs écran assurent une protection neutronique entre les différentes cuves : un mur M2 est ainsi placé entre les cuves CV1 et CV2, un mur M3 est placé entre les cuves CV3 et CV4 et un mur M4 est placé entre les cuves CV4 et CV5. Un mur écran M1 est également placé entre la cuve CV1 et les circuits de procédé CKT. Pour effectuer les mesures dans la cellule, les capteurs de mesure de l'invention sont introduits dans des tubes guides TG1-TG7 étanches et exempts de contamination. Les tubes guides sont des tubes métalliques creux utilisés, dans l'industrie nucléaire, pour la mesure des températures. Des détecteurs de température sont alors introduits dans les tubes guides. Les tubes guides sont généralement en acier inoxydable. Ils ont un diamètre intérieur de 1,39cm et un diamètre extérieur de 2,134cm et leurs rayons de courbure sont compris entre 0,5m et 1m. De façon avantageuse, l'installation de mesure de l'invention utilise, sans aucune adaptation, les tubes guides utilisés pour les mesures de température. Il est alors avantageusement possible, une fois les mesures de température effectuées, de remplacer les détecteurs de température par des capteurs Geiger-Müller de l'invention dans les tubes guides. Il est bien sûr également possible d'utiliser, dans le cadre de l'invention, tout autre type de tube creux susceptible d'intervenir dans une atmosphère radioactive et de contenir un capteur Geiger-Müller de l'invention. Pour la mesure des débits de dose, les capteurs Geiger-Müller de l'invention sont introduits dans les tubes guides. Les mesures peuvent avantageusement être effectuées au fur et à mesure de la progression des capteurs Geiger-Müller dans les tubes guides. La figure 7 représente, à titre d'exemple non limitatif, une installation de mesure de débits de dose de l'invention implantée dans la cellule représentée en figure 6. Les tubes guides traversent le mur de briques barytées MB et sont fixés au plafond de la cellule. Les extrémités des tubes guides TG1-TG5 plongent dans les cuves CV1-CV5 et les extrémités des tubes guides TG6, TG7 aboutissent dans des appareils de procédé placés au-dessus du mur M3 qui sépare les cuves CV3 et CV4. Les mesures de débit de dose effectuées pendant la phase d'introduction des capteurs Geiger-Müller dans la cellule sont représentées en figure 8. Sur la figure 8, chaque courbe représente les mesures de débit de dose en fonction de la distance P qui sépare le détecteur du mur de briques barytées. Les courbes C1-C7 correspondent respectivement aux tubes guides TG1-TG7. Les mesures ainsi effectuées et la connaissance de la position isométrique des tubes guides permettent d'établir une cartographie du débit de dose ambiant dans le proche périmètre des tubes guides. Cette cartographie est représentée en figure 9. Une valeur maximale du débit de dose est atteinte au niveau du plafond de la cellule et dans l'axe de la travée centrale (tube guide TG6). Il existe également une valeur élevée de débit de dose mesurée dans le tube guide TG7 qui chemine en parallèle du tube guide TG6. Ainsi, trois zones principales à forte irradiation Z1, Z2, Z3 apparaissent-elles dans la cellule. Ces trois zones sont localisées sur la figure 10. Le tableau 3 ci-dessous donne, pour les différents tubes guides, les valeurs maximales de débit de dose relevées en fonction des différentes zones.30 Tableau 3 : ZONE Tube Débit de Longueur Coordonnée Coordonnée guide dose max d'introduction du point dans du point dans (mGy/h) du tube guide la cellule la cellule (m) X (m) Y (m) Z1 TG4 88 3, 80 4,65 1,50 Z1 TG6 252 3,80 4,60 1,35 Z1 TG7 97 3.80 4,95 1,30 Z2 TG3 144 4,20 4,15 2,60 Z3 TG1 62 3,80 2,55 2,50 = TG2 3,5 2,00 3,00 2,00 = TG5 0, 4 1,60 8,40 2,00 Les coordonnées X et Y qui apparaissent dans le tableau 3 ci-dessus sont prises dans un repère [X,,Y,] situé dans le plan que dessine le plancher de la cellule (voir figure 10), l'origine 0 du repère [X,, Y,] étant le coin inférieur gauche du plancher de la cellule (en entrant dans la cellule par le mur de briques barytées), l'axe Xo étant pris le long du mur de briques barytées et l'axe Yo étant obtenu par rotation de 90 , dans le sens trigonométrique, de l'axe Xo. Des résultats de mesure mentionnés ci-dessus, il apparaît que les capteurs GeigerMüller de l'invention permettent de réaliser un état des lieux radiologique et de suivre son évolution, par exemple au cours d'opérations d'assainissement. Le faible encombrement de ces capteurs, leur souplesse mécanique, leur faible coût et leur facilité de mise en oeuvre pour l'obtention de mesures instantanées sont des avantages précieux pour de nouvelles perspectives d'utilisation dans l'industrie nucléaire ou dans toute industrie utilisant des isotopes irradiants. REVENDICATIONS 1. Capteur Geiger-Müller comprenant un tube cylindrique (17) contenant un gaz sous pression, deux électrodes (18a, 18b) ayant, chacune, une première partie d'électrode située à l'intérieur du tube cylindrique (17) et une deuxième partie d'électrode située à l'extérieur du tube cylindrique et un câble coaxial (15) ayant une âme et une tresse de masse conductrice, l'âme étant électriquement reliée à la deuxième partie d'électrode d'une première électrode et la tresse de masse conductrice étant électriquement reliée à la deuxième partie d'électrode de la deuxième électrode, caractérisé en ce que les deuxièmes parties d'électrode situées à l'extérieur du tube sont électriquement isolées l'une de l'autre, en ce que les liaisons de l'âme conductrice et de la tresse de masse conductrice avec les deuxièmes parties d'électrode respectives sont des liaisons par soudure et en ce qu'une une gaine thermo-rétractable (G) enveloppe et enserre complètement le tube cylindrique, les deuxièmes parties d'électrode et une partie du câble coaxial (15) située à proximité des deuxièmes parties d'électrode. 2. Capteur Geiger-Müller selon la revendication 1, dans lequel la liaison électrique entre l'âme du câble coaxial et la deuxième partie d'électrode de la première électrode comprend une résistance (R).30 3. Capteur Geiger-Müller selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau qui constitue le tube cylindrique est un verre au plomb. 4. Capteur Geiger-Müller selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la longueur du tube est sensiblement comprise entre 1 et 5 cm et le diamètre du tube est sensiblement compris entre 0,55 et 0, 75 cm. 5. Installation de mesure de débit de dose de radioactivité caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un tube guide dans lequel est inséré un capteur Geiger-Müller selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Installation de mesure selon la revendication 5 dans laquelle les tubes guides sont en acier inoxydable. 7. Installation de mesure selon l'une des revendications 5 ou 6, dans laquelle les tubes guides ont un diamètre intérieur sensiblement supérieur ou égal à 1cm. 8. Installation de mesure selon la revendication 7, dans laquelle les tubes guides ont un diamètre extérieur de 1,714 cm et un diamètre intérieur de 1,25 cm. 25 30 9. Installation de mesure selon la revendication 7, dans laquelle les tubes guides ont un diamètre extérieur de 2,134 cm et un diamètre intérieur de 1,58 cm.5