Brevet FR2933777A1 — publié le 20100115

La présente invention concerne le domaine technique de la détection de rayonnements ionisants, par exemple bêta ou gamma, dans la nature au sens général et en particulier dans un site environnemental, tel que par exemple, une centrale nucléaire, un site de stockage, une usine chimique, un hôpital, un réseau de distribution d'eau, un port ou une habitation. Afin de détecter la radioactivité, il est connu d'utiliser un dispositif de détection mettant en oeuvre un cristal scintillateur couplé à un convertisseur photoélectrique ou photodétecteur, réalisé par un photomultiplicateur ou par une diode à avalanche. Le signal du photodétecteur est numérisé avant d'être analysé afin de détecter les évènements liés à l'apparition de rayonnements ionisants. Pour la détection de rayonnements ionisants de très faible activité, il est souvent proposé d'utiliser des cristaux scintillateurs avec une taille importante, dans la mesure où le nombre d'évènements détectés est lié au volume du cristal scintillateur. Il apparaît donc qu'un tel dispositif ne permet pas une étude ponctuelle et localisée de la radioactivité compte tenu de la taille des cristaux scintillateurs utilisés. Un autre inconvénient de ce type de dispositif est lié au fait que le cristal scintillateur et le photodétecteur sont solidaires. La durée de vie du détecteur est donc définie par la durée de vie la plus courte du cristal scintillateur ou du photodétecteur. Dans le cas où le photodétecteur est un photomultiplicateur qui a une durée de vie courte de l'ordre de 1000 heures, un tel dispositif n'est pas adapté pour la détection de rayonnements ionisants en continu sur plusieurs années. Si le photodétecteur est une photodiode à avalanche, le dispositif présente une durée de vie plus importante. Toutefois, dans ce cas, une électronique d'acquisition est nécessaire à la détection des signaux de faible intensité. Or, cette électronique d'acquisition est située proche du photodétecteur, de sorte que le dispositif de détection a une durée de vie limitée. Par ailleurs, les photodétecteurs utilisés sont soumis à un bruit électronique qui peut être confondu avec les signaux générés par les rayonnements ionisants. Pour s'affranchir de ce bruit, les photodétecteurs peuvent être couplés à des systèmes de spectroscopie de très haute précision, qui présentent l'inconvénient d'être coûteux, tout en possédant des risques de dérive dans le temps. Il apparaît également que de tels appareils qui sont efficaces pour détecter des photons gamma, sont généralement peu performants pour détecter des particules moins pénétrantes, notamment des électrons ou des particules alpha. Pour remédier à ces problèmes, il est connu d'utiliser un détecteur ne comportant pas un cristal scintillateur solide mais un fluide généralement liquide, appelé compteur à scintillation liquide. Dans ce cas, un échantillon à analyser est prélevé et se trouve mélangé à une solution scintillante comprenant du benzène (solvant) et un liquide scintillant (soluté). Lors d'une émission de rayonnement ionisant (rayonnement bêta), l'énergie du rayonnement est absorbée par le solvant puis transmise aux molécules du soluté (liquide scintillant). L'excitation du soluté génère alors un phénomène de luminescence. Le mélange est alors placé dans une cuve de détection à laquelle sont couplés un ou plusieurs photodétecteurs, selon qu'il est réalisé une détection simple ou par coïncidence. Cette méthode par solution scintillante comporte des limites intrinsèques liées à différents phénomènes pouvant atténuer et dégrader le signal enregistré par les photodétecteurs. Ainsi, le rayonnement ionisant peut ne pas interagir avec le solvant mais directement avec l'échantillon. L'énergie du solvant peut également être transmise non pas au soluté, mais à l'échantillon. Enfin, les photons de luminescence peuvent être absorbés ou dispersés par le milieu, avant d'avoir été détectés. Ces phénomènes, en réduisant le nombre de photons contribuant à une luminescence, induisent une erreur sur les mesures. A ces atténuations viennent s'ajouter des effets de photoluminescence et de chimiluminescence de basses énergies, variables en fonction du temps et qui peuvent notamment poser des problèmes de stabilité dans le cadre de mesures réalisées sur de longues durées. Pour finir, une limitation importante de ces systèmes par solution scintillante est d'ordre pratique. En effet, ces systèmes nécessitent de prélever l'échantillon analysé pour pouvoir le mélanger à la solution scintillante et l'insérer dans le système de détection. Cette technique conduit à une destruction d'une partie du matériau étudié et nécessite de pouvoir accéder en toutes circonstances à ce matériau. Des systèmes basés sur le même modèle de solution scintillante ont été développés pour détecter in situ le radio-isotope étudié. Dans ce cas, un liquide est injecté au contact de la phase à étudier puis une partie de ce liquide est prélevée avant de le tester au moyen d'un compteur à scintillation liquide. Cette technique ne permet pas une localisation précise des points de mesures. Cette technique n'autorise pas une analyse simultanée en différents sites et ne permet pas un suivi en continu des rayonnements ionisants. Il est également connu de mettre en oeuvre des techniques de mesures ponctuelles de radioactivité, soit par prélèvement d'échantillons, soit par des opérateurs manipulant des appareils de mesures, ce qui ne permet pas de réaliser des mesures délocalisées et/ou en des endroits difficilement accessibles. L'analyse des solutions antérieures connues conduit à constater qu'il apparaît le besoin de pouvoir disposer d'un équipement permettant de détecter des rayonnements ionisants en différents endroits, simultanément et de manière précise, en continu et sur une durée relativement longue. L'objet de l'invention est donc de satisfaire ce besoin en proposant une installation adaptée pour détecter simultanément et en continu des rayonnements ionisants en différents endroits d'un site environnemental, avec une bonne précision et pendant une longue durée. Un autre objet de l'invention est de proposer une installation adaptée pour acquérir les mesures dans une zone éloignée des rayonnements ionisants, sécurisée et facile d'accès pour permettre l'alimentation électrique, le suivi technique et les réparations. Pour atteindre un tel objectif, l'installation pour détecter des 30 rayonnements ionisants en différents endroits d'un site environnemental, comporte : - une série de sondes de mesure étanches installées chacune dans un endroit différent du site, chaque sonde de mesure comportant au moins un cristal scintillateur qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants, le cristal scintillateur étant couplé à au moins une fibre optique assurant la collecte d'au moins une partie de la lumière émise par le cristal scintillateur, cette fibre optique de longueur égale à au moins 5 m étant raccordée à un convertisseur photoélectrique, - et une unité d'acquisition et d'analyse comportant : • une série de convertisseurs photoélectriques connectés aux fibres optiques, adaptés pour délivrer les signaux électriques, • et un système d'analyse des signaux électriques délivrés par les convertisseurs photoélectriques, permettant de quantifier les rayonnements ionisants détectés par les sondes de mesure placées dans les différents endroits du site environnemental. Selon une variante de réalisation, au moins une sonde de mesure se présente sous la forme d'une chambre étanche avec des extrémités amont et aval et présentant à proximité de son extrémité aval au moins un trou dans lequel est monté le cristal scintillateur et présentant un trou étanche de sortie pour la fibre de sortie. Avantageusement, au moins un cristal scintillateur est couplé à une série de fibres optiques dont les convertisseurs photoélectriques correspondants sont reliés à un système de coïncidence permettant d'identifier dans une période de mesure déterminée, la détection simultanée des rayonnements ionisants. Selon une autre variante de réalisation, l'une ou plusieurs sondes comportent une série de cristaux scintillateurs présentant des sensibilités différentes aux rayonnements ionisants. Par exemple, le cristal scintillateur possède une forme cylindrique avec une section de diamètre inférieure à 5 mm et de préférence inférieure à 30 2 mm. Selon un exemple de réalisation, le cristal scintillateur présente un temps de déclin inférieur à 100 ns. Par exemple, le cristal scintillateur est un cristal rapide, de préférence choisi parmi les familles de LSO, LYSO, GSO, GYSO, LuAG, LaBr3, LaCl3i YAG, YAP dopé par des ions luminescents, de préférence le cérium trivalent. Selon un autre exemple, le cristal scintillateur est un cristal présentant une densité supérieure à 7, de préférence choisi parmi les familles LuAP, LuYAP, CdWO4, PbWO4 (dopés ou non par des ions luminescents). Selon une variante de réalisation, une fibre optique est connectée à une face du cristal scintillateur selon une section de connexion et le rapport entre la surface du cristal scintillateur sur laquelle la fibre est connectée et la surface de la section de connexion est inférieure ou égale à 5 et de préférence proche de 1. Selon une autre variante de réalisation, plusieurs fibres optiques sont connectées à une même face du cristal scintillateur. Avantageusement, les fibres optiques sont connectées aux cristaux scintillateurs avec une partie courbée, dont le rayon de courbure est inférieur à 5 cm. Selon un exemple de réalisation, au moins une sonde comporte au moins trois cristaux scintillateurs identiques, permettant par l'analyse des signaux électriques délivrés par les convertisseurs photoélectriques connectés aux dits cristaux, d'identifier le gradient de diffusion du rayonnement diffusant en fonction du nombre relatif de coups entre les différents cristaux. Avantageusement, au moins un convertisseur photoélectrique comprend des moyens de quantification des rayonnements ionisants reçus par le cristal, par analyse des signaux électriques émis par le convertisseur photoélectrique. Selon une application, l'installation comporte au moins une sonde adaptée à la détection de rayonnements gamma, bêta, ou de faible énergie par exemple inférieur à 300 KeV. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est une vue générale d'un exemple de réalisation d'une installation de détection conforme à l'invention. La Figure 2 est une vue de détail d'une variante préférée de réalisation d'une sonde de mesure conforme à l'invention. La Figure 3 est une vue de détail d'une variante de réalisation d'une sonde de mesure conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément de la Figure 1, l'objet de l'invention concerne une installation 1 pour détecter des rayonnements ionisants en différents endroits B; d'un site environnemental, par exemple au nombre de quatre dans l'exemple illustré (B1 à B4). L'installation 1 comporte une série de sondes de mesures 2 installées chacune dans un endroit B; du site. Selon l'exemple illustré à la Figure 2, chaque sonde de mesure 2 se présente sous la forme d'une chambre étanche réalisée par exemple par un tube 3 présentant de préférence une section droite transversale circulaire. Ce tube 3 est fermé à ses extrémités amont 31 et aval 32 par l'intermédiaire d'un bouchon de fermeture de tout type connu en soi. Le tube 3 est réalisé par exemple en acier inoxydable et présente par exemple une longueur de l'ordre de 1 m et un diamètre de l'ordre de 20 mm. Le tube 3 présente à proximité de son extrémité aval 32 au moins un trou 5 traversant la paroi du tube et dans lequel est monté un cristal scintillateur 6 qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants. Par exemple, un trou 5 est aménagé à proximité de l'extrémité aval 32 du tube 3. Selon une variante préférée de réalisation, le cristal scintillateur 6 possède une forme cylindrique avec une section de diamètre inférieure à 5 mm et de préférence inférieure à 2 mm. Le cristal scintillateur 6 présente par ailleurs un temps de déclin inférieur à 100 ns. Selon un exemple de réalisation, le cristal scintillateur 6 est un cristal rapide de préférence choisi parmi les familles de LSO, LYSO, GSO, GYSO, LuAG, LaBr3, LaCl3, YAG, YAP dopé par des ions luminescents, de préférence le cérium trivalent. Selon une autre variante de réalisation, le cristal scintillateur 6 est un cristal présentant une densité supérieure à 7, de préférence choisi parmi les familles LuAP, LuYAP, CdWO4i PbWO4 (dopés ou non par des ions luminescents). Le cristal scintillateur 6 est couplé à au moins une fibre optique 7 assurant la collecte d'au moins une partie de la lumière émise par le cristal scintillateur. Cette fibre optique 7 est placée à l'intérieur du tube 3 en traversant de manière étanche l'extrémité amont 31 pour être raccordée à un convertisseur photoélectrique placé dans une unité d'acquisition et d'analyse 11. Chaque fibre optique 7 est connectée au cristal scintillateur 6 avec une partie courbée 71 dont le rayon de courbure est inférieur à 5 cm. L'unité d'acquisition et d'analyse 11 comporte ainsi une série de convertisseurs photoélectriques connectés aux fibres optiques et adaptés pour délivrer des signaux électriques. Cette unité d'acquisition et d'analyse 11 comporte également un système d'analyse des signaux électriques délivrés par les convertisseurs photoélectriques, et permettant de détecter et de quantifier les rayonnements ionisants dans les différents endroits du site environnemental. Selon une variante de réalisation, une fibre optique est connectée à une face de cristal scintillateur 6 selon une section de connexion et le rapport entre la surface du cristal scintillateur 6 sur laquelle la fibre est connectée et la surface de la section de connexion est inférieure ou égale à 5 et de préférence proche de 1. Selon une autre variante de réalisation, il est à noter que plusieurs 25 fibres optiques 7 peuvent être connectées à une même face du cristal scintillateur 6. Il est à noter qu'il peut être envisagé de relier un cristal scintillateur 6 à une série de fibres optiques 7 dont les convertisseurs photoélectriques correspondants sont reliés à un système de coïncidence permettant 30 d'identifier dans une période de mesure déterminée, la détection simultanée des rayonnements ionisants. Une telle solution permet de s'affranchir du bruit lors de la détection, et principalement du bruit électronique lié aux convertisseurs photoélectriques. Ainsi, la lumière émise lors de l'interaction d'un rayonnement ionisant avec le cristal scintillateur 6 est collectée par plusieurs fibres optiques 7 en même temps. Chaque fibre optique 7 conduit une partie de la lumière émise vers des photodétecteurs indépendants, de sorte que l'ensemble des signaux des photodétecteurs est analysé par coïncidence. Ainsi, un signal lumineux émis par un cristal correspondant à la détection d'un rayonnement ionisant sera validé uniquement si au moins un photon est vu simultanément par chaque photodétecteur. Ce principe permet de diminuer considérablement l'effet du bruit électronique dû au photodétecteur et d'avoir ainsi accès au comptage avec une grande stabilité, même si l'activité volumique étudiée est faible. De plus, cette mesure par coïncidence permet de s'abstraire de différents paramètres de détection tels que l'efficacité des photodétecteurs, la disposition géométrique de la source et de la sonde, et des réglages électroniques au niveau des mesures. Cette mesure par coïncidence permet de ne plus tenir compte du bruit du système de mesure et de s'adapter à des petites zones de détection (réduction de la taille du cristal scintillateur, diminution du nombre d'interactions), ainsi qu'à la mesure d'évènements de faible énergie et de faible activité sur de longues périodes. Le nombre de photodétecteurs couplés à un même cristal scintillateur, la période de mesure et l'intensité de seuillage sont des paramètres permettant d'ajuster la sensibilité et surtout le rapport signal/bruit de la détection. Il apparaît ainsi que la réalisation d'une sonde de mesure constituée d'un cristal scintillateur de 5 mm de diamètre par 5 mm de long, à laquelle sont accolées de 7 à 10 fibres cristallines, permet de ne plus tenir compte du bruit dû au système de détection dans le comptage, et ce pendant toute la durée de l'expérience, qui peut s'étaler sur plusieurs dizaines d'années. Bien entendu, chaque sonde de mesure 2 peut être équipée d'une série 30 de cristaux scintillateurs 6 présentant des sensibilités identiques ou différentes aux rayonnements ionisants. Selon une autre variante de réalisation, au moins une sonde 2 comporte au moins trois cristaux scintillateurs 6 identiques, permettant par l'analyse des signaux électriques délivrés par les convertisseurs photoélectriques connectés aux dits cristaux, d'identifier le gradient de diffusion du rayonnement diffusant en fonction du nombre relatif de coups entre les différents cristaux. Il ressort de la description qui précède que la dimension des cristaux scintillateurs utilisés permet des mesures très ponctuelles. De plus, l'utilisation de fibres optiques 7 permet de réaliser des mesures délocalisées très éloignées du site émettant les rayonnements radioactifs. Ainsi, chaque fibre optique 7 présente une longueur égale à au moins 5 mètres pour permettre d'éloigner l'unité d'analyse et d'acquisition 11 par rapport à la zone d'implantation de la sonde de mesure 2. Ces fibres optiques offrent la possibilité de réaliser des mesures de rayonnements ionisants à des endroits difficiles d'accès. Ces sondes de mesures selon l'invention peuvent être disposées en de multiples endroits très éloignés les uns des autres, permettant de réaliser des mesures ponctuelles et discrétisées dans tout un espace. Les informations fournies par les sondes de mesures sont facilement analysables en continu et simultanément. Selon l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, chaque sonde de mesure 2 est adaptée pour être montée dans un conduit aménagé ou présenté par les différents endroits Bi du site. Par exemple, chaque conduit est réalisé par un forage du sol qui présente par exemple une profondeur de l'ordre de 15 m et un diamètre de 20 mm. La sonde de mesure 2 est engagée dans le conduit de forage de manière à amener l'extrémité aval au fond du conduit. En position installée, le cristal scintillateur 6 se trouve situé à environ 1 mètre du fond du conduit de forage, de sorte que le cristal scintillateur 6 se trouve isolé par rapport à l'extérieur. Dans l'exemple de réalisation illustré à la Fig. 2, la sonde de mesure 2 se présente sous la forme d'une chambre étanche permettant d'isoler le sol étudié de l'atmosphère ambiante et de maintenir la zone de détection dans les conditions chimiques et de pression identiques à celles du sol avant installation de la sonde de mesure. La description qui suit illustre un exemple de mise en oeuvre non limitatif de l'installation conforme à 'invention. Une multitude de forages sont percés depuis une galerie souterraine autour d'un forage principal d'injection d'un radiotraceur. Le radiotraceur est une solution aqueuse contenant des ions 36C' émetteurs bêta moins. La profondeur des forages depuis la galerie est de 15 m environ, afin d'atteindre une zone dont la roche est le moins perturbée possible par le creusage de la galerie. En fond de chaque forage est installée une ou plusieurs sondes de mesure isolées de l'atmosphère de la galerie. Chaque sonde de mesure est constituée d'un cristal scintillateur en contact avec l'eau interstitielle de la roche sur lequel sont collées une ou plusieurs fibres optiques de collecte. Le cristal scintillateur est un cylindre de Y2Si05:Ce de diamètre 3 mm et de hauteur 4 mm. Sept fibres optiques PMMA de collecte de diamètre 1 mm sont collées sur ce cristal. Trois photomultiplicateurs placés dans la galerie auxquels sont connectés respectivement 3, 2 et 2 fibres optiques. La validation d'un évènement ne se fait que si des signaux sont lus sur les trois séries de fibres dans la même fenêtre de coïncidence. Il est ainsi obtenu un bruit électronique dû aux photomultiplicateurs inférieur à 1 coup par heure. La comparaison des taux de comptage des différentes sondes dans les différents forages permet de remonter au profil de diffusion du radiotraceur dans la roche étudiée. D'autres capteurs peuvent être installés dans la sonde de mesure afin d'enregistrer différents paramètres complémentaires. La Fig. 3 illustre un autre exemple de réalisation d'une sonde de mesure 2 ne comportant pas de chambre étanche. Selon cet exemple de réalisation, chaque sonde de mesure 2 comporte au moins un cristal scintillateur 6 qui est couplé à au moins une fibre optique 7 raccordée à un convertisseur photoélectrique. Par exemple, le cristal scintillateur 6 est monté sur un tube ouvert 3. Bien entendu, la fibre optique 7 est raccordée au cristal scintillateur 6 de manière étanche. Les sondes de mesure telles que décrites à la Fig. 3 peuvent être mises en oeuvre pour détecter des rayonnements ionisants en différents endroits d'un site ne nécessitant pas de réaliser une chambre étanche par rapport au milieu à analyser. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car 5 diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Installation pour détecter des rayonnements ionisants en différents endroits (BI) d'un site environnemental, caractérisée en ce qu'elle comporte : - une série de sondes de mesure (2) étanches installées chacune dans un endroit différent du site, chaque sonde de mesure comportant au moins un cristal scintillateur (6) qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants, le cristal scintillateur (6) étant couplé à au moins une fibre optique (7) assurant la collecte d'au moins une partie de la lumière émise par le cristal scintillateur, cette fibre optique de longueur égale à au moins 5 m étant raccordée à un convertisseur photoélectrique, - et une unité d'acquisition et d'analyse (11) comportant : • une série de convertisseurs photoélectriques connectés aux fibres optiques (7), adaptés pour délivrer les signaux électriques, • et un système d'analyse des signaux électriques délivrés par les convertisseurs photoélectriques, permettant de quantifier les rayonnements ionisants détectés par les sondes de mesure placées dans les différents endroits du site environnemental. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une sonde de mesure (2) se présente sous la forme d'une chambre étanche (3) avec des extrémités amont (3i) et aval (32) et présentant à proximité de son extrémité aval au moins un trou (5) dans lequel est monté le cristal scintillateur (6) et présentant un trou étanche de sortie pour la fibre de sortie (7). 3 - Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au moins un cristal scintillateur (6) est couplé à une série de fibres optiques (7) dont les convertisseurs photoélectriques correspondants sont reliés à un système de coïncidence permettant d'identifier dans une période de mesure déterminée, la détection simultanée des rayonnements ionisants. 4 - Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'une ou plusieurs sondes (2) comportent une série de cristaux scintillateurs (6) présentant des sensibilités différentes aux rayonnements ionisants. 5 - Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le cristal scintillateur (6) possède une forme cylindrique avec une section de diamètre inférieure à 5 mm et de préférence inférieure à 2 mm. 6 - Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le cristal scintillateur (6) présente un temps de déclin inférieur à 100 ns. 7 - Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le cristal scintillateur (6) est un cristal rapide, de préférence choisi parmi les familles de LSO, LYSO, GSO, GYSO, LuAG, LaBr3, LaCI3, YAG, YAP dopé par des ions luminescents, de préférence le cérium trivalent. 8 - Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le cristal scintillateur (6) est un cristal présentant une densité supérieure à 7, de préférence choisi parmi les familles LuAP, LuYAP, CdWO4i PbWO4 (dopés ou non par des ions luminescents). 9 - Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une fibre optique (7) est connectée à une face du cristal scintillateur (6) selon une section de connexion et le rapport entre la surface du cristal scintillateur (6) sur laquelle la fibre (7) est connectée et la surface de la section de connexion est inférieure ou égale à 5 et de préférence proche de 1. 10 - Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs fibres optiques (7) sont connectées à une même face du cristal scintillateur (6). 11 - Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres optiques (7) sont connectés aux cristaux scintillateurs (6) avec une partie courbée, dont le rayon de courbure est inférieur à 5 cm. 12 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une sonde (2) comporte au moins trois cristaux scintillateurs (6) identiques, permettant par l'analyse des signaux électriques délivrés par les convertisseurs photoélectriques connectés aux dits cristaux, d'identifier le gradient de diffusion du rayonnement diffusant en fonction du nombre relatif de coups entre les différents cristaux. 13 - Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins un convertisseur photoélectrique comprend des moyens de quantification des rayonnements ionisants reçus par le cristal, par analyse des signaux électriques émis par le convertisseur photoélectrique. 14 - Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une sonde (2) adaptée à la détection de rayonnements gamma, bêta, ou de faible énergie par exemple inférieur à 300 KeV.