Brevet FR2956496A1 — publié le 20110819

PROCEDE DE MESURE EN LIGNE DE RAYONNEMENTS IONISANTS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se situe dans le domaine de la détection en ligne de faibles fluctuations du flux de rayonnements radioactifs parmi les fluctuations d'origine statistique. Elle concerne plus spécifiquement un procédé de lissage associé à la mesure en ligne d'un signal délivré par un détecteur de rayonnements ionisants comportant les étapes suivantes . - détecter des impulsions contenues dans des échantillons successifs dudit signal, compter le nombre IV; d'impulsions détectées pour chaque échantillon. L'invention concerne également un dispositif de mesure en ligne d'un signal de rayonnements ionisants comportant: - un détecteur de rayonnement radioactif, - un module électronique de conditionnement de signaux de rayonnement radioactif détectés, un module de comptage d'impulsions contenues dans des échantillons successifs du signal 25 détecté. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les détecteurs connus fonctionnant en mode comptage utilisés dans l'industrie donnent une estimation du taux de comptage par simple intégration 30 avec une constante d'intégration ajustée en fonction du 20 2 système mesuré et des paramètres physiques intrinsèques au capteur. D'autres variantes de cette méthode sont communément utilisées, telle que par exemple l'intégration glissante, dans lesquelles le signal est intégré avec une constante d'intégration constante pour un pas de temps constant permettant ainsi de faciliter le réglage de la constante d'intégration et d'avoir une moyenne temporelle. Afin d'améliorer artificiellement la précision statistique sans perdre en sensibilité, un facteur d'oubli (par exemple exponentiel) peut également être appliqué pour pondérer chaque événement de manière dégressive en fonction du retard. Ces méthodes sont très destructives et archaïques en regard des possibilités offertes par les possibilités de calcul embarqué, de type microcontrôleurs. Aussi, des méthodes plus sophistiquées sont-elles développées en vue de réaliser un traitement plus adaptatif du signal en fonction des variations aléatoires de l'espace inter-impulsion. Toutefois, ces dernières méthodes ne prennent pas en compte la nature stochastique du signal nucléaire. En effet, selon ces approches, le signal est considéré comme peu fluctuant dans le temps. Or ce n'est physiquement pas le cas, dans la mesure où le signal peut varier, dans des proportions importantes, d'un instant à l'autre de l'échantillonnage, la mesure à l'instant T ne préjugeant en rien de ce que sera la mesure à l'instant T+1. D'autres méthodes sophistiquées de traitement statistique du signal, fondées sur une approche Bayesienne résolue par méthodes Monte-Carlo 3 par chaînes de Markov sont également connues. Celles-ci sont très itératives et nécessitent une puissance de calcul associé importante ce qui les rend difficilement utilisables dans un détecteur nucléaire. Un but de l'invention est un procédé de lissage et un lisseur susceptible d'être associé à un calculateur embarqué microcontrôleur, d'introduire une non-linéarité par rapport aux méthodes d'intégration et de prendre en compte la nature stochastique du signal nucléaire avec un temps de calcul en adéquation avec les contraintes de temps réel de l'électronique embarquée. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but est atteint au moyen d'un procédé de lissage associé à la mesure en ligne d'un signal délivré par un détecteur de rayonnements ionisants comportant les étapes suivantes - détecter des impulsions représentant des échantillons successifs dudit signal, - compter le nombre Ni d'impulsions détectées. Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes . - appliquer audit signal un filtrage non destructif utilisant un seuil de détection évolutif, - appliquer au signal filtré un lissage adaptatif utilisant un traitement non linéaire en fonction de l'état d'évolution dudit signal de manière à obtenir un taux de comptage lissé desdites impulsions. Ce procédé permet la détection de faibles variations de radioactivité malgré un bruit statistique élevé intrinsèque à la mesure nucléaire. Dans un mode préféré de mise en oeuvre, le 5 procédé selon l'invention comporte en outre les étapes suivantes . - pour un échantillon Ei du signal détecté, mémoriser dans une pile primaire, les nombres Ni,. d'impulsions comptées pendant un temps élémentaire Ai, 10 m variant de 1 à NM, NM représentant le nombre de valeurs que peut contenir ladite pile primaire, et, - mémoriser dans une pile secondaire des sommes cumulées des nombres Ni+m, normalisée par le temps d'acquisition, de sorte que ladite pile 15 secondaire contienne des valeurs moyennes S1 obtenues par convergence d'une série de valeurs estimées. Préférentiellement, pour j=1 à NM, où NM représente la quantité des valeurs sauvegardées et M est la taille de la mémoire de la pile primaire, les 20 valeurs moyennées Sk+NM sont calculées selon l'équation I suivante : m=a Ni,. s. = m=1 I ) ~ a1At ai représentant la série de remplissage des piles secondaires. 25 Il est à noter que la série a. de remplissage des piles secondaires n'est pas forcément constante. Une fonction constante induit un poids de crédibilité entre deux positions consécutives différentes en termes de compromis gain/perte de précision statistique et gain/perte de précision temporelle. En outre, construire une échelle de discrétisation non-linéaire en temps permet d'être plus rigoureux par rapport à la nature Poisson du signal et d'augmenter le potentiel de lissage (la plage d'intégration maximale étant largement augmentée). Une fonction d'échantillonnage en temps est proposée comme suit . Soit l'échantillon de signal Ei estimé par différentes valeurs Si de la pile secondaire, tel que : m=a Ni,. Si= m=1 (1) a1At Ni,. : Nombre d'évènements comptés dans la position m de la pile primaire. At : Le pas de temps de la pile primaire. L'écart type associé au signal Si est défini dans l'équation 2. S. 6(S,)= (2) ai Ot Soit a le rapport du gain de précision statistique entre deux positions par rapport la perte d'information temporelle:) A(6 (s' )) =a a1At 25 A (Si) : Différence de précision sur la valeur de S entre les positions j et j-1. (3) La résolution de l'équation (3) dans un espace continu donne la valeur de î . a = û (a1Ot)-3/z ( 4) 2 La valeur de pas de temps finalement obtenue est présentée dans l'équation (5) ci-après : ai =û 2A ~S`~~N/SOtaj'21 +ai-1 (5) Selon une variante de mise en oeuvre, le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes . - balayer la pile secondaire de k =l à k = NM pour détecter une variation de radioactivité, et, - à chaque itération k, comparer l'évolution ASk = Sk ûSk+l à un seuil de détection SDk correspondant à la plus faible valeur de variation du signal détectée aux probabilités a et a près, a représentant au risque de détection à tort, et a représentant un risque de non détection d'un changement de radioactivité. Dans cette variante, le seuil de détection SDk est une fonction de l'écart type de Poisson cumulé des valeurs Sk et Sk+l représentées par l'équation II suivante: G «Sk) Sk akAt S G 2 (Sk+l) k+l (II) n ak+lAt S D k Q\/6 2 (sk) + 6 2 (sk+1 ) Q étant un facteur d'élargissement conditionnant le lissage du signal dépendant des probabilités a et a comme selon les équations III suivantes . 13 +a=1 R Je2/2dx 27L _Q Le procédé selon l'invention est implémenté par un dispositif de mesure en ligne d'un signal de rayonnements ionisants comportant: - un détecteur de rayonnement radioactif, - un module électronique de conditionnement de signaux de rayonnements radioactifs détectés, - un module de comptage d'impulsions représentant des échantillons successifs d'un signal détecté, caractérisé en ce que ledit module de comptage comporte : - un filtre non destructif utilisant un seuil de détection évolutif, - un lisseur adaptatif utilisant un traitement non linéaire en fonction de l'état d'évolution dudit signal de manière à obtenir un taux de comptage lissé desdites impulsions. 8 Ce dispositif comporte en outre : - une pile primaire destinée à mémoriser le nombre NZ d'impulsions comptées pendant un temps élémentaire At, sur un échantillon Ei du signal détecté, i variant de 1 à NM, NM représentant le nombre de valeurs que peut contenir ladite pile primaire, - une pile secondaire destinée à mémoriser la somme cumulée des nombres NZ normalisée par le temps d'acquisition à chaque échantillon Ei, de sorte que ladite pile secondaire contienne les valeurs moyennes Sk+NM obtenues par convergence d'une série de valeurs estimées S1 pour l'échantillon de signal Ei. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement, une chaîne de mesure en ligne d'un signal de rayonnements ionisants selon l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement une procédure de remplissage d'une pile primaire de la chaîne de la figure 1, - la figure 3 illustre schématiquement une 25 procédure de remplissage d'une pile secondaire de la chaîne de la figure 1, - la figure 4 représente un organigramme illustrant l'étape de lissage du procédé selon l'invention, 9 - la figure 5 représente des courbes illustrant l'évolution des risques de détection/nondétection en fonction d'un facteur d'élargissement Q conditionnant le mode de fonctionnement d'un lisseur de la chaîne de la figure 1, la figure 6 illustre des plages de fonctionnement du lisseur de la chaîne de la figure 1 en fonction du facteur d'élargissement Q, la figure 7 illustre schématiquement la réponse du lisseur de la chaîne de la figure 1 à un créneau. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 représente un dispositif de mesure en ligne de la radioactivité d'un système radioactif 2 évoluant dans le temps. Ce dispositif comporte un détecteur 4 recevant un signal 6 de rayonnement radioactif produit par un système radioactif 2, et délivrant à un module électronique 8 des échantillons Ei 7 du signal détecté. Le module électronique 8 filtre et amplifie les impulsions Ii 9 contenues dans les échantillons successifs Ei 11 et délivre les impulsions amplifiées et filtrées à un module de comptage 10. Le module de comptage 10 comporte un filtre non destructif utilisant un seuil de détection évolutif, un lisseur adaptatif utilisant un traitement non linéaire en fonction de l'état d'évolution dudit signal de manière à obtenir un taux de comptage lissé desdites impulsions, une pile primaire 11 de type FIFO (First In, First Out) susceptible de contenir NM valeurs numériques représentatives du taux de comptage recevoir la somme cumulée du nombre d'impulsions comptées pendant un temps élémentaire At. Le procédé selon l'invention se caractérise par l'adaptabilité du lisseur à l'évolution du signal par l'utilisation d'un pointeur actif p permettant de lisser très finement les transitoires d'activité en accord avec les contraintes de temps réel. Le temps de traitement est accéléré sur les phases d'activité 10 constante et ralenti pendant les transitoires d'activité. A chaque traitement, la position pointée dans la pile secondaire 12 est déplacée en direction du changement d'activité comme cela sera décrit plus en détail en référence à la figure 4. En fonctionnement, le lisseur reçoit un flux d'impulsions et fournit le nombre d'impulsions comptées Ni,. pendant un temps élémentaire At à la pile primaire. La procédure de remplissage de la pile primaire 11 est présentée dans la figure 2. En référence à cette figure 2, la détection est interrompue à l'étape 20. A l'étape 22, le lisseur fournit le nombre d'impulsions comptées Ni pendant un temps élémentaire At à la pile primaire. A l'étape 24, la détection reprend. Comme cela est illustré par la figure 3, à chaque échantillon Ei du signal de radioactivité détecté, le lisseur effectue la somme cumulée des nombres successifs d'impulsions Ni, Ni+1, ..., Ni+NM et des impulsions, et une pile secondaire 12 destinée à m=a E Ni+m m=1 15 20 25 11 fournit à la pile secondaire 12 une valeur lissée du taux de comptage normalisée par le temps d'acquisition. La pile secondaire 12 contient alors une série S1 de valeurs estimées pour l'échantillon de signal Ei. Cette série converge de la valeur Sj correspondant au signal brut, peu précise mais juste, à une valeur très moyennée Suu. Le filtre choisit une valeur dans cette série de manière à améliorer la précision tout en garantissant la justesse de la mesure. Il est à noter que le filtre permettant de détecter une variation de radioactivité est construit suivant les caractéristiques intrinsèques du signal nucléaire. Ce dernier a une nature stochastique, de tel sorte que lorsque la radioactivité mesurée est stable, l'instant d'arrivée des événements suit strictement une loi de Poisson, c'est-à-dire que la variance du signal est égale à sa moyenne. Les fluctuations du signal peuvent être lissées par intégration en regard de cette condition. Lorsque l'activité évolue, cette condition n'est plus respectée, le signal ne doit plus être intégré. La figure 4 représente un organigramme illustrant l'étape de lissage du procédé selon l'invention. L'étape 30 correspond à la détection d'un nouvel échantillon Ei d'un signal radioactif par le détecteur 4. 12 A l'étape 32, le nombre N1+NM d'impulsions correspondant au signal brut de Ei, est compté puis mémorisé dans la pile primaire 11 (étape 34). L'étape 36 consiste à créer la pile secondaire 12 en y inscrivant la somme cumulée des nombres Ni+m successifs relatifs à l'échantillon Ei mémorisé dans la pile primaire. A l'étape 38, la somme cumulée est calculée puis mémorisée dans la pile secondaire 12. Pour détecter une variation de radioactivité, la pile secondaire 12 est balayée, et à chaque itération k de la somme cumulée Sk, la variation AS'k = Sk ùSk+l est calculée (étape 40) puis, à l'étape 42, on calcule un seuil de détection SDk correspondant à la plus faible valeur que devrait avoir la variation de signal pour pouvoir être systématiquement déclarée détectée aux probabilités a et a près. Le risque a étant un risque de première espèce, qui correspond au risque de détection à tort, et le risque a étant un risque de deuxième espèce, qui correspond au risque de non détection d'un changement de radioactivité. A l'étape 44, la variation ASk = Sk ùSk+l est comparée au seuil SDk. Ce seuil de détection est une fonction de l'écart type Poisson cumulé des valeurs Sk et Sk+l présentées dans l'équation II : 62(sk) sk akAt 2 sk+1 ) = S 6 k+l ak+lAt S D k Q\/6 2 (sk) + 6 2 (sk+1 ) Le facteur d'élargissement Q conditionne le mode de fonctionnement du lisseur. Il dépend des probabilités a et a comme présenté dans l'équation III: +a=1 1 Je2/2dx (III) R ~ 2n - A l'étape 46, la position k pointée dans la pile secondaire 12 est comparée du pointeur actif p (mémoire de la position obtenue pour l'échantillon précédent). Si k>p, le pointeur actif p et la position de l'échantillon Ei enregistré dans la pile primaire 11 sont incrémentés d'une unité (p=p+l) et (i=i+1) (étape 48). Dans ce cas, la réponse envoyée (étape 50) est la valeur du signal de l'emplacement définie par le pointeur dans la pile secondaire 12. L'opération est répétée jusqu'à ce que le point de détection soit situé avant le pointeur actif (k La figure 5 présente l'évolution des probabilités a et R normalisées en fonction du facteur d'élargissement Q. Cette figure 5 montre que le filtre est équilibré pour la valeur Q=0,67. Une valeur inférieure augmente le risque de détection à tort par rapport au risque de non-détection, le lisseur est quasiment inactif. Une valeur supérieure diminue la sensibilité du filtre mais le lissage est augmenté. Le risque de détection à tort devient négligeable à partir de Q=2,6. Une valeur supérieure augmente le lissage mais le filtre perd ses performances. La figure 6 présente le rendement du lisseur en termes de gain en justesse pour quatre signaux simulés d'amplitudes différentes, soit un signal peu bruité 60, un signal bruité 62, un signal très bruité 64, un signal très peu bruité 64. Cette figure 6 montre que le lisseur débruite efficacement le signal lorsque le facteur d'élargissement du filtre se situe dans la plage de fonctionnement comprise entre Q=0,67 et Q=2,6. La courbe 66 montre l'apport du lisseur à haut taux de comptage. Lorsque le taux de comptage est élevé, le bruit statistique étant par définition très faible, le lisseur n'apporte rien. Cette courbe met en 15 exergue l'effet destructeur du sur-lissage lorsque Q>2,6. A faible taux de comptage, le lisseur permet un gain significatif en précision. La valeur optimale du rendement est atteinte dans la plage 0,67>Q>2,6, elle dépend du taux de comptage et des gradients de radioactivité. Quatre modes de fonctionnement peuvent être définis : • Q=0,67 : Le filtre est très sensible et le lissage doux. Le moindre changement de radioactivité est quasi-systématiquement détecté. • Q=1,6 : Le lissage est moyen. Cette valeur est un bon compromis, la justesse et la précision apportées par le lisseur sont significatives avec une dégradation minime des faibles gradients de radioactivité. • Q=2,6 : Le lissage est fort. Un gain optimal est apporté sur la précision du signal, le filtre est toutefois moins sensible aux faibles gradients de radioactivité. • Q>2,6 Le lissage est destructif. Un mode d'alarme peut être réalisé avec une probabilité de fausses alertes égale à a. (exemple pourQ>3,3,î=0,1%) . La figure 7 illustre schématiquement la réponse du lisseur à un créneau. Sur la partie de la figure 7, lorsque le lisseur traite un signal qu'il juge constant au regard des critères a et R, comme cela est illustré par la figure 7C, le pointeur est naturellement placé sur la 16 position de la pile secondaire qui assure un lissage maximal comme cela est illustré par la figure 7A. Sur la partie 2, on constate que, dès que la variation de signal est enregistrée dans la mémoire du compteur, et si le filtre détecte cette variation significative dans une position de la pile secondaire placée avant la position précédemment pointée, comme cela est illustré par la figure 7B, le pointeur recule d'une position. Comme cela est illustré par la figure 7D, le lisseur diminuera la force du lissage pour suivre au mieux le changement de signal (perte de précision statistique / gain de précision temporelle). En référence à la partie 3 de la figure 7, lors du recul du pointeur, deux itérations sont effectuées pour un échantillon Ei enregistré dans la pile primaire. Tant que la variation de signal est détectée en amont de la position du pointeur, ce dernier continue de reculer, jusqu'à atteindre une position très peu lissée, comme cela est illustré par la figure 7E assurant l'oubli du signal passé, comme cela est illustré par la figure 7G. Ensuite, en référence à la partie 4 de la figure 7, le filtre ne détecte plus de variation de signal dans la pile secondaire. Le pointeur va alors se déplacer vers les positions plus lissées enregistrées dans la pile secondaire comme cela est illustré par la figure 7F. Lors de l'avancement du pointeur, un échantillon Ei sur deux est traité. Le gain en termes de précision statistique permet alors une convergence rapide vers la nouvelle valeur du signal comme cela est illustré par la figure 7H. REVENDICATIONS1. Procédé de lissage associé à la mesure en ligne d'un signal délivré par un détecteur de rayonnements ionisants comportant les étapes suivantes . - détecter des impulsions contenues dans des échantillons successifs dudit signal Ei, - compter le nombre NZ d'impulsions détectées, procédé caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : - appliquer audit signal un filtrage non destructif utilisant un seuil de détection évolutif, - appliquer au signal filtré un lissage adaptatif utilisant un traitement non linéaire en fonction de l'état d'évolution dudit signal de manière à obtenir un taux de comptage lissé desdites impulsions. 2. Procédé selon la revendication 1 comportant en outre les étapes suivantes : - pour un échantillon Ei du signal détecté, mémoriser dans une pile primaire, les nombres NZ+m 25 d'impulsions comptées pendant un temps élémentaire At, m variant de 1 à NM, NM représentant le nombre de valeurs que peut contenir ladite pile primaire, et, - mémoriser dans une pile secondaire (12) la somme cumulée des nombres NZ+m, normalisée par le 30 temps d'acquisition a1Ot, de sorte que ladite pile 20 18 secondaire (12) contienne une valeur moyenne SNM2 obtenue par convergence d'une série de valeurs estimées S. pour l'échantillon de signal E. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, pour j = 1 à NM2r les valeurs moyennes Sj sont calculées selon l'équation suivante : m=a L Ni+m S.= m 1 a.At 4. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre les étapes suivantes : 15 - balayer la pile secondaire (12) pour détecter une variation de radioactivité, et, - à chaque itération k, comparer l'évolution ASk = Sk ùSk+l à un seuil de détection SDk correspondant à la plus faible valeur de variation du 20 signal détectée aux probabilités a et a près, a représentant au risque de détection à tort, et a représentant un risque de non détection d'un changement de radioactivité. 25 5. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, le seuil de détection SDk est une fonction de l'écart type de Poisson cumulé des valeurs Sk et Sk+I représenté par les équations suivantes : 1062(sk) sk akAt 2 sk+1 ) _ S 6 k+l n ak+lAt S D k Q\/6 2 (sk) + 6 2 (sk+1 ) Q étant un facteur d'élargissement conditionnant le lissage du signal dépendant des probabilités a et a selon les équations suivantes : 13 +a =1 R~ Je2/2dx 2n _Q 6. Dispositif de mesure en ligne d'un signal de rayonnements ionisants comportant : - un détecteur (4) de rayonnement radioactif, - un module électronique (8) de conditionnement du signal détecté, - un module de comptage d'impulsions (10) contenues dans des échantillons successifs (7) dudit signal détecté, dispositif caractérisé en ce que ledit module de comptage comporte : - un filtre non destructif utilisant un seuil de détection évolutif, - un lisseur adaptatif utilisant un traitement non linéaire en fonction de l'état d'évolution dudit signal de manière à obtenir un taux de comptage lissé desdites impulsions.25 20 7. Dispositif selon la revendication 6 comportant en outre : - une pile primaire (11) destinée à mémoriser les nombres Ni,. d'impulsions comptées pendant un temps élémentaire Ai, par un échantillon Ei du signal détecté, i variant de 1 à NM, NM représentant le nombre de valeurs que peut contenir ladite pile primaire, - une pile secondaire (12) destinée à 10 mémoriser les sommes cumulées des nombres NZ normalisés par le temps d'acquisition à chaque échantillon Ei, de sorte que ladite pile secondaire (12) contienne une valeur moyenne SNM2 obtenue par convergence d'une série de valeurs estimées S1 pour l'échantillon de signal Ei. 15