Brevet FR3035516A1 — publié le 20161028

CANNE DE MAINTIEN D'UN DISPOSITIF DE DETECTION SPHERIQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une canne de maintien pour le positionnement d'une anode d'un dispositif sphérique pour la détection de particules, telles que des neutrons, ou de rayonnements. L'invention concerne également un dispositif sphérique pour la détection de particules, telles que des neutrons, ou pour la détection de rayonnements ionisants comportant une telle canne de maintien. ETAT DE LA TECHNIQUE Un détecteur sphérique, tel qu'illustré à la figure 1, comporte généralement une première électrode 2 (la cathode) formant une enceinte sphérique creuse 6 remplie d'un gaz qui sert de milieu d'ionisation et de milieu d'amplification. Une deuxième électrode 3 (l'anode) en forme de bille est placée et maintenu au centre de la première électrode 2 sphérique au moyen d'une canne de maintien 4. Ce type de détecteur est adapté à la détection de particules non ionisantes comme les neutrons, les neutrinos, le rayonnement gamma ou des particules ionisantes comme les électrons, les positrons et les muons. Le gaz remplissant l'enceinte sphérique est ainsi choisi afin que les particules interagissent avec lui pour créer des charges qui migreront vers l'anode et qui seront amplifiées pour créer le signal à mesurer. La canne de maintien 4 permet à la fois de positionner l'anode au centre du dispositif 1 et de raccorder électriquement l'anode 3 à des moyens 25 de contrôle/commande via des moyens de liaison électrique 5 traversant ladite canne de maintien 4. 3035516 2 La première électrode sphérique 2 est reliée à la masse tandis que la deuxième électrode centrale 3 est portée à un haut potentiel positif. La détection se fait par l'ionisation des particules de gaz qui produisent alors un ion chargé positivement et un électron chargé négativement. Le champ 5 électrique appliqué entre les électrodes permet : de faire dériver les électrons créés par ionisation du gaz jusqu'à la bille en créant un champ radial, et ; de produire une « avalanche » à proximité de la bille pour amplifier le signal. 10 La présence de la canne de maintien 4 connectée à la masse et traversant l'enceinte sphérique 6 perturbe fortement le champ électrique à l'intérieur de celle-ci, notamment au niveau de la demi-sphère intégrant la canne de maintien 4 comme illustrée à la figure 2. EXPOSE DE L'INVENTION 15 Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une canne de maintien permettant de minimiser les perturbations du champ électrique engendrées par celle-ci à l'intérieur de l'enceinte sphérique d'un détecteur sphérique et notamment dans la région proche de la canne de maintien. A cette fin, l'invention concerne une canne de maintien d'un dispositif 20 de détection sphérique, ledit dispositif de détection comportant : une cathode formant une sphère creuse remplie d'un gaz d'ionisation, et ; - une anode placée au centre de ladite sphère creuse par l'intermédiaire de ladite canne de maintien ; ladite canne de maintien étant caractérisée en ce qu'elle comporte un élément isolant positionné à proximité d'une première extrémité, ladite première extrémité étant adaptée pour maintenir ladite anode dudit dispositif. 3035516 3 Avantageusement, l'élément isolant présente la forme d'une plaque positionnée à l'extrémité de ladite canne de maintien selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la canne de maintien. Avantageusement, ledit élément isolant présente une forme conique 5 définie par un axe et un sommet, l'axe du cône étant porté par ladite canne de maintien et le sommet dudit cône étant dirigé vers ladite première extrémité de ladite canne de maintien. Ladite canne de maintien d'un dispositif de détection selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, 10 considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : ledit élément isolant présente une forme de cône tronqué dont le sommet virtuel formé par ledit cône définit la position du centre de ladite anode ; 15 ledit élément isolant forme ladite première extrémité de ladite canne de maintien ; ladite canne de maintien comporte un élément résistif entourant partiellement ledit élément isolant ; l'élément résistif est positionné autour de l'élément isolant de manière 20 à ne pas recouvrir les deux extrémités dudit élément isolant ; ledit élément isolant présente une forme conique présentant un demi-angle au niveau du sommet compris entre 10 et 450, et avantageusement entre 1° et 100 ; ladite canne de maintien est creuse de manière à permettre la 25 traversée de moyens de liaison électrique et/ou de moyens de lecture de signal. 3035516 4 L'invention a également pour objet un dispositif de détection comportant une cathode formant une sphère creuse, remplie d'un gaz d'ionisation, et une anode placée au centre de ladite sphère creuse par l'intermédiaire d'une canne de maintien selon l'invention. 5 Ledit dispositif de détection selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : ladite canne de maintien comporte un élément résistif entourant au moins partiellement un élément isolant positionné à proximité d'une 10 première extrémité sur laquelle ladite anode est solidarisée, ladite canne de maintien étant traversée par des moyens de liaison électrique permettant de relier électriquement ladite anode à un premier potentiel et ledit élément résistif de ladite canne de maintien à un deuxième potentiel, ledit deuxième potentiel étant inférieur au 15 premier potentiel appliqué à ladite anode ; ladite anode est formée par une bille isolante et par au moins deux billes conductrices positionnées autour de ladite bille isolante et à une même distance prédéterminée de ladite bille isolante ; lesdites au moins deux billes conductrices sont reliées à ladite bille 20 isolante par l'intermédiaire de tiges-supports placées perpendiculairement à la surface de la ladite bille isolante ; lesdites tige-supports sont creuses ; ladite bille isolante et/ou lesdites au moins deux billes conductrices sont creuses ; 25 lesdites au moins deux billes conductrices sont réparties uniformément autour de ladite bille isolante ; l'anode comporte au moins huit billes conductrices ; 3035516 5 l'anode comporte quatorze billes conductrices ; ledit dispositif sphérique est un dispositif pour la détection de neutrons. BREVES DESCRIPTIONS DES FIGURES 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures suivantes : la figure 1, déjà décrite précédemment, illustre schématiquement une vue en coupe d'un dispositif sphérique de détection selon l'état de la 10 technique ; la figure 2 est une représentation schématique du champ électrique résultant de l'application d'une différence de potentiel entre les électrodes d'un dispositif sphérique de détection selon l'état de la technique, illustré à la figure 1 avec une canne de maintien selon l'art 15 antérieur ; la figure 3a est une vue partielle d'un premier mode de réalisation d'une canne de maintien d'un dispositif sphérique de détection selon l'invention ; la figure 3b est une vue partielle d'un deuxième mode de réalisation 20 d'une canne de maintien d'un dispositif sphérique de détection selon l'invention la figure 4 est une représentation schématique du champ électrique résultant de l'application d'une différence de potentiel entre les électrodes d'un dispositif sphérique de détection intégrant une canne 25 de maintien selon l'invention illustré à la figure 3b; 3035516 6 la figure 5 est une vue en coupe partielle d'un troisième mode de réalisation d'une canne de maintien d'un dispositif sphérique de détection selon l'invention ; la figure 6 est une vue schématique d'une alternative de réalisation 5 d'un dispositif de détection comportant un canne de maintien selon l'invention. DESCRIPTION D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION Les figures 3a et 3b illustrent respectivement un premier mode et un deuxième mode de réalisation d'une canne de maintien selon l'invention. 10 La canne de maintien 10, 40 est typiquement utilisée dans un dispositif sphérique de détection tel qu'illustré à la figure 1. Pour rappel, un dispositif de détection comporte une première électrode formant une enceinte sphérique creuse. La première électrode est reliée à la masse de manière à former une cathode. Le dispositif de détection 15 comporte également une deuxième électrode formant l'anode. La deuxième électrode formant l'anode est positionnée et maintenue au centre de la première électrode au moyen d'une canne de maintien 10, 40, telle que représentée aux figures 3a et 3b, la canne de maintien traversant la paroi de l'enceinte 6. 20 Le fonctionnement d'un tel dispositif de détection est notamment décrit dans la demande de brevet FR 3007848 Al. Par conséquent, la présente demande se réfère à ce document et en intègre l'ensemble des caractéristiques décrites dans ce document. Ainsi, la canne de maintien 10, 40 selon l'invention permet de 25 maintenir l'anode 3 au centre de l'enceinte sphérique 6 formant la cathode 2 et permet également de raccorder électriquement l'anode 3. 3035516 7 La canne de maintien 10, 40 est typiquement réalisée en un matériau conducteur (par exemple en acier inoxydable ou en cuivre) ou en un matériau quelconque recouvert d'une couche conductrice. La surface extérieure 11 de la canne de maintien 10, 40 est reliée à la masse. 5 La canne de maintien 10, 40 est creuse de sorte qu'elle est traversée par des moyens de liaison électrique 25 permettant de placer l'anode 3 à un potentiel HV1 et donc de contrôler le champ électrique appliqué dans l'enceinte 6 du dispositif 1, mais également par des moyens permettant la lecture de signal. Les moyens de liaison électrique 25 sont typiquement des 10 câbles électriques permettant de raccorder électriquement le dispositif à des moyens de contrôle/commande. La canne de maintien 10, 40 comporte en outre des moyens 30 permettant de solidariser la canne de maintien 10, 40 sur la paroi de l'enceinte sphérique 6 et de réaliser une étanchéité au niveau de la traversée 15 de l'enceinte sphérique 6. La canne de maintien 10, 40 comporte en outre un élément isolant 13, 23 positionné à proximité de l'extrémité 12 de la canne de maintien 10, 40 destinée à être positionnée dans l'enceinte 6 et à maintenir l'anode 3. Avantageusement, l'extrémité 12 est formée par l'élément isolant 13, 23. 20 Bien entendu l'élément isolant 13, 23 présente un orifice traversant central pour le passage des moyens de liaison électrique 25 permettant de raccorder l'anode 3 au potentiel voulu. Selon le premier mode de réalisation illustré à la figure 3a, l'élément isolant 23 peut présenter une forme de plaque 23 positionnée 25 perpendiculairement à l'axe longitudinal de la canne de maintien 40. Selon le deuxième mode de réalisation illustré à la figure 3b, l'élément isolant 13 présente une forme conique, dont la forme est définie par un axe 3035516 8 et par un sommet, l'axe du cône étant porté par ladite canne de maintien (i.e. confondu avec l'axe longitudinal de la canne de maintien 10) et le sommet dudit cône étant dirigé vers l'extrémité de ladite canne de maintien 10 (i.e. vers le centre de l'enceinte sphérique). 5 Avantageusement, l'élément isolant présente une forme de cône tronquée de sorte que le sommet tronqué du cône forme une surface d'appui suffisamment importante pour permettre la solidarisation de l'anode 3 à l'extrémité du cône, par exemple par collage. Le sommet virtuel du cône représente avantageusement la position du centre de la bille formant l'anode 10 3. L'élément isolant 13, 23 est réalisé avantageusement dans un matériau plastique très isolant, par exemple du polyétheréthercétone (PEEK). Avantageusement, l'élément isolant conique 13 présente un demi-15 angle a au niveau du sommet compris entre 10 et 89°, avantageusement entre 10 et 45° et de manière préférentielle entre 1° et 100 . Ainsi, la canne de maintien 10, 40 selon l'invention comportant une extrémité 12 réalisée dans un matériau isolant permet ainsi de minimiser les perturbations du champ électrique dans l'enceinte sphérique 6 du dispositif 20 de détection. A cet effet, la figure 4 représente schématiquement le champ électrique généré dans un dispositif sphérique de détection 100 comportant une canne de maintien 10 selon l'invention illustrée à la figure 3b. On remarque ainsi que grâce à l'utilisation de la canne de maintien 10 selon 25 l'invention présentant une extrémité 12 isolante et de forme conique, le champ électrique généré dans l'enceinte sphérique 6 est moins perturbé à proximité de la canne de maintien 10. On peut estimer que la zone perturbée 3035516 9 est inférieure à 20% du volume total de la sphère, alors que sans l'invention environ 50% de la sphère est perturbée. La figure 5 illustre un troisième mode de réalisation d'une canne de maintien 50. Dans ce troisième mode de réalisation de l'invention, la surface 5 extérieure 15 de l'élément isolant 13 est partiellement recouverte par un élément résistif 14 relié électriquement à un deuxième câble électrique 26 traversant également la canne de maintien 50. A cet effet, l'élément isolant conique 13 présente un orifice traversant orienté sensiblement selon une direction transverse par rapport à l'axe longitudinal de la canne de maintien 10 50 de manière à permettre le passage du deuxième câble électrique 26 du centre de la canne de maintien 50 vers l'élément résistif 14. L'orifice transverse permet ainsi de connecter électriquement l'élément résistif 14 à un potentiel HV2, inférieur au potentiel HV1 appliqué à l'anode 3. L'élément résistif 14 ne recouvre pas entièrement l'ensemble de la 15 surface extérieure 15 de l'élément isolant 13. En effet, l'élément résistif 14 est agencé de manière à laisser « à nu » l'élément isolant 13 au niveau de deux zones Z1 et Z2 situées de part et d'autre de l'élément résistif 14, de manière à éviter tout court-circuit entre la canne de maintien 10 raccordée à la masse et l'anode 3 au potentiel HV1. 20 L'application de ce deuxième potentiel au niveau de l'extrémité de la canne de maintien 10 et à proximité de la bille formant l'anode 3 permet de créer une décharge progressive des charges accumulées sur l'anode 3. Cette décharge progressive permet ainsi de limiter, voire de supprimer, l'apparition des claquages dus à l'accumulation de ces charges. Les charges 25 accumulées seront ainsi éliminées par une mise à la masse via les parois métalliques extérieures 11 de la canne de maintien 50 et par le biais de l'extrémité conique 12. Ainsi, la zone perturbée est réduite à environ 10% du volume de la sphère. 3035516 10 La figure 6 est une vue schématique d'une alternative de réalisation d'un dispositif de détection 200 comportant un canne de maintien 10, 40, 50 selon l'invention. Le dispositif de détection 200 comporte une première électrode 110 5 formant une enceinte sphérique creuse 111. La première électrode 110 est reliée à la masse de manière à former une cathode. Le dispositif de détection 200 comporte également une deuxième électrode 120 formant l'anode. La deuxième électrode 120 formant l'anode est positionnée et 10 maintenue au centre de la première électrode 110 au moyen d'une canne de maintien 10, 40, 50 traversant la paroi de l'enceinte 111. Par exemple, l'enceinte sphérique 111 est réalisée en aluminium et présente un diamètre de l'ordre de 200mm avec une épaisseur de paroi de l'ordre de 2mm. L'enceinte sphérique 111 présente au niveau de sa paroi une ouverture 113 15 permettant le passage de la canne de maintien 10, 40, 50. Bien entendu, il est prévu d'utiliser des moyens d'étanchéité ad-hoc au niveau de la traversée de l'enceinte sphérique 111 pour le passage de la canne de maintien 10, 40, 50. Dans cette alternative de réalisation, l'anode 3 en forme de bille 20 simple, illustrée précédemment aux figures 3a et 3b, est remplacée par une structure 120 formée par : une bille centrale 121 reliée à la canne de maintien 10, 40, 50 ; une pluralité de billes satellites 122, i.e. au moins deux, positionnées autour de la bille centrale 121 ; 25 des moyens de liaison 124, tels que des tiges-supports, s'étendant selon une direction radiale par rapport à la surface de la bille centrale 121, permettant de positionner et de maintenir les billes satellites 122 autour de la bille centrale 121 et à une certaine distance 3035516 11 prédéterminée de la bille centrale 121, cette distance pouvant être nulle. La bille centrale 121 est une bille isolante réalisé en matériau isolant, par exemple en polyétheréthercétone (ou PEEK pour PolyEtherEtherKetone 5 en langue anglaise). Cette bille centrale isolante est creuse de manière à permettre le passage des moyens de liaison électrique 25 et comporte une pluralité d'orifices radiaux répartis sur le pourtour de la surface de la bille centrale 121 pour le passage des moyens de liaison électrique 25 raccordés à chacune des billes satellites 122 ; le nombre et la répartition des orifices 10 radiaux correspondant au nombre et à la répartition des moyens de liaisons 124 de maintien des billes satellites 122. Ces tiges-supports 124 sont également creuses de manière à permettre le passage des moyens de liaison électrique 25 à l'intérieur des tiges-supports 124, celles-ci formant ainsi une gaine de protection des 15 moyens de liaison électrique 25. Les billes satellites 122 sont des billes conductrices réalisées par exemple en acier inoxydable sur lesquelles une tension unique HV1 est appliquée par l'intermédiaire des moyens de liaison électrique 25 qui sont raccordés électriquement aux billes conductrices 122. 20 Les tiges-supports 124 sont de longueur identique et permettent ainsi de positionner les billes satellites conductrices 122 à équidistance de la bille centrale isolante 121. par exemple, les tiges-supports 124 peuvent présenter une longueur minimum de 2mm. Une telle géométrie de l'anode 20 en forme de «hérisson» permet 25 ainsi de proposer un détecteur répondant à la fois aux besoins et aux performances des détecteurs sphériques de grandes dimensions et de petites dimensions. En effet, la structure particulière de l'anode 20 lui confère 3035516 12 une double propriété : elle se comporte à la fois comme une anode de grande dimension pour la collection des charges et comme une anode de petite dimension avec des champs électriques élevés proches de l'anode pour l'amplification. 5 On entend par anode de grande dimension, une anode apte à détecter les particules jusqu'au voisinage de la sphère. La taille de l'anode dépend donc de la taille de l'enceinte sphérique mais également du gaz choisi pour la détection ainsi que de la tension appliquée. On entend par anode de petite dimension, une anode petite par 10 rapport à la taille de la sphère pour ne pas encombrer le volume détecteur et créer des champs électriques assez forts pour provoquer l'amplification (l'intensité des champs électriques étant proportionnelle à 14,2 où r est le rayon de l'anode). Ainsi l'anode 120 selon l'invention permet de collecter les signaux 15 d'avalanche qui sont amplifiés par un préamplificateur miniature à très faible bruit électronique disposé au plus près de la bille centrale isolante 121, voire même à l'intérieur de celle-ci. Par exemple, pour la détection de particules non ionisantes telles que des neutrons, il est nécessaire d'avoir une pression de gaz dans l'enceinte 20 111 de quelques bars, par exemple 5 bars, afin d'augmenter leur probabilité d'interaction avec le gaz et de une tension appliquée à l'anode 120 supérieure à 7kV afin de faire migrer les électrons venant de l'enceinte sphérique 121 vers l'anode 120. Inversement, pour la détection de particules très ionisantes, on peut être amené à baisser la pression à l'intérieur de 25 l'enceinte à quelques millibars et à appliquer une tension à l'anode inférieure à 2kV. Pour cette application, il est possible d'utiliser une enceinte sphérique 111 présentant un diamètre de 1,3m avec une anode formée par une bille centrale 121 présentant un diamètre de 10mm et des billes satellites 3035516 13 conductrices 122 présentant des diamètres de 2mm positionnées à 2mm de la surface extérieure de la bille centrale 121. Avantageusement, l'anode 120 est formée par une bille centrale isolante 121 et par au moins huit billes satellites conductrices 122 5 uniformément réparties autour de la bille centrale 121. Selon un autre mode avantageux de l'invention, l'anode 120 est formée par une bille centrale isolante 121 et par au moins quatorze billes satellites conductrices 122 uniformément réparties autour de la bille centrale 121. 10 Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les dimensions données dans les exemples de réalisation pour les électrodes pourraient varier, tout comme les matériaux constitutifs des électrodes et de la canne de maintien. 15 REVENDICATIONS1. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection, ledit dispositif comportant une cathode (2) formant une sphère creuse (6) remplie d'un gaz d'ionisation, et une anode (3) placée au centre de ladite sphère creuse par l'intermédiaire de ladite canne de maintien ; ladite canne de maintien (10, 50) étant caractérisé en ce qu'elle comporte un élément isolant (13) positionné à proximité d'une première extrémité (12), ladite première extrémité (12) étant adaptée pour maintenir ladite anode (3) dudit dispositif. 2. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'élément isolant présente la forme d'une plaque isolante (23) positionnée selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la canne de maintien (10, 50). 3. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit élément isolant (13) présente une forme conique définie par un axe et un sommet, l'axe du cône étant porté par ladite canne de maintien (10, 50) et le sommet dudit cône étant dirigé vers ladite première extrémité de ladite canne de maintien (10, 50). 4. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit élément isolant 3035516 15 (13) présente une forme de cône tronqué dont le sommet virtuel formé par ledit cône définit la position du centre de ladite anode (3). 5. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection 5 selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ledit élément isolant (13) forme ladite première extrémité (12) de ladite canne de maintien (10, 50). 6. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection 10 selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ladite canne de maintien (10, 50) comporte un élément résistif (14) entourant partiellement ledit élément isolant (13). 7. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection 15 selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'élément résistif (14) est positionné autour de l'élément isolant (13) de manière à ne pas recouvrir les deux extrémités (Z1, Z2) dudit élément isolant (13). 20 8. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ledit élément isolant (13) présente une forme conique présentant un demi-angle au niveau du sommet compris entre 1° et 450 . 25 9. Canne de maintien (10, 50) d'un dispositif sphérique de détection selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ladite canne de maintien (10, 50) est creuse de manière à permettre la traversée de moyens de liaison électrique et/ou de moyens de lecture de signal. 10. Dispositif sphérique (100, 200) de détection caractérisé en ce qu'il comporte : 3035516 16 une cathode (10, 110) formant une sphère creuse (11, 111), remplie d'un gaz d'ionisation, et ; une anode (20, 120) placée au centre de ladite sphère creuse (11, 111) par l'intermédiaire d'une canne de maintien (10, 50) selon 5 l'une des revendications précédentes. 11. Dispositif sphérique (100, 200) de détection selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite canne de maintien (10, 50) comporte un élément résistif (14) entourant au moins partiellement un 10 élément isolant (13) positionné à proximité d'une première extrémité (12) sur laquelle ladite anode (3) est solidarisée, ladite canne de maintien (10, 50) étant traversée par des moyens de liaison électrique (25, 26) permettant de relier électriquement ladite anode (20, 120) à un premier potentiel (HV1) et ledit élément résistif (14) de ladite canne 15 de maintien (10, 50) à un deuxième potentiel (HV2), ledit deuxième potentiel (HV2) étant inférieur au premier potentiel (HV1) appliqué à ladite anode (20, 120). 12. Dispositif sphérique (100, 200) de détection selon l'une des 20 revendications 10 à 11 caractérisé en ce que ladite anode (120) est formée par une bille isolante (121) et par au moins deux billes conductrices (122) positionnées autour de ladite bille isolante (121) et à une même distance prédéterminée de ladite bille isolante (121). 25 13. Dispositif sphérique (100, 200) de détection selon l'une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que lesdites au moins deux billes conductrices (122) sont reliées à ladite bille isolante (121) par l'intermédiaire de tiges-supports (124) placées perpendiculairement à la surface de la ladite bille isolante (121). 30 3035516 17 14.Dispositif sphérique (100, 200) de détection selon l'une des revendications 10 à 13 caractérisé en ce que ledit dispositif sphérique (100, 200) est un dispositif pour la détection de neutrons.