Brevet FR3134193A1 — publié le 20231006

Appareil pour la surveillance en temps réel du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant. L’invention consiste essentiellement à intégrer au moins un détecteur à pixels hybrides (4) et/ou un détecteur (5) à semi-conducteurs à base de silicium dans une chambre de mesure (3) dans laquelle on fait circuler un aérosol susceptible de contenir des descendants solides de radon et de thoron, la chambre de mesure étant entourée d’un écran de radioprotection gamma et/ou neutronique autour du détecteur pour le protéger de tout rayonnement ionisant provenant de l’environnement extérieur, susceptible d’engendrer un fort bruit parasite gamma et/ou neutronique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Appareil pour la surveillance en temps réel du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant. La présente invention concerne le domaine général de la surveillance par mesure de gaz radioactifs inertes. Elle a trait plus particulièrement à la mesure du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant. L’invention vise en premier lieu à améliorer les appareils de mesure existants, notamment en permettant une détection et une discrimination du radon 222 Rn et du thoron 220 Rn, même dans un environnement fortement irradiant tout en gardant une haute sensibilité au signal utile. Une application privilégiée de l’invention est la mesure et l’instrumentation en milieu nucléaire. De manière générale, l’invention s’applique à tous les domaines en lien avec le contrôle de la qualité de l’air dans le secteur de l’industrie nucléaire, mais aussi le secteur privé ainsi que le secteur civil et médical pouvant être en présence de rayonnements ionisants. On peut citer les laboratoires de mesure, de recherche, dits chauds (équipés pour la manipulation ou le traitement de substances fortement radioactives), les zones douanières proches d’une source d’étalonnage, les milieux hospitaliers proches d’accélérateurs médicaux et/ou de coffres sources, … Le thoron et le radon, estimé comme étant la deuxième source des cancers pulmonaires dans le monde après le tabac, sont des gaz radioactifs inertes sans odeur qui proviennent de la désintégration naturelle de l’uranium et du thorium. Ils sont présents avec diverses abondances en fonction des régions du monde. Le gaz radon se décline sous deux principales formes : il peut être présent sous la forme de l’isotope 222 Rn issu de la chaîne de décroissance de l’ 238 U, principal élément du radon naturel, et ou de son isotope 220 Rn dit thoron, issu de la chaine de décroissance du 232 Th. La décroissance par désintégration alpha du radon 222 Rn et du thoron 220 Rn, présentant des demi-vies respectives de 3,8 jours et de 55,6 secondes, donne lieu à la production de descendants solides dont le polonium et le bismuth sous forme d’aérosols. Ces éléments, instables, se désintègrent à leur tour par décroissance alpha et bêta jusqu’au plomb, stable. De par l’impact sanitaire élevé suite à l’inhalation de radon et de ses descendants solides par les individus dans les milieux publics comme privés, des nombreuses lois en France présentent les recommandations et les performances attendues pour des appareils commerciaux de mesure du radon. A titre d’exemple, le décret français n°2018-434 du 4 juin 2018 stipule une baisse du niveau de référence annuel du radon en milieu professionnel de 400 Bq/m 3 à 300 Bq/m 3 . Dans ce contexte, il existe un besoin de trouver des solutions pour répondre aux nouvelles exigences pour la surveillance en temps réel du gaz radon, notamment dans des milieux ionisants au fort signal parasite où les dispositifs actuels présentent des limites d’utilisation. De nombreuses technologies sont d’ores et déjà à un stade de développement suffisamment avancé pour être intégrées dans des dispositifs disponibles dans le commerce. On peut classer en trois grandes technologies les dispositifs déjà proposés par de nombreux industriels : les chambres avec des semi-conducteurs, par exemple en silicium (Si), les chambres à scintillation, et les chambres à ionisation. Les chambres avec des semi-conducteurs en silicium sont intégrées dans de nombreux dispositifs portatifs du commerce et permettent d’atteindre une sensibilité du signal de l’ordre de quelques dixièmes de cph (comptage par heure)/Bq/m 3 . Elles permettent également la discrimination des gaz radon et thoron par identification des raies à l’aide d’une spectrométrie alpha. Les chambres à scintillation de type « Lucas Cell » sont proposées sous leurs formes passives et actives : [1], [2]. La sensibilité des Lucas Cell passives est comparable à celle des chambres avec un semi-conducteur en Si. Cependant, la technologie passive de ces chambres ne permet pas une discrimination entre le radon et le thoron. Les appareils haut de gamme dits actifs qui mettent en œuvre des chambres à scintillation dépassent cette limitation en intégrant une pompe qui assure la circulation du gaz à l’intérieur de la cavité de mesure. Le fonctionnement des chambres à ionisation repose sur le déploiement d’une chambre de mesure dont les parois en plastique conducteur, couplées à un détecteur en téflon sous tension électrique, permettent d’ioniser l’air à l’intérieur de la chambre : [3]. En cas de présence de radon, la collecte des charges électriques s’effectue à l’aide du détecteur en téflon. Comme pour les chambres à scintillation, la forme passive des chambres à ionisation ne permet pas une discrimination entre le radon et le thoron. La forme active de ces chambres à ionisation consiste à déployer des électrodes capillaires mises sous tension électrique afin d’obtenir l’ionisation de l’air dans la chambre de mesure. Le déploiement des nombreux capillaires couplés à une pompe de circulation de gaz permet d’atteindre une sensibilité du signal atteignant les 5 cph/Bq/m 3 . En complément, cela permet la capacité de discrimination entre radon et thoron par le fonctionnement en mode pulsé de la pompe (phases marche/arrêt). Une dernière technologie disponible dans le commerce consiste à mesurer les rayonnements gamma émis par les chaînes de décroissance du radon ou du thoron à l’aide de scintillateurs inorganiques de type à iodure de césium CsI(Tl). D’autres technologies actuellement à un stade de développement amont présentent un fort potentiel pour la surveillance en temps réel du radon. C’est le cas notamment des détecteurs à pixels hybrides tels que les détecteurs fondés sur la technologie Timepix hybridée à un semi-conducteur, permettant de séparer à la fois la contribution du radon comme d’autres radioéléments émetteurs gamma présents dans l’environnement de mesure : [4], [5]. Dans le cadre de l’invention, on désigne sous le terme « Timepix », un détecteur de ce type. La sensibilité du signal de ce type de détecteurs pour le radon atteint les quelques dixièmes de cph/Bq/m 3 . Les auteurs de la publication [6] proposent de détecter le radon et le thoron à l’aide d’un détecteur Timepix : les deux gaz sont détectés par la présence d’un impact de dépôt sur le détecteur, caractéristique d’une particule alpha émise par les descendant solides du 220 Rn/ 222 Rn. Quelles que soient les technologies, il existe un besoin pour améliorer encore les solutions de surveillance en temps réel du gaz radon, en permettant la discrimination avec le thoron et en augmentant encore la sensibilité de mesure. Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un appareil pour la surveillance du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant, comprenant : - un corps creux délimitant intérieurement une chambre de mesure, entre un orifice d’entrée et un orifice de sortie, le corps creux comprenant une couche externe formant écran de radioprotection gamma et/ou une couche interne formant écran de radioprotection neutronique vis-à-vis de l’environnement extérieur ; - au moins un détecteur à pixels hybrides et/ou un détecteur à semi-conducteurs à base de silicium, logé(s) dans la chambre, le(s) détecteur(s) étant configuré(s) pour collecter les descendants solides du radon et du thoron provenant de l’orifice d’entrée ; - une unité de traitement électronique reliée au(x) détecteur(s) et configurée pour réaliser au moins une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par impact sur le détecteur, puis une analyse temporelle du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron, par la mesure des temps de décroissance. Selon un mode de réalisation avantageux, le détecteur à pixels hybrides est configuré pour permettre à l’unité de traitement de réaliser l’analyse d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur ledit détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ) : [7]. Le détecteur à pixels hybrides est ainsi avantageusement un détecteur Timepix ou ASIC Timepix, développé par le CERN, qui est une puce de lecture de pixels à haute résolution spatiale et à contraste élevé. Selon une variante avantageuse de réalisation, le corps est percé d’au moins un conduit formant une chicane entre l’orifice d’entrée et la chambre et d’au moins un conduit formant une chicane entre la chambre et l’orifice de sortie. Une chicane en entrée et sortie de la circulation de l’aérosol assure à la fois l’obscurité dans la chambre de mesure, et limite toute contribution du signal gamma et neutronique de l’environnement extérieur. Le profil de ces chicanes peut être aussi complexe que nécessaire pour limiter autant que possible les contributions parasites de l’environnement extérieur sur les mesures utiles effectuées à l’intérieur de la cavité de mesure. Une variante éventuelle dans le but de simplifier la chicane consiste à mettre en place deux compartiments supplémentaires en entrée et sortie du corps assurant une obscurité suffisante au niveau de la chambre de mesure. Cette variante pouvant être déployée dans un environnement à faible contribution ionisante externe. Avantageusement, la paroi interne de la chambre est revêtue d’une couche de matériau à effet scintillant, de préférence en ZnS(Ag). Une telle couche permet de mieux collecter le signal lumineux, i.e. avec un grand angle solide. Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’appareil comprend une pompe agencée entre l’orifice d’entrée et la chambre pour assurer la circulation de l’aérosol susceptible de contenir des descendants solides, depuis l’orifice d’entrée jusque dans la chambre, la pompe étant configurée pour fonctionner en mode pulsé selon des phases de marche/arrêt, une phase de marche permettant de vider la chambre par l’orifice de sortie, une phase d’arrêt permettant aux descendants solides de se déposer sur le détecteur. Selon ce mode et une variante avantageuse, l’appareil comprend un obturateur agencé entre la chambre et l’orifice de sortie, l’obturateur étant configuré pour fonctionner de manière synchrone avec le fonctionnement de la pompe de sorte à fermer l’orifice de sortie lorsque la pompe est en phase d’arrêt. Ainsi, cet obturateur assurant l’étanchéité de la chambre de manière synchrone avec une phase d’arrêt de la pompe, au cours de laquelle le dépôt par impact a lieu sur le détecteur. De préférence, l’appareil comprend un filtre à particules fines agencé au niveau de l'orifice d'entrée. Le filtre est de préférence adapté pour filtrer des particules PM10, de préférence encore PM2.5, de préférence encore PM1 . Un tel filtre permet de limiter l’entrée de polluants et d’aérosols solides dans la chambre de mesure, par exemple ceux issus de la décroissance du Radon et Thoron à l’extérieur. De préférence, le matériau de la couche externe de radioprotection gamma est choisi parmi le plomb, le tungstène et leurs alliages. Dans le cadre de l’invention, tout matériau de numéro atomique (Z) élevé, typiquement au-delà d’un numéro égal à 29, et de haute densité, typiquement au-delà de 8g/cm 3 , convient pour constituer l’écran de radioprotection gamma souhaité. De préférence encore, le matériau de la couche interne de radioprotection neutronique est choisi parmi le polyéthylène Haute Densité (PEHD) dopé au bore ou la paraffine avec un absorbant neutronique, de préférence à base de bore ou d’hafnium. L’épaisseur de chacune des couches de radioprotection (gamma ou neutronique) peut varier entre quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètre en fonction de l’application et du débit de dose effectif de l’environnement de mesure. L’invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d’un appareil qui vient d’être décrit, comprenant les étapes : a/ circulation dans la chambre de mesure, d’un aérosol susceptible de contenir au moins la particule alpha (α) émise par les descendant solides du radon et du thoron, b/ le cas échéant, analyse par l’unité de traitement d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur le détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ), c/ réalisation par l’unité de traitement d’une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par l’impact sur le détecteur, d/ analyse temporelle par l’unité de traitement du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron par la mesure des temps de décroissance. De préférence, l’étape b/ ou l’étape c/ est initiée une fois la pompe à l’arrêt, l’obturateur ayant obturé de manière synchrone l’orifice de sortie. Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer au moins un détecteur à pixels hybrides et/ou détecteur en silicium dans une chambre de mesure dans laquelle on fait circuler un aérosol susceptible de contenir des descendants solides de radon et de thoron, la chambre de mesure étant entourée d’un écran de radioprotection gamma et/ou neutronique autour du détecteur pour le protéger de tout rayonnement ionisant provenant de l’environnement extérieur, susceptible d’engendrer un fort bruit parasite gamma et/ou neutronique. Dans le cadre de l’invention, un détecteur à pixels hybrides, notamment de type ASIC Timepix, permet de discriminer toute contribution beta, gamma voir neutronique, par l’analyse de la forme circulaire de l’impact sur lui. De manière générale, dans le cadre de l’invention tout détecteur pixelisé capable de mesurer l’énergie déposée sur un pixel et avantageusement les positions des particules ionisantes déposées convient. L’unité de traitement électronique reliée au(x) détecteur(s) est configurée pour réaliser la discrimination de la particule détectée (α,β,γ) par l’analyse de la forme de l’impact sur le détecteur, puis une spectrométrie alpha pour l’identification des raies caractéristiques des descendant solides, et enfin une analyse temporelle de la décroissance du taux de comptage dans la région en énergie d’intérêt du spectre alpha. Cette analyse temporelle consiste de préférence en une analyse de la période radioactive à l’aide d’un ajustement exponentiel préalable. L’invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer ceux par rapport aux solutions selon l’état de l’art, la discrimination du radon et du thoron par des méthodes combinées (analyse de forme de l’impact couplé à une analyse du taux de comptage), l’amélioration de la sensibilité du signal notamment pour la mesure en milieu ionisant de par l’enveloppe de protection et par-là la diminution du taux de fausses alarmes, i.e. générées par une mauvaise détection. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. la est une vue schématique d’un exemple d’appareil de surveillance du radon et du thoron selon l’invention. , , les figures 2A, 2B, 2C illustrent respectivement sous forme de reproduction photographique et de courbes des différentes phases de la méthode d’analyse mise en œuvre par l’unité de traitement de l’appareil selon l’invention. la est une vue schématique d’une variante de réalisation de la partie physique de détection d’un appareil selon l’invention. Appareil (1) pour la surveillance du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant, comprenant : un corps creux (2) délimitant intérieurement une chambre de mesure (3), entre un orifice d’entrée (20) et un orifice de sortie (21), le corps creux comprenant une couche externe (22) formant écran de radioprotection gamma et/ou une couche interne (23) formant écran de radioprotection neutronique vis-à-vis de l’environnement extérieur ; au moins un détecteur à pixels hybrides (4) et/ou un détecteur (5) à semi-conducteurs à base de silicium, logé(s) dans la chambre, le(s) détecteur(s) étant configuré(s) pour collecter les descendants solides du radon et du thoron provenant de l’orifice d’entrée ; une unité de traitement électronique (10) reliée au(x) détecteur(s) et configurée pour réaliser au moins une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par impact sur le détecteur, puis une analyse temporelle du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron, par la mesure des temps de décroissance. Appareil (1) selon la revendication 1, le détecteur à pixels hybrides étant configuré pour permettre à l’unité de traitement de réaliser l’analyse d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur ledit détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ). Appareil (1) selon la revendication 1 ou 2, le corps étant percé d’au moins un conduit formant une chicane (24) entre l’orifice d’entrée et la chambre et d’au moins un conduit formant une chicane (25) entre la chambre et l’orifice de sortie. Appareil (1) selon l’une des revendications précédentes, la paroi interne de la chambre étant revêtue d’une couche de matériau à effet scintillant, de préférence en ZnS(Ag). Appareil (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pompe (6) agencée entre l’orifice d’entrée et la chambre pour assurer la circulation de l’aérosol susceptible de contenir des descendants solides, depuis l’orifice d’entrée jusque dans la chambre, la pompe étant configurée pour fonctionner en mode pulsé selon des phases de marche/arrêt, une phase de marche permettant de vider la chambre par l’orifice de sortie, une phase d’arrêt permettant aux descendants solides de se déposer sur le détecteur. Appareil (1) selon la revendication 5, comprenant un obturateur (7) agencé entre la chambre et l’orifice de sortie, l’obturateur étant configuré pour fonctionner de manière synchrone avec le fonctionnement de la pompe de sorte à fermer l’orifice de sortie lorsque la pompe est en phase d’arrêt. Appareil (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un filtre à particules fines (7) agencé au niveau de l'orifice d'entrée, le filtre étant de préférence adapté pour filtrer des particules PM10, de préférence encore PM2.5, de préférence encore PM1. Appareil (1) selon l’une des revendications précédentes, le matériau de la couche externe de radioprotection gamma étant choisi parmi le plomb, le tungstène et leurs alliages. Appareil (1) selon l’une des revendications précédentes, le matériau de la couche interne de radioprotection neutronique étant choisi parmi le polyéthylène Haute Densité (PEHD) dopé au bore ou la paraffine avec un absorbant neutronique, de préférence à base de bore ou d’hafnium. Procédé de fonctionnement d’un appareil selon les revendications précédentes, comprenant les étapes : a/ circulation dans la chambre de mesure, d’un aérosol susceptible de contenir au moins la particule alpha (α) émise par les descendant solides du radon et du thoron, b/ le cas échéant, analyse par l’unité de traitement d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur le détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ), c/ réalisation par l’unité de traitement d’une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par l’impact sur le détecteur, d/ analyse temporelle par l’unité de traitement du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron par la mesure des temps de décroissance. Procédé selon la revendication 10, l’étape b/ ou l’étape c/ étant initiée une fois la pompe à l’arrêt à l’obturateur ayant obturé de manière synchrone l’orifice de sortie.