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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX DETECTEURS DE RAYONNEMENTS.
L'invention est relative à la détection et à la mesure de rayonne- ments pénétrants; et elle concerne, plus spécialement, les détecteurs du ty- pe Geiger-Mueller pour mesurer l'intensité de ces rayonnements en rayons gam-. ma.
Elle a pour but, surtout, de perfectionner un détecteur de rayon- nements analogue à celui du brevet E.U.A. n 2.397.071 du 19 mars 1946.
Elle consiste,principalement, à constituer des détecteurs, du genre en question, dans lesquels il existe une relation telle entre les sur- faces des plaques cathodiques et le nombre des trous anodiques que le fonc- tionnement du détecteur se fasse avec un rendement optimum.
Un autre objet de l'invention est de réaliser un compteur qui fonctionne efficacement à des vitesses de comptage relativement élevées.
En outre, le nouveau détecteur est caractérisé par une réparti- tion sensiblement uniforme de gradients appropriés pour l'intensité du champ électrique.
Le dessin ci-annexé montre, à titre d'exemple, quelques modes de réalisation de 1-'invention.
La figure 1 montre, en perspective, une plaque cathodique pour un compteur du type à plaques avec un seul fil anodique.
La figure 2 montre, en perspective, un ensemble de plaques pour un compteur avec plusieurs fils anodiques.
La figure 3 montre, semblablement, un compteur avec plaques mul- tiples et subdivisé en plusieurs chambres séparées, une partie du compteur étant supprimée pour montrer l'intérieur du dispositif.
L'invention est basée sur le fait que dans des compteurs du type à plaques et pour lesquels on peut se servir d'un ou de plusieurs fils ano- diques, il existe une relation bien définie entre certains éléments du comp-
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teur, cette relation permettant de déterminer le nombre optimum de fils ano- diques et, par conséquent, le nombre de trous à ménager dans chaque plaque.
L'invention vise également un dispositif par lequel: le déplacement de la gai- ne d'ions qui, à chaque comptage, se forme le long de l'anode, peut être li- mité à des portions de longueur réduite de l'anode ce qui rend le compteur sensible pour une plus grande période de temps et lui permet de fonctionner à des vitesses de comptage relativement élevées.
Pour des compteurs, du type à plaques et du genre de ceux spéci- fiés dans le brevet E.U.A. n 2.397.071, une ou plusieurs plaques conductrices et cathodiques sont parallèles et écartées les unes des autres. Dans chaque plaque sont ménagés un ou plusieurs trous et les trous des différentes pla- ques sont alignés par groupes pour permettre le passage et le positionnement des fils anodiques dans des directions sensiblement perpendiculaires au plan de la ou des plaques.
Si l'on utilise seulement une plaque cathodique, elle peut avoir une forme choisie parmi plusieurs formes-différentes. Par exemple, la plaque peut être constituée par une bande ou un ruban enroulé en forme de spirale, ou plié en zig-zag ou en accordéon. Si l'on se sert de plusieurs plaques, celles-ci peuvent être orientées de manière que leurs trous soient en aligne- ment afin qu'un fil anodique puisse être disposé de manière qu'il passe par les centres des trous de chaque groupe. L'ensemble des plaques, qui peut être dénommé cathode, ainsi que les fils anodiques sont logés dans une enveloppe on verre, en métal ou toute autre matière appropriée,cette enveloppe étant remplie, de préférence, avec un gaz approprié.
La figure 2 montre un ensemble des plaques depuis l'intérieur d' un compteur cet ensemble comprenant des plaques 11, dans lesquelles sont mé- nagés des trous 12 pour le passage des fils anodiques 13, et étant logé géné- ralement dans une enveloppe en verre (non montrée). L'enveloppe contient un gaz ou un mélange gazeux approprié, tel qu'un mélange.d'argon et d'alcool à une pression appropriée, de l'ordre de 12,5 à 50 mm de mercure. Le ou les fils anodiques sont maintenus à un potentiel positif par rapport aux plaques et une résistance R est introduite dans le circuit. Normalement, la différen- ce de potentiel entre l'ensemble anodique et les plaques cathodiques est à peu près suffisante pour qu'une décharge puisse avoir lieu, mais elle n'est pas assez élevée pour que cette décharge puisse se faire.
Si une particule, capa- ble d'ioniser le gaz contenu dans l'enveloppe, traverse' le compteur, une déchar- ge a lieu avec la production d'un courant de l'ordre de quelques microampères.
Il en résulte une chute de tension dans la résistance R et la décharge cesse après une période de temps relativement courte. En amplifiant convenablement la chute brusque de tension dans la résistance R, de la manière bien connue, un enregistreur mécanique ou tout autre dispositif capable d'enregistrer la décharge du compteur peut être actionnéo A cause de l'ionisation du compteur, qui lors de la décharge provoque la formation d-une gaine autour du fil ano- dique, avec une tendance de la gaine d'ions à se déplacer le long du fil, le compteur peut être rendu insensible pendant un temps appréciable de sorte que, pendant cette période, le comptage est rendu impossible. Le déplacement non limité de cette gaine d'ions donne lieu à une perte de rendement.
A cause de l'ionisation importante, par unité de longueur du tra- jet suivi par le rayonnement, par exemple celui de rayons cosmiques ou beta, même pour une densité relativement faible du gaz dans le compteur, on obtient un rendement, pour ces rayons, très voisin de 100 % dans un compteur usuel.
Toutefois, la probabilité qu'un rayon gamma puisse donner lieu à une ionisa- tion dans le gaz est notablement moindre et, en pratique, tous les comptages dus au passage de rayons gamma résultent d'électrons éjectés par la cathode à plaques par suite de l'interaction du rayon gamma avec les atomes de la ma- tière cathodique.
La probabilité qu'une telle interaction ait lieu croit quand l'é- paisseur de la paroi de la cathode augmente car, puisque l'ordre de grandeur d'un électron, faisant partie de la matière cathodique et recevant de l'éner-
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gie des rayons gamma, est limitée,on gagne peu en donnant à l'épaisseur de la ou des plaques une valeur plus grande que celle correspondant au double de la dimension moyenne des particules.
Pour les compteurs du type à plaques, tel que celui montré sur la figure 2, on a trouvé que l'intensité du champ électrique, c'est-à-dire le champ électrique obtenu par la différence de potentiel entre le ou les fils anodiques et les plaques cathodiques qui les entourent, est relativement ré- duite ou faible dans les intervalles existant entre les plaques cathodiques et écartés du ou des fils anodiques, à proximité de la paroi de l'enveloppe du contour. Cette répartition du champ est indésirable car un comptage plus effi- cace peut être obtenu par une répartition plus régulière du champ dans tout le volume du compteur.
S'il existe des régions dans lesquelles l'intensité du champ n'est pas suffisamment grande, comme au voisinage de la paroi du compteur, les électrons éjectés peuvent ne pas atteindre les fils anodiques et ne peuvent donc pas déclencher un signal ou une impulsion. Par contre, ils peuvent se ré- pandre ou circuler inutilement et peuvent donc être perdus ou apparaître plus tard à un mauvais moment en étant ainsi la cause d'un comptage défectueux. La possibilité qu'un compteur puisse faire un mauvais comptage est importante car elle détermine la stabilité du compteur.
Tout ce qui précède et, en plus, les caractéristiques géométriques du compteur, les matières servant à sa constitution et le genre de rayonnement à détecter servent à déterminer le rendement du compteur qui peut tre défini comme étant la mesure du nombre de comptages par unité de volume du compteur dans un champ donné de rayons gamma.
En reprenant la question de la répartition du champ électrique, il est évident qu'avec une cathode constituée par des plaques ayant un dia- mètre relativement grand, l'usage d'un seul fil anodique suivant l'axe de 1' ensemble des plaques donne lieu à un champ intense autour dudit axe et à un champ faible autour de chacune des plaques et à proximité de son contour. Avec une petite plaque cathodique, comme celle ayant un diamètre de 28,5 mm et un trou anodique dont le diamètre est d'environ 12,5 mm, l'irrégularité du champ n'est pas aussi évidente. Par contre, avec des plaques cathodiques plus gran- des, dont le diamètre est de l'ordre de 75 et 100 mm, la région à champ faible est importante.
Pour éviter cette mauvaise distribution on ménage dans les plaques cathodiques plusieurs trous placés en alignement et on loge les fils anodiques dans ces trous. On obtient ainsi plusieurs régions à champ intense et la répartition totale du champ est rendue plus uniforme de sorte que les électrons, projetés n'importe comment dans le compteur, atteignent une anode et déclenchent un signal ou une impulsion. Alors qu'on pourrait croire que l'on peut augmenter le nombre de fils anodiques à l'infini pour rendre le champ plus uniforme, on constate qu'en procédant ainsi on diminue l'étendue des pla- ques et on réduit, en conséquence, le rendement du compteur.
On a trouvé qu'il existe une relation optimum entre le nombre de fils anodiques et la surface de la plaque et pour laquelle on obtient une in- tensité et une répartition convenables du champ ainsi qu'une valeur voulue pour l'étendue de ladite plaque.
Cette relation tient compte de l'écartement S (figure 2) entre les plaques, de la surface A (figure 2) des plaques et d'un coefficient d'expé- rience K Si l'on considère une plaque 14, comme celle de la figure 1 qui a un trou 15 ayant un diamètre de 12,5 mm alors que la plaque a un diamètre ex- térieur de 28,5 mm, on a trouvé que K a une valeur comprise entre 4 et 8, de préférence une valeur d'environ 6. Cette valeur de K est basée sur un écarte- ment entre les plaques compris entre environ 3,2 mm et 6,4 mm, de préférence d'environ 4,8 mm alors que le trou, ménagé dans la plaque pour le passage du fil anodique, a un diamètre égal à au moins le double de la valeur de S et, de préférence, égal à une valeur comprise entre trois ou quatre fois la valeur de S.
Bien que ce ne soit pas un.facteur entrant en considération, le diamètre du fil anodique est généralement compris entre 0,025 et 0,25 mm.
En se servant des facteurs indiqués plus haut, le nombre optimum
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n des trous répartis en substance uniformément dans une plaque cathodique peut être déterminé par la formule suivante :
EMI4.1
dans laquelle A = surface de la plaque ; S = écartement entre les plaques ; K = constante.
Pour des plaques ayant une forme annulaire avec un diamètre inté- rieur Di et un diamètre extérieur Do, la formule peut être modifiée comme suit
EMI4.2
En appliquant la première formule à la plaque de la figure 1 avec un diamètre extérieur de 1,125 " on détermine n comme suit :
EMI4.3
Quand le diamètre extérieur est 2" :
EMI4.4
Quand le diamètre extérieur est 2,5
EMI4.5
Quand le diamètre extérieur est 3":
EMI4.6
Quand le diamètre extérieur est 4" :
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EMI5.1
Quand on considère que le trou d'une plaque ayant un diamètre de 1,125" a une surface d'environ un pouce carré et que n pour cette plaque est égal à 1, il est évident que n est approximativement égal à la surface de la plaque exprimée en pouces carrés ou leurs équivalents. Ceci est confirmé par le tableau suivant donnant la valeur de n pour les plaques dont question plus haut
EMI5.2
<tb> Diamètre <SEP> de <SEP> Surface <SEP> approximative
<tb>
<tb>
<tb> la¯plaque <SEP> n <SEP> A <SEP> en <SEP> pouces <SEP> carrés.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
2" <SEP> 3 <SEP> 3,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2,5" <SEP> 5 <SEP> 4,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3" <SEP> 7 <SEP> 7,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4" <SEP> 13 <SEP> 12,6
<tb>
Les mesures sont indiquées ci-dessus en pouces mais il est évident que ces valeurs peuvent être remplacées par leurs équivalentso
Les relations susindiquées établissent le compromis optimum entre la surface de la plaque que l'on désire être aussi grande que possible pour augmenter son pouvoir d'interception des rayonnements et la réduction de cet- te surface par le nombre correspondant de trous percés dans celle-ci et de fils anodiques nécessaires pour rendre l'intensité du champ suffisamment uni- forme.
L'invention consiste également à améliorer un compteur, du genre en question, afin que son rendement aux vitesses élevées de comptage soit amé- lioré. Pour des compteurs du type Geiger-Mueller, l'ionisation se fait prin- cipalement dans une gaine qui longe le fil anodique et,quand elle est déclen- chée,elle s'étend le long de ce fil. Quand le fil a une longueur appréciable, il est désirable de limiter l'amplitude du déplacement de la gaine d'ions car celle-ci rend le compteur insensibleo Cette limitation est surtout désirable quand on veut faire fonctionner le compteur à des vitesses de comptage éle- vées. Sans cela les périodes d'insensibilité relativement longues du compteur empêchent celui-ci de compter un nombre appréciable de rayonnements.
La manière dont on limite le déplacement de la gaine d'ions, con- formément à l'invention, peut tre expliquée en se référant à la figure 3 qui montre un détecteur avec une enveloppe 21 en une matière appropriée, une sé- rie de plaques cathodiques 22, une série de plaques conductrices 23 écartées les unes des autres tout en ayant une épaisseur importante, c'est-à-dire de ¯ . l'ordre de deux ou trois fois l'épaisseur des plaques cathodiques.
Les pla- ques 23 sont établies entre des groupes de plaques cathodiques 22 en étant sen- siblement parallèles à celles-ci tout en ayant un diamètre un peu plus petite. comme montréo Un fil anodique 24 est logé dans les trous alignés 25 des pla- ques 22 et dans des trous 26 de la plaque 23, ces trous 26 ayant un diamètre notablement moindre que celui'des trous 25. Une tige de connexion 27 travers sant des trous alignés des plaques 22 est reliée aux plaques 23. Le compteur est rempli avec du gaz, à une pression réduite, comme expliqué plus haut.
Pour un compteur ainsi constitué, le déplacement des ions le long du fil anodique est arrêté par une variation dans l'intensité du champ élec- trique formé dans le gaz entourant le fil, cette variation étant telle que 1'
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intensité du champ, à proximité des plaques 23, est moindre que celle qui provoque une ionisation progressive.
Si l'on suppose que le fil anodique 24 est au potentiel de fonctionnement El du compteur et que les plaques ca- thodiques 23 sont à leur potentiel normal, les plaques E2 sont à une tension E2 telle que la différence de potentiel entre le fil anodique 24 et chacune des plaques 23 forme un champ électrique dans les trous 26 dont l'intensité n'aide pas à l'ionisation le long du fil anodique et intervient pour empêcher le mouvement de la gaine d'ions. On peut donc admettre que les sections 31, 32y et 33 du compteur sont séparées les unes des autres en ce qui concerne le déplacement des ions le long du fil anodique.
Il est évident que le compteur peut être subdivisé en autant de sections qu'on le désire en intercalant un nombre suffisant de plaques 23 entre les plaques cathodiques 22. '
La tige 27 qui relie les plaques 23 a des dimensions telles qu'el- le ne crée pas un champ électrique intense entre elle et chacune des plaques cathodiques 22. Toutes les plaques peuvent être maintenues en place par des isolateurs appropriés non montrés.
La figure 3 montre un détecteur avec un seul fil anodique mais il est évident que le dispositif qui agit sur le mouvement des ions peut être appliqué tout aussi bien à des détecteurs à plusieurs anodes, comme celui de la figure 2.
Il résulte de ce qui précède que l'invention permet d'obtenir un compromis optimum entre les dimensions des plaques et la répartition du champ dans les compteurs du type à plaques. Avec la disposition additionnel- le par laquelle on limite le mouvement de la gaine d'ions le long des fils anodiques, on peut rapprocher davantage la sensibilité et le rendement du compteur d'un maximum désiré.
Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite aucunement à celui de ses modes d'applica- tion non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant plus spécialement été indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.
REVENDICATIONS
1 Détecteur de rayonnements avec une répartition sensiblement uniforme des gradients d'intensité du champ électrique et avec un rendement relativement élevé, ce détecteur comprenant plusieurs plaques cathodiques écartées et sensiblement parallèles tout en ayant des surfaces sensiblement égales, chaque plaque étant percée d'un trou ou de plusieurs trous uniformément répartis, ces trous étant alignés par groupes et chaque groupe de trous étant traversé par un fil anodique isolé desdites plaques, le nombre de trous dans chacune desdites plaques étant approximativement égal à la surface d'une des- dites plaques, exprimée en pouces carrés, alors que l'écartement entre les pla- ques est de l'ordre de 3,2 à 6,4 mm.