Appareil détecteur de la radioactivité alpha d'un gaz
L'invention est relative à un appareil pour détecter la radioactivité alpha d'un gaz, en particulier sa teneur en radon, ceci notamment dans les zones où cette teneur peut être élevée, comme c'est le cas, par exemple, dans les mines d'uranium.
Elle a pour but, surtout, de permettre la réalisation d'un appareil du genre en question autonome et portatif propre à indiquer quasi-instantanément, sur place, la radioactivité alpha de l'atmosphère am- biante.
I1 convient de rappeler que l'air ambiant contient normalement une certaine quantité de radon, de l'ordre de 10-10 curie par mètre cube d'air au-dessus des continents. Toutefois, les teneurs de l'air en radon sont beaucoup plus fortes et peuvent être dangereusement élevées en certaines zones telles que les laboratoires où l'on manipule des sels de radium, les locaux de stockage de minerai d'uranium, les salles de traitement de minerai, les mines d'uranium, etc.
La dose de tolérance généralement admise pour l'organisme humain est de 10-10 curie de radon par litre d'air respiré. Dans les mines d'uranium, en particulier, cette dose de tolérance risque souvent d'être largement dépassée et il importe, étant donné les effets physiologiques très défavorables de ce gaz, de surveiller très fréquemment la radioactivité de l'air des galeries pour éviter les concentrations excessives de radon.
Les procédés utilisés jusqu'à ce jour pour mesurer la teneur de l'air en radon consistent:
soit à prélever un échantillon du gaz à ana
lyser puis à l'introduire dans un appareil pro
pre à compter individuellement les particules
alpha émises par le - radon au cours de sa
décomposition (appareil tel que compteur
proportionnel, compteur à scintillation, cham
bre d'ionisation à impulsions) ou dans une
chambre d'ionisation capable de fournir un
courant d'ionisation dont la valeur moyenne
est fonction du nombre desdites particules
soit à adsorber le radon sur du charbon actif
et à compter ensuite, à l'aide d'un compteur
Geiger, les particules bêta émises par le ra
dium C (produit de désintégration du radon)
au sein de ce charbon actif.
Aucun de ces procédés ne fournit malheureusement une indication rapide de la quantité de radon en présence dans l'air à analyser, puisque, dans tous les cas, on doit d'abord effectuer un prélèvement gazeux et terminer la mesure proprement dite en laboratoire, les appareillages utilisés étant lourds et délicats à manipuler. Dans les mines en particulier, il faut, pour prélever cet échantillon gazeux, descendre des récipients vides ou des cartouches de charbon actif dans la galerie à surveiller, puis remonter ces récipients ou cartouches à la surface pour les expédier ensuite au laboratoire chargé de l'analyse.
Cette façon de pratiquer est évidemment longue et peu commode.
L'appareil selon l'invention, détecteur de la radioactivité d'un gaz, comprend une surface détectrice sensible aux particules alpha en émettant, en réponse à celles-ci, des scintillations lumineuses et protégée des photons parasites, cette surface étant disposée de manière à pouvoir être exposée audit gaz, un tube photomultiplicateur associé à ladite surface pour transformer les scintillations produites dans celle en impulsions électriques détectables et des moyens associés audit tube photomultiplicateur et propres à élaborer quasi-instantanément une indication fonction du nombre desdites impulsions électriques, et il est caractérisé en ce que ladite surface détectrice constitue la paroi fixe d'une chambre propre à recevoir un certain volume dudit gaz,
et en ce qu'il comprend des moyens permettant de réduire le volume de gaz contenu dans ladite chambre jusqu'à une valeur sensiblement nulle.
Un tel appareil peut être utilisé en permanence au fond de la mine où il indique, sur place, la teneur en radon; il est conçu, dans ce cas, pour posséder les caractéristiques habituelles d'un appareil de prospection: il est autonome et d'un poids n'excédant pas dix kilogrammes. Sous cette forme essentiellement pratique, il est destiné à rendre les plus grands services, en particulier dans toutes les installations d'extraction de minerais uranifères.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil.
La fig. 1 représente le schéma de principe de l'appareil détecteur de radon.
La fig. 2 montre, en coupe axiale, l'extrémité détectrice d'un appareil.
La fig. 3 montre, en coupe axiale, une variante de ladite extrémité détectrice, équipée d'une chambre déformable, la portion de gauche de la figure indiquant la forme de cette chambre lorsque l'appareil est en cours de service, et la portion de droite de la figure correspondant à la position de repos du même appareil.
Et la fig. 4, enfin, est un graphique illustrant un exemple d'étalonnage d'un appareil détecteur de radon établi conformément à l'invention.
Sur la fig. 1 on a désigné par 1 la surface détectrice sensible aux particules alpha: c'est cette surface que l'on expose à l'atmosphère dont on désire étudier la teneur en radon. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on la constitue par une plaque de méthacrylate de méthyle (matière connue sous le nom commercial de Plexiglas), recouverte d'une couche mince de sulfure de zinc. Mais on pourrait, bien entendu, utiliser un élément scintillant différent, sensible aux particules alpha.
Cette surface sensible 1 doit être efficacement protégée contre les photons parasites, de manière qu'elle ne soit sensibilisée que par les seules particules alpha. On parvient avantageusement à ce résultat en recouvrant ladite surface 1 par des feuilles métalliques, notamment en aluminium.
Pour adapter cette surface 1 à la photocathode de dimensions plus petites d'un photomultiplicateur placé en 4, on a recours à un conduit de lumière 2, constitué par un tronc de cône métallique, par exemple en alliage connu sous le nom de duralumin, qui concentre les photons émis par ladite surface 1 sur ladite photocathode.
On a représenté schématiquement par un bouchon 3 les moyens permettant d'annuler à volonté le volume gazeux disposé extérieurement en regard de la surface 1.
La partie électronique de l'appareil est conçue en vue d'obtenir un encombrement et un poids nini- ma, et une autonomie supérieure à dix heures de fonctionnement continu.
Elle comprend essentiellement, dans l'exemple cité:
- une batterie 10 à basse tension débitant un
courant continu de 200 mA sous 12 volts, et
de capacité 4 ampère-heures;
- un ensemble 5 régulé à 1,5 /o, propre à éla
borer un courant continu de 120 FA sous
1800 volts pour alimenter le photomultipli
cateur 4, ensemble comprenant un oscillateur
à transistors alimenté par ladite batterie 10
et à la sortie duquel on recueille une tension
alternative de 12 volts de fréquence 5000
cycles/seconde, un transformateur élévateur
de tension élaborant une tension alternative
de 1800 volts à partir de ladite tension alter
native de 12 volts, puis un système de filtrage
approprié,
le photomultiplicateur 4 ainsi ali
menté délivrant des impulsions de 10 à 30
volts d'amplitude et de 50 Fs de durée lors
qu'il fonctionne à vide;
- un circuit monostable constitué par un mono
vibrateur à transistors 7, commandé par les
dites impulsions délivrées par le photomulti
plicateur 4, alimenté par la batterie 10 et
propre à délivrer des signaux bien calibrés
en amplitude (12 volts) et en durée (20 us)
- et un circuit de comptage 9 comprenant un
interrupteur commandé par un relais action
nable par lesdits signaux, lors de la délivrance
par le circuit monostable 7 de chacun de ces
signaux, ce circuit de comptage 9 compre
nant également la susdite batterie 10 et un
numérateur mécanique 6, de préférence gra
dué directement en teneur de radon.
Pour un comptage moyen de vingt impulsions par seconde, la consommation de l'appareil est d'environ 320 mA.
On prévoit, en outre, un système à interruption de circuit différée, non représenté, limitant la durée de la mesure à une valeur précise, de préférence comprise entre 30 et 60 secondes, la batterie 10 étant mise en circuit ouvert après chaque mesure.
A chaque exposition de la surface sensible 1 à l'air libre, il se dépose sur celle-ci des produits radioactifs dont la période est telle que l'intervalle entre deux mesures doit être d'au moins vingt minutes si l'on désire obtenir une précision de 10 O/o.
Le dosage du radon se fait instantanément en lisant le nombre indiqué par le numérateur 6, c'està-dire le nombre d'impulsions survenues pendant le temps de mesure.
Sur la fig. 2 on a représenté le détail de réalisation de la surface sensible 1 et du conduit de lumière 2. La surface sensible 1 se compose d'une plaque de méthacrylate de méthyle (Plexiglas) 11 recouverte d'une couche de sulfure de zinc 12 et extérieurement de feuilles d'aluminium 13 en couches très minces servant à protéger la couche sensible 12 contre les photons parasites. Celle-ci, d'une surface de cent centimètres carrés, est l'organe essentiel de tout l'appareil puisque c'est elle qui permet de mettre en évidence les particules alpha émises par les atomes du radon ou de son dépôt actif lors de leur désintégration.
La partie la plus fragile de ce premier ensemble est la couche d'aluminium 13. Pour la protéger, le conduit de lumière 2 comporte un petit espace creux 14 en avant de la plaque 11 que peut complètement obturer un bouchon 3 de caoutchouc mousse ou matière analogue solidaire d'un cache non représenté.
Ce bouchon 3 s'adapte manuellement au conduit 2 après chaque mesure et remplit deux fonctions. La première est, comme on vient de le voir, de protéger mécaniquement la couche d'aluminium 13. La deuxième, aussi fondamentale, est de laisser en avant de la surface sensible 1 le plus petit volume d'air possible quand, la mesure terminée, on repose le cache.
Si on ne prenait pas cette dernière précaution, un résidu de radon resterait à l'intérieur de l'appareil et toute nouvelle mesure serait faussée, par exemple dans le cas où l'on serait amené à apprécier l'aération d'une galerie où existaient auparavant plusieurs doses de tolérance. Ce bouchon de caoutchouc mousse 3 est, de plus, percé d'un certain nombre de petits trous destinés à empêcher l'effet de ventouse qui serait préjudiciable à la couche d'aluminium 13 lors de chaque manoeuvre de pose ou de retrait de ce bouchon. Sur la fig. 2, on a représenté l'un de ces trous en 15. Le bouchon de caoutchouc 3 finit, au bout d'un certain temps, par absorber du radon, ce qui augmente le bruit de fond de l'appareil. Pour éviter ce phénomène gênant, on peut prévoir, le cas échéant, de faire adhérer une couche mince de matière plastique 16 contre le bouchon 3.
D'une façon plus générale, dans le but de permettre l'isolement de la surface détectrice par rapport au fluide à étudier plus ou moins contaminé par le radon, lorsque l'appareil n'est pas en service, de façon à éliminer tout risque d'erreur systématique involontaire de la mesure, on dispose en regard de ladite surface une chambre, propre à contenir ledit fluide, agencée de façon telle que son volume puisse être facilement réduit jusqu'à une valeur substantiellement nulle.
A cet effet il est avantageux de constituer ladite chambre par un soufflet en matière souple et imperméable au radon, assemblé de façon étanche à l'une de ses extrémités sur le support de ladite surface et à son autre extrémité sur un élément propre à être appliqué d'une façon quasi-jointive sur ladite surface (ou sur ses organes de protection transparents aux particules alpha), au moins une lumière étant prévue dans ledit élément pour permettre la communication dudit fluide entre l'intérieur et l'extérieur de ladite chambre, de préférence à travers un filtre à poussières.
Sur la fig. 3, on a désigné par 18 une telle chambre, constituée à l'aide d'un soufflet 19 en matière souple, imperméable à l'air et à la lumière et n'absorbant pas le radon, matière telle que le butadiène chloré, connu sous le nom commercial de néoprène .
Ce soufflet 19 est assemblé de façon étanche, d'une part sur un flasque 20 parallèle à la surface 1 et propre à être appliqué d'une façon quasi-jointive sur ladite surface (ou celle de ses organes de protection transparents aux particules alpha), et, d'autre part, sur la partie évasée terminale du conduit de lumière 2, le long d'une portion extérieure 21 de ce conduit, suffisamment éloignée de la surface 1 pour que, lorsque le soufflet 19 est dans sa position repliée, tous ses plis superposés puissent être logés entre ladite position et ladite surface, rendant possible l'application quasi-jointive susprécisée du flasque 20 sur la surface 1.
I1 est à noter que les plis du soufflet sont étudiés de façon telle que, lorsqu'ils sont serrés les uns contre les autres, ils ne laissent entre eux aucun volume mort où l'air pourrait séjourner.
On monte en outre, sur le flasque 20, une poignée 22 pour faciliter les manipulations du soufflet 19.
Bien entendu, il faut prévoir au moins une lumière 23 dans les parois de la chambre 18 pour permettre l'introduction dans cette chambre de l'air à étudier et son expulsion hors de cette chambre lorsqu'on réduit le volume de cette dernière.
On disposera de préférence, en regard de cette lumière, un filtre 24 propre à empêcher la pénétration dans la chambre des impuretés solides ou gazeuses contenues dans l'atmosphère ambiante.
Un tel filtre est avantageusement constitué en papier plissé et gaufré.
Enfin, l'on prévoit une chemise (non représentée) pour assurer la protection mécanique du soufflet, et, éventuellement, guider les coulissements du flasque 20.
Le fonctionnement de l'appareil représenté à la fig. 3 est le suivant:
En position ouverte (représentée sur la partie de gauche de la figure), la surface détectrice 1 (ou ses éléments de protection), le soufflet 19 et le flasque 20 délimitent une chambre 18 en regard de ladite surface 1. Si l'air contenu dans cette chambre contient du radon, les désintégrations de ce dernier corps seront comptées par l'ensemble, décrit plus haut, formé par le scintillateur, le photomultiplicateur et les organes d'exploitation qui y sont associés.
Si l'on enfonce la poignée 22 de façon à rapprocher le flasque 20 de la surface 1, l'air précédemment contenu dans la chambre 18 est chassé à travers le filtre 24.
Lorsque l'application jointive (ou quasi-jointive) du flasque 20 sur la surface 1 est réalisée (partie droite de la figure), il ne reste pratiquement plus d'air entre ces deux éléments.
On a donc réalisé le but recherché plus haut, consistant à expulser complètement l'air en contact avec le scintillateur lorsque celui-ci ne travaille pas.
Si l'on ouvre ensuite le soufflet 19 en tirant sur la poignée 22, le volume de la chambre 18 s'accroît, l'air ambiant étant aspiré par l'ouverture 23 et filtré par le filtre 24 ; le comptage peut alors reprendre.
Un tel appareil présente de nombreux avantages et en particulier les suivants:
en position de repos , il ne reste en regard
de la surface détectrice 1 que des traces de
radon n'ayant aucune influence sur la mesure,
ce qui écarte tout risque d'erreur systémati
que involontaire sur cette mesure;
l'air est entièrement renouvelé entre deux me
sures, ce qui rend chacune de celles-ci abso
lument indépendante des précédentes;
- la chambre 18 possède, pour la position la
plus dépliée du soufflet, un volume bien dé
fini, ce qui permet de connaître la quantité
d'air intervenu pour la mesure;
- Si la chambre 18 est étanche à la lumière
(ce qui peut être le cas si la matière utilisée
pour constituer le soufflet 19 est le butadiène
chloré et si le filtre 24 est opaque de cons
truction), il est possible de supprimer la pelli
cule d'aluminium déposée sur la surface 1
dans le but d'empêcher les photons lumineux
de pénétrer jusqu'au photomultiplicateur, ou
tout au moins de remplacer cette pellicule par
une couche plus mince (par exemple d'une
épaisseur de l'ordre de 6 microns seulement),
d'une matière plastique résistante à la corro
sion, telle que le téréphtalate de polyéthylène
glycol, connu sous le nom commercial de
Mylar , ladite couche étant de préférence
métallisée pour accroître le rendement du
scintillateur, l'opacité de ladite métallisation
n'étant plus, de ce fait,
absolument néces
saire
- l'air admis dans la chambre 18 est épuré à
travers le filtre 24, ce qui empêche la pollu
tion de l'appareil par dépôt de poussières
radioactives sur les parois internes de ladite
chambre et sur la surface détectrice, pollution
qui aurait tendance à accroître le bruit de
fond de cet appareil;
- l'étanchéité de l'appareil, notamment à l'eau
de ruissellement des mines, est facilement
réalisable durant le transport par obturation
étanche du filtre 24 à l'aide d'un couvercle
approprié et est encore très efficace durant le
fonctionnement de l'appareil;
- la manipulation de l'appareil est particulière
ment simple, puisqu'il suffit d'enfoncer et de
tirer la poignée 22 pour mettre l'appareil res
pectivement en position repos ou en posi
tion travail :
on peut même envisager un
fonctionnement automatique en conjuguant Ie
temps de mesure avec le temps d'ouverture
du soufflet, la fermeture de ce dernier étant
commandée automatiquement au terme d'un
retard bien déterminé écoulé après l'instant
de son ouverture;
- l'élément scintillateur, en général fragile, se
trouve mécaniquement bien protégé des chocs
extérieurs.
A titre indicatif, on a illustré sur le graphique de la fig. 4 un exemple d'étalonnage de l'appareil détecteur de radon du type représenté à la fig. 2, le bouchon 3 n'étant pas recouvert de couche de matière plastique 16.
Sur ce graphique on a porté en ordonnées le nombre de coups par minute enregistré par le numérateur 6 et en abaisses, le temps en heures.
Le détecteur est d'abord placé dans l'obscurité, le bouchon de caoutchouc mousse étant mis en place devant le conduit de lumière. Le numérateur indique alors une activité de 27 + 5 coups par minute: c'est le bruit de fond dû au radon absorbé par le bouchon et au mouvement propre du photomultiplicateur.
Au temps zéro, et toujours dans l'obscurité, on enlève le bouchon de caoutchouc mousse pendant une minute, l'activité de l'air ambiant étant de dix doses de tolérance soit 10-9 curie par litre (valeur mesurée à l'aide d'une méthode quelconque connue).
On compte pendant cette minute 357 impulsions, soit, en tenant compte du bruit de fond, 330 impulsions dues à la seule activité de l'air. Ceci correspond donc, pour le détecteur, à 33 + 5 impulsions par minute et par dose de tolérance.
Le bouchon de caoutchouc ayant été remis en place au bout d'une minute, on a tracé, point par point, sur la fig. 4, la courbe 17 représentant la décroissance d'activité de la feuille d'aluminium et du bouchon de caoutchouc cette courbe est identique à celle d'un dépôt actif de radon abandonné à luimême. Cette courbe 17 permet d'évaluer le temps nécessaire entre deux mesures pour une précision requise donnée.
Dans l'exemple décrit, le détecteur de radon, objet de l'invention, est conçu pour une gamme de concentrations allant d'une à trente doses maximum permises, soit 10-10 curie par litre à 3.10-9 curie par litre. En supposant une utilisation telle que l'on fasse en moyenne trois mesures par heure, l'autono mie de l'appareil est de trois mois avant la recharge de la batterie d'accumulateurs.
L'appareil détecteur objet de l'invention permet également la détection, en vue de la protection, de tout autre gaz émetteur de particules alpha (tel que, par exemple, le thoron) et même de toute suspension d'aérosols émettant des particules alpha (sels d'uranium).