Appareil de mesure continue et simultanée de la concentration dans l'atmosphère
des descendants solides à vie courte du radon
La présente invention concerne un appareil permettant d'effectuer une mesure continue et simultanée de la concentration dans l'air des descendants solides à vie courte du radon. Une telle mesure permet de déduire leur déséquilibre éventuel.
Les dispositifs existant actuellement évaluent soit la concentration en gaz radon, soit l'activité totale alpha, soit l'activité totale bêta, mais aucun ne donne l'activité propre de chaque radionuclide, à savoir: radon, radium A (RaA), radium B (RaB), radium C (RaC) ou radium C' (RaC').
Il faut remarquer également que la plupart des mesures de la composante radio-active naturelle de l'atmosphère, due au radon et à ses descendants solides à vie courte, s'effectuent fréquemment avec des matériels non spécialisés dont la fonction principale est en fait la mesure de la composante artificieIle de la contamination atmosphérique.
La présente invention remédie aux inconvénients et aux lacunes de la technique antérieure puisqu'elle propose un appareil conçu spécialement pour suivre séparé- ment l'évolution de chacun des descendants solides à vie courte du radon.
De façon plus précise, cet appareil de mesure continue de la concentration dans l'atmosphère des éléments solides à vie courte résultant de la désintégration du radon, le radium A, le radium B, le radium C et le radium C', par mesure de l'activité de chacun desdits éléments, est caractérisé en ce qu'il comporte:
: - une bande filtrante, - un système d'entraînement de ladite bande, - un conduit de prélèvement traversé par ladite bande,
ouvert à une extrémité et relié, à l'autre extrémité,
à un dispositif de pompage par l'intermédiaire d'une
électrovanne, - un détecteur de rayonnement alpha et un détecteur
de rayonnement bêta disposés face à face, I'un au
dessus, L'autre au-dessous de ladite bande, à une dis
tance déterminée dudit conduit de prélèvement, - un ensemble de commande cyclique fournissant,
d'une part, I'impulsion d'ouverture de ladite électro
vanne, qui définit le début d'une phase de prélève
ment, et commandant d'autre part, notamment,
le
fonctionnement du système d'entraînement de la
bande après un temps de prélèvement donné, - des moyens permettant de commander l'arrêt dudit
système d'entraînement lorsque la partie de la bande
présente dans ledit conduit pendant la phase de
prélèvement se trouve devant les détecteurs, - un circuit électronique de collection des impulsions
fournies par le détecteur de rayonnement alpha, com
prenant notamment un sélecteur à deux canaux des
tiné à réaliser la séparation des impulsions correspon
dant aux particules alpha émises par le radium A et
le radium C', et deux intégrateurs disposés chacun
sur une des voies de sortie dudit sélecteur, et four
nissant un signal proportionnel l'un à l'activité du
radium A,
L'autre à l'activité du radium C' présents
sur la bande, - un circuit électronique de collection des impulsions
fournies par le détecteur de rayonnement bêta, com
prenant notamment un intégrateur fournissant un
signal proportionnel à l'activité totale des éléments
émetteurs bêta, le radium B et le radium C, et - un montage potentiométrique destiné à soustraire le
signal représentant l'activité du RaC, déduit du signal
représentant l'activité du RaC', du signal représen
tant l'activité totale des émetteurs bêta et fournissant
donc un signal proportionnel à l'activité du radium B.
Les caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif une forme de réalisation de cet appareil.
Sur ces dessins:
la fig. 1 représente le schéma général de désintégration de la filiation du radon,
la fig. 2 représente un réseau de courbes montrant l'évolution sur un filtre fixe en fonction du temps de prélèvement t, en heures, de chaque descendant à vie courte du radon et plus particulièrement du rapport
K - A (t) où A (t) représente l'activité de l'élément au
A temps t et A son activité à l'équilibre sur le filtre. Il y a lieu de préciser que ces courbes sont établies dans le cas de l'équilibre radio-actif de la filiation dans l'atmosphère.
Seule la courbe relative au RaA a toujours la même forme,
la fig. 3 est un schéma de l'appareil selon l'invention, sans son ensemble électronique de mesure, enfin
la fig. 4 représente le diagramme électronique de l'ensemble de mesure.
L'évolution de la filiation radon dans l'atmosphère ainsi que son prélèvement sur un filtre fixe appellent tout d'abord les remarques suivantes:
1. Il existe deux cas limites théoriques d'évolution, dans l'atmosphère, du radon et de ses descendants solides: I'équilibre radio-actif où tous les descendants ont la même activité, constante dans le temps, et l'équilibre de régime où le gaz radon est seul présent au temps initial et non renouvelé. Dans ce deuxième cas, chaque élément tend alors vers un équilibre de régime avec le gaz radon.
Pour un même nombre d'atomes du RaA à l'instant initial, on démontre qu'à un temps t quelconque, I'activité du RaA représente toujours la même fraction de l'activité du radon au temps initial t0 quel que soit le régime d'évolution.
2. Un prélèvement sur filtre fixe ou membrane dissocie la filiation. En effet, le gaz traversant la couche filtrante, seuls les éléments solides sont retenus. L'évolution de la filiation sur filtre est, de ce fait, différente de l'évolution dans l'atmosphère. Cependant, L'activité de chaque élément déposé atteint une valeur d'équilibre.
On démontre qu'à un temps t quelconque, l'activité du descendant RaA sur le filtre représente toujours la même fraction de son activité d'équilibre (fig. 2).
Les deux conclusions précédentes permettent donc de considérer le RaA comme élément de référence pour le radon. Pour un même temps de prélèvement et à l'équilibre entre Rn et RaA, L'activité du RaA déposé sur le filtre représente une fraction constante de l'activité initiale du radon. On peut donc obtenir la concentration en gaz radon de l'atmosphère sans avoir à effectuer sa mesure.
Cependant, pour suivre l'évolution de la filiation avec précision, le temps de prélèvement doit être aussi court que possible. Ce temps de prélèvement doit être également compatible avec une activité déposée sur le filtre, suffisante pour assurer une bonne précision statistique de comptage pour toute l'étendue de la gamme de mesure. Le temps retenu pour la réalisation de l'appareil est de trois minutes.
Le principe de l'appareil repose également sur une séparation spectrométrique correcte des émetteurs alpha, le RaA et le RaC'. Cette méthode de mesure n'est devenue applicable que grâce à l'apparition des détecteurs à semi-conducteur de grande surface. Leur utilisation dans un appareil industriel est relativement aisée alors que tout autre spectromètre alpha connu reste essentiellement un appareil de laboratoire. La spectrométrie est également améliorée par l'emploi d'une membrane filtrante millipore qui minimise le dégradé énergétique toujours présent dans un prélèvement atmosphérique sur filtre.
La jonction délivre des impulsions d'amplitude proportionnelle à l'énergie des deux émetteurs à séparer (RaA -6 MeV, et RaC' -7,68 MeV). La séparation s'effectue à l'aide d'un sélecteur à deux canaux dont le seuil de séparation est réglable de façon à compenser tout déplacement éventuel des pics. La mesure de la concentration de l'atmosphère en RaC' donne également la concentration en RaC à 0,04 % près, puisque ce dernier élément se désintègre avec un rendement de 99,96 % pour former le RaC'.
La mesure du RaB constitue un autre point essentiel.
Cet élément est émetteur bêta, le RaC également. Toute séparation au niveau de détection est donc impossible.
Cependant, l'activité du RaC est connue d'après sa mesure alpha après une correction de 0,04 %. Une soustraction électronique activité totale bêta - activité
RaC est donc possible après mise en forme et intégration; elle conduit à l'activité bêta du RaB seul.
Enfin, pour éviter toute pollution de la jonction, le prélèvement et la mesure s'effectuent en deux points différents mais le RaA ayant une période de 3,05 minutes, la translation du prélèvement sous les détecteurs doit être rapide. Une correction sur la décroissance de cet élément doit être appliquée pour tenir compte du temps de transfert et de mesure.
Le principe de l'appareil repose donc sur quatre idées essentielles: - Les remarques théoriques concernant la filiation
radon et son évolution dans l'atmosphère et sur le
filtre fixe.
- L'emploi d'une jonction à grande surface et d'une
membrane filtrante millipore en vue d'obtenir une
bonne séparation spectrométrique des émetteurs
alpha.
- La mesure électronique du RaB par soustraction à
l'activité totale bêta de l'activité du RaC déduite de sa
mesure alpha.
- La séparation du prélèvement de la mesure puis le
déplacement rapide sous les détecteurs.
Comme on le voit sur la fig. 3, l'appareil comporte une bande filtrante 1, de 5 cm de largeur, enroulée à une extrémité sur une bobine magasin 2 et à l'autre extrémité sur une bobine réceptrice 3 entraînée par un moteur 4 muni d'un embrayage électromagnétique 5.
La bande filtrante 1 traverse la partie inférieure d'un conduit de prélèvement 6. Celui-ci se prolonge par un canal 7, de plus petit diamètre, relié à une installation de pompage, non représentée, et muni d'une électrovanne d'entrée primaire 8 et d'une électrovanne d'entrée secondaire 9. La surface de prélèvement est de 8 cm2.
Un électro-aimant 10 a son noyau plongeur 11 solidaire d'un poinçon 12 et d'un canal 13, coulissant à l'intérieur du conduit 6. En position basse, le canal 13 repose sur la membrane et la maintient contre la partie inférieure du conduit 6. Une came horaire 14, entraînée par un moteur 15, agit sur un relais 16 qui commande les électrovannes 8 et 9 ainsi que l'électro-aimant 10. Une cellule photorésistante 17, dont la lampe d'excitation est figurée en 18, commande également par l'intermédiaire d'un second relais 19, l'électro-aimant 10. Le contact d'excitation 20 de l'embrayage électromagnétique est situé au sommet du poinçon 12.
L'ensemble de détection comprend une jonction semiconductrice 21, placée au-dessus de la membrane filtrante 1, et un compteur Geiger-Müller 22, placé en regard de la jonction et en dessous de ladite membrane.
La jonction 21 a une surface utile de 9,5 cm2 et effectue la séparation spectrométrique des émetteurs alpha (RaA et RaC') alors que le compteur 22, muni d'une fenêtre d'entrée en mica (4 mglom4) de 20 cm2 de surface utile, ne détecte que les rayonnements bêta (les rayonnements alpha étant stoppés par la membrane et la fenêtre en mica).
Un tube Geiger-Müller d'anticoïncidence 23, à section semi-annulaire entoure la surface non détectrice du compteur 22.
La distance D séparant l'axe du conduit 13 de celui du poinçon 12 est la même que celle séparant le centre des détecteurs de celui de la cellule photorésistante 17.
L'ensemble électronique de mesure est représenté de façon schématique sur la fig. 4. Les impulsions délivrées par la jonction 21 sont reçues, après passage dans un préamplificateur 24 et un amplificateur 25, dans un discriminateur 26. La séparation des impulsions correspondant aux particules alpha émises par le RaA et le RaC' s'effectue à l'aide d'un sélecteur à deux canaux 27. Les voies de sortie parallèles des impulsions dues au RaA et au RaC' sont identiques et comportent chacune un circuit de mise en forme (28 et 29), un intégrateur (30 et 31) et un amplificateur de mesure (32 et 33). Lesdits amplificateurs sont reliés respectivement aux voies A et C' d'un enregistreur 34.
Les informations recueillies sur la voie A donnent donc l'activité du RaA présent sur la membrane, ce qui permet, après étalonnage et détermination de la quantité d'air ayant traversé ladite membrane pendant le temps de prélèvement, de déterminer sa concentration dans l'atmosphère. L'enregistreur peut même être gradué directement en concentrations. De plus, L'activité mesurée sur cette voie représentant, comme indiqué précédemment, une fraction constante de l'activité du radon, on peut déduire également de cette mesure, la concentration en gaz radon de l'atmosphère.
De la même façon, les informations recueillies sur la voie C' permettent d'obtenir la concentration en RaC' et par conséquent, la concentration en RaC à 0,04 to près.
Une voie de mesure supplémentaire peut être prévue pour enregistrer l'activité totale alpha, prise à la sortie de l'amplificateur 27, après mise en forme et intégration analogue aux deux autres voies alpha.
Les compteurs Geiger-Müller de mesure 22 et d'anticoïncidence 23 délivrent des impulsions qui sont reçues respectivement par les préamplificateurs 35 et 36 puis mises en forme dans les circuits 37 et 38. Elles se rejoignent à l'entrée d'un circuit d'anticoïncidence 39 qui a pour rôle de diminuer le bruit de fond du dispositif de comptage en éliminant toutes les impulsions autres que celles provenant de la désintégration des émetteurs bêta retenus sur la bande filtrante 1.
Le circuit d'anticoïncidence 39 est suivi d'un circuit de mise en forme 40, d'un intégrateur 41 et d'un amplificateur de mesure 42 dont la sortie est reliée à la voie T de l'enregistreur 34, sur laquelle apparaissent les informations permettant d'obtenir l'activité totale des émetteurs bêta.
La voie de mesure du RaC' comporte, entre l'intégrateur 31 et l'amplificateur de mesure 33, une dérivation comprenant un dispositif 43, effectuant électroniquement la correction de rendement de 0,04 % qui permet d'obtenir, à sa sortie, des impulsions correspondant à l'activité du RaC. Ces impulsions sont ensuite mises en forme en 44 puis intégrées en 45. L'intégrateur 45 est relié, d'une part à l'entrée de l'amplificateur de mesure 42 et d'autre part à l'entrée d'un amplificateur de mesure 46, lui-même relié à la sortie de l'amplificateur 42, par l'intermédiaire d'un potentiomètre 47, dont le curseur est connecté à la voie B de l'enregisteur 34.
Une telle disposition réalise la soustraction électronique:
activité totale bêta - activité du RaC et les informations recueillies sur la voie B sont relatives à l'activité du RaB seul; elles permettent donc d'obtenir sa concentration dans l'atmosphère.
L'enregistreur fonctionne de la façon suivante:
La bande filtrante 1. placée directement dans la veine d'air du conduit 6. recueille les descendants solides à vie courte du radon, à savoir, RaA, RaB, RaC et RaC'.
Le noyau mobile 11 de l'électro-aimant 10, la partie mobile 13 du conduit 6 et le poinçon 12 sont alors en position basse (la position haute est figurée en traits mixtes sur la fig. 3). Une perforation est faite dans la bande par ledit poinçon.
Après trois minutes de prélèvement la came horaire 14 établit le contact général qui excite le relais de commande 16 des électrovannes 8 et 9 et de l'électro-aimant 10. L'électrovanne d'entrée primaire 8 se trouve coupée et l'électrovanne d'entrée secondaire 9 excitée: la bande filtrante 1 n'est donc plus plaquée à la partie inférieure du conduit de prélèvement 6. Simultanément, l'électroaimant 10 est excité: son noyau plongeur 1 1 est attiré vers le haut et entraîne la partie mobile 13 du conduit ainsi que le poinçon 12. La levée dudit poinçon établit en 20 le contact d'excitation de l'embrayage électromagnétique 5 qui couple alors le moteur d'entraînement 4 à la bobine réceptrice 3 de la bande de membrane.
L'embrayage 5 étant excité, le poinçon 12 et le conduit 13 étant en position haute, le prélèvement se déplace alors sous les détecteurs. Lorsque le trou effectué par le poinçon 12 dans la bande filtrante arrive au niveau de la cellule photorésistante 17, cette dernière reçoit un flux lumineux qu'elle transforme en courant électrique. Ce courant excite alors le relais 19 qui coupe le courant d'alimentation de l'électro-aimant 10: le noyau 1 1 est alors relâché et entraîne vers le bas la partie mobile 13 du conduit de prélèvement ainsi que le poinçon 12 qui se retrouvent alors dans la position initiale. Une nouvelle perforation est alors faite dans la bande 1. L'abaissement du poinçon coupe en 20 le contact d'excitation de l'embrayage électromagnétique 5.
Les bobines cessent de tourner et le prélèvement se trouve ainsi positionné exactement devant les détecteurs 21 et 22.
Au terme de ces opérations de transfert qui s'effectuent en moins de vingt secondes, les quatre mesures sont enregistrées, à raison d'une voie toutes les quatre secondes. Ainsi le transfert et l'enregistrement s'effectuent en vingt secondes. Vingt secondes après le top initial, la came horaire 14 donne une seconde impulsion qui ramène les relais 16 et 19 à leur position de repos:
I'électrovanne d'entrée primaire 8 est alors excitée tandis que l'électrovanne d'entrée secondaire 9 est coupée. La membrane est à nouveau maintenue plaquée à la partie inférieure du conduit 6. Un nouveau prélèvement et une nouvelle mesure peuvent s'effectuer.
On remarquera que tous les appareils électriques, à l'exception de l'électrovanne 8, sont au repos pendant que s'effectuent les opérations de comptage et de prélèvement. La commande de l'embrayage électromagnétique 5, par l'intermédiaire du poinçon 12, est une sécurité.
La bande filtrante ne peut défiler que si le conduit 13, le poinçon 12 et le noyau 11 de l'éle.ctro-aimant sont en position haute. On évite ainsi une déchirure possible de la membrane.
La cellule photorésistante 17, dès le premier cycle, se trouve constamment excitée par le flux lumineux. Un circuit de temporisation (non représenté sur les figures) le paralyse pendant un temps suffisant pour permettre quelques millimètres d'avance du papier. Cette solution est préférée à une coupure cyclique du voyant d'excitation 18 : une coupure répétée le détériorerait en effet rapidement.
La mesure séparée des éléments de la filiation radon, qui peut être effectuée à l'aide de l'appareil selon l'invention, présente un grand intérêt pratique. Dans la plupart des appareils de mesure de contamination, on suppose en effet que le radon et ses descendants solides à vie courte sont à l'équilibre radio-actif. Or, les concentrations du radon subissant des variations diurnes ou nocturnes importantes (facteur 100), I'équilibre se trouve rompu, d'où la nécessité de suivre séparément l'évolution de chaque descendant. Une telle distinction présente un grand intérêt dans un certain nombre de cas.
L'application la plus immédiate se trouve dans les mines où les concentrations sont de l'ordre (ou supérieures) à la concentration maximale admissible du radon. Celle-ci subit des fluctuations importantes (facteur 100 à 1000) en des temps très brefs à l'abattage du minerai à l'explosif, car le radon occlu dans la roche se libère instantanément. L'évolution constante du gaz et de ses descendants solides provoque des variations importantes des doses açcumulées au niveau des bronches pour un travailleur de force et il est utile de connaître, à tout instant, la concentration de chacun d'eux dans l'atmosphère.
Par ailleurs, le radon est très utilisé en météorologie comme traceur radio-actif pour l'étude et la mesure de divers paramètres.
La connaissance de l'évolution de chaque élément doit donc permettre des mesures plus fines que celles qui reposent sur l'activité totale alpha ou bêta, surtout au cours des brusques variations des paramètres de diffusion (vent, gradient de température, etc.).
Enfin, la mesure séparée des éléments de la filiation radon présente un intérêt dans de nombreux autres cas, dont quelques exemples sont donnés ici à titre nullement limitatif: a) mesure de la radio-activité naturelle dans les locaux
et comparaison avec l'atmosphère extérieure; b) mesure de la radio-activité naturelle des locaux spé
ciaux: locaux ventilés, filtrés ou non filtrés, halls de
piles, etc.; c) mesure de la contamination radio-active artificielle,
alpha (PuU). Cette mesure est possible par déplace
ment des seuils inférieur et supérieur du canal RaA.
On obtient un canal de largeur variable qui isole le
pic de l'émetteur à sélectionner; d) comparaison entre les mesures de radio-activité natu
relle données par les appareils de contamination non
adaptés à ce genre de mesure et celles de l'appareil
étudié.
Dans l'appareil décrit, le prélèvement et la mesure se font en 3 minutes et les opérations de transfert en 20 secondes mais il est bien entendu que tout autre cycle peut être utilisé: il suffit seulement d'utiliser une came horaire différente.