EP0099300A1 - Chambre d'ionisation pour la mesure de rayonnements gamma de haute énergie - Google Patents

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EP0099300A1
EP0099300A1 EP83401423A EP83401423A EP0099300A1 EP 0099300 A1 EP0099300 A1 EP 0099300A1 EP 83401423 A EP83401423 A EP 83401423A EP 83401423 A EP83401423 A EP 83401423A EP 0099300 A1 EP0099300 A1 EP 0099300A1
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EP
European Patent Office
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electrodes
ionization chamber
enclosure
chamber according
gas
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Granted
Application number
EP83401423A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0099300B1 (fr
Inventor
François Cliquet
Pierre Boulay
Jean Duchene
Marc Merelli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva NP SAS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Framatome SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
    • H01J47/02—Ionisation chambers

Definitions

  • the present invention relates to an ionization chamber for measuring gamma radiation of high energy. It allows in particular to measure gamma rays whose energy is close to 6 MeV. Such gamma radiation is emitted in particular by the nitrogen 16 induced, by nuclear reactions, in the water of the tank of a pressurized water reactor. The measurement of these gamma rays, and therefore of the quantity of nitrogen 16 formed, is one of the means used to know the power of a reactor and to determine the speed and the flow rate of the fluid circulating in the primary circuit of the reactor. .
  • an ionization chamber comprises a sealed enclosure, filled with an ionizable gas, and one or more electrodes making it possible to create an electric field inside the enclosure.
  • an ionization chamber When nuclear radiation crosses the gas in the chamber, it becomes ionized.
  • the charges produced undergo, in the direction of the field, a drive which is superimposed on their thermal agitation. This entrainment of the charges and in particular of the ions formed makes it possible to induce, through the electrodes, a so-called ionization current which is measured.
  • the object of the present invention is precisely an ionization chamber for the measurement of high energy gamma radiation making it possible to remedy this drawback.
  • the ionization chamber according to the invention has all the other characteristics mentioned above.
  • the invention relates to an ionization chamber for measuring high energy gamma radiation, characterized in that it comprises a sealed cylindrical enclosure, containing an ionizable gas, and several coaxial cylindrical electrodes isolated the of each other, located inside the enclosure and brought to different potentials so as to create an electric field in the enclosure, the innermost electrode being forced by a full cylinder, the electrode most external formed by a solid tube and the intermediate electrodes formed by a perforated tube.
  • the ionization chamber has five electrodes.
  • the use of several electrodes brought to different potentials and some of which, the non-extreme electrodes, are perforated makes it possible to increase the mean free path of the electrons formed in the enclosure of the chamber, which leads to increasing, in the chamber, relative to the number of incident gamma photons, the number of nuclear interactions, as well as the electric current induced for each interaction.
  • the increase in the average free path of the electrons makes it possible to obtain a high sensitivity for the detection of high energy gamma radiation.
  • the perforated electrodes have a transparency of between 30 and 40%. This transparency makes it possible to optimize the ionization current induced in the chamber.
  • ionization chamber used for the detection of high energy photons, i.e. photons whose energy is greater than 1 MeV
  • most of the nuclear interactions Compton effect, materialization effect of a photon, i.e. production of a pair of electron-positron
  • induced current is produced in the walls of the enclosure and in the electrodes.
  • the thickness of the wall of the enclosure, as well as the material constituting this wall and the electrodes must be chosen as a function of the energy of the gamma rays to be measured.
  • the detection of gamma radiation having an energy close to 6 MeV is carried out using an enclosure whose thickness is between 3 and 4 mm, preferably made Stainless steel frame.
  • the electrodes can be made of stainless steel, the intermediate electrodes each consisting of perforated steel sheets, rolled and welded together.
  • the different electrodes have gaps between them such that the electric field is uniform throughout the enclosure. Obtaining in an electric field having the same intensity throughout the enclosure makes it possible to ensure a good collection of the ions formed as well as to optimize the bandwidth of the chamber.
  • one of the ends of the electrodes is fixed and the other end is held in position by first elastic means allowing axial displacement and by second elastic means allowing a radial displacement.
  • the ionization chamber according to the invention may include third elastic means acting axially and only on said other end of the intermediate electrodes.
  • FIG. 1 there is shown the block diagram of the ionization chamber according to the invention.
  • This ionization chamber comprises a sealed cylindrical enclosure 2 having an axis of revolution 3 and consisting of a ferrule 4 closed respectively at the two ends by a lower flange 6 and an upper flange 8. These flanges 6 and 8, being supported on shoulders 9 of the shell 4 are welded to said shell by means of welds such as 10.
  • the sealed enclosure 2 is filled with an ionizable gas which can be introduced into the enclosure by means of a socket 12, sealed after filling of the enclosure.
  • the ionization chamber also comprises cylindrical electrodes 14 arranged coaxially in the enclosure 2 along the axis 3 of said enclosure.
  • a high number of electrodes for example 5 makes it possible, in particular, to increase the volume useful for the detection of the ionization chamber relative to the total volume of said chamber and therefore to increase the free mean path of the electrons in the chamber, when the latter is crossed by gamma radiation.
  • the electrodes 14a, 14c and 14e are electrically connected to each other by means of a conductive part 18 connected, by means of a plug 20 passing through the flange 8, to the high voltage (HT).
  • This plug 20 is isolated from the flange 8 by means of an insulator 22 which is not very sensitive to temperature variations such as soapstone.
  • the electrodes 14b and 14d are electrically connected to each other by means of a conductive piece 24 and connected, by means of a plug 26 passing through the piece 18 then the flange 8, to the outlet marked S.
  • This plug 26 is isolated from the part 18 and from the flange 8 by means of an insulator 28 which is not very sensitive to temperature variations such as soapstone.
  • the electrodes 14b and 14d are assigned to the collection of ions formed in the enclosure, during the passage of the ionization chamber by gamma radiation.
  • the external electrode 14a is formed from a solid tube
  • the intermediate electrodes 14b, 14c and 14d are formed from a tube comprising perforations 16
  • the central electrode 14e is formed from a solid cylinder.
  • the transparency of the intermediate electrodes is between 30 and 40% and for example close to 32%. This transparency has been determined experimentally so as to optimize the ionization current as well as the slope of the current-voltage characteristic.
  • the ionization current depends on the nature of the ionizable gas as well as on its pressure.
  • the ionizable gas contains 98 to 99% in xenon weight.
  • the gas may for example consist of 98% by weight of xenon and 2% by weight of nitrogen, when it is desired to detect gamma photons having an energy close to 6 MeV, such as those emitted by nitrogen 16 induced in the water of the tank of a pressurized water reactor.
  • the pressure of the gas is preferably chosen between 8.8 and 9.2 bar absolute.
  • a gas based on xenon having a pressure close to 9 bars will be used, for example.
  • the differences between the different electrodes 14 are chosen so as to obtain a uniform electric field throughout the enclosure. Indeed, it can be shown by a simple calculation that the electric field prevailing in a cylindrical volume comprised between two cylindrical electrodes, having a given potential difference, decreases as one approaches the external electrode. By using five correctly spaced electrodes, it is possible to obtain a uniform electric field having an intensity of 2000 V / cm for a bias voltage (HV voltage) of 1100 V. It should be noted that for such a value of the bias voltage, the current-voltage curves in Figure 2 do show a zero slope.
  • the thickness of the wall of the enclosure as well as the material constituting this wall and the electrodes must be chosen according to the energy of the gamma rays to be measured. .
  • an enclosure 2 made of stainless steel and having a thickness of between 3 and 4 mm and for example close to 3.5 mm. This thickness, determined to obtain a large number of nuclear interactions, is of course also determined to hold the high pressure of the gas filling the enclosure.
  • the electrodes can be made of stainless steel.
  • the intermediate electrodes can be produced in the form of perforated stainless steel sheets, rolled and welded together. It should be noted that intermediate electrodes made of perforated steel sheets have a mechanical rigidity greater than the electrodes produced in the form of a grid used in certain ionization chambers of the prior art. This makes it possible to contribute to the robustness of the chamber of the invention and to its lifespan.
  • FIG. 3 there is shown an embodiment of the ionization chamber according to the invention.
  • This chamber comprises, as in the schematic diagram of FIG. 1, a cylindrical enclosure 2, containing an ionizable gas, formed by a ferrule 4 and two flanges 6 and 8 welded on the ferrule at its ends, a queusot 12 of gas filling and five electrodes 14a, 14b, 14c, 14d and 14th correspon respectively to the external electrode, to the three perforated intermediate electrodes and to the central electrode.
  • the ends of the electrodes 14a, 14c and 14e located near the flange 8 are supported by a cylindrical conductive plate 18a, corresponding to the part 18 of Figure 1, connected to the high voltage (HT ) by means of a form 20; the ends of the electrodes 14a and 14c are fitted into the plate 18a at the shoulder level such that 30 and the end of the electrode 14e is screwed into the plate 18a.
  • the plate 18a, pierced with an opening 34 to allow the passage of the gas inside the enclosure (arrow F), is fixed by means of screws such as 36 on a holding plate 38.
  • the retaining plate 38 is fixed to the flange 8 by means of a system with key 42 making it possible to avoid rotation of the assembly and ensuring correct positioning of the connections to the high voltage and to the output S.
  • the ends of the electrodes 14b and 14d located near the flange 8 are integral with metal rings such as 44, mounted on insulating rings 46, themselves fitted into the plate 18a.
  • These insulating rings 46 make it possible to avoid any electrical contact between the electrodes 14b, 14d and the electrodes 14a, 14c, 14e.
  • the metal rings 44 are connected, by means of plugs 42, passing through the insulating rings 46, to a metal part 24a, corresponding to the part 24 in FIG. 1.
  • This part 24a which is mounted in an insulating block 49 fitted together in the retaining plate 38 and the plate 18a, is connected by means of a plug 26 to the output marked S.
  • This block 49 makes it possible to avoid any electrical contact between the ring 24a and the plates 18a and 38 and therefore between the electrodes 14b, 14d and the electrodes 14a, 14c, 14e.
  • the ends of the electrodes 14a and 14c located near the flange 6 are fixed, by any known means, to a flange 50, by means of a plate 54, on a cylindrical piece 56 placed in contact with the flange 6.
  • the plate 54 is made integral with the part 56 by means of screws 58, isolated from said part 56 by means of insulating blocks 60.
  • springs such as 66, pressing on the internal surface of the shell 4 of the enclosure, by by means of a ball 68 stresses in compression radially the part 56 and consequently, the flange 50.
  • the ends of the perforated electrodes 14b and 14d located near the flange 6 are fitted into insulating rings 70 fitted into the flange 50.
  • the end of the perforated electrode 14c located on the side of the flange 6 is fitted into a metal ring 72 mounted on the flange 50.
  • the insulating rings 70 and the metal ring 72 are stressed axially in compression by springs 74 bearing on the plate 54.
  • the good temperature resistance of the chamber is ensured by using as insulating material a material little sensitive to temperature variations such as soapstone.
  • the ionization chamber consists of an enclosure and five electrodes made of stainless steel insulated by statite.
  • the enclosure has an internal diameter of 63 mm, a thickness of 3.5 mm and a length of 300 mm.
  • the external electrode 14a is formed from a solid tube 57 mm in internal diameter and 1 mm thick.
  • the central electrode 14e is formed from a solid cylinder 8 mm in diameter.
  • the volume useful for detecting the chamber is 474 cm 3 for a total volume of 592 cm.
  • the filling gas contains 98% by weight of xenon and 2% by weight of nitrogen.
  • the absolute pressure of the gas is 9 bars.
  • the average operating voltage is 1100 V and the maximum operating voltage is 2000 V.
  • the electric field between the electrodes starting from the internal electrode for a voltage of po the output of 1000 V is 2471 V / cm, 2088 V / cm, 1945 V / cm and 2210 V / cm. It is therefore approximately uniform.
  • the theoretical sensitivity characterized by the intensity of the current delivered for a gamma photon flux, is 3.2.10 9 A / rad / h for a gamma photon flux of 6 MeV, corresponding to a dose rate of 100 rad / h.
  • the bandwidth is from 0 to 140 Hz.
  • the characteristics of the ionization chamber are well suited to the detection of gamma photons having an energy of 6 MeV emitted by nitrogen 16, obtained by neutron activation of the oxygen 16 contained in the water. of the primary circuit of a pressurized water reactor.

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

L'invention concerne une chambre d'ionisation pour la mesure de rayonnements gamma de haute énergie. Cette chambre comprend une enceinte cylindrique etanche (2), contenant un gaz ionisable, et plusieurs électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) cylindriques coaxiales isolées les unes des autres situées à l'intérieur de l'enceinte (2) et portées à des potentiels differents de façon à creer un champ électrique dans l'enceinte, l'electrode la plus interne (14e) étant formée d'un cylindre plein, l'electrode la plus externe (14a) formée d'un tube plein et les electrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d) formées d'un tube perforé.

Description

  • La présente invention a pour objet une chambre d'ionisation permettant de mesurer des rayonnements gamma de haute énergie. Elle permet en particulier de mesurer des rayonnements gamma dont l'énergie est voisine de 6 MeV. De tels rayonnements gamma sont notamment émis par l'azote 16 induit, par réactions nucléaires, dans l'eau de la cuve d'un réacteur à eau sous pression. La mesure de ces rayonnements gamma, et donc de la quantité d'azote 16 formée, est l'un des moyens utilisés pour connaître la puissance d'un réacteur et pour déterminer la vitesse et le débit du fluide circulant dans le circuit primaire du réacteur.
  • De façon générale, une chambre d'ionisation comprend une enceinte étanche, remplie d'un gaz ionisable, et une ou plusieurs électrodes permettant de créer un champ électrique à l'intérieur de l'enceinte. Lorsqu'un rayonnement nucléaire traverse le gaz de la chambre, celui-ci se trouve ionisé. En présence du champ électrique, les charges produites subissent, dans la direction du champ, un entraînement qui se superpose à leur agitation thermique. Cet entraînement des charges et notamment des ions formés permet d'induire, à travers les électrodes, un courant dit d'ionisation que l'on mesure.
  • La chambre d'ionisation, qui représente un détecteur bien adapté à la mesure de rayonnements gamma peut permettre la mesure de rayonnements gamma présentant un débit de dose allant de l à 100 rad/heure. Pour effectuer de telles mesures de rayonnements gamma, et notamment des rayonnements émis par l'azote 16, induite dans l'eau de la cuve d'un réacteur, la chambre d'ionisation, compte tenu des conditions d'environnement et du fait qu'aucune intervention humaine n'est possible pendant le fonctionnement du réacteur, doit présenter les caractéristiques suivantes :
    • - grande sensibilité pour les photons gamma de haåte énergie,
    • - bonne tenue en température,
    • - bonne tenue aux vibrations,
    • - bande passante élevée permettant la mesure de fluctuations,
    • - grande robustesse, et
    • - durée de vie importante.
  • Les chambres d'ionisation servant actuellement à une telle mesure et qui présentent notamment une faible sensibilité à la température présentent une faible sensibilité aux photons gamma de grande énergie, nécessitant l'utilisation d'amplificateurs qui eux sont très sensibles à la température ainsi qu'à l'humidité ambiante.
  • La présente invention a justement pour objet une chambre d'ionisation pour la mesure de rayonnements gamma de haute énergie permettant de remédier à cet inconvénient. En plus de sa grande sensibilité aux rayonnements gamma de haute énergie et sa bonne tenue en température, la chambre d'ionisation selon l'invention présente toutes les autres caractéristiques citées ci-dessus.
  • De façon plus précise, l'invention a pour objet une chambre d'ionisation permettant de mesurer des rayonnements gamma de haute énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte cylindrique étanche, contenant un gaz ionisable, et plusieurs électrodes cylindriques coaxiales isolées les unes des autres, situées à l'intérieur de l'enceinte et portées à des potentiels différents de façon à créer un champ électrique dans l'enceinte, l'électrode la plus interne étant forcée d'un cylindre plein, l'électrode la plus externe formée d'un tube plein et les électrodes intermédiaires formées d'un tube perforé.
  • De préférence, la chambre d'ionisation comporte cinq électrodes.
  • L'utilisation de plusieurs électrodes portées à des potentiels différents et dont certaines, les électrodes non extrêmes, sont perforées permet d'augmenter le libre parcours moyen des électrons formés dans l'enceinte de la chambre ce qui conduit à augmenter, dans la chambre, par rapport au nombre de photons gamma incidents, le nombre d'interactions nucléaires, ainsi que le courant électrique induit pour chaque interaction. L'augmentation du libre parcours moyen des électrons permet d'obtenir une grande sensibilité pour la détection de rayonnements gamma de haute énergie.
  • Selon un mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, les électrodes perforées présentent une transparence comprise entre 30 et 40 %. Cette transparence permet d'optimiser le courant d'ionisation induit dans la chambre.
  • Dans une chambre d'ionisation servant à la détection de photons de grande énergie, c'est-à-dire des photons dont l'énergie est supérieure à 1 MeV, l'essentiel des interactions nucléaires (effet Compton, effet de matérialisation d'un photon, c'est-à-dire production d'une paire d'électron-positon), et donc du courant induit est produit dans les parois de l'enceinte et dans les électrodes. Pour optimiser le nombre d'interactions et donc le courant induit, l'épaisseur de la paroi de l'enceinte, ainsi que le matériau constituant cette paroi et les électrodes, doivent être choisis en fonction de l'énergie des rayonnements gamma à mesurer.
  • Selon l'invention, la détection de rayonnements gamma présentant une énergie voisine de 6 MeV est effectuée en utilisant une enceinte dont l'épaisseur est comprise entre 3 et 4 mm, réalisée de préférence en acier inoxydable. De même, les électrodes peuvent être réalisées en acier inoxydable, les électrodes intermédiaires étant constituées chacune par des feuilles d'acier perforées, roulées et soudées entre elles.
  • Par ailleurs, étant donné que le courant d'ionisation induit dépend de la nature et de la pression du gaz, on utilisera de préférence un gaz contenant 98 à 99 % en poids de xénon et présentant par exemple une pression comprise entre 8,8 et 9,2 bars absolus.
  • Selon un autre mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, les différentes électrodes présentent entre elles des écarts tels que le champ électrique soit uniforme dans toute l'enceinte. L'obtention dans un champ électrique présentant la même intensité dans toute l'enceinte permet d'assurer une bonne collection des ions formés ainsi que d'optimiser la bande passante de la chambre.
  • Selon un autre mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, l'une des extrémités des électrodes est fixe et l'autre extrémité est maintenue en position par des premiers moyens élastiques permettant un déplacement axial et par des seconds moyens élastiques permettant un déplacement radial.
  • Par ailleurs, la chambre d'ionisation selon l'invention, peut comprendre des troisièmes moyens élastiques agissant axialement et uniquement sur ladite autre extrémité des électrodes intermédiaires.
  • Ces différents moyens élastiques permettent d'obtenir une chambre d'ionisation insensible à la température et aux vibrations.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés,sur lesquels :
    • - la figure 1 est un schéma de principe d'une chambre d'ionisation selon l'invention illustrant notamment la structure des électrodes de la chambre,
    • - la figure 2 représente des courbes donnant l'intensité du courant d'ionisation I, exprimé en ampère, en fonction de la tension de polarisation V des électrodes, exprimé en volt ; ces différentes courbes sont données pour différentes pressions du gaz ionisable et pour une transparence des électrodes perforées de 39%, et
    • - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de la chambre d'ionisation selon l'invention.
  • Sur la figure 1, on a représenté le schéma de principe de la chambre d'ionisation selon l'invention. Cette chambre d'ionisation comprend une enceinte cylindrique étanche 2 présentant un axe de révolution 3 et constituée d'une virole 4 fermée respectivement aux deux extrémités par un flasque inférieur 6 et un flasque supérieur 8. Ces flasques 6 et 8, prenant appui sur des épaulements 9 de la virole 4 sont soudés sur ladite virole au moyen de soudures telles que 10. L'enceinte étanche 2 est remplie d'un gaz ionisable qui peut être introduit dans l'enceinte au moyen d'un queusot 12, scellé après remplissage de l'enceinte.
  • La chambre d'ionisation comprend aussi des électrodes cylindriques 14 disposées coaxialement dans l'enceinte 2 suivant l'axe 3 de ladite enceinte. Les électrodes 14, qui sont par exemple au nombre de cinq, comme représenté sur la figure, sont constituées d'une électrode externe portant la référence 14a, de trois électrodes intermédiaires, portant les références 14b, 14c et 14d et d'une électrode centrale portant la référence 14e.
  • L'utilisation d'un nombre élevé d'électrodes (par exemple 5) permet, notamment, d'augmenter le volume utile à la détection de la chambre d'ionisation par rapport au volume total de ladite chambre et donc d'augmenter le libre parcours moyen des électrons dans la chambre, lors de la traversée de celle-ci par un rayonnement gamma.
  • Les électrodes 14a, 14c et 14e sont reliées électriquement entre elles au moyen d'une pièce conductrice 18 connectée, par l'intermédiaire d'une fiche 20 traversant le flasque 8, à la haute tension (HT). Cette fiche 20 est isolée du flasque 8 au moyen d'un isolant 22 peu sensible aux variations de température tel que la stéatite.
  • De même, les électrodes 14b et 14d sont reliées électriquement entre elles au moyen d'une pièce conductrice 24 etconnectées, par l'intermédiaire d'une fiche 26 traversant la pièce 18 puis le flasque 8, à la sortie notée S. Cette fiche 26 est isolée de la pièce 18 et du flasque 8 au moyen d'un isolant 28 peu sensible aux variations de température tel que la stéatite. Les électrodes 14b et 14d sont affectées à la collection des ions formés dans l'enceinte, lors de la traversée de la chambre d'ionisation par un rayonnement gamma.
  • Selon l'invention, l'électrode externe 14a est formée d'un tube plein, les électrodes intermédiaires 14b, 14c et 14d sont formées d'un tube comportant des perforations 16 et l'électrode centrale 14e est formée d'un cylindre plein. L'utilisation d'électrodes intermédiaires perforées permet d'accroître le libre parcours moyen des électrons formés dans la chambre, lors de la traversée de celle-ci par un rayonnement gamma, et donc d'augmenter le nombre d'interactions nucléaires.
  • Selon l'invention, la transparence des électrodes intermédiaires, c'est-à-dire la proportion de surface trouée, est comprise entre 30 et 40 % et par exemple voisine de 32%. Cette transparence a été déterminée expérimentalement de façon à optimiser le courant d'ionisation ainsi que la pente de la caractéristique courant-tension.
  • Sur la figure 2, on a représenté, pour différentes pressions du gaz ionisable, l'intensité du courant d'ionisation I, exprimée en ampère, en fonction de la tension de polarisation V appliquée aux électrodes, exprimée en volt. Pour ces mesures, la chambre d'ionisation était remplie d'un gaz contenant 99% de xénon et 1% d'azote, les électrodes étaient au nombre de quatre et la transparence des électrodes intermédiaires était de 39%.
  • Sur cette figure, on constate que l'obtention d'un plateau, c'est-à-dire d'une pente nulle, sur les courbes courant-tension est obtenue à partir d'une tension de polarisation (HT) de 450 V ; ces courbes permettent donc de déterminer pour une transparence donnée, la tension de polarisation à appliquer pour obtenir une pente nulle.
  • Comme on l'a dit précédemment, le courant d'ionisation dépend de la nature du gaz ionisable ainsi que de sa pression.
  • Des études sur la nature du gaz, dans des conditions normales de pression et de température, ont permis de montrer que parmi les gaz ionisables pouvant être utilisés dans la chambre d'ionisation, tels que l'azote, l'oxygène, l'air, l'argon ou le xénon, le xénon présente le plus faible coefficient d'attachement électronique et que la valeur du courant d'ionisation obtenue avec ce gaz est la plus élevée. Selon l'invention, le gaz ionisable contient 98 à 99 % en poids de xénon. Le gaz peut être par exemple constitué de 98% en poids de xénon et de 2% en poids d'azote, lorsque l'on désire détecter des photons gamma présentant une énergie voisine de 6 MeV, tels que ceux émis par l'azote 16 induit dans l'eau de la cuve d'un réacteur à eau sous pression.
  • Par ailleurs, il ressort des courbes de la figure 2 que plus la pression du gaz est élevée plus le courant d'ionisation est élevé. On a donc tout intérêt à utiliser une pression élevée. De plus, pour tenir compte de la tension de polarisation la plus basse que l'on peut utiliser (450 V), la pression du gaz est choisie de préférence entre 8,8 et 9,2 bars absolus.
  • Lors de la détection de photons gamma présentant une énergie de 6 MeV on utilisera, par exemple, un gaz à base de xénon présentant une pression voisine de 9 bars.
  • Afin d'assurer une bonne collection des ions formés dans la chambre d'ionisation, et afin d'optimiser la bande passante, les écarts entre les différentes électrodes 14 sont choisis de façon à obtenir dans toute l'enceinte un champ électrique uniforme. En effet, on peut montrer par un calcul simple que le champ électrique régnant dans un volume cylindrique compris entre deux électrodes cylindriques, présentant une différence de potentiel donné, décroît au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'électrode externe. En utilisant cinq électrodes espacées correctement, on peut obtenir un champ électrique uniforme présentant une intensité de 2000 V/cm pour une tension de polarisation (tension HT) de 1100 V. Il est à noter que pour une telle valeur de la tension de polarisation, les courbes courant-tension de la figure 2 présentent bien une pente nulle.
  • Comme on l'a dit précédemment, l'essentiel des interactions nucléaires, lors de la détection d'un rayonnement gamma présentant une énergie élevée (supérieure à 1 MeV), est produit dans les parois de l'enceinte et dans les électrodes. Pour optimiser le nombre d'interactions, et donc le courant d'ionisation, l'épaisseur de la paroi de l'enceinte ainsi que le matériau constituant cette paroi et les électrodes doivent être choisis en fonction de l'énergie des rayonnements gamma à mesurer.
  • Lors de la détection de photons gamma ayant une énergie voisine de 6 MeV, on utilise de préférence une enceinte 2 réalisée en acier inoxydable et présentant une épaisseur comprise entre 3 et 4 mm et par exemple voisine de 3,5 mm. Cette épaisseur, déterminée pour obtenir un grand nombre d'interactions nucléaires, est bien entendu aussi déterminée pour tenir la pression élevée du gaz remplissant l'enceinte. Par ailleurs, les électrodes peuvent être réalisées en acier inoxydable. Les électrodes intermédiaires peuvent être réalisées sous la forme de feuilles d'acier inoxydable perforées, roulées et soudées entre elles. Il est à noter que des électrodes intermédiaires constituées de feuilles d'acier perforées présentent une rigidité mécanique supérieure aux électrodes réalisées sous forme d'un grillage utilisées dans certaines chambres d'ionisation de l'art antérieur. Ceci permet .de contribuer à la robustesse de la chambre de l'invention et à sa durée de vie.
  • Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de la chambre d'ionisation selon l'invention. Cette chambre comprend, comme sur le schéma de principe de la figure 1, une enceinte cylindrique 2, contenant un gaz ionisable, formée d'une virole 4 et de deux flasques 6 et 8 soudés sur la virole à ses extrémités, un queusot 12 de remplissage du gaz et cinq électrodes 14a, 14b, 14c, 14d et 14e correspondant respectivement à l'électrode externe, aux trois électrodes intermédiaires perforées et à l'électrode centrale.
  • Comme représenté sur la figure 3, les extrémités des électrodes 14a, 14c et 14e se trouvant à proximité du flasque 8, sont supportées par une plaque conductrice cylindrique 18a, correspondant à la pièce 18 de la figure 1, connectée à la haute tension (HT) au moyen d'une fiche 20 ; les extrémités des électrodes 14a et 14c sont emboîtées dans la plaque 18a au niveau d'épaulement tel que 30 et l'extrémité de l'électrode 14e est vissée dans la plaque 18a. La plaque 18a, percée d'une ouverture 34 pour permettre le passage du gaz à l'intérieur de l'enceinte (flèche F), est fixée au moyen de vis telles que 36 sur une plaque de maintien 38. L'isolement des vis 36, au moyen d'un manchon isolant 40, peu sensible aux variations de température, permet d'éviter tout contact électrique entre les plaques 18a et 38. La plaque de maintien 38 est fixée sur le flasque 8 au moyen d'un système à clavette 42 permettant d'éviter la rotation de l'ensemble et assurant le bon positionnement des connexions à la haute tension et à la sortie S.
  • De même, les extrémités des électrodes 14b et 14d se trouvant à proximité du flasque 8 sont solidaires de bagues métalliques telles que 44, montées sur des bagues isolantes 46, elles-mêmes emboîtées dans la plaque 18a. Ces bagues isolantes 46 permettent d'éviter tout contact électrique entre les électrodes 14b, 14d et les électrodes 14a, 14c, 14e. Les bagues métalliques 44 sont reliées, par l'intermédiaire de fiches 42, traversant les bagues isolantes 46, à une pièce métallique 24a, correspondant à la pièce 24 de la figure 1. Cette pièce 24a, qui est montée dans un bloc isolant 49 emboîté dans la plaque de maintien 38 et la plaque 18a, est connectée au moyen d'une fiche 26 à la sortie notée S. Ce bloc 49 permet d'éviter tout contact électrique entre la bague 24a et les plaques 18a et 38 et donc entre les électrodes 14b, 14d et les électrodes 14a, 14c, 14e.
  • Les extrémités des électrodes 14a et 14c se trouvant à proximité du flasque 6, sont fixées, par tout moyen connu, sur un flasque 50, par l'intermédiaire d'une plaque 54, sur une pièce cylindrique 56 placée au contact du flasque 6. La plaque 54 est rendue solidaire de la pièce 56 au moyen de vis 58, isolées de ladite pièce 56 au moyen de blocs isolants 60. Des ressorts tels que 62, prenant appui sur le flasque 6, par l'intermédiaire de rondelles 64, sollicitent en compression, suivant l'axe 3 de l'enceinte 2, la pièce 56 et par conséquent le flasque 50. De même, des ressorts tels que 66, s'appuyant sur la surface interne de la virole 4 de l'enceinte, par l'intermédiaire d'une bille 68, sollicitent en compression de façon radiale la pièce 56 et par conséquent, le flasque 50.
  • Les extrémités des électrodes perforées 14b et 14d se trouvant à proximité du flasque 6 sont emboîtées dans des bagues isolantes 70 emmanchées dans le flasque 50. De même, l'extrémité de l'électrode perforée 14c se trouvant du côté du flasque 6 est emboîtée dans une bague métallique 72 montée sur le flasque 50. Les bagues isolantes 70 et la bague métallique 72 sont sollicitées axialement en compression par des ressorts 74 prenant appui sur la plaque 54.
  • L'utilisation des ressorts 62 et 74 d'une part, et des ressorts 66 d'autre part, permettant de maintenir en position respectivement axiale et radiale, les extrémités des électrodes situées du côté du flasque 6, assure à la chambre d'ionisation une bonne tenue en température (compensation des dilatations) et une bonne tenue aux vibrations (vibrations du milieu dans lequel est placée la chambre d'ionisation).
  • Par ailleurs, la bonne tenue en température de la chambre est assurée en utilisant comme matériau isolant un matériau peu sensible aux variations de température tel que la stéatite.
  • On va maintenant donner un exemple de réalisation et de caractéristiques de la chambre d'ionisation selon l'invention.
  • La chambre d'ionisation est constituée d'une enceinte et de cinq électrodes réalisées en acier inoxydable isolées par de la statite.
  • L'enceinte présente un diamètre interne de 63 mm, une épaisseur de 3,5 mm et une longueur de 300 mm.
  • L'électrode externe 14a est formée d'un tube plein de 57 mm de diamètre interne et d'épaisseur de 1 mm. Les trois électrodes intermédiaires 14b, 14c, 14d formées de feuilles d'acier perforées, roulées et soudées entre-elles, présentent une épaisseur de 0,4 mm et un diamètre interne respectivement de 46 mm, 34 mm et 22 mm. Elles présentent une transparence de 32%.
  • L'électrode centrale 14e est formée d'un cylindre plein de 8 mm de diamètre.
  • Le volume utile à la détection de la chambre est de 474 cm3 pour un volume total de 592 cm .
  • Le gaz de remplissage contient 98% en poids de xénon et 2% en poids d'azote. La pression absolue du gaz est de 9 bars.
  • La tension moyenne d'utilisation est de 1100 V et la tension maximale d'utilisation de 2000 V.
  • Le champ électrique entre les électrodes en partant de l'électrode interne pour une tension de polarisation de 1000 V est de 2471 V/cm, 2088 V/cm, 1945 V/cm et 2210 V/cm. Il est donc approximativement uniforme.
  • La sensibilité théorique, caractérisée par l'intensité du courant délivré pour un flux de photon gamma, est de 3,2.10 9 A/rad/h pour un flux de photons gamma de 6 MeV, correspondant à un débit de dose de 100 rad/h.
  • La bande passante est de 0 à 140 Hz.
  • Les caractéristiques de la chambre d'ionisation, données ci-dessus, sont bien adaptées à la détection de photons gamma présentant une énergie de 6 MeV émis par l'azote 16, obtenu par activation neutronique de l'oxygène 16 contenu dans l'eau du circuit primaire d'un réacteur à eau sous pression.

Claims (11)

1. Chambre d'ionisation permettant de mesurer des rayonnements gamma de haute énergie, caractérisée en ce qu'elle.comprend une enceinte cylindrique étanche (2), contenant un gaz ionisable, et plusieurs électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) cylindriques coaxiales isolées les unes des autres, situées à l'intérieur de l'enceinte (2) et portées à des potentiels différents de façon à créer un champ électrique dans l'enceinte, l'électrode la plus interne (14e) étant formée d'un cylindre plein, l'électrode la plus externe (14a) formée d'un tube plein et les électrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d) formées d'un tube perforé.
2. Chambre d'ionisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les électrodes perforées (14b, 14c, 14d) présentent une transparence comprise entre 30 et 40 %.
3. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les différentes électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) présentent entre elles des écarts tels que le champ électrique régnant dans l'enceinte (2) soit sensiblement uniforme dans toute l'enceinte.
4. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les électrodes (14) sont au nombre de cinq.
5. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le gaz ionisable est un gaz contenant 98 à 99 % en poids de xénon.
6. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la pression du gaz est comprise entre 8,8 et 9,2 bars absolus.
7. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'une des extrémités des électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) est fixe et en ce que l'autre extrémité est maintenue en position par des premiers moyens élastiques (62) permettant un déplacement axial et par des seconds moyens élastiques (66) permettant un déplacement radial.
8. Chambre d'ionisation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des troisièmes moyens élastiques (74) agissant axialement et uniquement sur ladite autre extrémité des électrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d).
9. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les électrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d) sont constituées chacune par des feuilles métalliques perforées, roulées et soudées entre elles.
10. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, permettant de mesurer des rayonnements gamma présentant une énergie d'environ 6 MeV, caractérisée en ce que l'enceinte (2) et les électrodes sont réalisées en acier inoxydable.
11. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, permettant de mesurer des rayonnements gamma présentant une énergie d'environ 6 MeV, caractérisée en ce que l'enceinte présente une épaisseur variant de 3 à 4 mm.
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