EP3455649A1 - Procede et dispositif de determination de la densite de volumes rocheux ou d'edifices artificiels - Google Patents

Procede et dispositif de determination de la densite de volumes rocheux ou d'edifices artificiels

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Publication number
EP3455649A1
EP3455649A1 EP17722468.0A EP17722468A EP3455649A1 EP 3455649 A1 EP3455649 A1 EP 3455649A1 EP 17722468 A EP17722468 A EP 17722468A EP 3455649 A1 EP3455649 A1 EP 3455649A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
gas
detector
ionizing
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP17722468.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ignacio LAZARO ROCHE
Pierre Elie Marie SALIN
Stéphane GAFFET
Thomas Serre
Jean-Baptiste DECITRE
Fanny Catherine HIVERT
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.)
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nice Sophia Antipolis UNSA
Universite dAvignon et des Pays de Vaucluse
Original Assignee
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nice Sophia Antipolis UNSA
Universite dAvignon et des Pays de Vaucluse
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aix Marseille Universite, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Nice Sophia Antipolis UNSA, Universite dAvignon et des Pays de Vaucluse filed Critical Aix Marseille Universite
Publication of EP3455649A1 publication Critical patent/EP3455649A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/24—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by observing the transmission of wave or particle radiation through the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2935—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using ionisation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T5/00—Recording of movements or tracks of particles; Processing or analysis of such tracks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T5/00—Recording of movements or tracks of particles; Processing or analysis of such tracks
    • G01T5/12—Circuit arrangements with multi-wire or parallel-plate chambers, e.g. spark chambers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/04—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging

Definitions

  • the invention relates to the field of determination in transmission of the density of rock volumes or artificial buildings in situ, and more particularly a method and a device based on the study of the trajectory and the absorption of muons to determine such density.
  • basement mapping knowledge of the structure of basements and rocks is of interest for many applications such as basement mapping, for research and monitoring of natural resources, for example, for the monitoring of subsoils.
  • the characterization of the properties of the subsoil uses indirect measurement techniques such as, for example, seismic imaging, electrical prospecting or gravimetry. Depending on the approaches and measuring devices used, the data obtained allow, after study and treatment, to obtain an image of the subsoil.
  • Transmission tomography is a known imaging technique that allows reconstructing the interior volume of an object (eg geological structure, structure, industrial infrastructure) from remote measurements outside the object.
  • an object eg geological structure, structure, industrial infrastructure
  • Muons are charged particles produced by the interaction of protons cosmic high energy with the atmosphere.
  • the muons by their great mass, about 207 times larger than that of the electrons, their high speed (0.9997c) and their insensitivity to the strong interaction, have a great power of penetration in the matter. Typically, they spread over several hundred meters of rock, the depth reached depending essentially on their initial energy and the density of the medium through.
  • the analysis of the number of muons received as a function of the trajectory makes it possible to provide information on the density of the subsoils.
  • Devices such as those of the aforementioned patent applications require the establishment of several detectors having a suitable geometry in order to recover the electrical signals produced by the detectors and to analyze them. Their use remains however limited to areas that offer accessibility imposing little constraint of space.
  • the muon rate decreases in depth and that at certain depths, the weak muon flow will require measurement times that can be long.
  • the measurement time is such that it can affect the stability of the measurement due to variations of the fluid injected into the detector. Also, the quality of the fluid used in a gas detector is critical for the good performance of the system.
  • An object of the present invention is to propose a device that makes it possible tomography (or muography) of an in-situ medium by measuring the flow and trajectory of the muons passing through it.
  • the technique used is nondestructive. It is based on the quantification of the absorption of the natural flow of muons, which depends on the amount of matter that the particles pass through. The absorption rate makes it possible to deduce the density of the material traversed, given its geometry.
  • the process used makes it possible to measure the density of the subsoil and its temporal variations. Using a measuring device in transmission, the process makes it possible to image places that are difficult or dangerously accessible without direct exposure to the possible risks.
  • the invention makes it possible to monitor localized variations in density of material over time.
  • the applications of the present invention are numerous, and can cover, for example, the monitoring of gravity instabilities, the research and monitoring of natural resources or the monitoring of sites presenting natural risks.
  • the device of the present invention uses a gaseous detector of small space combining two chambers separated by a microgrid, a first chamber called drift chamber associated with a second chamber called amplification chamber, the assembly allowing the detection and the identification of each intercepted muon.
  • the invention is based on the principle of the ionization of a gas contained in a chamber sealed to polluting gases and dust, comprising two chambers, the conversion chamber and drift, and the chamber of amplification.
  • the passage of a muon in the drift chamber produces positive electron-ion pairs along its trajectory (about a hundred ionizations per centimeter).
  • the electric field applied in the drift chamber is drifting on the height of the first chamber, orthogonal to the plane defined by the micro-grid, the primary electrons generated up to the micro-grid, input of the amplification chamber.
  • the signals measured in the amplification chamber thus plot the projection in the plane of the grid, the initial trajectory of the muon.
  • the counting of the muon trajectories makes it possible to determine the local density of the analyzed volume per unit of solid angle.
  • the measurement of the absorption of the muon flux in the subsoil makes it possible to map the average density of the medium according to each solid angle determined by its azimuth, its zenith and its opening.
  • the invention also relates to a gas reconditioning system for gas detector, in particular for a gas detector such as that claimed by the present invention.
  • a gas reconditioning system for gas detector in particular for a gas detector such as that claimed by the present invention.
  • the performance of gas detectors is inextricably and fundamentally linked to the quality and stability of the gas used.
  • gas detectors operate in open circuit generating a loss of a large percentage of gas, limiting their autonomy and altering their operating environment.
  • a new gas conditioning system in almost closed circuit is proposed.
  • the proposed gas reconditioning circuit meets the needs of:
  • the device of the invention is a device for determining the density of volumes of material to be imaged, which comprises an ionizing particle detector for detecting a flow of ionizing particles and for calculating the trajectory of each particle. ionizing device passing through the detector, and calculation means coupled to the detector for converting the trajectory calculations of the ionizing particles into volume density information of matter to be imaged.
  • the detector is a gas detector having a first drift chamber for generating primary electrons and a second amplification chamber separated from the first chamber by a micro-grid, the device being characterized in that the first chamber comprises first means polarization circuit configured according to the height of said first chamber to obtain in the first chamber a homogeneous, constant and controlled electric field in order to cause the primary electrons to drift towards the micro-grid over the height of the first chamber, orthogonal to the defined plane by the micro-grid.
  • the first polarization means are configured to allow the gas to diffuse into the first chamber in a homogeneous non-turbulent or convective manner.
  • the first polarization means comprise a printed circuit having interconnected copper tracks and holes for diffusing the gas.
  • the computing means are configured to determine the trajectory of each ionizing particle and calculate the flux of the ionizing particles from electrical signals produced in the second chamber.
  • the second chamber comprises second polarization means, for producing an avalanche effect on the primary electrons passing the microgrid and generating secondary electrons in a micro-avalanche.
  • the ratio between the electric field created in the second chamber and the electric field created in the first chamber is at least greater than 10.
  • the drift space of the first chamber presents a height of several centimeters much greater than the height of the second chamber.
  • the second chamber has a height of one hundred microns.
  • the gaseous detector placed in or near a rock volume makes it possible to image the volume between the detector and the surface of the ground.
  • the second chamber comprises a resistive protection, either a resistive layer, or a set of resistive tracks inductively producing an electric current during the displacement of the charges in the amplification chamber.
  • the reading tracks located under the resistive protection are superimposed and isolated on two different levels along perpendicular axes.
  • the device further comprises a circuit for injecting gas into the chamber, said circuit being configured in an almost closed circuit between a gas inlet and a gas outlet.
  • the gas circuit comprises means for filtering the various contaminants present in the gas (eg impurities in the initial gas, desorption of the materials constituting the detector, ionization gas wear), control means the speed of circulation of the gas and the control means of the environment variables.
  • the gas flow velocity control means receives gas flow and pressure measurements taken from the gas circuit and temperature information to adjust the gas flow rate and maintain the gas flow rate. gain of the detector to a desired value.
  • the invention also relates to a method for determining the density of volumes of material to be imaged, the method comprising the steps of:
  • detecting a stream of ionizing particles passing through a detector said detector being a gaseous detector as claimed;
  • the invention also covers a computer program product that includes code instructions for performing all or part of the steps of the method, when said program is executed on a computer. Description of figures
  • Figure 1 shows schematically a sectional view of the gas detector of the invention according to one embodiment
  • Figure 2 shows in zoom a sectional view of the amplification chamber of the detector of Figure 1 according to one embodiment
  • FIG. 3 shows a sequence of steps of the operation of the detector of the invention
  • Figure 4 shows a sequence of data analysis steps to reconstruct the trajectory of the ionizing particles
  • Figure 5 illustrates the gas flows and data in the gas reconditioning circuit of the invention
  • FIG. 6 schematically shows a gas reconditioning circuit adapted to the detector of the invention according to one embodiment.
  • FIG. 1 schematically illustrates a sectional view of the gaseous detector of the invention according to one embodiment.
  • the gaseous detector of the invention comprises at least a first chamber (110) said drift chamber (D) separated in its lower part by a micro-grid (111) of a second chamber (112) called chamber amplifier (A), and interfaces (120,123) to the signal acquisition and data analysis and processing devices.
  • the gas detector also includes a gas inlet (121) and a gas outlet (122) with diffusing elements (11 6a, 11 6b) for circulating gas in the drift chamber (110).
  • the gas is a gas mixture composed mainly of argon with at least one deactivator, chosen to maximize the drift rate of the electrons to the desired electric field value.
  • the detector comes from an almost closed circuit reconditioning circuit which has the advantage of directly filtering, controlling and stabilizing the gain of the gaseous detector of the invention, in order to maximize its quality and the improve the consistency of the data to be analyzed.
  • the drift chamber further comprises a bias circuit (11 5a,
  • the bias circuit creates an electric field in the drift chamber strong enough to separate the electron-ion pairs formed during the ionization.
  • the electric field created is homogeneous and it makes it possible to obtain a projection orthogonal to the plane of the micro-grid of the electrons generated (1 04, 1 06, 1 08). This point is critical to allow the measurements necessary for an accurate determination of muon trajectory.
  • the drift chamber of the gaseous detector of the invention has a height ⁇ 0 'of several centimeters.
  • the distance between the drift cathode (114) and the micro-grid (11) is of the order of 5 cm.
  • the height of the drift chamber is defined so as to obtain a specific precision on the trajectory of the muons and to guarantee good analysis performance.
  • the height of the drift chamber must meet two constraints which are (1) to maximize the drift space to increase the quality of the trajectories to be determined, and (2) to minimize the volume to have a compact sensor limited adapted to areas with high space requirements.
  • the detector of the invention by the unusual height of the chamber of derives, generates problems not addressed by known detectors. Indeed, the significant height of several centimeters of the drift chamber, requires the establishment of special polarization means to obtain a homogeneous electric field, which is controlled and control.
  • the shape and characteristics of the polarization system are determined by multiphysical numerical simulations to take into account all complex interactions between processes within the detector, such as ion diffusion and drift within the detector. a fluid, or the calculation of trajectories of charged particles subjected to an electric field.
  • the polarization system of the invention has a predefined configuration which is a function of the height of the drift chamber.
  • the bias circuit is in a particular implementation realized as a printed circuit with interconnected copper tracks having resistances of very large values (of the order of 500Mohm) and small holes to allow the diffusion of the gas homogeneously non-turbulent or convective.
  • the bias circuit serves to minimize the effect of artifacts in the image, particularly on the sides of the detector.
  • the drift cathode (114) is brought to a negative potential of the order of -3000 V, the micro-gate (111) is grounded by means of a resistor (121), to create an electric field of the order of 500 V / cm in the drift chamber.
  • FIG. 2 illustrates a sectional view of the amplification chamber (112) of the gas detector of FIG. 1.
  • the amplification chamber is defined between the micro-gate (111) and an electrode (113) called resistive anode which is a resistive protection.
  • the resistive electrode having a fixed electrical conductivity (0.5-5M ⁇ / cm), is composed of a mesh of bands or conductive tracks organized according to a predefined pattern.
  • the primary electrons (106) that have passed through the holes of the microgrid are accelerated to create an avalanche effect (107).
  • the arrangement of the bands (x, y) makes it possible to collect a measurable electrical signal with conventional electronic instrumentation of the signal acquisition devices (120).
  • the reading conductive strips are copper tracks of variable width depending on the proximity of a track to the resistive layer, so that the electrical signal induced is the more homogeneous possible between the different levels.
  • a track that is close to the resistive anode must have dimensions smaller than that which is remote from this anode. These are protected from sparks by the said resistive layer, and distributed along perpendicular axes 'x' and 'y'. This distribution of the tracks conductive allows by the analysis of the electrical pulses induced in these tracks, a two-dimensional positioning.
  • the mesh may comprise for example 1024 tracks on the 'x' axis and 512 tracks on the 'y' axis.
  • the conductive strips of the resistive layer are brought to a potential 'HV2' much lower than the potential 'HV1' of the cathode of the drift chamber.
  • the potential ⁇ ⁇ / 2 ' is of the order of 500 V to create an electric field in the amplification chamber of the order of 50 kV / cm.
  • the value of HV1 is chosen to optimize the drift rate of the primary electrons.
  • the value of the second field HV2 makes it possible to adjust the gain of the detector.
  • the two values are not independent because the ratio between the two electric fields affects the amount of primary electrons that can cross the micro-grid to the second enclosure, which is also known as the "electronic transparency". A bad value of electronic transparency produces a loss of efficiency of the measurement.
  • the amplifier zone and the electric field created in the first chamber (drift chamber) is a function of the gas used. It is at least greater than 10, and preferably of the order of 50.
  • the amplification chamber has a height ⁇ ⁇ 'much lower than the height ⁇ 0 ' of the drift chamber.
  • the distance between the micro-grid (111) and the resistive layer (113) is of the order of a hundred microns.
  • Pillars (119) are evenly distributed over the surface of the reading electrode to support the micro-grid, keeping it at a fixed distance from the resistive electrode over its entire length.
  • the supporting pillars are made of a dielectric material to keep the microgrid and the resistive layer electrically insulated and at a constant distance.
  • the diameter of the pillars should be as small as possible to limit the dead zones where no detection is possible.
  • FIG. 3 illustrates the different states undergoing a flow of ionizing particles passing through the detector of the invention.
  • Figure 3 is described for a particle such as a muon passing through the detector, but the principles remain unchanged for a muon flow.
  • the principle of the invention on the ionization of the gas at the passage of a charged particle (302) in the drift chamber. As it passes, the muon ionizes the gas flowing in the drift chamber and generates electrons (304) called primary electrons.
  • the generated primary electrons that are subjected to the electric field existing in the drift chamber, drift (306) to the micro-grid orthogonally thereto, which is the transition zone (308) to the amplification chamber.
  • the primary electrons that pass through the holes of the micro-grid are then multiplied by the electric field existing in the amplification chamber according to an avalanche effect (310).
  • the avalanche of electrons referred to as secondary electrons and ions, induces a current in the resistive layer (312), which induces electrical signals (314) in the underlying conductive (x, y) readout tracks by coupling capacitive.
  • the analysis of the signals makes it possible to determine a two-dimensional position (x, y) and an arrival time of the impact associated with the passage of the particle.
  • the set of electrical signals is then processed by the acquisition and processing circuit (120).
  • the signals are initially amplified (31 6).
  • the amplifiers are the circuits of a hybrid card of well-known type "APV25".
  • the analog signals are then digitized (318) by an analog-to-digital converter, then the digital data is adapted (320) and stored (324) for processing by computer.
  • the avalanche effect (310) produced in the amplification chamber generates an identical pulse, but of inverse polarity on the gate (311).
  • the device for analysis and data processing of the detector of the invention makes it possible to use this signal as the information of passage of the ionizing particle through the detector.
  • These induced electrical signals are firstly amplified (313), then discriminated (315) to eliminate background noise, and converted into logic pulses (317).
  • the pulses generated are in a standardized format of the well-known "Nuclear Instrumentation Module” (NIM) type. This NIM pulse is used to trigger the acquisition of data in order to capture exclusively the precise moment of the passage of the ionizing particles.
  • NIM Nuclear Instrumentation Module
  • the efficiency of the detector is increased, because of the minimization of data loss related to an acquisition with a fixed sampling frequency for example (indeed, the electronic cards, because of the dead time between the samples are not fit to record continuously).
  • the set of acquisition and data processing circuits can advantageously be available on a single electronic card as a single interface (120) to the detector of the invention.
  • an external scintillator-based data acquisition device may be added to trigger data acquisition for the analysis of the path of the ionizing particles.
  • Figure 4 shows a sequence of data analysis steps to reconstruct the trajectory of the ionizing particles.
  • the principle of the invention is to calculate a precise position in 2D according to a combination of tracks that are on two axes offset by 90 °.
  • the method begins by measuring at regular intervals the voltage amplitude of the electrical signals produced during a given period.
  • the voltage is measured every 25 nanoseconds for 67.5 ⁇ , for each hybrid card dedicated to measuring 128 reads (x, y).
  • the measurement is considered noise (406). If the measured average voltage is greater than the given threshold (404, YES branch), the measurement is considered representative of an impact on a reading track and is retained (408).
  • the threshold equals a charge of 20,000 electrons.
  • the method then makes it possible to determine whether the impacts recorded by each hybrid card are close impacts (410) relative to the reading tracks. If the impacts correspond to isolated reading tracks, they are considered isolated impacts and rejected as noise (412). If the impacts correspond to contiguous reading tracks, for example ten contiguous tracks, the method makes it possible to group (414) the tracks impacted along the axis 'x' and along the axis 'y'.
  • the method makes it possible to determine which groups of tracks along each axis 'x' and 'y' are impacted in the same time window and associated.
  • the association of the groups of tracks (x, y) determines a point (418) giving a position information of the particle and thus determines the height at which the particle corresponding to this point is passed in the drift chamber, and thus reconstitute its trajectory.
  • the method makes it possible to differentiate the points according to the angle of incidence according to which the particle has penetrated into the drift chamber.
  • a first treatment (420) is applied to the points for which the angle of incidence with respect to the vertical is almost zero, corresponding to particles which have penetrated into the detector chamber at an angle of less than 20 ° (angular range from + 10 ° to -10 °).
  • the set of groups of nearby tracks is considered as a single group and the method makes it possible to analyze the displacement of the center of gravity within this group over the entire duration of the measurement. The method then makes it possible to reconstruct (422) the azimuthal trajectory of the particle from the direction of displacement of the center of gravity and the positions of the points (x, y).
  • a second treatment For particles entering the detector at a non-zero angle, ranging in an angular range from 20 ° to 90 °, a second treatment (424) is applied.
  • the different avalanches of secondary electrons generated during the passage of the particle in the drift chamber impact groups of tracks well dissociated and different.
  • the method makes it possible to analyze (424) each group of tracks over the duration of the measurement to determine the evolution of the movement of the groups of tracks.
  • the method then makes it possible to reconstruct (426) the azimuth trajectory of the particle from the direction of movement of the groups of tracks and the positions of the points (x, y).
  • the computation of the trajectory in 3D is done with the obtaining of the zenith angle of each particle.
  • the process is able to reconstruct the vertical distance traveled, and thus the zenith angle of each trajectory.
  • Attenuation of the muon flux is defined as the ratio between the flux of muons at the surface and the flow of muons measured after passing through the environment (eg subsoil, structure, industrial building). This parameter is connected by a known mathematical law to the traversed material length multiplied by its average density.
  • ⁇ / ⁇ ⁇ 0 ( ⁇ -) where 0 is the surface flux, ⁇ the attenuation coefficient related to the density and d is the distance traversed by the particles.
  • the surface flux l 0 is known thanks to theoretical models that can predict the value of muon flux depending among other parameters, altitude, latitude and longitude, as the following models:
  • Figure 5 illustrates a method for controlling and controlling the distribution and quality of gas in a gas detector.
  • the known gas distribution circuits for gas detectors operate in open circuit, which generates a significant loss of gas and a risk of unnecessary pollution of the environment.
  • the performance of gas detectors depends among other things on quality and stability. gas used.
  • a new gas detector gas distribution device and a related method are provided.
  • the device is a quasi-closed circuit which makes it possible to reduce the consumption of gas without reducing the performance of the detector.
  • the device is composed of a system for filtering the various contaminants present in the gases, associated with a circuit for controlling the flow rate of the gas and a control circuit of the environment variables, such as in particular the internal pressure of the detector. gaseous and temperature.
  • the combination of the various elements making up the device makes it possible to directly control and stabilize the gain of the gas detector and thus allow coherent data acquisition to establish the trajectory of the particles.
  • the closed circuit gas distribution circuit the gas emissions are reduced, which is advantageous and necessary in confined spaces with low ventilation.
  • Figure 5 illustrates the gas flow (double line arrows) in the closed circuit and the data flow (single line arrows) that are recorded at different measurement points of the circuit.
  • FIG. 6 illustrates an implementation of such a gas distribution device, particularly adapted to the gaseous detector of the invention. For the sake of clarity, data streams are not shown in Figure 6.
  • the method of controlling and regulating the gas (500) begins with a gas injection (502) at the inlet of the circuit.
  • the gas can come from a bottle of high-pressure gas (600) whose outlet gas passes into a pressure reducer (601) in order to bring the pressure to a defined value, preferentially up to 0.1 bar above ambient pressure.
  • the gas is then filtered through a particulate filter (602). Filtration prevents contamination of the inside of the detector by keeping the particles in suspension.
  • the filter is a 0.22 micron particle filter, which is smaller than the size of the holes in the micro-gate of the detector.
  • the gas is then fed to the closed circuit input through a variable section flowmeter (603) to manually control the gas flow.
  • This flow rate is measured numerically (504, 604) at the input of the closed circuit and the measurements are transmitted to a control automaton (540).
  • the gas is then fed into an adjustable speed pump (506, 606) that generates a pressure gradient to force the flow of gas.
  • the gas can then optionally be filtered in a first filter which holds oxygen (508, 608) followed by a second filter for the steam (510, 610), either directly sent to a second particulate filter (512, 612), which may be necessary because of the impurities released by the filter (s). oxygen and water vapor.
  • the particulate filter is a 0.22 micron particulate filter.
  • the oxygen filter serves to minimize the absorption of primary electrons by this molecule by increasing the performance of the detector.
  • the water filter makes it possible to prevent the water vapor from reaching the drift chamber, for the same reason as the preceding filter, and secondly because it greatly alters the gain of the detector and promotes its corrosion.
  • the gas pressure is measured and the values are transmitted to the control automaton (510). The gas then enters the detector (100).
  • an anti-return valve calibrated to a desired operating pressure (51 6, 61 6) makes it possible to test (518) the pressure of the gas to allow a release of gas and to protect the overpressure system.
  • the release is carried out in a bubbler (526,626) which prevents any air intake and allows to see the outgoing gas flow.
  • the gas flow output from the detector (100) is measured (520, 620) to determine the amount of gas recirculation.
  • the measured value is transmitted to the control automaton (510).
  • the gas then passes into a control valve (522, 622) which prevents a return of the gas and forces the flow in one direction.
  • the gas then loops back onto the inlet pump (506, 606).
  • the control machine (510) receives the flow measurements of the gas (504, 520) and pressure (514) recorded in the closed circuit as well as the temperature information of a thermocouple (527) installed for this purpose, and is able to adjust the gas flow (538).
  • the control circuit of the gas flow rate makes it possible to maintain the gain of the detector at the desired value.
  • the gain of the detector is periodically calculated at adjustable intervals (typically 1 h), by reading the data in the detector (530) and is compared with the optimum value designated by the user (532).
  • a calculation unit (534) determines the gain of the detector and this value is compared (536) with a predefined value of optimum gain.
  • the circuit makes it possible to define the adjustment to supplying the flow (538) and transmitting the value to the control machine (540) which automatically changes the speed of the pump (506), which regulates the flow of the gas, and returns to the gain value optimum.
  • the proposed closed loop gas detector gas distribution device combines the effects of gas filtration, recirculation of the filtered gas and the direct control of the gain of the detector by measuring and adapting the parameters of the gas. operation as the internal pressure of the detector.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, le dispositif comprenant un détecteur gazeux ayant une première et une seconde chambre séparées par une micro-grille, permettant de détecter un flux de particules ionisantes, de calculer la trajectoire de chaque particule ionisante et le flux des particules ionisantes traversant la première chambre, et comprenant des moyens de calcul pour convertir les calculs de trajectoires et de flux en information de densité de volume de matière à imager.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA DENSITE DE VOLUMES
ROCHEUX OU D'EDIFICES ARTIFICIELS
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine de la détermination en transmission de la densité des volumes rocheux ou des édifices artificiels in situ, et plus particulièrement un procédé et un dispositif basés sur l'étude de la trajectoire et l'absorption de muons pour déterminer une telle densité.
Etat de la Technique
En géophysique, la connaissance de la structure des sous-sols et des roches présente un intérêt pour de nombreuses applications que ce soit pour dresser des cartes des sous-sols, pour la recherche et le suivi de ressources naturelles par exemple, pour la surveillance d'instabilités gravitaires ou encore pour la surveillance de sites présentant un alea potentiel vis-à-vis de leur intégrité mécanique.
La caractérisation des propriétés du sous-sol utilise des techniques de mesures indirectes telles que par exemple, l'imagerie sismique, la prospection électrique ou encore la gravimétrie. Selon les approches et les appareils de mesure utilisés, les données obtenues permettent après étude et traitement d'obtenir une image du sous-sol.
La tomographie en transmission est une technique d'imagerie connue qui permet de reconstruire le volume intérieur d'un objet (ex. structure géologique, ouvrage d'art, infrastructure industrielle) à partir de mesures déportées à l'extérieur de l'objet.
Dans les demandes de brevet EP0081314 et US 2008/0128604 A1 plusieurs détecteurs disposés à l'intérieur d'un trou de forage utilisent l'analyse tomographique pour réaliser une détermination de densités locales, en exploitant des signaux électriques représentatifs de la trajectoire de muons pénétrant dans le sol et interceptés par les détecteurs.
Les muons sont des particules chargées produites par l'interaction des protons cosmiques de haute énergie avec l'atmosphère. Les muons, de par leur grande masse, environ 207 fois plus grande que celle des électrons, leur grande vitesse (0,9997c) et leur insensibilité face à l'interaction forte, ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière. Typiquement, ils se propagent sur plusieurs centaines de mètres de roches, la profondeur atteinte dépendant essentiellement de leur énergie initiale et de la densité du milieu traversé. Ainsi l'analyse du nombre de muons reçus en fonction de la trajectoire permet de renseigner sur la densité des sous-sols.
Les dispositifs tels que ceux des demandes de brevet précitées nécessitent la mise en place de plusieurs détecteurs ayant une géométrie adaptée afin de récupérer les signaux électriques produits par les détecteurs et les analyser. Leur utilisation reste cependant limitée à des zones qui offrent une accessibilité imposant peu de contrainte d'encombrement.
Par ailleurs, il faut aussi considérer que le taux de muons diminue en profondeur et qu'à certaines profondeurs, le faible flux de muons va exiger des temps de mesure qui peuvent être longs. Pour les détecteurs avec fluide comme celui de la demande de brevet précitée US 2008/0128604 A1 , le temps de mesure est tel qu'il peut affecter la stabilité de la mesure dû à des variations du fluide injecté dans le détecteur. Aussi, la qualité du fluide utilisé dans un détecteur gazeux est critique pour la bonne performance du système.
Or, il n'existe pas de solution connue, permettant de caractériser la densité de sous-sols depuis des environnements confinés imposant de fortes contraintes d'encombrement, tout en permettant une stabilité de mesure. La présente invention répond à ces besoins.
Résumé de l'invention
Un objet de la présente invention est de proposer un dispositif qui permet de faire de la tomographie (ou muographie) d'un milieu in-situ grâce à la mesure du flux et de la trajectoire des muons le traversant. La technique utilisée est non destructive. Elle est basée sur la quantification de l'absorption du flux naturel des muons, qui dépend de la quantité de matière que les particules traversent. Le taux d'absorption permet de déduire la densité de la matière traversée, étant donnée sa géométrie.
Le procédé mis en œuvre permet de mesurer la densité du sous-sol et ses variations temporelles. Utilisant un dispositif de mesure en transmission, le procédé permet d'imager des lieux difficilement ou dangereusement accessibles sans exposition directe aux risques éventuels. L'invention permet de surveiller dans le temps des variations localisées de densité de matière.
Les applications de la présente invention sont multiples, et peuvent recouvrir par exemple, la surveillance d'instabilités gravitaires, la recherche et le suivi de ressources naturelles ou encore la surveillance de sites présentant des risques naturels.
Avantageusement, le dispositif de la présente invention utilise un détecteur gazeux de faible encombrement combinant deux chambres séparées par une microgrille, une première chambre dite chambre de dérive associée à une deuxième chambre dite chambre d'amplification, l'ensemble permettant la détection et l'identification de chaque muon intercepté.
D'une manière générale, l'invention est basée sur le principe de l'ionisation d'un gaz contenu dans une enceinte étanche aux gaz polluants et aux poussières, comprenant deux chambres, la chambre de conversion et dérive, et la chambre d'amplification. Le passage d'un muon dans la chambre de dérive produit des paires électrons-ions positifs tout au long de sa trajectoire (environ une centaine d'ionisations par centimètre). Le champ électrique appliqué dans la chambre de dérive fait dériver sur la hauteur de la première chambre, orthogonalement au plan défini par la micro-grille, les électrons primaires générés jusqu'à la micro-grille, entrée de la chambre d'amplification. Les signaux mesurés dans la chambre d'amplification tracent ainsi la projection dans le plan de la grille, de la trajectoire initiale du muon. Le comptage des trajectoires des muons permet de déterminer la densité locale du volume analysé par unité d'angle solide. La mesure de l'absorption du flux de muons dans le sous-sol permet de cartographier la densité moyenne du milieu suivant chaque angle solide déterminé par son azimut, son zénith et son ouverture.
L'invention concerne aussi un système de reconditionnement de gaz pour détecteur gazeux, en particulier pour un détecteur gazeux tel que celui revendiqué par la présente invention. En effet, la performance des détecteurs gazeux est indissociablement et fondamentalement liée à la qualité et à la stabilité du gaz utilisé. Habituellement, les détecteurs gazeux fonctionnent en circuit ouvert générant une perte d'un grand pourcentage de gaz, limitant leur autonomie et altérant leur environnement de fonctionnement. Pour palier à ces inconvénients, un nouveau système de conditionnement de gaz en circuit quasi fermé est proposé. Le circuit de reconditionnement de gaz proposé répond aux besoins de :
- réduire au maximum la consommation de gaz, sans diminuer la performance du détecteur ;
- réduire les émissions de gaz, condition nécessaire au travail dans des espaces confinés ayant une faible ventilation ; et
- contrôler et stabiliser en direct le gain du détecteur et la qualité du gaz pour acquérir puis analyser des données de qualité et cohérentes.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de l'invention est un dispositif pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, qui comprend un détecteur de particules ionisantes permettant de détecter un flux de particules ionisantes et de calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant le détecteur, et des moyens de calcul couplés au détecteur pour convertir les calculs de trajectoire des particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager. Le détecteur est un détecteur gazeux ayant une première chambre de dérive permettant de générer des électrons primaires et une seconde chambre d'amplification séparée de la première chambre par une micro-grille, le dispositif étant caractérisé en ce que la première chambre comprend des premiers moyens de polarisation configurés en fonction de la hauteur de ladite première chambre pour obtenir dans la première chambre un champ électrique homogène, constant et contrôlé afin de faire dériver les électrons primaires vers la micro-grille sur la hauteur de la première chambre, orthogonalement au plan défini par la micro-grille.
Selon un mode de réalisation, les premiers moyens de polarisation sont configurés pour laisser diffuser le gaz dans la première chambre, de façon homogène non turbulente ou convective.
Dans un mode d'implémentation, les premiers moyens de polarisation comprennent un circuit imprimé ayant des pistes en cuivre interconnectées et des trous permettant la diffusion du gaz. Dans un mode d'implémentation, les moyens de calcul sont configurés pour déterminer la trajectoire de chaque particule ionisante et calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques produits dans la seconde chambre.
Dans un mode d'implémentation, la deuxième chambre comprend des seconds moyens de polarisation, permettant de produire un effet d'avalanche sur les électrons primaires passant la micro-grille et générer des électrons secondaires dans une micro-avalanche.
Selon un mode de réalisation, le rapport entre le champ électrique créé dans la deuxième chambre et le champ électrique créé dans la première chambre est au moins supérieur à 10. Dans un mode d'implémentation, l'espace de dérive de la première chambre présente une hauteur de plusieurs centimètres très supérieure à la hauteur de la deuxième chambre.
Dans un mode d'implémentation, la deuxième chambre présente une hauteur d'une centaine de microns.
Avantageusement, le détecteur gazeux placé dans ou à proximité d'un volume rocheux permet d'imager le volume compris entre le détecteur et la surface du sol. Dans un mode d'implémentation, la deuxième chambre comprend une protection résistive, soit d'une couche résistive, soit d'un ensemble de pistes résistives produisant par induction un courant électrique lors du déplacement des charges dans la chambre d'amplification. Dans un mode d'implémentation, les pistes de lecture situées sous la protection résistive sont superposées et isolées sur deux niveaux différents selon des axes perpendiculaires.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend de plus un circuit pour injecter du gaz dans l'enceinte, le dit circuit étant configuré en circuit quasi fermé entre une entrée de gaz et une sortie de gaz.
Dans un mode d'implémentation, le circuit de gaz comprend des moyens de filtration des différents contaminants présents dans le gaz (ex. impuretés dans le gaz initial, désorption des matériaux constituant le détecteur, usure du gaz par ionisation), des moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz et des moyens de pilotage des variables d'environnement. Dans un mode d'implémentation, les moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz reçoivent des mesures de débit du gaz et de pression relevées dans le circuit de gaz et des informations de température permettant d'ajuster le débit du gaz et maintenir le gain du détecteur à une valeur désirée. L'invention concerne aussi une méthode pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, la méthode comprenant les étapes de :
- détecter un flux de particules ionisantes traversant un détecteur, ledit détecteur étant un détecteur gazeux tel que revendiqué ;
- calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant la première chambre du détecteur à partir d'électrons primaires générés le long de la trajectoire des particules ionisantes la traversant et dérivant vers la micro-grille orthogonalement à celle-ci ;
- calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques amplifiés dans la seconde chambre, les signaux électriques étant générés à partir d'électrons secondaires issus d'un effet d'avalanche des électrons primaires passant la micro-grille; et
- convertir les calculs de trajectoire et de flux des particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager. L'invention couvre aussi un produit programme d'ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d'effectuer tout ou partie des étapes de la méthode, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Description des figures
Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaître en appui de la description d'un mode préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :
La figure 1 montre schématiquement une vue en coupe du détecteur gazeux de l'invention selon un mode de réalisation;
La figure 2 montre en zoom une vue en coupe de la chambre d'amplification du détecteur de la figure 1 selon un mode de réalisation ;
La figure 3 montre un enchaînement des étapes du fonctionnement du détecteur de l'invention ;
La figure 4 montre un enchaînement des étapes de l'analyse des données pour reconstituer la trajectoire des particules ionisantes ;
La figure 5 illustre les flux de gaz et des données dans le circuit de reconditionnement de gaz de l'invention ;
La figure 6 montre schématiquement un circuit de reconditionnement de gaz adapté au détecteur de l'invention selon un mode de réalisation.
Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre de manière schématique une vue en coupe du détecteur gazeux de l'invention selon un mode de réalisation.
Le détecteur gazeux de l'invention (100) comprend au moins, une première chambre (110) dite chambre de dérive (D) séparée dans sa partie inférieure par une micro-grille (111 ) d'une deuxième chambre (112) dite chambre d'amplification (A), et des interfaces (120,123) vers les dispositifs d'acquisition de signaux et d'analyse et traitement de données.
Le détecteur gazeux comprend aussi une entrée de gaz (121 ) et une sortie de gaz (122) avec des éléments diffuseurs (11 6a, 11 6b), permettant de faire circuler un gaz dans la chambre de dérive (110). De manière avantageuse, le gaz est un mélange de gaz composé majoritairement d'argon avec au moins un désactivateur, choisi pour maximiser la vitesse de dérive des électrons à la valeur de champ électrique désiré.
Comme il est détaillé plus bas en référence à la figure 5, le gaz injecté dans le détecteur provient dans un mode de réalisation préférentiel, d'un circuit de reconditionnement de gaz en circuit quasi fermé qui a pour avantage de filtrer, contrôler et stabiliser en direct le gain du détecteur gazeux de l'invention, afin de maximiser sa qualité et d'améliorer la cohérence des données à analyser.
La chambre de dérive comprend de plus un circuit de polarisation (11 5a,
1 15b) couplé entre une électrode plane (1 14) dite cathode de dérive située dans la partie supérieure de la chambre de dérive, et la terre (11 7). La cathode située dans la partie supérieure de la chambre primaire est mise à un potentiel élevé HV1 qui permet d'activer le circuit de polarisation afin de créer un premier champ électrique homogène dans la chambre de dérive. Pour générer une cascade d'électrons primaires à partir d'un muon (1 02) traversant la chambre de dérive, le circuit de polarisation crée un champ électrique dans la chambre de dérive suffisamment fort pour séparer les paires électrons-ions formés pendant l'ionisation. De par une configuration prédéfinie du circuit de polarisation, le champ électrique créé est homogène et il permet d'obtenir une projection orthogonale au plan de la micro-grille des électrons générés (1 04, 1 06, 1 08). Ce point est critique afin de permettre les mesures nécessaires à une détermination précise de la trajectoire des muons.
Afin de pouvoir effectuer une analyse de trajectoire des muons, la chambre de dérive du détecteur gazeux de l'invention présente une hauteur Ή0' de plusieurs centimètres. Dans une implémentation préférentielle, la distance entre la cathode de dérive (114) et la micro-grille (1 11 ) est de l'ordre de 5 cm. Avantageusement, la hauteur de la chambre de dérive est définie de manière à obtenir une précision spécifique sur la trajectoire des muons et garantir de bonnes performances d'analyse. Ainsi la hauteur de la chambre de dérive doit répondre à deux contraintes qui sont (1 ) de maximiser l'espace de dérive pour augmenter la qualité des trajectoires à déterminer, et (2) de minimiser le volume pour avoir un capteur compact limité adapté aux zones à forte contraintes d'encombrement .
A la différence de détecteurs gazeux connus, tels les détecteurs MicroMegas® qui ont une chambre de dérive faisant quelques millimètres de hauteur (aussi connue sous le terme de chambre de conversion), le détecteur de l'invention par la hauteur inhabituelle de la chambre de dérive, engendre des problématiques non abordées par les détecteurs connus. En effet, la hauteur importante de plusieurs centimètres de la chambre de dérive, requière la mise en place de moyens de polarisation particuliers afin d'obtenir un champ électrique homogène, qui soit maîtrisé et contrôlé. La forme et les caractéristiques du système de polarisation sont déterminées par des simulations numériques multi-physiques afin de prendre en compte toutes les interactions complexes entre processus à l'intérieur du détecteur, comme par exemple la diffusion et la dérive des ions au sein d'un fluide, ou encore le calcul de trajectoires de particules chargées soumises à un champ électrique. Ainsi, le système de polarisation de l'invention présente une configuration prédéfinie qui est fonction de la hauteur de la chambre de dérive. Le circuit de polarisation est dans une implémentation particulière réalisé comme un circuit imprimé avec des pistes en cuivre interconnectées ayant des résistances de très grandes valeurs (de l'ordre de 500Mohm) et des petits trous pour laisser diffuser le gaz de façon homogène non turbulente ou convective. Par ailleurs, le circuit de polarisation sert à minimiser l'effet des artefacts dans l'image, en particulier sur les côtés du détecteur.
Dans une implémentation préférentielle, la cathode de dérive (114) est portée à un potentiel négatif de l'ordre de -3000 V, la micro-grille (111 ) est mise à la terre par le biais d'une résistance (121 ), permettant de créer un champ électrique de l'ordre de 500 V/cm dans la chambre de dérive.
La figure 2 illustre une vue en coupe de la chambre d'amplification (112) du détecteur gazeux de la figure 1 . La chambre d'amplification est définie entre la micro- grille (111 ) et une électrode (113) dite anode résistive qui est une protection résistive. L'électrode résistive, ayant une conductivité électrique fixée (0,5-5MQ/cm), est composée d'un maillage de bandes ou pistes conductrices organisées selon un patron prédéfini. Les électrons primaires (106) qui sont passés au travers des trous de la micro-grille, sont accélérés jusqu'à créer un effet avalanche (107). L'agencement des bandes (x, y) permet de collecter un signal électrique mesurable avec une instrumentation électronique conventionnelle des dispositifs d'acquisition de signaux (120).
Dans le détecteur illustré en figures 1 et 2, les bandes conductrices de lecture (118x, 118y) sont des pistes en cuivre de largeur variable selon la proximité d'une piste à la couche résistive, de telle sorte que le signal électrique induit soit le plus homogène possible entre les différents niveaux. Ainsi, une piste qui est proche de l'anode résistive doit avoir des dimensions plus petites que celle qui est éloignée de cette anode. Celles ci sont protégées des étincelles par la dite couche résistive, et réparties selon des axes perpendiculaires 'x' et 'y'. Cette distribution des pistes conductrices permet par l'analyse des impulsions électriques induites dans ces pistes, un positionnement en deux dimensions. Dans une réalisation, le maillage peut comporter par exemple 1024 pistes sur l'axe 'x' et 512 pistes sur l'axe 'y'.
Les bandes conductrices de la couche résistive sont portées à un potentiel 'HV2' très inférieur au potentiel 'HV1 ' de la cathode de la chambre de dérive. Dans une implémentation préférentielle, le potentiel Ή\/2' est de l'ordre de 500 V permettant de créer un champ électrique dans la chambre d'amplification de l'ordre de 50 kV/cm. La valeur de HV1 est choisie pour optimiser la vitesse de dérive des électrons primaires. La valeur du second champ HV2 permet de régler le gain du détecteur. Cependant, les deux valeurs ne sont pas indépendantes car le ratio entre les deux champs électriques affecte la quantité d'électrons primaires qui pourra traverser la micro-grille vers la deuxième enceinte, ce qui est aussi connu comme étant la « transparence électronique ». Une mauvaise valeur de transparence électronique produit une perte d'efficacité de la mesure.
De plus, le rapport entre le champ électrique créé dans la deuxième chambre
(zone d'amplification) et le champ électrique créé dans la première chambre (chambre de dérive) est fonction du gaz utilisé. Il est au moins supérieur à 10, et de préférence de l'ordre de 50.
La chambre d'amplification présente une hauteur ΉΑ' très inférieure à la hauteur Ή0' de la chambre de dérive. Dans une implémentation préférentielle, la distance entre la micro-grille (111 ) et la couche résistive (113) est de l'ordre d'une centaine de microns.
Des piliers (119) sont régulièrement répartis sur la surface de l'électrode de lecture pour soutenir la micro-grille, permettant de la maintenir à une distance fixe de l'électrode résistive sur toute sa longueur. Les piliers de soutien sont faits d'un matériel diélectrique permettant de maintenir la micro-grille et la couche résistive électriquement isolées et à une distance constante. Le diamètre des piliers doit être le plus petit possible pour limiter les zones mortes où aucune détection n'est réalisable.
La figure 3 illustre les différents états que subit un flux de particules ionisantes traversant le détecteur de l'invention. Pour des raisons de simplification, la figure 3 est décrite pour une particule comme un muon traversant le détecteur, mais les principes restent inchangés pour un flux de muons. Le principe de l'invention repose sur l'ionisation du gaz au passage d'une particule chargée (302) dans la chambre de dérive. A son passage, le muon ionise le gaz circulant dans la chambre de dérive et génère des électrons (304) dits électrons primaires. Les électrons primaires générés qui sont soumis au champ électrique existant dans la chambre de dérive, dérivent (306) jusqu'à la micro-grille orthogonalement à celle-ci, qui est la zone de transition (308) vers la chambre d'amplification. Les électrons primaires qui passent au travers des trous de la micro-grille sont ensuite multipliés par le champ électrique existant dans la chambre d'amplification selon un effet d'avalanche (310). L'avalanche d'électrons, dits électrons secondaires et des ions, induit un courant dans la couche résistive (312), ce qui induit des signaux électriques (314) dans les pistes de lecture conductrices (x, y) sous-jacentes par couplage capacitif. L'analyse des signaux permet de déterminer une position en deux dimensions (x, y) et un temps d'arrivée de l'impact associé au passage de la particule. L'ensemble des signaux électriques est ensuite traité par le circuit d'acquisition et de traitement (120). Les signaux sont dans un premier temps amplifiés (31 6). Dans un mode de réalisation préférentiel, les amplificateurs sont les circuits d'une carte hybride de type bien connu « APV25 ». Les signaux analogiques sont ensuite numérisés (318) par un convertisseur analogique/numérique, puis les données numériques sont adaptées (320) et stockées (324) pour pouvoir être traitées par ordinateur.
L'effet d'avalanche (310) produit dans la chambre d'amplification, génère une impulsion identique, mais de polarité inverse sur la grille (311 ). Le dispositif d'analyse et de traitement des données du détecteur de l'invention permet d'utiliser ce signal comme l'information de passage de la particule ionisante à travers le détecteur. Ces signaux électriques induits sont dans un premier temps amplifiés (313), puis discriminés (315) pour éliminer les bruits de fond, et convertis en impulsions logiques (317). Dans un mode de réalisation préférentiel, les impulsions générées sont dans un format standardisé du type bien connu « Nuclear Instrumentation Module » (NIM). Cette impulsion NIM sert à déclencher l'acquisition de données afin de pouvoir capturer exclusivement l'instant précis du passage des particules ionisantes. Cela permet d'optimiser le volume de données acquises en éliminant celles sans intérêt pour la reconstruction de l'image. Avantageusement, l'efficacité du détecteur s'en trouve augmentée, du fait de la minimisation de perte de données liée à une acquisition avec une fréquence d'échantillonnage fixe par exemple (en effet, les cartes électroniques, du fait des temps morts entre les échantillons ne sont pas aptes à enregistrer de façon continue).
L'ensemble des circuits d'acquisition et de traitement des données peut être avantageusement disponible sur une seule carte électronique comme interface unique (120) au détecteur de l'invention.
Dans un mode de réalisation non illustré, un dispositif externe d'acquisition de données à base de scintillateurs, par exemple, peut être ajouté pour déclencher l'acquisition des données pour l'analyse de la trajectoire des particules ionisantes.
La figure 4 montre un enchaînement des étapes de l'analyse des données pour reconstituer la trajectoire des particules ionisantes. A la différence du détecteur de type GEM-TPC décrit dans l'article « Opération of a GEM-TPC with Pixel Readout » de Brezina et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 59, no. 6 , 1 décembre 2012, qui fonctionne par matrice carrée de pixels pour connaître une position en 2D directement selon la position du pixel qui est allumé, le principe de l'invention est de calculer une position précise en 2D selon une combinaison de pistes qui sont allumées sur deux axes décalés de 90°.
Le procédé, initié au niveau de la carte hybride (31 6) connectée à l'interface du détecteur (120), débute par la mesure à intervalles réguliers de l'amplitude en tension des signaux électriques produits pendant une période donnée. Dans une implémentation particulière, la tension est mesurée toutes les 25 nanosecondes pendant 67.5 μεβο, par chaque carte hybride dédiée à la mesure de 128 pistes de lectures (x, y).
Si la tension mesurée est inférieure à un seuil donné (404, branche NON), la mesure est considérée comme du bruit (406). Si la tension moyenne mesurée est supérieure au seuil donné (404, branche OUI), la mesure est considérée comme représentative d'un impact sur une piste de lecture et est conservée (408). Typiquement, le seuil équivaut à une charge de 20 000 électrons.
Le procédé permet ensuite de déterminer si les impacts relevés par chaque carte hybride sont des impacts proches (410) relativement aux pistes de lecture. Si les impacts correspondent à des pistes de lecture isolées, ils sont considérés comme des impacts isolés et rejetés comme du bruit (412). Si les impacts correspondent à des pistes de lecture contigues, par exemple dix pistes contiguës, le procédé permet de regrouper (414) les pistes impactées selon l'axe 'x' et selon l'axe 'y'.
Dans une étape suivante (41 6), le procédé permet de déterminer quels groupes de pistes selon chaque axe 'x' et 'y' sont impactés dans une même fenêtre de temps et de les associer. L'association des groupes de pistes (x, y) détermine un point (418) donnant une information de position de la particule et détermine donc la hauteur à laquelle la particule correspondant à ce point est passée dans la chambre de dérive, et ainsi reconstituer sa trajectoire. Avantageusement le procédé permet de différencier les points selon l'angle d'incidence selon lequel la particule a pénétré dans la chambre de dérive.
En effet, pour des particules pénétrant de manière quasi verticale dans le détecteur, les avalanches d'électrons secondaires dans la chambre d'amplification sont très proches, pouvant se chevaucher. Un premier traitement (420) est appliqué aux points pour lesquels l'angle d'incidence par rapport à la verticale est quasi nul, correspondant à des particules qui ont pénétré dans la chambre du détecteur selon un angle de moins de 20° (plage angulaire de +10° à -10°). Pour ces particules, l'ensemble des groupes de pistes proches est considéré comme un groupe unique et le procédé permet d'analyser le déplacement du centre de gravité au sein de ce groupe sur toute la durée de la mesure. Le procédé permet ensuite de reconstituer (422) la trajectoire azimutale de la particule à partir de la direction du déplacement du centre de gravité et des positions des points (x, y).
Pour des particules pénétrant dans le détecteur selon un angle non nul, allant dans une plage angulaire comprise entre 20° et 90°, un second traitement (424) est appliqué. Pour ces particules, les différentes avalanches d'électrons secondaires générées pendant la traversée de la particule dans la chambre de dérive, impactent des groupes de pistes bien dissociés et différents. Le procédé permet d'analyser (424) chaque groupe de pistes sur toute la durée de la mesure pour déterminer l'évolution du déplacement des groupes de pistes. Le procédé permet ensuite de reconstituer (426) la trajectoire azimutale de la particule à partir de la direction du déplacement des groupes de pistes et des positions des points (x, y).
Dans les deux cas précédents, une fois les trajectoires azimutales connues, le calcul de la trajectoire en 3D est fait avec l'obtention de l'angle zénithal de chaque particule. En connaissant la vitesse de dérive des électrons primaires et secondaires et son temps de voyage (qui est donné par l'écartement entre signaux électriques), le procédé est capable de reconstruire la distance verticale parcourue, et ainsi l'angle zénithal de chaque trajectoire.
Finalement, à partir du flux de muons mesuré en fonction des angles zénithaux et azimutaux, il devient possible d'imager la densité du milieu traversé. En effet, l'atténuation du flux de muons est définie comme le rapport entre le flux de muons en surface et le flux de muons mesuré après avoir traversé le milieu (ex. sous-sol, ouvrage d'art, édifice industriel). Ce paramètre est relié par une loi mathématique connue à la longueur de matière traversée multipliée par sa densité moyenne.
La connaissance de la géométrie de la surface du milieu à imager permet de connaître les longueurs traversées par les muons avant leur arrivée au détecteur. L'homme de l'art sait que le rapport entre le nombre de muons provenant d'une origine commune et le flux, est calculé grâce à la mesure sur un détecteur de taille fixe, du nombre de muons et leur moment précis d'arrivée, permettant alors d'obtenir le flux de muons (nombre de particules par unité de surface et de temps) provenant d'une certaine direction. L'obtention de la densité d'un objet ayant des dimensions connues est proportionnel au ratio entre le flux de muons à ciel ouvert et le flux mesuré, selon l'équation bien connue : Ι/Ι0=θχρ(μ- ) où l0 est le flux en surface, μ le coefficient d'atténuation relié à la densité et d est la distance traversée par les particules. Le flux en surface l0 est connu grâce à de modèles théoriques qui peuvent prédire la valeur de flux de muons en fonction entre autres paramètres, de l'altitude, la latitude et la longitude, comme les modèles suivants :
[1 ] T. K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics. Cambridge, 1990 ;
[2] L. N. Bogdanova, M. G. Gavrilov, V. N. Kornoukhov and A. S. Starostin,
submitted to Phys. Atom. Nucl. [arXiv:nucl-ex/0601019] ;
[3] A. Tang, G. Horton-Smith, V.A. Kudryavtsev and A. Tonazzo, submitted to Phys. Rev. E [arXiv:hep-ph/0604078].
La mesure du flux I permet alors de déduire la densité moyenne 'd' au long de la trajectoire de la particule. Ainsi, la mesure de l'atténuation du flux directionnel de muons associée à la topographie permet d'obtenir la densité moyenne du milieu en fonction de l'azimut et du zénith. La figure 5 illustre un procédé pour contrôler et réguler la distribution et qualité du gaz dans un détecteur gazeux. Les circuits connus de distribution de gaz pour détecteurs gazeux fonctionnent en circuit ouvert, ce qui génère une perte importante de gaz et un risque de pollution inutile de l'environnement. Par ailleurs, la performance des détecteurs gazeux dépend entre autre de la qualité et de la stabilité du gaz utilisé. Un nouveau dispositif de distribution de gaz pour détecteur gazeux et un procédé associé sont proposés. Avantageusement, le dispositif est un circuit quasi fermé qui permet de réduire la consommation de gaz sans diminuer la performance du détecteur. Le dispositif est composé d'un système de filtration des différents contaminants présents dans les gaz, associé à un circuit de contrôle de la vitesse de circulation du gaz et à un circuit de pilotage des variables d'environnement, telles notamment la pression interne du détecteur gazeux et la température. Avantageusement, la combinaison des différents éléments composant le dispositif permet de contrôler et de stabiliser en direct le gain du détecteur de gaz et ainsi permettre une acquisition de données cohérentes pour établir la trajectoire des particules. Par ailleurs, le circuit de distribution de gaz opérant en circuit fermé, les émissions de gaz s'en trouvent réduites, ce qui est avantageux et nécessaire dans des espaces confinés ayant une faible ventilation.
La figure 5 illustre le flux de gaz (flèches traits doubles) dans le circuit fermé et le flux de données (flèches traits simples) qui sont relevées à différents points de mesure du circuit. La figure 6 illustre une implémentation d'un tel dispositif de distribution de gaz, particulièrement adaptée au détecteur gazeux de l'invention. Pour des raisons de clarté, les flux de données ne sont pas illustrés sur la figure 6.
Le procédé de contrôle et régulation du gaz (500) débute par une injection de gaz (502) à l'entrée du circuit. Comme illustré sur la figure 6, le gaz peut provenir d'une bouteille de gaz à haute pression (600), dont le gaz en sortie passe dans un réducteur de pression (601 ) pour amener la pression à une valeur définie, de manière préférentielle jusqu'à 0,1 bar maximum au dessus de la pression ambiante. Le gaz est ensuite filtré au travers d'un filtre à particules (602). La filtration permet d'éviter la contamination de l'intérieur du détecteur en maintenant les particules en suspension. Dans une implémentation préférentielle, le filtre est un filtre à particules de 0,22 microns, valeur inférieure à la taille des trous de la micro-grille du détecteur. Le gaz est ensuite amené en entrée du circuit fermé au travers d'un débitmètre de section variable (603) pour contrôler manuellement le débit du gaz.
Ce débit est mesuré de façon numérique (504, 604) en entrée du circuit fermé et les mesures sont transmises à un automate de contrôle (540). Le gaz est ensuite envoyé dans une pompe de vitesse réglable (506, 606) qui permet de générer un gradient de pression afin de forcer la circulation du gaz. Le gaz peut ensuite de manière optionnelle soit être filtré dans un premier filtre qui retient l'oxygène (508, 608) suivi d'un second filtre pour la vapeur d'eau (510, 610), soit être directement envoyé sur un deuxième filtre à particules (512, 612), qui peut être nécessaire à cause des impuretés libérées par les filtres d'oxygène et de vapeur d'eau. Dans une implémentation préférentielle, le filtre à particules est un filtre à particules de 0,22 microns.
Le filtre pour l'oxygène sert à minimiser l'absorption des électrons primaires par cette molécule en augmentant la performance du détecteur.
Le filtre à eau permet d'éviter que la vapeur d'eau n'atteigne la chambre de dérive, d'une part pour la même raison que le filtre précédent, et d'autre part parce qu'il altère fortement le gain du détecteur et favorise sa corrosion.
En sortie du filtre à particules (512, 612), la pression du gaz est mesurée et les valeurs sont transmises à l'automate de contrôle (510). Le gaz entre ensuite dans le détecteur (100).
A la sortie du détecteur, une vanne anti retour, tarée à une pression d'opération désirée (51 6, 61 6) permet de tester (518) la pression du gaz pour autoriser une relâche de gaz et protéger le système de surpressions. La relâche est effectuée dans un bulleur (526,626) qui évite toute rentrée d'air et permet de voir le flux de gaz sortant.
Le flux de gaz en sortie du détecteur (100) est mesuré (520, 620) permettant de déterminer la quantité de gaz en recirculation. La valeur mesurée est transmise à l'automate de contrôle (510). Le gaz passe ensuite dans une valve de contrôle (522, 622) qui permet d'éviter un retour du gaz et force la circulation dans un seul sens.
Le gaz reboucle ensuite sur la pompe d'entrée (506, 606).
La machine de contrôle (510) reçoit les mesures de débit du gaz (504, 520) et de pression (514) relevées dans le circuit fermé ainsi que l'information de température d'un thermocouple (527) installé à cet effet, et est capable d'ajuster le débit du gaz (538).
Le circuit de contrôle de la vitesse de circulation du gaz permet de maintenir le gain du détecteur à la valeur désirée. Le gain du détecteur est calculé périodiquement à intervalles réglables (typiquement 1 h), en relevant les données dans le détecteur (530) et est comparé avec la valeur optimale désignée par l'utilisateur (532). Une unité de calcul (534) permet de déterminer le gain du détecteur et cette valeur est comparée (536) avec une valeur prédéfinie de gain optimum. En cas d'écart entre les valeurs, le circuit permet de définir l'ajustement à apporter au débit (538) et de transmettre la valeur à la machine de contrôle (540) qui permet de modifier automatiquement la vitesse de la pompe (506), ce qui régule le débit du gaz, et permet de revenir à la valeur de gain optimum.
Il existe aussi un autre mode de fonctionnement alternatif qui permet à l'opérateur de piloter la machine de contrôle (505) manuellement.
Ainsi, le dispositif proposé de distribution de gaz pour détecteur gazeux qui opère en circuit fermé combine les effets du filtrage du gaz, de la recirculation du gaz filtré et du contrôle en direct du gain du détecteur par la mesure et l'adaptation des paramètres d'opération comme la pression interne du détecteur.
L'homme de l'art appréciera que des variations puissent être apportées sur l'implémentation décrite de manière préférentielle, tout en maintenant les principes de l'invention.

Claims

Revendications
1 . Un dispositif pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, comprenant un détecteur de particules ionisantes permettant de détecter un flux de particules ionisantes et de calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant le détecteur, et des moyens de calcul couplés au détecteur pour convertir les calculs de trajectoire de particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager, le détecteur étant un détecteur gazeux ayant une première chambre de dérive permettant de générer des électrons primaires et une seconde chambre d'amplification séparée de la première chambre par une micro-grille, le dispositif étant caractérisé en ce que la première chambre comprend des premiers moyens de polarisation configurés en fonction de la hauteur de ladite première chambre pour obtenir dans la première chambre un champ électrique homogène, constant et contrôlé afin de faire dériver les électrons primaires vers la micro-grille sur la hauteur de la première chambre, orthogonalement au plan défini par la micro-grille.
2. Le dispositif selon la revendication 1 dans lequel les premiers moyens de polarisation sont de plus configurés pour laisser diffuser le gaz dans la première chambre, de façon homogène non turbulente ou convective.
3. Le dispositif selon la revendication 2 dans lequel les premiers moyens de polarisation comprennent un circuit imprimé ayant des pistes en cuivre interconnectées et des trous permettant la diffusion du gaz.
4. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel les moyens de calcul sont configurés pour déterminer la trajectoire de chaque particule ionisante et calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques produits dans la seconde chambre.
5. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la deuxième chambre comprend des seconds moyens de polarisation permettant de générer dans la deuxième chambre un second champ électrique permettant de produire un effet d'avalanche sur les électrons primaires passant la micro-grille et générer des électrons secondaires dans une micro-avalanche.
6. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le rapport entre le champ électrique créé dans la deuxième chambre et le champ électrique créé dans la première chambre est au moins supérieur à 10.
7. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l'espace de dérive de la première chambre présente une hauteur de plusieurs centimètres très supérieure à la hauteur de la deuxième chambre.
8. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la deuxième chambre présente une hauteur de l'ordre d'une centaine de microns.
9. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le détecteur gazeux est placé dans ou à proximité dudit volume de matière à imager.
10. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les pistes de lecture électriquement conductrices sont protégées par une couche résistive produisant par induction un courant électrique lors du déplacement des charges dans la deuxième chambre.
1 1 . Le dispositif selon la revendication 10 dans lequel les pistes de lecture sous la couche de protection résistive sont superposées et isolées sur deux niveaux différents selon des axes perpendiculaires.
12. Le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 comprenant de plus un circuit pour injecter du gaz dans le détecteur, ledit circuit étant configuré en circuit quasi fermé entre une entrée de gaz et une sortie de gaz.
13. Le dispositif selon la revendication 12 dans lequel le circuit de gaz comprend des moyens de filtration des différents contaminants présents dans le gaz, des moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz et des moyens de pilotage des variables d'environnement.
14. Le dispositif selon la revendication 13 dans lequel les moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz reçoivent des mesures de débit du gaz et de pression relevées dans le circuit de gaz et des informations de température permettant d'ajuster le débit du gaz et maintenir le gain du détecteur à une valeur désirée.
15. Une méthode pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, la méthode comprenant les étapes de :
- détecter un flux de particules ionisantes traversant un détecteur, ledit détecteur étant un détecteur gazeux selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 ;
- calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant la première chambre du détecteur à partir d'électrons primaires générés le long de la trajectoire des particules ionisantes la traversant et dérivant vers la microgrille orthogonalement à celle-ci ;
- calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques amplifiés dans la seconde chambre, les signaux électriques étant générés à partir d'électrons secondaires issus d'un effet d'avalanche des électrons primaires passant la micro-grille; et
- convertir les calculs de trajectoire et de flux des particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager.
16. Un produit programme d'ordinateur, ledit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code permettant d'effectuer les étapes de la méthode selon la revendication 15 lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
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