EP4469830A1 - Scintillateurs plastiques discriminant les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif et procédé pour discriminer les rayons alpha des rayons bêta utilisant ces scintillateurs - Google Patents

Scintillateurs plastiques discriminant les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif et procédé pour discriminer les rayons alpha des rayons bêta utilisant ces scintillateurs

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Publication number
EP4469830A1
EP4469830A1 EP23711522.5A EP23711522A EP4469830A1 EP 4469830 A1 EP4469830 A1 EP 4469830A1 EP 23711522 A EP23711522 A EP 23711522A EP 4469830 A1 EP4469830 A1 EP 4469830A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plastic scintillator
radiation
plastic
alpha
beta
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
EP23711522.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Matthieu Hamel
Romuald Woo
Benoît SABOT
Krasimir MITEV
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.)
Sofiski Universitet Sveti Kliment Ohridski
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Sofiski Universitet Sveti Kliment Ohridski
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Sofiski Universitet Sveti Kliment Ohridski, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Sofiski Universitet Sveti Kliment Ohridski
Publication of EP4469830A1 publication Critical patent/EP4469830A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/203—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being made of plastics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/17—Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector
    • G01T1/178—Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector for measuring specific activity in the presence of other radioactive substances, e.g. natural, in the air or in liquids such as rain water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a plastic scintillator or scintillation detector which discriminates alpha rays from beta rays emitted by a radioactive medium.
  • the plastic scintillator is exposed to both alpha rays and beta rays, then it allows the two rays to be detected separately and gives a separate response for these two rays.
  • the radioactive medium may be a gaseous medium or a liquid medium containing one or more alpha ray emitters and/or one or more beta ray emitters and/or one or more mixed alpha ray and beta ray emitters such as Radon- 222, and optionally additionally one or more gamma ray emitters such as those resulting from natural radioactivity.
  • the gaseous or liquid medium may in particular be water or an aqueous solution such as sea water or brackish water.
  • These emitters can be in the form of a radioactive gas or a radioactive aerosol with, for example, elements from the descendants of radon, alpha emitters.
  • a plastic scintillator or scintillation detector comprises a scintillator material—or scintillation material—plastic, namely a material comprising a polymeric matrix in which at least one fluorescent compound is incorporated.
  • the invention further relates to a method for discriminating alpha rays from beta rays emitted by a radioactive medium using these scintillators.
  • plastic scintillator or “scintillation detector” is understood to mean an apparatus comprising a scintillator material placed in the appropriate form for its use.
  • the technical field of the invention can, in general, be defined as that of nuclear instrumentation, in particular that of the detection of ionizing radiation, such as ionizing radiation emitted by a medium in a gaseous form or in a form aerosols.
  • the technical field of the invention can be defined as that of the selective detection of alpha radiation or particles with respect to beta radiation.
  • the invention finds application in particular in the detection of radon ( 222 Rn) which may be found in a gaseous radioactive medium such as air or a liquid radioactive medium such as water.
  • Radon ( 222 Rn) is a naturally occurring radioactive gas. In France in particular, it is the second cause of lung cancer after smoking. Its quantification was recently added to the diagnosis on the state of “risk” easements and information on soils (ESRIS). European Directive 2013/59/Euratom has reduced the reference detection threshold from 400 to 300 Bq/m 3 . In buildings open to the public, its inspection is compulsory every 10 years. Due to its partially granitic geology, France is particularly concerned in the first place by this European directive.
  • Continuous techniques involve prolonged exposure of the sensor to the radioactive gas to allow the interaction to build up.
  • the response of the sensor is then read after a determined exposure time, which prohibits any real-time determination of the activity concentration of the gas sought.
  • the measurement such as liquid scintillation, is carried out in the laboratory and not in the space to be analyzed.
  • the integrated techniques can be deployed directly in the space to be analyzed.
  • These active detectors are based on different principles. These can be detectors with silicon semiconductors, proportional counters using a carrier gas (Argon-methane) and a purification system, wire chambers for measurement in air, detectors by gamma spectrometry (semi -encapsulated conductors or scintillators), and finally detectors with bubbling-type sampling and remote measurement in the laboratory.
  • a carrier gas Aron-methane
  • gamma spectrometry sino -encapsulated conductors or scintillators
  • figure 1 shows that in a closed system, and after about four hours, radon is in equilibrium with the following radionuclides: 218 Po and 214 Po which are alpha emitters (such as 222 Rn) and 214 Pb and 214 Bi which are beta emitters.
  • 218 Po and 214 Po which are alpha emitters (such as 222 Rn)
  • 214 Pb and 214 Bi which are beta emitters.
  • Some devices do use alpha spectroscopy, therefore energy recognition, but this technique has a low detection sensitivity and therefore does not allow low activity concentrations to be reached in a reasonable measurement time.
  • This discrimination between particles can be achieved by means of scintillator materials, that is to say materials which have the property of emitting light when they are subjected to ionizing radiation.
  • These scintillator materials have photophysical properties that allow particle discrimination to be carried out. More precisely, it is by pulse shape discrimination (“Pulse Shape Discrimination” or “PSD”) that the separation of the signals is carried out.
  • Pulse Shape Discrimination Pulse Shape Discrimination
  • the scintillator material can be chosen either from monocrystalline organic scintillator materials (for example trans-stilbene), or from plastic scintillator materials.
  • Plastic scintillator materials comprise fluorescent molecules fixed in an organic polymer containing only non-metallic atoms, for example carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen and sulphur.
  • Plastic scintillator materials have “PSD” properties.
  • the difficulty in detecting alpha and beta emitters lies, among other things, in the short path through matter of alpha and beta radiation, on the contrary, for example, neutrons and gamma radiation.
  • the alpha radiation emitted by 222 Rn has a path of the order of 50 mm in air, and only a few tens of micrometers in water.
  • the interaction with the sensors can therefore be likened to a purely surface interaction, which is the case for radioactive aerosols but not necessarily for gases.
  • radon can diffuse into the material, but this diffusion is very slow.
  • This short path therefore leads to a very limited interaction between the alpha or beta radiation and the material of the sensor, such as a plastic scintillator material, which makes it very difficult to detect alpha and beta emitters.
  • Known plastic scintillators generally have the shape of a large cylinder.
  • a plastic scintillator discriminating alpha rays from beta rays emitted by a radioactive medium said plastic scintillator being constituted by a plastic scintillator material capable of discriminating alpha radiation of beta radiation by the shape of the scintillation pulse that this radiation creates, characterized in that it has a surface area ratio S likely to be in contact with the radioactive medium/total volume V of the scintillator (S/V ) greater than or equal to 7 cm -1 , preferably greater than or equal to 8 cm 1 , and a surface S likely to be in contact with the radioactive medium greater than or equal to 10 cm 2 , preferably greater than or equal to 50 cm 2 .
  • the plastic scintillator is exposed to both alpha rays and beta rays, then it allows the two rays to be detected separately and gives a separate response for these two rays.
  • the terms ray and radiation are sometimes used interchangeably herein.
  • the plastic scintillator according to the invention has never been described in the prior art and comprises a combination of three characteristics which has never been described in the prior art.
  • the plastic scintillator comprises a specific plastic scintillator material capable of discriminating alpha radiation from beta radiation by the shape of the scintillation pulse that they create, in other terms possessing “PSD” properties with respect to these two radiations.
  • plastic scintillator materials possessing “PSD” properties are materials well known to those skilled in the art and have already been defined above. Those skilled in the art can easily determine which are the plastic scintillator materials, possessing "PSD” properties capable of discriminating alpha radiation from beta radiation by their pulse shape (by the shape of the scintillation pulse that 'they create).
  • plastic scintillator materials are described in particular in the documents WO-A1-2014/135640 and WO-A2-2012/142365 to the description of which reference may be made.
  • the photophysical characteristics of the plastic scintillator material are those of a plastic scintillator material discriminating by pulse shape.
  • the plastic scintillator material may have an emission wavelength, of photoluminescence, which is situated in the visible spectrum, namely from 360 nm to 650 nm, preferably from 380 nm to 450 nm.
  • the plastic scintillator material may have a singlet state scintillation decay constant of 0.5 ns to 300 ns, preferably 1 ns to 100 ns, more preferably 1 ns to 20 ns.
  • the plastic scintillator material may have a scintillation efficiency of 100 to 20,000 ph/MeV, preferably of 5,000 to 15,000 ph/MeV, more preferably of 7,000 to 11,000 ph/MeV.
  • the plastic scintillator material is capable of separating the signal due to alpha radiation from the signal due to beta radiation emitted by the medium radioactive by their resulting pulse shape with a Figure of Merit (more simply called Figure of Merit (Fdm) alpha/beta) value greater than 1, preferably greater than 1.2, more preferably greater than 1.5 (without unit) at 600 keVee (“kilo electron Volts electron equivalent”).
  • Figure of Merit more simply called Figure of Merit (Fdm) alpha/beta
  • This value of 600 keVee is the value of the abscissa at which this value of Fdm is calculated.
  • the plastic scintillator material which constitutes the scintillator according to the invention can comprise a matrix made of an organic polymer (for example linear or branched) or of a crosslinked organic polymer, in which is incorporated at least one fluorescent compound, called first fluorescent compound or primary fluorophore.
  • organic polymer is meant a polymer comprising only non-metallic atoms (for example comprising only atoms chosen from carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen and sulfur atoms).
  • the crosslinked organic polymer is a polymer comprising only non-metallic atoms (for example comprising only atoms chosen from carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen and sulfur atoms).
  • the organic polymer can be obtained by polymerization of an aromatic monomer
  • the crosslinked organic polymer can be obtained by polymerization of a mixture comprising an aromatic monomer and a monomer acting as a cross-linking.
  • the aromatic monomer can be chosen from styrene; styrenes substituted by one or more alkyl group(s) such as t-butylstyrene and its isomers, vinyltoluene and its isomers, and vinylxylene and its isomers; vinylnaphthalene optionally substituted with one or more alkyl group(s); N-vinylcarbazole; and mixtures thereof; and the monomer acting as crosslinking agent can be chosen from alkyl diacrylates, alkyl dimethacrylates, such as 1,4-butanediyl dimethacrylate, divinylbenzene, and mixtures thereof.
  • alkyl group when mention is made of an alkyl group and, unless otherwise specified, it is generally meant a linear or branched alkyl group generally from 1 to 20C, preferably from 1 to 10C, more preferably from 2 to 6C , better from 2 to 4C such a methyl, ethyl, isopropyl, n-propyl, n-butyl, isobutyl or tert-butyl group; or a cyclic alkyl group generally from 3 to 10C, preferably from 3 to 6C such as a cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, or cyclohexyl group.
  • aromatic monomer is generally meant herein a monomer comprising at least one aromatic ring, and in addition a polymerizable group.
  • Said polymerizable group is generally chosen from groups comprising an ethylenically unsaturated carbon-carbon double bond such as the vinyl group.
  • said at least one fluorescent compound is an organic compound.
  • said at least one fluorescent compound is incorporated at a concentration of 10% to 30% by mass of the total mass of the plastic scintillator material.
  • the plastic scintillator material may comprise one or more first fluorescent compound(s) or primary fluorophore(s), optionally additionally a second fluorescent compound, and optionally additionally a third fluorescent compound.
  • the plastic scintillator material may therefore only comprise a single fluorescent compound (primary fluorophore), or two fluorescent compounds or three fluorescent compounds or even more.
  • the first fluorescent compound can be chosen from biphenyl, 2,5-diphenyloxazole and substituted derivatives thereof, fluorescent compounds of the oxadiazole family, molecules exhibiting intrinsic properties of generation of triplet states under dense ionizing radiation and their triplet-triplet annihilation, meta-terphenyl, ort o-terphenyl, para-terphenyl, and mixtures thereof;
  • the second fluorescent compound can be chosen from bis-methylstyrylbenzene (bis-MSB), 1,4-di-[2-(5-phenyloxazolyl)]benzene (POPOP), 9,10-diphenylanthracene, 4-ethoxy -N-(2',5'-di-t-butylphenyl)-1,8-naphthalimide, and 3-hydroxyflavone;
  • the third fluorescent compound can be chosen from perylene, 4-butylamino-/V-(2',5'-di-t-butyl phenyl
  • the latter has a surface ratio S capable of being in contact with the radioactive medium/total volume V of the scintillator (S/V) greater than or equal to 7 cm -1 , preferably greater than or equal to 8 cm .
  • surface S of the scintillator likely to be in contact with the radioactive medium, or surface S potentially in contact with the radioactive medium is meant the surface which, during the effective implementation of the scintillator in a radioactive medium, is in contact of the radioactive medium, is exposed to this radioactive medium.
  • Surface S can also be called more simply active surface.
  • the S/V has a specific value which maximizes the radiation/matter interaction and ensures efficient signal processing.
  • the latter has a surface S capable of being in contact with the radioactive medium greater than or equal to 10 cm 2 , preferably greater than or equal to 50 cm 2 .
  • the value of the active surface S i of the plastic scintillator according to the invention ensures sufficient detection to meet the detection standards.
  • a plastic scintillator made of a material with "PSD" properties, which comes in a volumetric form -defined by specific S and S/V values- allowing access to high surfaces, provides detection which is both sensitive and selective.
  • the invention further relates to a process for preparing the plastic scintillator as described above.
  • the plastic scintillator material is first put in the form of a monolith (which does not have the S and S/V values of the plastic scintillator according to the invention), then said monolith is machined, cut to the final shape of the plastic scintillator according to the invention which has a surface ratio S likely to be in contact with the radioactive medium/total volume V of the scintillator (S /V) greater than or equal to 7 cm -1 , preferably greater than or equal to 8 cm -1 , and a surface S likely to be in contact with the radioactive medium greater than or equal to 10 cm 2 , preferably greater than or equal at 50 cm 2 .
  • the monolith can be a parallelepiped, a cube or a cylinder, for example a right circular cylinder.
  • the monolith can be machined, cut by any technique of cutting, machining, making it possible to obtain a geometry satisfying the conditions relating to the values of S and S/V of the plastic scintillator according to the invention.
  • This cutting, machining technique can be chosen from among the cutting, machining techniques that implement a water cutter or a three-dimensional drill or any other mechanical tool that makes it possible to achieve the desired cutting precision.
  • the plastic scintillator material is placed, during its preparation, directly in the final form of the plastic scintillator according to the invention, for example by molding in a mold in the final shape of the scintillator according to the invention, or by 3D printing.
  • the shaping can therefore be carried out during the preparation of the material, for example by preparing a liquid mixture of the aromatic monomer, the optional crosslinking agent (the aromatic monomer and the optional crosslinking agent , having previously been suitably purified to remove their radical inhibitors), from the fluorescent compound(s), then by pouring this mixture into a mold in the shape of the desired scintillator. Polymerization is then carried out in the mould, generally by heating the mixture. After cooling, the scintillator thus obtained is unmolded.
  • the aromatic monomer and the optional crosslinking agent having previously been suitably purified to remove their radical inhibitors
  • the unmolded scintillator can then be generally ground, for example on a lathe, then at least one of its surfaces is polished in order to obtain a surface condition compatible with the desired applications.
  • the invention also relates to a detection device comprising the plastic scintillator according to the invention and a display device enabling an operator to ascertain the level of ambient radioactivity by reading the number of counts per second, and possibly the nature a source of radioactivity, for example Radon-222.
  • the invention also relates to a method for detecting a signal due to alpha rays or a signal due to beta rays or for discriminating a signal due to alpha rays from a signal due to beta rays, in radiation comprising alpha rays and / or beta rays emitted by a radioactive medium, in which the plastic scintillator according to the invention is exposed to said radioactive medium, and the signal due to the alpha rays is separated from the signal due to the beta rays by discrimination by the form of pulses (“ Pulse Shape Discrimination” or “PSD” in English).
  • the method In the absence of alpha rays in the radiation, the method is able to detect only the signal due to beta rays.
  • the method is able to detect only the signal due to alpha rays.
  • the radiation comprises alpha rays and/or beta rays
  • the method is capable of discriminating the signal due to alpha rays from a signal due to beta rays.
  • the radioactive medium can be a gaseous radioactive medium such as air, a liquid radioactive medium such as water.
  • the radiation comprising alpha rays and/or beta rays can be radiation emitted by a mixed source.
  • the mixed source can be Radon-222 and its radioactive descendants.
  • PSD can be produced for example either by integration of charges, or by the so-called zero-crossing technique. There are other sub-techniques to achieve this “PSD”.
  • Figure 1 is a diagram that shows the decay of 222 Rn, and its descendants.
  • Figures 2A, 2B and 2C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of a circular spiral.
  • Figure 2A is a side view of this plastic scintillator.
  • Figure 2B is a cross-sectional view of this plastic scintillator taken along line A-A of Figure 2A, to a scale of 1:1.
  • Figure 2C is a perspective view of this scintillator.
  • Figures 3A, 3B and 3C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material is in the form of curved fins (or curved petals) arranged according to the radius of the cylinder around its center.
  • Figure 3A is a side view of this plastic scinti llateu r.
  • Figure 3B is a cross-sectional view of this plastic scintillator along line A-A of Figure 3A, scaled 1:1.
  • Figure 3C is a perspective view of this scintillator.
  • Figures 4A, 4B and 4C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of a plurality of elements in the form of flowers with ten petals.
  • Figure 4A is a side view of this plastic scintillator.
  • Figure 4B is a cross-sectional view of this plastic scintillator along line A-A of Figure 4A, to scale 1:1.
  • Figure 4C is a perspective view of this scintillator.
  • FIGS. 5A, 5B and 5C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is globally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material which forms this cylinder is perforated axially by through orifices of circular cross section .
  • Figure 5A is a side view of this plastic scintillator.
  • Figure 5B is a sectional view of this plastic scintillator along line A-A of Figure 5A, to scale 1:1.
  • Figure 5C is a perspective view of this scintillator.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is globally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material which forms this cylinder is axially perforated by through orifices of hexagonal cross-section or honeycombs.
  • Figure 6A is a side view of this plastic scintillator.
  • Figure 6B is a cross-sectional view of this plastic scintillator along line A-A of Figure 6A, to scale 1:1.
  • Figure 6C is a perspective view of this scintillator.
  • FIGS. 7A, 7B and 7C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the material plastic scintillator, in cross section, is in the form of two spirals respectively dextrorotatory and levorotatory.
  • Figure 7A is a side view of this plastic scintillator.
  • Figure 7B is a cross-sectional view of this plastic scintillator along line A-A of Figure 7A, to scale 1:1.
  • Figure 7C is a perspective view of this scintillator.
  • Figures 8A, 8B and 8C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of rays arranged along the radius of the cylinder around its center.
  • Figure 8A is a side view of this plastic scintillator.
  • Figure 8B is a cross-sectional view of this plastic scintillator along line A-A of Figure 8A, to scale 1:1.
  • Figure 8C is a perspective view of this scintillator.
  • Figure 9 is a photograph of a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of a circular spiral.
  • Figure 10 is a graph that shows the figure of merit of the acquisition chain in the presence of Radon-222 in equilibrium with its progeny.
  • the abscissa shows the channels and the ordinate shows the number of strokes.
  • Figure 11 is a graph that shows the total emission spectrum of Radon-222 in equilibrium with its progeny.
  • the abscissa shows the channels and the ordinate shows the number of strokes.
  • Figure 12 is a graph that shows the spectrum of beta emissions.
  • the abscissa shows the channels and the ordinate shows the number of strokes.
  • Figure 13 is a graph that shows the spectrum of alpha emissions. On the abscissa are the channels and on the ordinate is the number of strokes DETAILED DISCUSSION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • the plastic scintillator according to the invention consists of a specific plastic scintillator material capable of discriminating alpha radiation from beta radiation by their pulse shape, in other words possessing “PSD” properties, with respect to vis-a-vis these two radiations.
  • plastic scintillator materials possessing “PSD” properties are materials well known to those skilled in the art and have already been defined above. A person skilled in the art can easily determine which are the plastic scintillator materials, possessing “PSD” properties capable of discriminating alpha radiation from beta radiation by their pulse shape.
  • plastic scintillator materials are described in particular in the documents WO-A1-2014/135640 and WO-A2-2012/142365 to the description of which reference may be made.
  • the plastic scintillator material comprises a matrix made of an organic polymer (which may for example be linear or branched) or of a crosslinked organic polymer, in which is incorporated at least one fluorescent compound, called first fluorescent compound or primary fluorophore.
  • polymeric matrix In the polymeric matrix is incorporated at least one molecule or fluorescent compound, generally organic.
  • polymeric matrix in the polymeric matrix may be incorporated: at least one first fluorescent molecule, generally organic, whose spectral properties have different characteristics; optionally a second fluorescent molecule, generally organic, whose spectral properties have different characteristics; if the targeted application so requires, optionally a third fluorescent molecule, generally organic, the spectral properties of which have different characteristics.
  • first fluorescent molecule generally organic, whose spectral properties have different characteristics
  • second fluorescent molecule generally organic, whose spectral properties have different characteristics
  • a third fluorescent molecule generally organic, the spectral properties of which have different characteristics.
  • the material is none other than the polymer matrix.
  • the polymer of the polymeric matrix of the scintillator material may possess a large number of aromatic groups which will be ionized after radiation-material interaction.
  • the different molecules will be ionized and then recombinations will take place, themselves giving rise to de-excitations.
  • the de-excitation will occur radiatively by emission of a fluorescence photon.
  • the organic polymer can mainly have units derived from the polymerization of an aromatic monomer.
  • the organic polymer is therefore capable of being obtained by polymerization of an aromatic monomer
  • the crosslinked organic polymer is therefore capable of being obtained by polymerization of a mixture comprising an aromatic monomer and a monomer acting as a cross-linking.
  • aromatic monomer generally means herein a monomer comprising at least one aromatic ring.
  • This or these aromatic ring(s) may be chosen from aromatic carbon rings or heteroaromatic rings, each of these rings may comprise from 3 to 10 atoms, for example from 6 to 8 atoms.
  • the heteroatom(s) may be chosen from N, O, P or S.
  • the aromatic monomer may for example be chosen from monomers comprising a benzene ring, a naphthyl group or a carbazole ring.
  • the aromatic ring(s) may also be substituted by one or more group(s) chosen from alkyl groups.
  • this monomer further comprises a polymerizable group.
  • Said polymerizable group is generally chosen from groups comprising an ethylenically unsaturated carbon-carbon double bond such as the vinyl group.
  • the aromatic monomer can be chosen from styrene; styrenes substituted with one or more ⁇ -kyl group(s) such as t-butylstyrene and its isomers, vinyltoluene and its isomers, and vinylxylene and its isomers; vinylnaphthalene optionally substituted with one or more alkyl group(s); /N-vinylcarbazole; and mixtures thereof, and the optional monomer acting as crosslinking agent is chosen from alkyl diacrylates, alkyl dimethacrylates, such as 1,4-butanediyl dimethacrylate, divinylbenzene and mixtures thereof.
  • the polymer is prepared from a single aromatic monomer and the crosslinking agent, we can then speak of a polymer crosslinked by the crosslinking agent.
  • the crosslinking is carried out by means of molecules which may have at least two polymerizable double bonds.
  • n is an integer generally from 1 to 20, preferably from 2 to 6.
  • n can take all values between 1 and 20, for example 1, 2, 3, 4, 5 or 6.
  • 1,4-butanediyl dimethacrylate is used.
  • a range of 10% to 50% by moles of crosslinking agent in the polymerization mixture and a range of 90% to 50% of aromatic monomer are particularly suitable for preparing the scintillating materials according to the invention.
  • the percentage of crosslinking agent used is between 15% and 20% by mole of the polymerization mixture. In this range, the desired properties of transparency, stability, and potential for discrimination are further enhanced.
  • the polymer matrix must be as transparent as possible at the emission wavelength of the incorporated fluorophore(s); typically the scintillator material must be transparent at wavelengths greater than 400 nm.
  • a gain in transparency is obtained thanks to the use of alkyl diacrylates and even more of alkyl dimethacrylates which are known to be transparent in the near UV.
  • 1,4-butanediyl dimethacrylate is preferably used because of its shrinkage coefficient which is the lowest among all the compounds which could be tested.
  • the observed density of the scintillator material according to the invention is 1.08.
  • the optionally crosslinked polymer or copolymer of the scintillator material according to the invention can be prepared by any polymerization process known to those skilled in the art.
  • the polymerization is preferably carried out by thermal initiation.
  • radical initiator chosen, for example, from the two aforementioned radical initiators, at a mass concentration generally of 0.02% to 0.2 %, preferably from 0.05% to 0.1% of the total mass of the material.
  • the at least one first fluorescent molecule (first fluorescent compound), generally organic, can be chosen so as to present an absorption spectrum, the maximum absorption intensity of which is situated between 250 nm and 350 nm, for example this intensity maximum absorption can be centered on 300 nm.
  • this molecule is then capable of emitting photons whose corresponding wavelength is situated between 340 nm and 400 nm, for example, whose maximum emission intensity can be centered on 360 nm.
  • the first fluorescent molecule since it is generally incorporated into the matrix at a high mass content, should advantageously have a high solubility constant in apolar solvents.
  • a mass concentration of at least 10% by mass of this first fluorescent molecule relative to the total mass of the material is generally used so that the scintillator material has satisfactory n/y discrimination capabilities.
  • incorporation rates of between 10% and 30% by weight of the total weight of the material can be used.
  • a scintillator material composed of a polymeric matrix and a first fluorescent molecule or fluorescent compound at 16.4% by mass of the total mass of the material, constitutes an example of a scintillating material according to the invention.
  • the first fluorescent compound can be chosen from biphenyl, 2,5-diphenyloxazole and substituted derivatives thereof, fluorescent compounds of the oxadiazole family, molecules exhibiting intrinsic properties of generation of triplet states under ionizing radiation dense and their triplet-triplet annihilation, meta-terphenyl, ort o-terphenyl, para-terphenyl, and mixtures thereof.
  • biphenyl in particular, exhibits all the aforementioned characteristics.
  • Para-terphenyl behaves as a "first fluorescent compound” "first fluorescent molecule” but cannot be added in large quantities due to its low solubility. On the other hand, its addition in a range between 0.5% and 2.5% generally makes it possible to improve discrimination.
  • a mixture of para-terphenyl and biphenyl can therefore be used as the at least one first fluorescent compound.
  • a second fluorescent molecule in addition to the first fluorescent molecule, a second fluorescent molecule, generally organic, can be incorporated into the polymer matrix.
  • the second optional fluorescent molecule can be chosen so as to present an absorption spectrum capable of covering the emission spectrum of the first fluorescent molecule, in particular, to optimize the energy transfers between the two fluorescent molecules, which means, in d in other words, that the second fluorescent molecule is able, on the one hand, to absorb the photons of wavelengths belonging to the emission spectrum of the said first fluorescent molecule, and on the other hand, following this absorption, to emitting photons, such that the emission spectrum of said second fluorescent molecule ranges from 350 nm to 650 nm with a maximum emission intensity comprised between 400 nm and 600 nm.
  • the content at which the second fluorescent molecule is incorporated into the polymeric matrix is much lower than that of the first fluorescent molecule.
  • a concentration of second fluorescent molecule of between 0.01% and 1% by mass of the total mass of the material is used, preferably from 0.01% to 0.3% by mass of the total mass of the material.
  • the second fluorescent compound can be chosen from bis-methylstyrylbenzene (bis-MSB), 1,4-di-[2-(5-phenyloxazolyl)]benzene (POPOP), 9,10-diphenylanthracene, 4-ethoxy -N-(2',5'-di-t-butylphenyl)-1,8-naphthalimide, and 3-hydroxyflavone.
  • the second preferred fluorescent compound is POPOP.
  • a third fluorescent molecule generally organic, can be incorporated into the polymeric matrix.
  • This third fluorescent molecule can be chosen so as to present an absorption spectrum capable of covering the emission spectrum of the second fluorescent molecule, in particular, to optimize the energy transfers between the two fluorescent molecules (that is to say the second and third fluorescent molecules) and improve the intrinsic efficiency of the scintillation detector.
  • the third fluorescent molecule is capable of absorbing photons of wavelengths belonging to the emission spectrum of said second fluorescent molecule, said third fluorescent molecule being capable, following this absorption, emitting photons, such that the emission spectrum of said third fluorescent molecule has a maximum emission intensity of between 500 nm and 600 nm.
  • the content at which the third fluorescent molecule is incorporated into the polymeric matrix is much lower than that of the first fluorescent molecule.
  • a concentration of third fluorescent molecule of 0.001% to 0.1% by mass of the mass of the total mass of the material is used, preferably from 0.002% to 0.05% by mass, for example at 0.005% by mass of the total mass of the material.
  • the third fluorescent compound is chosen from perylene, 4-butylamino-/V-(2′,5′-di-t-butylphenyl)-1,8-naphthalimide, and compounds from the coumarin family, for example coumarins 1, 6, 30, 102, 151, 314, 343 and acridine yellow "acridine yellow”.
  • An example of a scintillator material which can constitute the scintillator according to the invention can comprise biphenyl, para-terphenyl and POPOP as fluorescent compounds in a polystyrene matrix.
  • a scintillator or scintillation detector—according to the invention is prepared by shaping the plastic scintillator material that has just been described.
  • This scintillator must satisfy the conditions relating to S and S/V, stated above, which characterize the plastic scintillator according to the invention.
  • the plastic scintillator material is first put in the form of a monolith (which does not have the S and S/V values of the plastic scintillator according to the invention), then said monolith is machined, cut to the final shape of the plastic scintillator according to the invention which therefore has a surface ratio S likely to be in contact with the radioactive medium/total volume V of the scintillator ( S/V) greater than or equal to 7 cm -1 , preferably greater than or equal to 8 cm -1 , and a surface S likely to be in contact with the radioactive medium greater than or equal to 10 cm 2 , preferably greater than or equal to 50 cm 2 .
  • the monolith can be a parallelepiped, a cube or a cylinder, for example a right circular cylinder.
  • the monolith can then be machined, cut by any cutting technique, machining making it possible to obtain a geometry satisfying the conditions relating to the values of S and S/V of the plastic scintillator according to the invention.
  • This technique of cutting, machining can be chosen from cutting, machining techniques which implement a water cutter or a three-dimensional drill or any other mechanical tool making it possible to achieve the desired cutting precision as long as the optical quality of the material is not not affected, e.g. intense heating in the cutting area.
  • the cutting technique, machining can also be chosen from laser cutting techniques.
  • the plastic scintillator material is placed, during its preparation, directly in the final form of the plastic scintillator according to the invention, for example by molding in a mold with the final shape of the scintillator according to the invention, or by 3D printing.
  • the shaping can therefore be carried out during the preparation of the material, for example by preparing a liquid mixture of the aromatic monomer, the optional crosslinking agent (the aromatic monomer and the optional crosslinking agent having previously been suitably purified to remove their radical inhibitors), from the fluorescent compound(s), then by pouring this mixture into a mold in the shape of the desired scintillator. Polymerization is then carried out in the mould, generally by heating the mixture. After cooling, the scintillator thus obtained is unmolded.
  • the aromatic monomer and the optional crosslinking agent having previously been suitably purified to remove their radical inhibitors
  • the unmolded scintillator can then be generally ground, for example on a lathe, then at least one of its surfaces is polished in order to obtain a surface condition compatible with the desired applications.
  • the scintillator according to the invention can have numerous shapes chosen so that the value of S/V is greater than 7 cm , and its volume, in accordance with the invention, must also be greater than 10 cm 2 .
  • the plastic scintillator according to the invention can have any shape capable of being obtained by cutting, machining, in particular by water jet, or by 3D printing or by molding.
  • the only limits as to the shape that the scintillator can have are imposed for example by the resolution of the machine, the precision of the displacement and the diameter of the water jet.
  • plastic scintillator (not shown) are those of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross-section, is in the form of a plurality of snowflake-like elements. snow, or Koch's flake or other derived fractals, such as the Cesaro fractal, quadratic fractals, the "sphereflake” fractal, etc.
  • the scintillators of these figures can be prepared for example by first manufacturing a monolith of plastic scintillator material.
  • This monolith may for example have the shape of a cylinder, preferably of a right circular cylinder, of a parallelepiped or of a cube. In the case of a cylinder with a diameter of 6 cm and a height of 1.5 cm, the S/V ratio is then 1.33 cm -1 .
  • the monolith is then cut, for example with a water jet, to give the scintillator according to the invention having the shape shown in FIGS. 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B, 6C, 7A, 7B, 7C, 8A, 8B, and 8C with an S/V ratio greater than 7 cm -1 .
  • the solid forms, solid volumes are constituted by the plastic scintillator material and these solid forms define empty forms, empty volumes in which the radioactive medium, such as a radioactive gas such as air in which there is diluted a mixed emitter (such as Radon-222) or a radioactive liquid such as water in which a mixed emitter is diluted can penetrate and come into contact with the surface of the plastic scintillator material.
  • the radioactive medium such as a radioactive gas such as air in which there is diluted a mixed emitter (such as Radon-222) or a radioactive liquid such as water in which a mixed emitter is diluted can penetrate and come into contact with the surface of the plastic scintillator material.
  • Figures 2A, 2B and 2C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of a circular spiral otherwise said of a whorl rolled up in a spiral.
  • the spiral defines channels or interstices in which the radioactive medium, such as a radioactive gas like air in which finds a mixed emitter or a liquid such as water diluted, can penetrate and come into contact with the surface of the plastic scintillating material.
  • the radioactive medium such as a radioactive gas like air in which finds a mixed emitter or a liquid such as water diluted
  • Figure 9 is a photograph of a "spiral" plastic scintillator as shown in Figures 2A, 2B and 2C.
  • Table 1 gives the main characteristics of a plastic scintillator
  • Figures 3A, 3B and 3C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material is in the form of curved fins, curved petals, arranged (e )s according to the radius of the cylinder around its center.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of a plurality of elements in the form of flowers with ten petals.
  • FIGS. 5A, 5B and 5C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is globally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material which forms this cylinder is perforated axially by through orifices of circular cross section .
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is globally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material which forms this cylinder is axially perforated by through orifices of hexagonal cross-section or honeycombs.
  • FIGS. 7A, 7B and 7C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is globally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of two spirals respectively dextrorotatory and levorotatory.
  • Figures 8A, 8B and 8C show a plastic scintillator according to the invention, the shape of which is generally that of a right circular cylinder, in which the plastic scintillator material, in cross section, is in the form of rays arranged along the radius of the cylinder around its center.
  • the scintillator according to the invention can in particular be integrated into a detection device comprising the plastic scintillator according to the invention, a photon-electron converter such as for example a photomultiplier tube, signal acquisition electronics and a display device displaying for example the counting rate of alpha and/or beta emissions, and possibly the recognition of the radioactive isotope(s) having interacted with said plastic scintillator.
  • a photon-electron converter such as for example a photomultiplier tube
  • signal acquisition electronics and a display device displaying for example the counting rate of alpha and/or beta emissions, and possibly the recognition of the radioactive isotope(s) having interacted with said plastic scintillator.
  • the targeted applications for the scintillators according to the invention include in particular the detection of alpha by eliminating the presence of other types of de-excitation, such as for example beta or gamma de-excitation.
  • de-excitation such as for example beta or gamma de-excitation.
  • the example of Radon-222 given in figure 1 shows that an accurate alpha count resulting from the decay of Radon-222 must take into account possible alpha or beta decays of the descendants of Radon-222.
  • beta radiation interacts with an organic medium, it directly ionizes the scintillator and a photonic signal is recorded, originating from a so-called rapid fluorescence component.
  • pulse shape discrimination or PSD
  • the system besides the scintillator, includes one or two photomultipliers (PM), which must be adapted to the emission length of the organic scintillator.
  • PM photomultipliers
  • the system once under high voltage, is isolated from light to minimize background noise.
  • the photomultiplier output signal is then processed in a suitable electronic chain including in particular a Q.DC (“Charge to Digital Converter”) allowing charge integration and signal separation.
  • Q.DC Charge to Digital Converter
  • a plastic scintillator according to the invention is prepared.
  • Pure styrene (82.2% by mass in the mixture, 136g), biphenyl (16.4% by mass in the mixture, 27.18g), para-terphenyl (1.2% by mass in the mixture, 2.038 g) and POPOP (0.08% by mass in the mixture, 136 mg), are mixed under an inert atmosphere in a dry flask and brought to a temperature above the boiling point of styrene. A cooler is therefore suitable for this bottle.
  • the bottle used in the context of this example and which acts as a mold is a cylindrical glass bottle with a capacity of 250 mL.
  • the vial is sealed with a gas-tight cap, then it is placed in an oven to complete and terminate the polymerization and obtain the plastic scintillating material.
  • the plastic scintillator material obtained in the form of a monolithic cylinder, is unmolded.
  • This monolithic cylinder is then cut into several smaller cylinders.
  • Each of these cylinders is ground on a lathe so that it has plane faces parallel to each other. Then these faces are polished until a surface condition optically compatible with the desired applications is obtained.
  • This plastic scintillating material is then cut into the desired shape according to the invention by means of a water cutter.
  • the plastic scintillator material is cut so as to obtain a plastic scintillator, in accordance with the invention, which is in the form of a circular spiral.
  • the plastic scintillator material is rolled up to form a wall or spiral turn defining channels or interstices in which the radioactive gas can flow.
  • this spiral scintillator according to the invention is then again cut with a saw to have the following dimensions: length 4 mm, width 3 mm, and height 5 mm.
  • This plastic scintillator according to the invention is then integrated into an experimental assembly in order to show that it makes it possible to obtain a discrimination of the signals due to the alpha rays from the signals due to the beta rays emitted by a mixed source, namely a radon atmosphere. 222 Rn (see figure 1).
  • the plastic scintillator is exposed to an atmosphere of radon 222 Rn for 240 h, then in a second stage, it is left in the open air for 168 h to reach the so-called secular equilibrium.
  • the plastic scintillator according to the invention is then integrated into an experimental assembly comprising the scintillator and a photomultiplier adapted to the emission wavelength of the scintillator.
  • the system once under high voltage, is isolated from light to minimize background noise and not damage the photomultiplier.
  • the output signal from the photomultiplier is then processed by a signal digitizer which notably includes a "QDC"("Charge to Digital Converter") allowing the integration of the charge and the separation of the signals relating to alpha or beta events . It is by pulse shape discrimination ("Pulse Shape Discrimination” or “PSD” in English) that the separation of the signals is carried out, for example here by load integration, by comparison of the slow component of the signals attributed to the alpha rays or beta rays, the alpha signal generally exhibiting a slow component that is temporally more pronounced than the beta signal.
  • PSD Pulse Shape Discrimination
  • Q.DC having the function of discrimination by pulse shape, such as for example the NanoPSD module of LabZY or the QDC CAEN DT5730B.
  • FIG. 10 presents the atemporal signature of the shape of the pulses (“Time-Invariant Pulse Shape spectrum” or “TIPS” in English).
  • the betas are sorted in the low channels (on the left) while the alphas are sorted in the high channels (on the right).
  • each stand can be separated from the other and the associated energy spectrum can then be constructed.
  • Figures 11 to 13 therefore present respectively the total emission spectrum of radon in equilibrium with its descendants (figure 11), the spectrum of beta emissions due to 214 Pb and 214 Bi emitters (figure 12) and the spectrum of alpha emissions due to the three transmitters 222 Rn 218 Po and 214 Po. (figure 13).
  • This energy resolution also makes it possible to define two regions of interest in the alpha spectrum: a zone comprising the contributions emanating from the de-excitations of the 222 Rn and 218 Po emitters, and a zone exclusive to 214 Po.
  • a zone comprising the contributions emanating from the de-excitations of the 222 Rn and 218 Po emitters
  • a zone exclusive to 214 Po When the 222 Rn is in secular equilibrium with its descendants, the comparison of these areas of interest provides information on the activity of radon and its descendants; the separate analysis of these two zones of interest is interesting for the preferential application aimed at by those skilled in the art, since the 222 Rn is in equilibrium with the 218 Po after 12 min and with all its descendants at short life (especially the 214 Po) after about 4 hours.

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Abstract

Scintillateur plastique discriminant les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif, ledit scintillateur plastique étant constitué par un matériau scintillateur plastique capable de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par la forme de l'impulsion de scintillation que ces rayonnements créent, caractérisé en ce qu'il présente un rapport surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif/volume V total du scintillateur (S/V) supérieur ou égal à 7 cm-1, et une surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif supérieure ou égale à 10 cm2. Procédé de préparation de ce scintillateur plastique. Dispositif de détection comprenant ce scintillateur plastique. Procédé pour détecter un signal dû aux rayons alpha ou un signal dû aux rayons bêta ou pour discriminer un signal dû aux rayons alpha d'un signal dû aux rayons bêta, dans un rayonnement comprenant des rayons alpha et/ou des rayons bêta émis par un milieu radioactif, dans lequel on expose le scintillateur plastique audit milieu radioactif, et on sépare le signal dû aux rayons alpha du signal dû aux rayons bêta par discrimination par forme d'impulsions.

Description

SCINTILLATED RS PLASTIQUES DISCRIMINANT LES RAYONS ALPHA DES RAYONS BÊTA ÉMIS PAR UN MILIEU RADIOACTIF ET PROCÉDÉ POUR DISCRIMINER LES RAYONS ALPHA DES RAYONS BÊTA UTILISANT CES SCINTILLATED RS
Description
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un scintillateur plastique ou détecteur à scintillation qui discrimine les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif.
On comprendra que si le scintillateur plastique est exposé uniquement à des rayons alpha alors il permet de détecter uniquement les rayons alpha, et donne une « réponse alpha ».
De la même manière, on comprendra que si le scintillateur plastique est exposé uniquement à des rayons bêta alors il permet de détecter uniquement les rayons bêta, et donne une « réponse bêta ».
Enfin, si le scintillateur plastique est exposé à la fois à des rayons alpha et à des rayons bêta, alors il permet de détecter séparément les deux rayons et donne une réponse séparée pour ces deux rayons.
Le milieu radioactif peut être un milieu gazeux ou un milieu liquide contenant un ou plusieurs émetteurs de rayons alpha et/ou un ou plusieurs émetteurs de rayons bêta et/ ou un ou plusieurs émetteurs mixtes de rayons alpha et de rayons bêta tel que du Radon-222, et éventuellement en outre un ou plusieurs émetteurs de rayons gamma tels que ceux issus de la radioactivité naturelle.
Le milieu gazeux ou liquide peut être notamment de l'eau ou une solution aqueuse telle que de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre.
Ces émetteurs peuvent être sous la forme d'un gaz radioactif ou d'un aérosol radioactif avec par exemple les éléments issus de la descendance du radon, émetteurs alpha.
Précisons que par aérosol, on entend un milieu comprenant des particules en suspension dans un gaz tel que de l'air, ces particules étant des particules solides et/ou liquides, présentant généralement une vitesse de chute négligeable. Un scintillateur plastique ou détecteur à scintillation comprend un matériau scintillateur -ou matériau à scintillation- plastique, à savoir un matériau comprenant une matrice polymérique dans laquelle est incorporé au moins un composé fluorescent.
L'invention concerne, en outre, un procédé pour discriminer les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif utilisant ces scinti llateu rs.
Précisons que, dans l'ensemble de la présente description, on entend par scintillateur plastique, ou détecteur à scintillation, un appareil comprenant un matériau scintillateur mis sous la forme adéquate pour son utilisation.
Le domaine technique de l'invention peut, de manière générale, être défini comme celui de l'instrumentation nucléaire, en particulier celui de la détection des rayonnements ionisants, tels que les rayonnements ionisants émis par un milieu sous une forme gazeuse ou sous une forme d'aérosols.
Plus exactement, le domaine technique de l'invention peut être défini comme celui de la détection sélective des rayonnements ou particules alpha par rapport aux rayonnements bêta.
L'invention trouve notamment son application dans la détection du radon (222Rn) pouvant se trouver dans un milieu radioactif gazeux tel que l'air ou un milieu radioactif liquide tel que l'eau.
Le radon (222Rn) est un gaz radioactif d'origine naturelle. Notamment en France, il est la deuxième cause de cancers du poumon après le tabagisme. Sa quantification a été récemment ajoutée au diagnostic sur l'état des servitudes « risques » et information sur les sols (ESRIS). La Directive Européenne 2013/59/Euratom a diminué le seuil de référence de détection de 400 à 300 Bq/m3. Dans les bâtiments ouverts au public, son contrôle est obligatoire tous les 10 ans. De par sa géologie partiellement granitique, la France est particulièrement concernée au premier plan par cette directive européenne.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Parmi les techniques de détection des gaz ou aérosols radioactifs, il convient tout d'abord de distinguer les techniques dites « continues » des techniques dites « intégrées ». Les techniques continues mettent en œuvre une exposition prolongée du capteur au gaz radioactif pour permettre une accumulation de l'interaction. La réponse du capteur est alors lue après un temps déterminé d'exposition, ce qui proscrit toute détermination en temps réel de l'activité volumique du gaz recherché. Autrement dit, dans les techniques continues, la mesure, telle que la scintillation liquide, est effectuée en laboratoire et non dans l'espace à analyser.
Au contraire, les techniques intégrées peuvent être déployées directement dans l'espace à analyser.
De nombreuses techniques « intégrées » existent pour la détection en temps réel de gaz ou d'aérosols radioactifs. Ces techniques utilisent généralement des détecteurs passifs, détecteurs de traces, pour l'identification de la présence ou de l'absence de ces gaz ou aérosols radioactifs, ou bien des détecteurs actifs pour la mesure de l'activité volumique dans l'air.
Ces détecteurs actifs sont basés sur différents principes. Il peut s'agir de détecteurs à semi-conducteurs silicium, de compteurs proportionnels utilisant un gaz porteur (Argon-méthane) et un système de purification, de chambres à fils pour la mesure dans l'air, de détecteurs par spectrométrie gamma (semi-conducteurs ou scintillateurs encapsulés), et enfin de détecteurs avec un prélèvement de type barbotage et une mesure déportée en laboratoire.
La très grande majorité de ces techniques intégrées utilise le comptage de particules ionisantes, c'est-à-dire qu'une interaction rayonnement/matière est comptée numériquement par choc.
De ce fait, ces techniques ne permettent pas d'avoir accès aux informations relatives à l'énergie de la particule, ni même à sa nature.
Cela est particulièrement pénalisant dans le cas du radon (222Rn), car le schéma de désintégration du 222Rn est complexe et donne lieu à de nombreux descendants, dont certains présentent des propriétés de désintégration proches et qui peuvent être confondues avec celle du radon.
En effet, la lecture de la figure 1 montre que dans un système clos, et après environ quatre heures, le radon est en équilibre avec les radionucléides suivants : 218Po et 214Po qui sont des émetteurs alpha (tels que le 222Rn) et 214Pb et 214Bi qui sont des émetteurs bêta.
Quelques appareils utilisent bien la spectroscopie alpha, donc une reconnaissance énergétique, mais cette technique a une faible sensibilité de détection et donc ne permet pas d'atteindre de faibles activités volumiques dans un temps de mesure raisonnable.
Si l'on souhaite donc accéder à une information spectrométrique (autrement dit une information relative à l'énergie, et donc à la nature du rayonnement ionisant), deux autres problèmes apparaissent :
(1) il faut être en mesure de distinguer par quelque méthode que ce soit une interaction rayonnement/matière provenant d'un émetteur alpha ou d'un émetteur bêta ;
(2) il faut aussi être en mesure de différencier des interactions rayonnement/matière d'une même famille, autrement dit entre deux ou plusieurs émetteurs alpha d'énergie différente et/ou entre deux ou plusieurs émetteurs bêta d'énergie différente.
Il est donc apparu qu'il serait pertinent, en particulier dans le cadre de la détection du radon, de disposer de capteurs permettant la discrimination entre particules, notamment entre les particules qui constituent le rayonnement alpha et les particules qui constituent le rayonnement bêta.
Cette discrimination entre particules peut être réalisée grâce à des matériaux scintillateurs, c'est-à-dire des matériaux qui ont la propriété d'émettre de la lumière lorsqu'ils sont soumis à des rayonnements ionisants.
Ces matériaux scintillateurs possèdent des propriétés photophysiques qui permettent de réaliser la discrimination des particules. Plus exactement, c'est par discrimination parforme d'impulsion (« Pulse Shape Discrimination » ou « PSD » en anglais) que la séparation des signaux est réalisée.
Actuellement, le matériau scinti llateur peut être choisi soit parmi les matériaux scintillateurs organiques monocristallins (par exemple le trans-stilbène), soit parmi les matériaux scintillateurs plastiques. Les matériaux scintillateurs plastiques comprennent des molécules fluorescentes figées dans un polymère organique ne contenant que des atomes non métalliques, par exemple carbone, hydrogène, azote, oxygène et soufre. Les matériaux scintillateurs plastiques possèdent des propriétés de « PSD ».
Mais un dernier problème se pose concernant plus particulièrement la détection des émetteurs alpha et bêta.
En effet, la difficulté de la détection des émetteurs alpha et bêta réside entre autres dans le faible parcours dans la matière des rayonnements alpha et bêta au contraire par exemple des neutrons et du rayonnement gamma.
Notamment, le rayonnement alpha émis par le 222Rn a un parcours de l'ordre de 50 mm dans l'air, et de quelques dizaines de micromètres seulement dans l'eau.
L'interaction avec les capteurs, tels que des scintillateurs plastiques, peut donc être assimilée à une interaction purement surfacique, ce qui est le cas pour les aérosols radioactifs mais pas forcément pour les gaz. Par exemple, le radon peut diffuser dans le matériau mais cette diffusion est très lente.
Ce faible parcours conduit donc à une interaction très limitée entre le rayonnement alpha ou bêta et le matériau du capteur, tel qu'un matériau scintillateur plastique, ce qui rend très difficile la détection des émetteurs alpha et bêta.
Les scintillateurs plastiques connus ont généralement une forme de cylindre de grande taille.
Étant donné que l'interaction du scintillateur avec les rayonnements alpha et bêta est faiblement pénétrante (à savoir la distance de pénétration des rayonnements dans le scintillateur est faible), un scintillateur cylindrique de grande taille, par rapport à la distance de pénétration, est inadapté pour deux raisons : un volume important du scintillateur n'est pas exposé aux rayonnements alpha et bêta, donc ne sert à rien. a contrario, ce volume important de scintillateur se révèle être sensible aux rayons gamma notamment, qui sont issus de la radioactivité naturelle. Cette réponse au bruit de fond des rayons gamma engendre donc une diminution de la limite de détection. Cela est notamment le cas des aérosols et gaz radioactifs dans l'air, et plus encore des aérosols et gaz radioactifs dans l'eau.
Il existe donc un besoin pour un scintillateur plastique permettant d'améliorer l'interaction très limitée entre le rayonnement alpha ou bêta émis par un milieu radioactif et le matériau du scintillateur plastique, et d'assurer ainsi une détection de ces rayonnements qui soit sensible et sélective.
Il existe en particulier un besoin pour une métrologie de l'activité pour la détermination précise, fiable et en temps réel de l'activité du radon dans l'air.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ce but, et d'autres encore, sont atteints, conformément à l'invention par un scintillateur plastique discriminant les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif, ledit scintillateur plastique étant constitué par un matériau scintillateur plastique capable de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par la forme de l'impulsion de scintillation que ces rayonnements créent, caractérisé en ce qu'il présente un rapport surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif/volume V total du scintillateur (S/V) supérieur ou égal à 7 cm-1, de préférence supérieur ou égal à 8 cm 1 , et une surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif supérieure ou égale à 10 cm2, de préférence supérieure ou égale à 50 cm2.
Comme on l'a déjà précisé plus haut, on comprendra que si le scintillateur plastique est exposé uniquement à des rayons alpha alors il permet de détecter uniquement les rayons alpha, et donne une « réponse alpha ».
De la même manière, on comprendra que si le scintillateur plastique est exposé uniquement à des rayons bêta alors il permet de détecter uniquement les rayons bêta, et donne une « réponse bêta ».
Enfin, si le scintillateur plastique est exposé à la fois à des rayons alpha et à des rayons bêta, alors il permet de détecter séparément les deux rayons et donne une réponse séparée pour ces deux rayons.
Dans la présente, les termes rayon et rayonnement sont parfois indifféremment utilisés. Le scintillateur plastique selon l'invention n'a jamais été décrit dans l'art antérieur et comprend une combinaison de trois caractéristiques qui n'a jamais été décrite dans l'art antérieur.
Selon une première caractéristique, essentielle, du scintillateur plastique selon l'invention, celui-ci comprend un matériau scintillateur plastique spécifique capable de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par la forme de l'impulsion de scintillation qu'ils créent, en d'autres termes possédant des propriétés de « PSD », vis-à-vis de ces deux rayonnements.
Les matériaux scintillateurs plastiques possédant des propriétés de « PSD » sont des matériaux bien connus de l'homme du métier et ont déjà été définis plus haut. L'homme du métier peut facilement déterminer quels sont les matériaux scintillateurs plastiques, possédant des propriétés de « PSD » capables de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par leur forme d'impulsion (par la forme de l'impulsion de scintillation qu'ils créent).
De tels matériaux scintillateurs plastiques sont décrits notamment dans les documents WO-A1-2014/135640 et WO-A2-2012/142365 à la description desquels on pourra se référer.
Les caractéristiques photophysiques du matériau scintillateur plastique sont celles d'un matériau scintillateur plastique discriminant par forme d'impulsion.
Avantageusement, le matériau scintillateur plastique peut avoir une longueur d'onde d'émission, de photoluminescence, qui se situe dans le spectre du visible, à savoir de 360 nm à 650 nm, de préférence de 380 nm à 450 nm.
Avantageusement, le matériau scintillateur plastique peut avoir une constante de décroissance de scintillation pour les états singulets de 0,5 ns à 300 ns, de préférence de 1 ns à 100 ns, de préférence encore de 1 ns à 20 ns.
Avantageusement, le matériau scintillateur plastique peut avoir un rendement de scintillation de 100 à 20000 ph/MeV, de préférence de 5000 à 15000 ph/MeV, de préférence encore de 7000 à 11000 ph/MeV.
Avantageusement, le matériau scintillateur plastique est capable de séparer le signal dû aux rayonnements alpha du signal dû au rayonnement bêta émis par le milieu radioactif par leur forme d'impulsion résultante avec une valeur de figure de mérite (appelée plus simplement Figure de mérite (Fdm) alpha/bêta) supérieure à 1, de préférence supérieure à 1,2, de préférence encore supérieure à 1,5 (sans unité) à 600 keVee (« kilo electron Volts electron equivalent »).
Cette valeur de 600 keVee est la valeur de l'abscisse à laquelle cette valeur de Fdm est calculée.
Ainsi, le matériau scintillateur plastique qui constitue le scintillateur selon l'invention peut comprendre une matrice en un polymère organique (par exemple linéaire ou ramifié) ou en un polymère organique réticulé, dans laquelle est incorporé au moins un composé fluorescent, dit premier composé fluorescent ou fluorophore primaire.
Par polymère organique, on entend un polymère ne comprenant que des atomes non-métalliques (par exemple ne comprenant que des atomes choisis parmi les atomes de carbone, hydrogène, azote, oxygène et soufre).
De la même manière, le polymère organique réticulé est un polymère ne comprenant que des atomes non-métalliques (par exemple ne comprenant que des atomes choisis parmi les atomes de carbone, hydrogène, azote, oxygène et soufre).
Avantageusement, le polymère organique est susceptible d'être obtenu par polymérisation d'un monomère aromatique, et le polymère organique réticulé est susceptible d'être obtenu par polymérisation d'un mélange comprenant un monomère aromatique et un monomère jouant le rôle d'agent de réticulation.
Avantageusement, le monomère aromatique peut être choisi parmi le styrène ; les styrènes substitués par un ou plusieurs groupe(s) alkyle tel(s) que le t-butylstyrène et ses isomères, le vinyltoluène et ses isomères, et le vinylxylène et ses isomères; le vinylnaphtalène éventuellement substitué par un ou plusieurs groupe(s) alkyle ; le N- vinylcarbazole ; et leurs mélanges ; et le monomère jouant le rôle d'agent de réticulation peut être choisi parmi les diacrylates d'alkyle, les diméthacrylates d'alkyle, tel que le diméthacrylate de 1,4-butanediyle, le divinylbenzène, et leurs mélanges.
Dans la présente, lorsqu'il est fait mention d'un groupe alkyle et, sauf précisé autrement, on entend généralement un groupe alkyle linéaire ou ramifié généralement de 1 à 20C, de préférence de 1 à 10C, de préférence encore de 2 à 6C, mieux de 2 à 4C tel qu'un groupe méthyle, éthyle, isopropyle, n-propyle, n-butyle, isobutyle ou tertiobutyle ; ou un groupe alkyle cyclique généralement de 3 à 10C, de préférence de 3 à 6C tel qu'un groupe cyclopropyle, cyclobutyle, cyclopentyle, ou cyclohexyle.
Par monomère aromatique, on entend généralement, dans la présente, un monomère comprenant au moins un cycle aromatique, et en outre un groupe polymérisable.
Ledit groupe polymérisable est généralement choisi parmi les groupes comprenant une double liaison carbone-carbone éthyléniquement insaturée tel que le groupe vinyle.
Généralement, ledit au moins un composé fluorescent est un composé organique.
De préférence, ledit au moins un composé fluorescent est incorporé à une concentration de 10 % à 30 % en masse de la masse totale du matériau scintillateur plastique.
Le matériau scintillateur plastique peut comprendre un ou plusieurs premier(s) composé(s) fluorescent(s) ou fluorophore(s) primaire(s), éventuellement en outre un deuxième composé fluorescent, et éventuellement en outre un troisième composé fluorescent.
Le matériau scintillateur plastique peut donc ne comprendre qu'un seul composé fluorescent (fluorophore primaire), ou deux composés fluorescents ou trois composés fluorescents ou même plus.
Avantageusement, le premier composé fluorescent peut être choisi parmi le biphényle, le 2,5-diphényloxazole et les dérivés substitués de celui-ci, les composés fluorescents de la famille des oxadiazoles, les molécules présentant des propriétés intrinsèques de génération d'états triplets sous rayonnement ionisant dense et leur annihilation triplet-triplet , le méta-terphényle l'ort o-terphényle, le para-terphényle , et leurs mélanges ; le deuxième composé fluorescent peut être choisi parmi le bis- méthystyrylbenzène (bis-MSB), le l,4-di-[2-(5-phényloxazolyl)]benzène (POPOP), le 9,10- diphénylanthracène, le 4-éthoxy-/V-(2',5'-di-t-butylphényl)-l,8-naphtalimide, et la 3- hydroxyflavone ; et le troisième composé fluorescent peut être choisi parmi le pérylène, le 4-butyla mi no-/V-(2',5'-di-t-buty I phényl)-l,8-na phta lim ide, et les composés de la famille des coumarines, par exemple les coumarines 1, 6, 30, 102, 151, 314, 343 et l'acridine jaune « acridine yellow ».
Selon une deuxième caractéristique, essentielle, du scintil lateur plastique selon l'invention, celui-ci présente un rapport surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif/volume V total du scintillateur (S/V) supérieur ou égal à 7 cm-1, de préférence supérieur ou égal à 8 cm .
Par surface S du scintillateur susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif, ou surface S potentiellement en contact avec le milieu radioactif, on entend la surface qui, lors de la mise en œuvre effective du scintillateur dans un milieu radioactif, est au contact du milieu radioactif, est exposée à ce milieu radioactif. La surface S peut aussi être appelée plus simplement surface active.
Selon l'invention, le S/V possède une valeur spécifique qui maximise l'interaction rayonnement /matière et assure un traitement du signal efficace.
Selon une troisième caractéristique, essentielle, fondamentale du scintillateur plastique selon l'invention, celui-ci présente une surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif supérieure ou égale à 10 cm2, de préférence supérieure ou égale à 50 cm2.
En effet, il a été mis en évidence qu'en-dessous de cette valeur de la surface active S, l'interaction rayonnement/matière n'est quantitativement pas suffisante pour permettre un traitement du signal efficace au regard du seuil de détection normatif même si le rapport S/V est supérieur ou égal à 7 cm4. Ce seuil de détection a été établi pour le Rn-222 à 100 Bq/m3 par l'OMS (Organisation Mondial de la Santé, et à 300 Bq/m3 en France par l'IRSN (Institut de Radioprotection et Sûreté Nucléaire).
La valeur de la surface active S, du scintillateur plastique selon l'invention assure une détection suffisante pour répondre aux normes de détection.
Il a été mis en évidence, de manière surprenante, selon l'invention, qu'un scintillateur plastique combinant les trois caractéristiques fondamentales et essentielles exposées plus haut permettait une détection des rayonnements alpha et bêta à la fois sensible et sélective. Une détection associant la sensibilité et la sélectivité n'est pas obtenue si le scinti llateur plastique ne possède pas à la fois ces trois caractéristiques fondamentales et essentielles.
Autrement dit, un scintillateur plastique, en un matériau possédant des propriétés de « PSD », qui se présente sous une forme volumique -définie par des valeurs de S et S/V spécifiques- permettant l'accès à des surfaces élevées, assure une détection qui est à la fois sensible et sélective.
Ces deux critères quant à la détection ne sont pas satisfaits sans l'association de ces trois caractéristiques.
L'invention concerne, en outre, un procédé de préparation du scintillateur plastique tel que décrit plus haut.
Selon un premier mode de réalisation du procédé de préparation du scintillateur plastique selon l'invention, le matériau scintillateur plastique est tout d'abord mis sous la forme d'un monolithe (qui ne possède pas les valeurs de S et de S/V du scintillateur plastique selon l'invention), puis ledit monolithe est usiné, découpé à la forme finale du scintillateur plastique selon l'invention qui présente un rapport surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif/volume V total du scintillateur (S/V) supérieur ou égal à 7 cm-1, de préférence supérieur ou égal à 8 cm-1, et une surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif supérieure ou égale à 10 cm2, de préférence supérieure ou égale à 50 cm2.
Le monolithe peut être un parallélépipède, un cube ou un cylindre, par exemple un cylindre circulaire droit.
Le monolithe peut être usiné, découpé par toute technique de découpe, usinage, permettant d'obtenir une géométrie satisfaisant les conditions relatives aux valeurs de S et de S/V du scintillateur plastique selon l'invention. Cette technique de découpe, usinage peut être choisie parmi les techniques de découpe, usinage qui mettent en œuvre une découpeuse à eau ou une foreuse tridimensionnelle ou tout autre outil mécanique permettent d'atteindre la précision de découpe souhaitée.
Selon un deuxième mode de réalisation du procédé de préparation du scintillateur plastique selon l'invention, le matériau scintillateur plastique est mis, lors de sa préparation, directement sous la forme finale du scinti I lateur plastique selon l'invention, par exemple par moulage dans un moule à la forme finale du scintillateur selon l'invention, ou par impression 3D.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la mise en forme peut donc être effectuée lors de la préparation du matériau par exemple en préparant un mélange liquide du monomère aromatique, de l'agent de réticulation éventuel (le monomère aromatique et l'agent de réticulation éventuel, ayant au préalable été purifiés convenablement pour retirer leurs inhibiteurs de radicaux), du ou des composé(s) fluorescent(s), puis en versant ce mélange dans un moule à la forme du scintillateur souhaité. On procède ensuite à la polymérisation dans le moule, généralement en chauffant le mélange. Après refroidissement, on démoule le scintillateur ainsi obtenu.
Le scintillateur démoulé peut être ensuite généralement rectifié, par exemple au tour, puis au moins l'une de ses surfaces est polie afin d'obtenir un état de surface compatible avec les applications recherchées.
L'invention concerne aussi un dispositif de détection comprenant le scintillateur plastique selon l'invention et un dispositif d'affichage permettant à un opérateur de se rendre compte du niveau de radioactivité ambiant par lecture du nombre de coups par seconde, et éventuellement de la nature d'une source de radioactivité, par exemple du Radon-222.
L'invention a également trait à un procédé pour détecter un signal dû aux rayons alpha ou un signal dû aux rayons bêta ou pour discriminer un signal dû aux rayons alpha d'un signal dû aux rayons bêta, dans un rayonnement comprenant des rayons alpha et/ou des rayons bêta émis par un milieu radioactif, dans lequel on expose le scintillateur plastique selon l'invention audit milieu radioactif, et on sépare le signal dû aux rayons alpha du signal dû aux rayons bêta par discrimination par forme d'impulsions (« Pulse Shape Discrimination » ou « PSD » en langue anglaise).
En l'absence de rayons alpha dans le rayonnement, le procédé est capable de détecter seulement le signal dû aux rayons bêta.
De la même manière, en l'absence de rayons bêta dans le rayonnement, le procédé est capable de détecter seulement le signal dû aux rayons alpha. Lorsque le rayonnement comprend des rayons alpha et/ou des rayons bêta le procédé est capable de discriminer le signal dû aux rayons alpha d'un signal dû aux rayons bêta.
Le milieu radioactif peut être un milieu radioactif gazeux tel que l'air, un milieu radioactif liquide tel que l'eau.
Le rayonnement comprenant des rayons alpha et/ou des rayons bêta peut être un rayonnement émis par une source mixte.
La source mixte peut être du Radon-222 et ses descendants radioactifs.
Cette « PSD » peut être réalisée par exemple soit par intégration de charges, soit par la technique dite du passage à zéro (« zero-crossing » en langue anglaise). Il existe d'autres sous-techniques pour réaliser cette « PSD ».
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, notamment de modes de réalisation particuliers fournis sous la forme d'exemples. Cette description détaillée est faite en relation avec les dessins joints.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est un schéma qui montre la désintégration du 222Rn, et ses descendants.
Les figures 2A, 2B et 2C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme d'une spirale circulaire.
La figure 2A est une vue latérale de ce scintillateur plastique.
La figure 2B est une vue en coupe transversale de ce scintillateur plastique selon la ligne A-A de la figure 2A, à l'échelle 1:1.
La figure 2C est une vue en perspective de ce scintillateur.
Les figures 3A, 3B et 3C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique est sous la forme d'ailettes incurvées (ou pétales incurvés) disposées selon le rayon du cylindre autour de son centre. La figure 3A est une vue latérale de ce scinti llateu r plastique.
La figure 3B est une vue en coupe transversale de ce scintillateur plastique selon la ligne A-A de la figure 3A, à l'échelle 1:1.
La figure 3C est une vue en perspective de ce scintillateur.
Les figures 4A, 4B et 4C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme d'une pluralité d'éléments en forme de fleurs à dix pétales.
La figure 4A est une vue latérale de ce scintillateur plastique.
La figure 4B est une vue en coupe de ce scintillateur plastique selon la ligne A- A de la figure 4A, à l'échelle 1:1.
La figure 4C est une vue en perspective de ce scintillateur.
Les figures 5A, 5B et 5C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique qui forme ce cylindre est perforé axialement par des orifices traversant de section droite circulaire.
La figure 5A est une vue latérale de ce scintillateur plastique.
La figure 5B est une vue en coupe de ce scintillateur plastique selon la ligne A- A de la figure 5A, à l'échelle 1:1.
La figure 5C est une vue en perspective de ce scintillateur.
Les figures 6A, 6B et 6C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique qui forme ce cylindre est perforé axialement par des orifices traversant de section droite hexagonale ou nids d'abeilles.
La figure 6A est une vue latérale de ce scintillateur plastique.
La figure 6B est une vue en coupe de ce scintillateur plastique selon la ligne A- A de la figure 6A, à l'échelle 1:1.
La figure 6C est une vue en perspective de ce scintillateur.
Les figures 7A, 7B et 7C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme de deux spirales respectivement dextrogyre et lévogyre.
La figure 7A est une vue latérale de ce scintillateur plastique.
La figure 7B est une vue en coupe de ce scintillateur plastique selon la ligne A- A de la figure 7A, à l'échelle 1:1.
La figure 7C est une vue en perspective de ce scintillateur.
Les figures 8A, 8B et 8C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme de rayons disposés selon le rayon du cylindre autour de son centre.
La figure 8A est une vue latérale de ce scintillateur plastique.
La figure 8B est une vue en coupe de ce scintillateur plastique selon la ligne A- A de la figure 8A, à l'échelle 1:1.
La figure 8C est une vue en perspective de ce scintillateur.
La figure 9 est une photographie d'un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme d'une spirale circulaire.
La figure 10 est un graphique qui montre la figure de mérite de la chaîne d'acquisition en présence de Radon-222 en équilibre avec ses descendants. En abscisse sont portés les canaux et en ordonnée est porté le nombre de coups.
La figure 11 est un graphique qui montre le spectre d'émissions totales du Radon-222 en équilibre avec ses descendants. En abscisse sont portés les canaux et en ordonnée est porté le nombre de coups.
La figure 12 est un graphique qui montre le spectre des émissions bêta. En abscisse sont portés les canaux et en ordonnée est porté le nombre de coups.
La figure 13 est un graphique qui montre le spectre des émissions alpha. En abscisse sont portés les canaux et en ordonnée est porté le nombre de coups EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le scintillateur plastique selon l'invention est constitué par un matériau scintillateur plastique spécifique capable de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par leur forme d'impulsion, en d'autres termes possédant des propriétés de « PSD », vis-à-vis de ces deux rayonnements.
Le matériau scintillateur plastique du scintillateur selon l'invention a déjà été décrit ci-dessus en détail.
Les matériaux scintillateurs plastiques possédant des propriétés de « PSD » sont des matériaux bien connus de l'homme du métier et ont déjà été définis plus haut. L'homme du métier peut facilement déterminer quels sont les matériaux scintillateurs plastiques, possédant des propriétés de « PSD » capables de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par leur forme d'impulsion.
De tels matériaux scintillateurs plastiques sont décrits notamment dans les documents WO-A1-2014/135640 et WO-A2-2012/142365 à la description desquels on pourra se référer.
Généralement, le matériau scintillateur plastique comprend une matrice en un polymère organique (qui peut être par exemple linéaire ou ramifié) ou en un polymère organique réticulé, dans laquelle est incorporé au moins un composé fluorescent, dit premier composé fluorescent ou fluorophore primaire.
Dans la matrice polymérique est incorporée au moins une molécule ou composé fluorescent, généralement organique.
Ainsi, dans la matrice polymérique pourra être incorporée : au moins une première molécule fluorescente, généralement organique, dont les propriétés spectrales présentent différentes caractéristiques ; éventuellement une deuxième molécule fluorescente, généralement organique, dont les propriétés spectrales présentent différentes caractéristiques ; si l'application visée le nécessite, éventuellement une troisième molécule fluorescente, généralement organique, dont les propriétés spectrales présentent différentes caractéristiques. Matrice polymérique :
Lors de l'interaction entre un rayonnement quel qu'il soit et la matière, celle-ci doit être capable de transférer convenablement l'énergie déposée.
Dans le cas d'un matériau scintillateur plastique, la matière n'est autre que la matrice polymérique.
Concrètement, le polymère de la matrice polymérique du matériau scintillateur peut posséder un grand nombre de groupements aromatiques qui vont être ionisés après interaction rayonnement matière.
Sur le parcours de l'ion, les différentes molécules vont être ionisées puis des recombinaisons auront lieu donnant elles-mêmes suite à des désexcitations. La désexcitation va se produire radiativement par émission d'un photon de fluorescence.
Pour cela, le polymère organique peut présenter majoritairement des motifs dérivés de la polymérisation d'un monomère aromatique.
Le polymère organique est donc susceptible d'être obtenu par polymérisation d'un monomère aromatique, et le polymère organique réticulé est donc susceptible d'être obtenu par polymérisation d'un mélange comprenant un monomère aromatique et un monomère jouant le rôle d'agent de réticulation.
Comme on l'a déjà précisé plus haut par monomère aromatique, on entend généralement, dans la présente, un monomère comprenant au moins un cycle aromatique. Ce ou ces cycle(s) aromatique(s) peut(peuvent) être choisi(s) parmi les cycles carbonés aromatiques ou les cycles hétéro-aromatiques, chacun de ces cycles peut comprendre de 3 à 10 atomes, par exemple de 6 à 8 atomes. Le ou les hétéroatome(s) peut(peuvent) être choisi(s) parmi N, O, P ou S. Le monomère aromatique peut par exemple être choisi parmi les monomères comprenant un cycle benzénique, un groupement naphtyle ou un cycle carbazole. Le ou les cycle(s) aromatique(s) peut(peuvent) être en outre substitué(s) par un ou plusieurs groupement(s) choisi(s) parmi les groupes alkyles.
Selon l'invention, ce monomère comprend en outre un groupe polymérisable.
Ledit groupe polymérisable est généralement choisi parmi les groupes comprenant une double liaison carbone-carbone éthyléniquement insaturée tel que le groupe vinyle. De préférence, le monomère aromatique peut être choisi parmi le styrène ; les styrènes substitués par un ou plusieurs groupe(s) a I kyle(s) tel(s) que le t-butylstyrène et ses isomères, le vinyltoluène et ses isomères, et le vinylxylène et ses isomères; le vinylnaphtalène éventuellement substitué par un ou plusieurs groupe(s) alkyle(s) ; le /V- vinylcarbazole ; et leurs mélanges, et le monomère éventuel jouant le rôle d'agent de réticulation est choisi parmi les diacrylates d'alkyle, les diméthacrylates d'alkyle, tel que le diméthacrylate de 1,4-butanediyle, le divinylbenzène et leurs mélanges.
Lorsque le polymère est préparé à partir d'un seul monomère aromatique sans agent de réticulation, on pourra parler alors d'un homopolymère (non réticulé).
Lorsque le polymère est préparé à partir de plusieurs monomères aromatiques différents, sans agent de réticulation, on pourra parler alors d'un copolymère (non réticulé).
Lorsque le polymère est préparé à partir d'un seul monomère aromatique et de l'agent de réticulation, on pourra parler alors d'un polymère réticulé par l'agent de réticulation.
Lorsque le polymère est préparé à partir de plusieurs monomères aromatiques différents et de l'agent de réticulation, on pourra parler alors d'un copolymère réticulé par l'agent de réticulation.
La réticulation est réalisée au moyen de molécules pouvant présenter au minimum deux doubles liaisons polymérisables.
Selon l'invention, de très bons résultats sont observés lorsque la réticulation est réalisée en utilisant en tant qu'agent de réticulation des diacrylates d'alkyle répondant à la formule générale (I) suivante ou des diméthacrylates d'alkyle répondant à la formule générale (II) suivante :
(0 00 où n est un nombre entier généralement de 1 à 20, de préférence de 2 à 6. n peut prendre toutes les valeurs entre 1 et 20, par exemple 1, 2, 3, 4, 5 ou 6.
De préférence, c'est le diméthacrylate de 1,4-butanediyle qui est utilisé.
Une plage de 10 % à 50 % en moles d'agent de réticulation dans le mélange de polymérisation et une plage de 90 % à 50 % de monomère aromatique conviennent particulièrement pour préparer les matériaux scinti llateurs selon l'invention.
De préférence, le pourcentage d'agent de réticulation utilisé est compris entre 15 % et 20 % en moles du mélange de polymérisation. Dans cette plage, les propriétés recherchées de transparence, stabilité, et potentiel de discrimination sont encore renforcées.
La matrice polymérique doit être la plus transparente possible à la longueur d'onde d'émission du ou des fluorophore(s) incorporé(s) ; typiquement le matériau scinti llateur doit être transparent à des longueurs d'onde supérieures à 400 nm.
Un gain de transparence est obtenu grâce à l'utilisation des diacrylates d'alkyle et encore plus des diméthacrylates d'alkyle qui sont connus pour être transparents dans le proche UV.
Parmi ces diacrylates et diméthacrylates, le diméthacrylate de 1,4-butanediyle est utilisé de préférence en raison de son coefficient de retrait qui est le plus faible parmi tous les composés qui ont pu être testés.
À titre d'exemple, la densité observée du matériau scintillateur selon l'invention, tel que le matériau de l'exemple 1 vaut 1,08. Le polymère ou copolymère éventuellement réticulé du matériau scintillateur selon l'invention peut être préparé par tout procédé de polymérisation connu de l'homme du métier.
Cependant, afin que le polymère présente le minimum d'impuretés, la polymérisation est conduite de préférence par initiation thermique.
Il n'est généralement pas nécessaire d'ajouter un amorceur de radicaux connu de l'homme du métier tel que l'AIBN ou le péroxyde de benzoyle.
Si toutefois la polymérisation atteint difficilement son terme, il est alors possible, dans ce cas, d'utiliser un amorceur de radicaux choisi par exemple parmi les deux amorceurs de radicaux précités, à une concentration massique généralement de 0,02 % à 0,2 %, de préférence de 0,05 % à 0,1 % de la masse totale du matériau.
Première molécule fluorescente :
La au moins une première molécule fluorescente (premier composé fluorescent), généralement organique, peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption, dont l'intensité maximale d'absorption est située entre 250 nm et 350 nm, par exemple cette intensité maximale d'absorption peut être centrée sur 300 nm.
Une fois excitée, cette molécule est ensuite capable d'émettre des photons dont la longueur d'onde correspondante est située entre 340 nm et 400 nm, par exemple, dont l'intensité maximale d'émission peut être centrée sur 360 nm.
En outre, la première molécule fluorescente, puisqu'elle est généralement incorporée dans la matrice à une teneur en masse élevée, doit avantageusement présenter une constante de solubilité dans les solvants apolaires élevée.
En termes de concentration massique, une concentration massique d'au moins 10 % en masse en cette première molécule fluorescente par rapport à la masse totale du matériau, est généralement utilisée pour que le matériau scintillateur possède des capacités de discrimination n/y satisfaisantes.
Avantageusement, des taux d'incorporation compris entre 10 % et 30 % en masse de la masse totale du matériau peuvent être utilisés. Typiquement, un matériau scintillateur composé d'une matrice polymérique et d'une première molécule fluorescente ou composé fluorescent à 16,4 % en en masse de la masse totale du matériau, constitue un exemple d'un matériau scinti llateur selon l'invention.
Le premier composé fluorescent peut être choisi parmi le biphényle, le 2,5- diphényloxazole et les dérivés substitués de celui-ci, les composés fluorescents de la famille des oxadiazoles, les molécules présentant des propriétés intrinsèques de génération d'états triplets sous rayonnement ionisant dense et leur annihilation triplet-triplet, le méta- terphényle l'ort o-terphényle, le para-terphényle , et leurs mélanges.
Dans le cadre de l'invention, il s'est avéré que le biphényle, notamment, présente toutes les caractéristiques précitées.
Le para-terphényle se comporte comme un « premier composé fluorescent » « première molécule fluorescente » mais ne peut pas être ajouté en grande quantité en raison de sa faible solubilité. Par contre, son ajout dans une gamme comprise entre 0,5 % et 2,5 % permet généralement d'améliorer la discrimination.
Un mélange de para-terphényle et de biphényle peut donc être utilisé en tant que le au moins un premier composé fluorescent.
Deuxième molécule fluorescente :
Outre la première molécule fluorescente, une deuxième molécule fluorescente, généralement organique, peut être incorporée dans la matrice polymérique.
La deuxième molécule fluorescente éventuelle peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la première molécule fluorescente, notamment, pour optimiser les transferts énergétiques entre les deux molécules fluorescentes, ce qui signifie, en d'autres termes, que la deuxième molécule fluorescente est apte, d'une part, à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite première molécule fluorescente, et d'autre part, suite à cette absorption, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente s'échelonne de 350 nm à 650 nm avec une intensité maximale d'émission comprise entre 400 nm et 600 nm. La teneur à laquelle la deuxième molécule fluorescente est incorporée dans la matrice polymérique est beaucoup plus réduite que celle de la première molécule fluorescente.
Typiquement, on utilise une concentration en deuxième molécule fluorescente comprise entre 0,01 % et 1 % en masse de la masse totale du matériau, de préférence de 0,01 % à 0,3 % en masse de la masse totale du matériau.
Le deuxième composé fluorescent peut être choisi parmi le bis- méthystyrylbenzène (bis-MSB), le l,4-di-[2-(5-phényloxazolyl)]benzène (POPOP), le 9,10- diphénylanthracène, le 4-éthoxy-/V-(2',5'-di-t-butylphényl)-l,8-naphtalimide, et la 3- hydroxyflavone.
Le deuxième composé fluorescent préféré est le POPOP.
Troisième molécule fluorescente :
Outre la première molécule fluorescente et la deuxième molécule fluorescente, une troisième molécule fluorescente, généralement organique, peut être incorporée dans la matrice polymérique.
Cette troisième molécule fluorescente peut être choisie de manière à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la deuxième molécule fluorescente, notamment, pour optimiser les transferts énergétiques entre les deux molécules fluorescentes (c'est-à-dire la deuxième et la troisième molécules fluorescentes) et améliorer l'efficacité intrinsèque du détecteur à scintillation.
Ce qui signifie, en d'autres termes, que la troisième molécule fluorescente est apte à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente, ladite troisième molécule fluorescente étant apte, suite à cette absorption, à émettre des photons, de telle manière que le spectre d'émission de ladite troisième molécule fluorescente présente une intensité maximale d'émission comprise entre 500 nm et 600 nm.
La teneur à laquelle la troisième molécule fluorescente est incorporée dans la matrice polymérique est beaucoup plus réduite que celle de la première molécule fluorescente. Typiquement, on utilise une concentration en troisième molécule fluorescente de 0,001 % à 0,1 % en masse de la masse de la masse totale du matériau, de préférence de 0,002 % à 0,05 % en masse, par exemple à 0,005 % en masse de la masse totale du matériau.
Le troisième composé fluorescent est choisi parmi le pérylène, le 4-butylamino- /V-(2',5'-di-t-butylphényl)-l,8-naphtalimide, et les composés de la famille des coumarines, par exemple les coumarines 1, 6, 30, 102, 151, 314, 343 et l'acridine jaune « acridine yellow ».
Un exemple d'un matériau scintillateur qui peut constituer le scintillateur selon l'invention peut comprendre du biphényle, du para-terphényle et du POPOP en tant que composés fluorescents dans une matrice en polystyrène.
À partir du matériau scintillateur selon l'invention, on prépare un scintillateur - ou détecteur à scintillation - selon l'invention en mettant en forme le matériau scintillateur plastique que l'on vient de décrire. Ce scintillateur doit satisfaire aux conditions relatives à S et S/V, énoncées plus haut, qui caractérisent le scintillateur plastique selon l'invention.
Selon un premier mode de réalisation du procédé de préparation du scintillateur plastique selon l'invention, le matériau scintillateur plastique est tout d'abord mis sous la forme d'un monolithe (qui ne possède pas les valeurs de S et de S/V du scintillateur plastique selon l'invention), puis ledit monolithe est usiné, découpé à la forme finale du scintillateur plastique selon l'invention qui présente donc un rapport surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif/volume V total du scintillateur (S/V) supérieur ou égal à 7 cm-1, de préférence supérieur ou égal à 8 cm-1, et une surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif supérieure ou égale à 10 cm2, de préférence supérieure ou égale à 50 cm2.
Le monolithe peut être un parallélépipède, un cube ou un cylindre, par exemple un cylindre circulaire droit.
Le monolithe peut être ensuite usiné, découpé par toute technique de découpe, usinage permettant d'obtenir une géométrie satisfaisant les conditions relatives aux valeurs de S et de S/V du scintillateur plastique selon l'invention. Cette technique de découpe, usinage peut être choisie parmi les techniques de découpe, usinage qui mettent en œuvre une découpeuse à eau ou une foreuse tridimensionnelle ou tout autre outil mécanique permettant d'atteindre la précision de découpe souhaitée du moment que la qualité optique du matériau n'est pas affectée, par exemple paréchauffement intense dans la zone de découpe.
La technique de découpe, usinage peut aussi être choisie parmi les techniques de découpe laser.
Selon un deuxième mode de réalisation du procédé de préparation du scintillateur plastique selon l'invention, le matériau scinti llateu r plastique est mis, lors de sa préparation, directement sous la forme finale du scintillateur plastique selon l'invention, par exemple par moulage dans un moule à la forme finale du scintillateur selon l'invention, ou par impression 3D.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la mise en forme peut donc être effectuée lors de la préparation du matériau par exemple en préparant un mélange liquide du monomère aromatique, de l'agent de réticulation éventuel (le monomère aromatique et l'agent de réticulation éventuel ayant au préalable été purifiés convenablement pour retirer leurs inhibiteurs de radicaux), du ou des composé(s) fluorescent(s), puis en versant ce mélange dans un moule à la forme du scintillateur souhaité. On procède ensuite à la polymérisation dans le moule, généralement en chauffant le mélange. Après refroidissement on démoule le scintillateur ainsi obtenu.
Le scintillateur démoulé peut être ensuite généralement rectifié, par exemple au tour, puis au moins l'une de ses surfaces est polie afin d'obtenir un état de surface compatible avec les applications recherchées.
Le scintillateur selon l'invention peut avoir de nombreuses formes choisies pour que la valeur de S/V soit supérieure à 7 cm , et son volume, conformément à l'invention, doit aussi être supérieur à 10 cm2.
Des exemples de ces formes sont montrés sur les figures 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B, 6C, 7A, 7B, 7C, 8A, 8B, et 8C.
Ces exemples de forme ne sont absolument pas limitatifs et le scintillateur plastique selon l'invention peut avoir toute forme susceptible d'être obtenue par découpe, usinage, notamment par jet d'eau, ou par impression 3D ou par moulage. Les seules limites quant à la forme que peut avoir le scintillateur sont imposées par exemple par la résolution de la machine, la précision du déplacement et le diamètre du jet d'eau.
D'autres exemples de formes pour le scintillateur plastique (non représentés) sont ceux d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme d'une pluralité d'éléments en forme de flocons de neige, ou de flocon de Koch ou d'autres fractales dérivées, comme la fractale de Cesaro, les fractales quadratique, la fractale « sphereflake » etc.
Les scintillateurs de ces figures peuvent être préparés par exemple en fabriquant tout d'abord un monolithe en matériau scintillateur plastique. Ce monolithe peut avoir par exemple la forme d'un cylindre, de préférence d'un cylindre droit circulaire, d'un parallélépipède ou d'un cube. Dans le cas d'un cylindre avec un diamètre de 6 cm et une hauteur de 1,5 cm, le rapport S/V vaut alors 1,33 cm-1.
Le monolithe est ensuite découpé, par exemple au jet d'eau pour donner le scintillateur selon l'invention ayant la forme montrée sur les figures 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B, 6C, 7A, 7B, 7C, 8A, 8B, et 8C avec un rapport S/V supérieur à 7 cm-1.
Sur ces figures, les formes pleines, volumes pleins, sont constitués par le matériau scintillateur plastique et ces formes pleines définissent des formes vides, volumes vides dans lesquels le milieu radioactif, tel qu'un gaz radioactif comme de l'air dans lequel se trouve dilué un émetteur mixte (tel que le Radon-222) ou un liquide radioactif tel que de l'eau dans lequel se trouve dilué un émetteur mixte peut pénétrer et venir au contact de la surface du matériau scintillateur plastique.
De nouveau, tous les exemples de formes représentés et non représentés ne sont absolument pas limitatifs.
Les figures 2A, 2B et 2C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme d'une spirale circulaire autrement dit d'une spire enroulée en spirale. La spirale définit des canaux ou interstices dans lesquels le milieu radioactif, tel qu'un gaz radioactif comme de l'air dans lequel se trouve dilué un émetteur mixte ou un liquide tel que de l'eau, peut pénétrer et venir au contact de la surface du matériau scintil lateur plastique.
La figure 9 est une photographie d'un scintillateur plastique « en spirale » tel que montré sur les figures 2A, 2B et 2C. Le tableau 1 donne les caractéristiques principales d'un scintillateur plastique
« en spirale » selon l'invention tel que montré sur les figures 2A, 2B et 2C et sur la figure 9.
Tableau 1. Caractéristiques principales d'un scintillateur plastique « en spirale » selon l'invention.
Les figures 3A, 3B et 3C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique est sous la forme d'ailettes incurvées, pétales incurvés, disposé(e)s selon le rayon du cylindre autour de son centre.
Les figures 4A, 4B et 4C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme d'une pluralité d'éléments en forme de fleurs à dix pétales. Les figures 5A, 5B et 5C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique qui forme ce cylindre est perforé axialement par des orifices traversant de section droite circulaire.
Les figures 6A, 6B et 6C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique qui forme ce cylindre est perforé axialement par des orifices traversant de section droite hexagonale ou nids d'abeilles.
Les figures 7A, 7B et 7C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme de deux spirales respectivement dextrogyre et lévogyre.
Les figures 8A, 8B et 8C montrent un scintillateur plastique selon l'invention, dont la forme est globalement celle d'un cylindre circulaire droit, dans lequel le matériau scintillateur plastique, en section transversale, est sous la forme de rayons disposés selon le rayon du cylindre autour de son centre.
Le scintillateur selon l'invention peut notamment être intégré dans un dispositif de détection comprenant le scintillateur plastique selon l'invention, un convertisseur photon-électron comme par exemple un tube photomultiplicateur, une électronique d'acquisition de signaux et un dispositif d'affichage affichant par exemple le taux de comptage d'émissions alpha et/ou bêta, et éventuellement la reconnaissance du ou des isotopes radioactifs ayant interagi avec ledit scintillateur plastique.
Les applications visées pour les scintillateurs selon l'invention comprennent notamment la détection d'alpha en éliminant la présence d'autres natures de désexcitation, comme par exemple les désexcitations bêta ou gamma. L'exemple du Radon-222 donné dans la figure 1 montre qu'un comptage alpha précis issu de la décroissance du Radon-222 doit tenir compte d'éventuelles décroissances alpha ou bêta des descendants du Radon-222. Lorsqu'un rayonnement bêta interagit avec un milieu organique, il ionise directement le scintillateur et un signal photonique est enregistré, né d'une composante dite rapide de fluorescence.
Lorsqu'un rayonnement alpha interagit avec un milieu organique, une grande densité d'ionisation dans un volume faible conduit à des recombinaisons d'états excités spécifiques (états triplets), menant à un signal photonique né d'une composante dite lente de fluorescence.
C'est donc par discrimination par forme d'impulsion (« pulse shape discrimination » ou PSD) que la séparation des signaux est réalisée, plus particulièrement ici par comparaison de la composante lente des signaux attribués aux bêta ou aux alpha, le signal bêta présentant généralement une composante lente plus faible temporellement que le signal alpha.
Le système, outre le scintillateur, comprend un ou deux photomultiplicateurs (PM), qui doit être adapté à la longueur d'émission du scintillateur organique. Le système, une fois sous haute tension est isolé de la lumière pour minimiser le bruit de fond. Le signal en sortie du photomultiplicateur est ensuite traité dans une chaîne électronique adaptée incluant notamment un Q.DC (« Charge to Digital Converter ») permettant l'intégration de charges et la séparation des signaux.
L'invention va maintenant être décrite en référence aux exemples suivants, donnés à titre illustratif et non limitatif.
Exemples :
Dans cet exemple, on prépare un scintillateur plastique selon l'invention.
Du styrène pur (82,2 % en masse dans le mélange, 136 g), du biphényle (16,4 % en masse dans le mélange, 27,18 g), du para-terphényle (1,2 % en masse dans le mélange, 2,038 g) et du POPOP (0,08 % en masse dans le mélange, 136 mg), sont mélangés sous atmosphère inerte dans un flacon sec et portés à une température supérieure à la température d'ébullition du styrène. Un réfrigérant est donc adapté à ce flacon.
Typiquement, le flacon utilisé dans le cadre de cet exemple et qui joue le rôle de moule est une bouteille en verre cylindrique d'une contenance de 250 mL. Une fois le mélange partiellement polymérisé, le flacon est scellé au moyen d'un bouchon étanche aux gaz, puis il est placé dans une étuve pour compléter et terminer la polymérisation et obtenir le matériau scinti llateur plastique.
Après polymérisation, le matériau scinti llateur plastique obtenu, sous la forme d'un cylindre monolithique est démoulé.
Ce cylindre monolithique est ensuite découpé en plusieurs cylindres de plus petite taille.
Chacun de ces cylindres est rectifié au tour pour qu'il présente des faces planes parallèles entre elles. Puis ces faces sont polies jusqu'à obtenir un état de surface optiquement compatible avec les applications recherchées.
Ce matériau scinti llateur plastique est ensuite découpé selon la forme désirée conforme à l'invention au moyen d'une découpeuse à eau.
Dans cet exemple, le matériau scintillateur plastique est découpé de façon à obtenir, un scintillateur plastique, conforme à l'invention, qui se présente sous la forme d'une spirale circulaire.
Dans ce scintillateur, le matériau scintillateur plastique est enroulé pour former une paroi ou spire en spirale définissant des canaux ou interstices dans lesquels le gaz radioactif peut circuler.
Une photographie de ce scintillateur plastique en spirale est montrée sur la figure 9.
Les principales caractéristiques géométriques, photophysiques et physiques de ce scintillateur en spirale sont données dans le tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2. Caractéristiques principales du scintillateur plastique en spirale selon l'invention, préparé dans l'exemple 1
Pour le besoin de la mesure, ce scintillateur en spirale selon l'invention est ensuite de nouveau découpé à la scie pour avoir les dimensions suivantes : longueur 4 mm, largeur 3 mm, et hauteur 5 mm.
Ce scintillateur plastique selon l'invention est ensuite intégré dans un montage expérimental afin de montrer qu'il permet d'obtenir une discrimination des signaux dus aux rayons alpha des signaux dus aux rayons bêta émis par une source mixte, à savoir une atmosphère de radon 222Rn (voir figure 1).
Dans un premier temps, le scintillateur plastique est exposé à une atmosphère de radon 222Rn pendant 240 h, puis dans un deuxième temps, il est laissé à l'air libre pendant 168 h pour atteindre l'équilibre dit séculaire.
Le scintillateur plastique selon l'invention est ensuite intégré dans un montage expérimental comprenant le scintillateur et un photomultiplicateur adapté à la longueur d'onde d'émission du scintillateur.
Le système, une fois sous haute tension est isolé de la lumière pour minimiser le bruit de fond et ne pas endommager le photomultiplicateur.
Le signal en sortie du photomultiplicateur est ensuite traité par un numériseur de signal qui inclut notamment un « QDC » (« Charge to Digital Converter » en langue anglaise) permettant l'intégration de la charge et la séparation des signaux relatifs aux évènements alpha ou bêta. C'est par discrimination par forme d'impulsion (« Pulse Shape Discrimination » ou « PSD » en langue anglaise) que la séparation des signaux est réalisée, par exemple ici par intégration de charge, par comparaison de la composante lente des signaux attribués aux rayons alpha ou aux rayons bêta, le signal alpha présentant généralement une composante lente plus prononcée temporellement que le signal bêta.
Ces signaux sont alors triés selon la forme de la composante lente de l'impulsion.
Ce traitement et les suivants sont notamment réalisés avec un Q.DC possédant la fonction de discrimination par forme d'impulsion, tel que par exemple le module NanoPSD du LabZY ou le QDC CAEN DT5730B.
Ces impulsions triées apparaissent sous la forme de deux peuplements en fonction de la nature de l'interaction (alpha ou bêta) comme cela est présenté sur la figure 10.
Dans cet exemple de réalisation, la figure 10 présente la signature atemporelle de la forme des impulsions (« Time-Invariant Pulse Shape spectrum » ou « TIPS » en langue anglaise). Concrètement les bêta sont triés dans les bas canaux (à gauche) alors que les alpha sont triés dans les hauts canaux (à droite).
Ensuite, chaque peuplement peut être séparé de l'autre et le spectre en énergie associé peut alors être construit.
Les figures 11 à 13 présentent donc respectivement le spectre d'émission totale du radon en équilibre avec ses descendants (figure 11), le spectre des émissions bêta dues aux émetteurs 214Pb et 214Bi (figure 12) et le spectre des émissions alpha dues aux trois émetteurs 222Rn 218Po et 214Po. (figure 13).
Plus précisément, sur la figure 13, on distingue depuis la gauche vers la droite, le pic d'émission du 222Rn chevauchant en partie le pic du 218Po (1500 - 2500 canaux) et le pic du 214Po (2600 - 3500 canaux).
Au vu de ces figures, on constate l'absence de signaux bêta dans le spectre alpha, et inversement, et on voit qu'il est possible de séparer les contributions spectrales des trois émetteurs alpha.
De ces mesures, et figures, on peut tirer plusieurs conclusions : la capacité de discriminer les alpha des bêta mène à une séparation spectrale des deux natures de désexcitations quasiment parfaite. Il n'y a quasiment aucun alpha dans le spectre bêta et très peu de recouvrement de bêta dans les alpha. Ces bêta peuvent ensuite être séparés par analyse de régions d'intérêt dans le spectre alpha ; la résolution énergétique du sci ntillateur étudié dans cet exemple facilite le traitement de données qualitatives telles que l'analyse de la hauteur de l'impulsion (« pulse height analysis » ou PHA). Ce traitement PHA réalisé après la PSD améliore encore la rejection des bêta vis-à-vis des alpha. Cette résolution énergétique permet aussi de définir deux régions d'intérêt dans le spectre alpha : une zone comprenant les contributions émanant des désexcitations des émetteurs 222Rn et 218Po, et une zone exclusive au 214Po. Lorsque le 222Rn est en équilibre séculaire avec ses descendants, la comparaison de ces zones d'intérêt donne des informations sur l'activité du radon et de ses descendants ; l'analyse séparée de ces deux zones d'intérêt est intéressante pour l'application préférentielle visée par l'homme du métier, puisque le 222Rn est à l'équilibre avec le 218Po au bout de 12 min et avec tous ses descendants à vie courte (notamment le 214Po) au bout de 4 heures environ. La possibilité d'analyser indépendamment ces trois radionucléides permet d'accéder à une analyse en temps réel du radon, et par essence de tout autre gaz ou aérosol émetteur alpha/bêta ou alpha/gamma. ; enfin, la résolution des équations de Bateman de ces radionucléides à leur équilibre séculaire donne un ratio (222Rn + 218Po) / 214Po = 1,98252 ; d'autre part, les zones d'intérêt décrites précédemment donnent : o 222Rn + 218Po = 74385 coups o 214Po = 37290 coups o soit un Ratio: (222Rn + 218Po) / 214Po = 1,989.
Ce dernier ratio est donc en accord parfait avec le ratio donné plus haut obtenu à partir de l'équation de Bateman.

Claims

REVENDICATIONS
1. Scinti llateu r plastique discriminant les rayons alpha des rayons bêta émis par un milieu radioactif, ledit scintillateur plastique étant constitué par un matériau scintillateur plastique capable de discriminer un rayonnement alpha d'un rayonnement bêta par la forme de l'impulsion de scintillation que ces rayonnements créent, caractérisé en ce qu'il présente un rapport surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif/volume V total du scintillateur (S/V) supérieur ou égal à 7 cm-1, de préférence supérieur ou égal à 8 cm -1, et une surface S susceptible d'être en contact avec le milieu radioactif supérieure ou égale à 10 cm2, de préférence supérieure ou égale à 50 cm2.
2. Scintillateur plastique selon la revendication 1, dans lequel le matériau scintillateur plastique a une longueur d'onde d'émission, de photoluminescence de 360 nm à 650 nm, de préférence de 380 à 450 nm.
3. Scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau scintillateur plastique a une constante de décroissance de scintillation pour les états singulets de 0,5 à 300 ns, de préférence de 1 à 100 ns, de préférence encore de 1 à 20 ns.
4. Scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau scintillateur plastique a un rendement de scintillation de 100 à 20 000 ph/MeV, de préférence de 5 000 à 15 000 ph/MeV, de préférence encore de 7 000 à 11 000 ph/MeV.
5. Scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau scintillateur plastique a un facteur de mérite (« figure of merit » en langue anglaise) supérieur à 1, de préférence supérieur à 1,2, de préférence encore supérieur à 1,5, à 600 keVee.
6. Scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau scintillateur plastique comprend une matrice en un polymère organique ou en un polymère organique réticulé, dans laquelle est incorporé au moins un composé fluorescent, dit premier composé fluorescent ou fluorophore primaire
7. Scintillateur plastique selon la revendication 6, dans lequel le polymère organique est obtenu par polymérisation d'un monomère aromatique, et le polymère organique réticulé est obtenu par polymérisation d'un mélange comprenant un monomère aromatique et un monomère jouant le rôle d'agent de réticulation.
8. Scintillateur plastique selon la revendication 7, dans lequel le monomère aromatique comprend au moins un cycle aromatique et un groupe vinyle.
9. Scintillateur plastique selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel le monomère aromatique est choisi parmi le styrène ; les styrènes substitués par un ou plusieurs groupe(s) alkyle tel(s) que le t-butylstyrène et ses isomères, le vinyltoluène et ses isomères, et le vinylxylène et ses isomères; le vinylnaphtalène éventuellement substitué par un ou plusieurs groupe(s) alkyle ; le /V-vinylcarbazole ; et leurs mélanges ; et le monomère jouant le rôle d'agent de réticulation est choisi parmi les diacrylates d'alkyle, les diméthacrylates d'alkyle, tel que le diméthacrylate de 1,4-butanediyle, le divinylbenzène, et leurs mélanges.
10. Scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le matériau scintillateur plastique comprend un ou plusieurs premier(s) composé(s) fluorescent(s) ou fluorophore(s) primaire(s), éventuellement en outre un deuxième composé fluorescent, et éventuellement en outre un troisième composé fluorescent.
11. Scintillateur plastique selon la revendication 10, dans lequel le premier composé fluorescent est choisi parmi le biphényle, le 2,5-diphényloxazole et les dérivés substitués de celui-ci, les composés fluorescents de la famille des oxadiazoles, les molécules présentant des propriétés intrinsèques de génération d'états triplets sous rayonnement ionisant dense et leur annihilation triplet-triplet, le méta-terphényle, l'ortho- terphényle, le para-terphényle, et leurs mélanges ; le deuxième composé fluorescent est choisi parmi le bis-méthystyrylbenzène (bis-MSB), le l,4-di-[2-(5-phényloxazolyl)]benzène (POPOP), le 9,10-diphénylanthracène, le 4-éthoxy-/V-(2',5'-di-t-butylphényl)-l,8- naphtalimide, et la 3-hydroxyflavone ; et le troisième composé fluorescent est choisi parmi le pérylène, le 4-butylamino-/V-(2',5'-di-t-butylphényl)-l,8-naphtalimide, et les composés de la famille des coumarines, par exemple les coumarines 1, 6, 30, 102, 151, 314, 343 et l'acridine jaune « acridine yellow ».
12. Procédé de préparation du sci ntillateu r plastique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le matériau scinti llateu r plastique est tout d'abord mis sous la forme d'un monolithe (qui ne possède pas les valeurs de S et de S/V du scintillateur plastique), puis ledit monolithe est usiné, découpé à la forme finale du scintillateur plastique.
13. Procédé de préparation du scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le matériau scintillateur plastique est mis, lors de sa préparation, directement sous la forme finale du scintillateur plastique, par exemple par moulage dans un moule à la forme finale du scintillateur plastique, ou par impression 3D.
14. Dispositif de détection comprenant le scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 et un dispositif d'affichage permettant à un opérateur de se rendre compte du niveau de radioactivité ambiant par lecture du nombre de coups par seconde, et éventuellement de la nature d'une source de radioactivité, par exemple du Radon-222.
15. Procédé pour détecter un signal dû aux rayons alpha ou un signal dû aux rayons bêta ou pour discriminer un signal dû aux rayons alpha d'un signal dû aux rayons bêta, dans un rayonnement comprenant des rayons alpha et/ou des rayons bêta émis par un milieu radioactif, dans lequel on expose le scintillateur plastique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 audit milieu radioactif, et on sépare le signal dû aux rayons alpha du signal dû aux rayons bêta par discrimination par forme d'impulsions (« Pulse Shape Discrimination » ou « PSD » en langue anglaise).
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel le milieu radioactif est un milieu radioactif gazeux tel que l'air, ou un milieu radioactif liquide tel que l'eau.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 et 16, dans lequel le rayonnement comprend des rayons alpha et des rayons bêta émis par une source mixte telle que du Radon-222 et ses descendants radioactifs.
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