FR2502342A1 - Dispositif de calcul portatif permettant la mesure de rayonnements ionisants utilisant un detecteur a semi-conducteur et notamment a compensation electronique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE CALCUL PORTATIF PERMETTANT LA MESURE DE RAYONNEMENTS IONISANTS UTILISANT UN DETECTEUR A SEMI-CONDUCTEUR ET A COMPENSATION ELECTRONIQUE. CE DISPOSITIF COMPREND UN DETECTEUR A CRISTAL SEMI-CONDUCTEUR 1 SUSCEPTIBLE DE DELIVRER UN SIGNAL ELECTRIQUE DEPENDANT DE FACON BIONIVOQUE DE L'ENERGIE D'UN RAYONNEMENT SUSCEPTIBLE D'ETRE RECU PAR LE DETECTEUR 1, DES MOYENS D'AMPLIFICATION A, A DU SIGNAL ELECTRIQUE ISSU DU DETECTEUR 1, DES MOYENS ELECTRONIQUES DE COMPENSATION T.S, 25, 29, 31 DUDIT SIGNAL ET DES MOYENS D'AFFICHAGE 27, 33, 17, RELIES AU MOYEN D'AMPLIFICATION ET AUX MOYENS DE COMPENSATION, PERMETTANT D'AFFICHER LA DOSE DE RAYONNEMENT RECUE PAR LE DETECTEUR.

Description

La présente invention concerne un dispositif de calcul portatif permettant la mesure de rayonnements ionisants utilisant un détecteur de rayonnements ionisants et notamment à compensation électronique de l'hypersensibilité de ce détecteur aux rayonnements de faibles énergies ; ce détecteur est de préférence un détecteur à semiconducteur La compensation électronique permet de mesurer de façon exacte la dose intégrée dans le temps du rayonnement ionisant. Ce dispositif permet une visualisation directe de la dose intégrée. De plus, ce dispositif portatif peut délivrer un signal d'alarme pour un débit de dose donnée dudit rayonnement. Ce dispositif portatif s'applique en particulier dans le domaine de la radioprotection.

Dans certains postes de travail, par exemple dans des installations nucléaires, le personnel est soumis constamment à l'effet des rayonnements. Il en résulte qu'il est important de connaître avec précision, à la fin ou pendant chaque période de présence à ces postes de travail, la dose reçue par le personnel ainsi que la dose cumulée par exemple au cours d'un trimestre ou d'une adné?, afin de s'assurer du respect de la réglementation en vigueur dans ce domaine. Le personnel est donc amené à porter en permanence des dispositifs portatifs tels que des dosimètres individuels permettant de connaître la dose d'irradition reçue au cours de certains travaux. Ces dispositifs portatifs peuvent aussi être utilisés en médecine nucléaire ou radiologique par les médecins- ou les patients.

I1 existe actuellement divers types de dispositifs portatifs à lecture directe parmi lesquels on distingue principalement
- les stylos dosimètres comprenant généralement une chambre d'ionisation de faibles dimensions à laquelle est associé un électroscope et donnant la dose intégrée dans le temps avec une lecture directe analogique. En général, ce type de dosimètre ne délivre pas de signal d'alarme pour un débit de dose donnée et en général la compensatIon de l'hypersensibilité du détecteur, ici la chambre d"io- nisation, au rayonnement ionisant de faibles energies est effectuée au moyen d'écrans, par exemple réalisés avec du graphite, d'un emploi délicat et limité et ne permettant de faire qu'une compensation grossière.

Ces dosimétres sont de plus très sensibles aux chocs, ce qui entraîne des erreurs de mesures des doses re çues. De même, la plage de mesure est limitée ainsi que le nombre de graduations de 11 échelle, ce qui rend la lecture délicate. Enfin, la recharge de la chambre après utilisa-tion, c'est-à-dire la remise à zéro de celle-ci, est mal aisée et ne peut être faite que par un personnel spécialisé.

- les compteurs de Geiger-Muller miniature, associés à une électronique de traitement qui délivre un signal sonore pour un débit de dose donné et donne la dose intégrée dans le temps avec une lecture directe. Dans ce type de dosimètre, la compensation en énergie est effectuée, comme pour les chambres d'ionisation, au moyen d'écrans tels que des écrans en étain et en plomb. De plus, ces dosimètres présentent une durée de vie réduite, une usure des compteurs par pollution des gaz contenus dans lesdits compteurs au cours du temps. Enfin, leur fonctionnement nécessite l'utilisation d'une tension d'alimentation élevée, donc l'utilisation d'un convertisseur continu-continu.

L'invention a pour objet un nouveau dispositif portatif du genre dosimètre individuel permettant de remédier à ces inconvénients et permettant notamment de compenser plus simplement et plus complètement l'hypersensibilité du détecteur aux rayonnements ionisants de faibles énergies.

L'invention a pour objet un dispositif portatif de mesure de rayonnements ionisants comprenant un détecteur susceptible de délivrer un signal électrique dépendant de façon biunivoque de l'énergie d'un rayonnement susceptible d'être reçu par le détecteur des moyens d'amplification et des moyens électroniques de compensation des variations du signal électrique délivré par le détecteur et lié aux variations de l'énergie du rayonnement, produisant un signal de sortie qui est dans un rapport constant avec l'énergie dudit rayonnement pouvant être absorbée par des tissus humains et des moyens d'affichage reliés au moyen d'amplification et de compensation, permettant d'afficher la dose de rayonnement reçue par le détecteur.

Un détecteur dont la réponse est dans un rapport constant avec l'énergie absorbée par les tissus humains pour le rayonnement considéré est appelé un détecteur à compensation "équivalent tissu".

Selon un mode préféré de l'invention, le détecteur est un détecteur à cristal semiconducteur tel que le tellurure de cadmium. I1 est à noter qu'il a été proposé un certain nombre de dispositifs individuels comprenant un détecteur à semiconducteur du type tellurure ze cadmium permettant uniquement de donner un signal d'alarme, indiquant la présence de rayonnement, donc un débit de dose, mais ne donnant aucun renseigneent sur la dose intégrée du rayonnement et ne réalisant aucune compensation de l'hypersensibilité du détecteur aux rayonnements de faibles énergies.

Selon un autre mode préféré de l'invention, le dispositif portatif comprend en outrer un filtre nucléaire, constituant un écran absorbant.

L'invention a aussi'pour objet un dispositif de calcul portatif produit en grande série, tel que des mini-calculatrices, sur lequel on adjoint une fonction "détection nucléaire
Ce dispositif de calcul portatif comportant de façon connue des moyens d'addition d'informa tions numériques, des moyens de détermination de périodesde temps et des moyens d'affichage, se caracterise en ce qu'il comporte également un détecteur nucléaire apte à délivrer un signal fonction du rayonnement nu cléaire où il est placé et des moyens de conversion de ce signal en informations numériques, les moyens d'addition recevant lesdites informations numériques, les moyens de détermination de périodesde temps commandant lesdit-s moyens d'addition de manière à effectuer un calcul de la dose de rayonnement nucléaire reçue pendant une période de temps, dite d1intégra- tion, qui est affichée par lesdits moyens d'affichage.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif portatif selon l'invention
- la figure 2 représente schématiquement une première variante du circuit électronique du dispositif melon l'invention
- la figure 3 représente un schéma détaillé du-circuit électronique de la figure 2 ;
- la figure 4 représente schématiquement une deuxième variante du circuit électronique du dispositif selon l'invention.

Un dispositif portatif de mesure de rayonnements ionisants, selon l'invention, est schématisé sur la figure 1. Ce dispositif portatif du genre dosimètre individuel comprend un détecteur par exemple à cristal semiconducteur 1 tel qu"1?' cristal de tellurure de cadmium fonctionnant à température ambiante. Sur les faces opposées 3 et 5 du détecteur à cristal 1 sont disposées deux électrodes métalliques 7 et 9 entre lesquelles est établie, au noyen d'une source d'alimentation une différence de potentiel de l'ordre de quelques Volts.Le détecteur à semiconducteur 1 peut être associé à un jeu d'écrans absorbants 11, placés devant le détecteur et réalisés en un matériau contenant de l'étain et du plomb, jouant le rôle de filtre nucléaire analogue à ceux utilisés avec les compteurs Geiger-Muller et servant de précompensation de l'énergie des rayonnements arrivant sur ce détecteur. Ce jeu d'écrans peut être protégé par une grille 12, perméable aux différents rayonnements ionisants à détecter. Un joint annulaire 13 est intercalé entre le détecteur à cristal 1 et le jeu d'écrans 11 de façon que toutes les particules ayant traversé le jeu d'écrans puissent être recueillies par le détecteur. Des cales telles que 14 permettent de maintenir le détecteur à cristal 1 dans un bol-- tier 16.

Au passage d'une particule ionisante, la conductibilité induite dans le semiconducteur produit un signal électrique. Le circuit électronique 15, associé au détecteur-a pour rôle d'effectuer un traitement de ce signal de façon à le transformer en une ou plusieurs grandeurs directement utilisables par le personnel, telles que le débit de dose et la dose intégrée. Ces grandeurs sont afficrees sur un afficheur à cristaux liquides par exemple 17. De plus, l'électronique 15 commande une alarme sonore 19, se déclenchant pour un seuil numérique donné de débit de dose d'un rayonnement ionisant permettant ainsi d'indiquer la présence de rayonnements.

Avant de décrire ltélectronique, associée au détecteur à cristal du dosimètre individuel repré senté sur la figure 1, on va rappeler quelques éléments de physique de détection des rayonnements ionisants et en particulier de détection des rayonnements y. On sait que le bombardement d'un rayonnement y avec un matériau permet d'obtenir l'émission de particules secondaires possédant une charge électrique. En particulier, ce bombardement permet d'obtenir l'effet photoélectrique (éjection d'un électron des couches K ou L d'un atome par perte de toute l'énergie du photon) ou l'effet Compton (choc entre un photon et un électron libre d'un atome au cours duquel l'électron éjecté ne reçoit qu'une partie de l'ener- gie du photon incident).

L'utilisation d'un matériau semiconducteur présentant un nombre élevé d'électrons Z fait que le nombre d'interactions avec le matériau, pour un flux y d'énergie donnée, va être beaucoup plus important si ce flux est faiblement énergétique. En effet, pour un flux d'énergie E inférieur a' 250 KeV, le nombre d'interactions suit la loi de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire, que le nombre d'interactions est proportionnel à Z-3,5 et pour un flux d'énergie E compris entre 250 KeV et 2 MeV le nombre d'int-erac- tions suit la loi de l'effet Compton, c'est-à-dire que le nombre d'interactions est proportionnel à ZE1.

Pour des tissus humains, dont le nombre Z est beaucoup plus faible que celui du tellurure de cadmium, la loi est très différente car l'effet pho toelectrique est proportionnellement moins important que l'effet Compton. En conséquence, lorsque l'on utilise un détecteur à Z plus élevé quo celui des tissus biologiques, il est nécessaire de diminuer l'hypersensibilité du détecteur pour des flux y de basse énergie La compensation électronique, que l'on associe au détecteur à semiconduteur, permet donc de compenser les variations du signal issu du détecteur à semiconducteur de façon à rendre les courbes de variation en fonction de l'énergie du rayonnement, "plates (c'est-à-dire, identiques à célles de l'énergie absorbée par les tissus humains pour le rayonnement considéré).

I1 est à noter que cette compensation électronique est possible car la réponse du détecteur par exemple à cristal semiconducteur tel que le tellurure de cadmium, est fonction biunivoque de l'énergie du rayonnement. Cette compensation ne peut être envisagée avec des dosimètres à Geiger-Muller puisque dans ce cas, l'amplitude des impulsions est indépendante de l'énergie initiale.

Les figures 2, 3 et 4 représentent deux modes de réalisations des circuits électroniques associés au détecteur par exemple à cristal semiconducteur.

Dans le premier mode de réalisation, sché-.

matisé sur les figures 2 et 3, les moyens de traitement du signal issu du détecteur sont de type numri- que. Sur la figure 3 représentant un schéma détaillé du circuit électronique, le détecteur 1 est relié à la source d'alimentation par l'intermédiaire de résistances R.

Le signal ou impulsion issu du détecteur 1, présentant une très faible amplitude, doit tout d'abord être amplifié au moyen d'une chaîne d'anpli- fication telle que 21 avant d'être compensé selon l'invention. Cette chaîne d'amplification peut être constituée comme représenté sur la figure 3 par un amplificateur A1 à bas bruit de fond, fonctionnant en préamplificateur de charge avec une capacité C1 de 0,5 à 1 picofarad et une résistance R1 telle que R1C1 soit compris entre 50 et 100 microsecondes et par un amplificateur A2 monté en amplificateur de tension au moyen d'une résistance R2, la sortie de l'amplificateur A1 étant reliée à l'entrée négative -de l'amplificateur A2 au moyen d'une résistance R3.Dans ce mode de réalisation, les moyens de compensation électronique comprennent essentiellement un circuit de mise en forme 23 assurant une conversion amplitude temps parallèlement la fonction "seuil" par l1in- termédiaire de deux résistances r1 et r2, afin d'éliminer les impulsions d'amplitude trop faible pour être prise en compte et notamment le bruit créé par le courant de fuite du détecteur à cristal 1. Ce cir- cuit de mise en forme connecté à la sortie de l'amplificateur A2 par l'intermédiaire d'une capacité C2 peut être constitué par un circuit T.S. (figure 3) connu sous le nom de trigger de Schmidt et produit des signaux sous forme de créneaux servant à décharger la capacité C1 du préamplificateur A1.La décharge de la capacité C1 peut être réalisée au moyen d'une chaîne de contre-réaction constituée de deux résistances en série R4 et R51 d'une résistance R6 et d'une diode d montées en parallèle. La résistance R4 est réglée de façon que la durée de charge de la capacité C1 soit courte yis-à-vis de la durée R1C1 par exemple de 5 à 10 microsecondes. La durée du créneau fournie par le circuit de mise en forme 23 est proportionnelle à l'énergie du rayonnement ionisant arrivant sur le détecteur G cristal 1. La chaîne de contre-réaction R4, d, R6, R5 est connectée en un point A situé avant-une capacité d'entrée C3 reliant le détecteur 1 à l'entrée négative du préamplificateur A1. Le courant impulsionnel qui traverse cette contre-réaction présentant une valeur moyenne nulle ne modifie pas le potentiel du point A et ce quel que soit le signal de sortie du détecteur.

Dans l'exemple de réalisation décrit cidessus, la conversion en durée de l'amplitude des signaux sortant de la chaîne d'amplification 21 est linéaire, mais on peut envisager une conversion amplitude-temps non linéaire, suivant une loi préétablie permettant par exemple d'associer une durée plus faible pour les rayonnements de faible énergie que pour ceux d'énergie élevée.

Le signal issu du circuit de mise en forme 23 ouvre la porte 25 d'une échelle de comptage 27 qui compte les impulsions issues d'une horloge 29 à fréquence fixe par exemple de 1MHz.

A chaque détection d'une particule d'énergie supérieure à un certain seuil, on dispose d'une impulsion issue du circuit de mise en forme 23 dont la durée est liée à l'énergie des particules ionisantes arrivant sur le détecteur 1. On divise alors la durée des impulsions en une dizaine de classes 0 à lus, 1 à 2as..., 9 à lois, en convertissant la durée des impulsions issues du circuit 23 en un nombre d'impulsions à l'aide de l'horloge 29 à fréquence fixe. Si hT correspond à N impulsions, 10hT correspondent à 10N impulsions. Ceci a donc pour effet de diviser l'échelle des énergies reçues par le détecteur en 10 classes numérotées de 1 à 10 ; la classe 1 représente 0 à N impulsions, la classe 2 N à 2N impulsions, ...la classe 10, 9N à 10N impulsions.La compensation en énergie est ensuite assurée par une mémoire 31 telle qu'une oire programmable ou reprogrammable à lecture seule (PROS ou REPROM) qui attribue à chaque classe un coefficient prédéterminé (allant de 1 à 64 par exemple) de façon à appliquer un poids plus élevé à la classe la plus élevée (10) donc de donner plus de poids aux fortes énergies qu'aux faibles énergies, ce qui permet de compenser l'hypersensibilité du détecteur aux faibles éner gies.

Le résultat, c'est-à-dire la dose intégrée reçue par le détecteur, consiste donc à additionner ces coefficients au moyen d'un additionneur tel que 33. Le résultat final est alors affiché sur l'afficheur 17.

L'introduction de la mémoire 31 permet de réaliser de façon discrèt < n'importe quelle loi de compensation de l'énergie des particules ionisantes ; ceci permet de s'adapter à n importe quels volume et qualité du détecteur. En effet le choix des poids à attribuer aux différentes énergies peut etre fait en comptant directement les impulsions d'horloge contenues dans les créneaux du circuit 23 (la mémoire 31 étant en court-circuit) et en mesurant la sensibilité du détecteur aux différentes énergies au moyen de sources de rayonnement connues. I1 suffit alors de calculer les coefficients égaux, à l'inverse de la sensibilité. Cet étalonnage permet donc de programmer la mémoire 31 suivant la sensibilité du détecteur utilisé.

A la place de l'horloge fixe et de la mémoire 31, on peut utiliser une horloge à frequence réglable. A chaque impulsion issue du circuit de mise en forme 23 est déclenchée une séquence dgimpulsion d'horloge de fréquence croissante, c'est-à-dire, que les intervalles de temps séparant les impulsions d'horloge vont en diminuant au fur et à mesure de leur avènement ; par exemple 8, 4, 2, 1 microsecon- des, de façon à prendre en compte un nombre d'impulsions inférieur au nombre d'impulsions comptées, issues du circuit de mise en forme 23, ce qui revient à donner plus de poids aux fortes énergies qu'aux faibles énergies donc de compenser l'hypersensibilité du détecteur au rayonnement de faibles énergies.La réalisation de telles séquences programmées est avec les éléments technologiques en circuits intégrés, disponibles actuellement, très facile à réaliser pour l'homme de l'art.

Au moyen de compensation utilisant l'horloge à fréquence réglable, ont peut associer le filtre nucléaire 11, jouant un rôle de précompensation.

Ceci permet d'effectuer une compensation en énergie plus faible, donc meilleure, et de compenser ainsi les variations de volume et les caractéristiques des différents détecteurs à cristal qui ne manqueront pas de se produire, compte tenu de la faible tension d'alimentation de ces détecteurs.

Selon un autre mode de réalisation, les moyens d'amplification et de compensation dU signal électrique issu du détecteur à cristal 1 sont de type analogique. De tels moyens sont représentés sur la figure 4. Dans ce mode de réalisation, les moyens d'amplification et de compensation comprennent un amplificateur à gain variable 35, c'est-à-dire qu'en fonction de l'amplitude du signal de sortie du détecteur, dépendant de l'énergie du rayonnement, on module le gain de l'amplificateur de façon à donner plus de poids aux fortes impulsions qu'aux faibles. La dose intégrée dans le temps peut être affichée, comme précédemment, sur l'afficheur 17 par l'intermédiaire de l'additionneur 33, de l'échelle de comptage 27 et d'un convertisseur analogique numérique 39 relise à l'amplificateur de gain 35.

Dans ce mode de réalisation, l'affichage de la dose intégrée peut se faire de façon analogique en remplaçant l'échelle de comptage 27 et le convertisseur analogique numérique 39 par un intégrateur donnant directement la dose intégrée dans le temps.

Bien entendu, tout autre mode de réalisation de compensation de l'énergie des rayonnements permettant de produire des signaux "équivalents tissus" peut être envisagé sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Les détecteurs à semi-conducteur fonctionnant à température ambiante ont maintenant atteint un niveau technologique tel que leurs propriétés permet tent de les utiliser en radsoprOtectiOn , ces propriétés étant les suivantes - très faible encombrement (quelques millimètres cube), - gamme d'énergie assez large (quelques 10 Kev à
1 Met), - compensable électroniquement pour respecter les
normes de dosimètrie, - alimentation sous faible tension, compatible avec
les tensions utilisées en micro-électronique.

Dans des dispositifs de calcul portatif tels qu,e des mini-calculatrices ou dans des montres, on peut adjoindre, conformément à l'invention, une fonction "détection nucléaire" en plaçant dans le dispositif portatif un détecteur à semi-conducteur tel que le tellurure de cadmium et présentant les propriétés décrites ci-dessus. Pour connaître le débit de dose et éventuellement la dose intégrée d'un rayonnement ionisant, on utilisera, alors, certaines fonctions qui existent dans de tels dispo-.itifs tels que l'affichage numérique, l'alarme sonore, l'inté- gration, le comptage, le chronomètre électronique, les registres d'attente..., en intercalant entre les circuits numériques correspondant à ces fonctions et le détecteur à semi-conducteur un circuit intégré approprio.

En effet, l'affichage numérique pourra être utilisé pour afficher, le débit de dose, la dose, les points du spectre en énergie, etc..., l'intégration et le comptage permettront de calculer la dose intégrée, le chronomètre électronique permettra de calculer le débit de dose et les registres d'attente permettront de choisir des seuils d'alarme (présence de rayonnements).

Ces dispositifs portatifs fabriqués en grande série pourront être utilisés comme badges électroniques permettant d'avoir : les fonctions dosimètre à alarme sur seuil en débit de dose, les fonctions de calcul de dose intégrée facilement centralisable dans un système informatique direct de saisie d'informations numériques, les fonctions de lecture directe en débit de dose ou en dose intégrée.

Ces dispositifs portatifs munis de la fonction "détection nucléaire" s'appliquent dans les mêmes domaines que ceux utilisant un dosimètre individuel tel que décrit précédemment.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   Dispositif de calcul portatif comportant de facon connue des moyens d'addition (33) dlinformations numériques, des moyens t29) de détermination de période de temps et des moyens d'affichage (17), caractérisé en ce qu'il comporte également un détecteur (1) nucléaire apte à délivrer un signal fonction du rayonnement nucléaire où il est placé et des moyens de conversion de ce signal en informations numériques, les moyens d'addition (33) recevant lesdites informations numériques, les moyens !29) de dtermination de période de temps coiranandant lesdits moyens d'addition (33) de manière à effectuer un calcul de la dose de rayonnement nucléaire reçue pendant une période de temps, dite d'intégration, qui est affichée par lesdits moyens d'affichage (17).
2. 2. Dispositif selon a revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur nucléaire (1) est un détecteur a semiconducteur.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détecteur (1) à semiconducteur fonctionne à température ambiante.
4. 4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le détecteur (1) est du tellurure de cadmium.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens électroniques de compensation (23, 31) es variations du signal électrique délivré par le détecteur (1) en fonction de l'énergie des rayonnements nucléaires.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 5, caractérisé en ce que les moyens (29) de détermination de périodes de temps commandent les moyens d'addition (33) de manière effectuer un calcul de la dose moyenne de rayonnement nucléaire pendant une pFriode de temps, dite d'échantillonnage, autrement dit, le débit de dose, qui est affichez par les moyens d'affichage (17).
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détermination d'un seuil numérique, des moyens de comparaison de l'une des informations délivre par les moyens d'addition (33) à ce seuil numérique et des moyens d'alarme (19) commandés par lesdits moyens de comparaison.