FR2514557A1 - Spectrometre magnetique miniature a structure coaxiale - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN SPECTROMETRE MAGNETIQUE MINIATURE A STRUCTURE COAXIALE. CE SPECTROMETRE 2, ASSOCIE A UN GENERATEUR DE PARTICULES 4 COMPREND UN TRANSFORMATEUR 6, 8, 26, 28 CREANT UN CHAMP MAGNETIQUE POUR DEVIER LES PARTICULES CHARGEES, INJECTEES A UNE PREMIERE EXTREMITE 2A DU CORPS DU SPECTROMETRE 2, CE TRANSFORMATEUR ETANT MUNI D'UN CIRCUIT SECONDAIRE, CONSTITUANT LE CORPS DU SPECTROMETRE, FORME D'UN CONDUCTEUR EXTERNE 8 EN COURT-CIRCUIT AVEC UN CONDUCTEUR INTERNE 6 COAXIAL AU CONDUCTEUR EXTERNE, CES DEUX CONDUCTEURS DEFINISSANT UN ESPACE ANNULAIRE 10 DANS LEQUEL LES PARTICULES CHARGEES PEUVENT SE DEPLACER, DES MOYENS 18 POUR DETECTER LES PARTICULES DEVIEES, DISPOSES A UNE DEUXIEME EXTREMITE 2B DU CORPS DU SPECTROMETRE, DES MOYENS 54 POUR SELECTIONNER LES PARTICULES SUIVANT LEUR ANGLE D'INJECTION ET UN ELEMENT CONVERTISSEUR 20 DE PARTICULES PLACE DANS L'ESPACE ANNULAIRE 10 AU NIVEAU DE LA PREMIERE EXTREMITE 2A.

Description

i

La présente invention concerne un spectro-

mètre magnétique miniature à structure coaxiale Ce spectromètre permet notamment de mesurer, de façon puisée ou continue, l'énergie de divers rayonnements nucléaires constitués de particules chargées ou non, telles que des neutrons, des protons, des alphas, des gamma et divers rayonnements atomiques tels que des X, etc La spectrométrie magnétique nucléaire ou atomique est obtenue, de façon générale, en effectuant

un tride particules chargées (ions, électrons) repré-

sentant, soit, le rayonnement incident soit, des par-

ticules secondaires issues d'une réaction avec un ma-

tériau convenablement choisi, couramment appelé élé-

ment convertisseur Ces particules secondaires sont

par exemple, des protons résultant de la transforma-

tion nucléaire d'un neutron en proton ou des électrons émis par effet Compton ou effet photoélectrique Les

particules chargées correspondant au rayonnement in-

cident ou aux particules secondaires émises sont sou-

mises à l'action d'un champ magnétique intense, ce qui

justifie l'expression de spectrométrie magnétique.

Les spectromètres magnétiques, connus jus-

qu'à ce jour, sont munis de circuits magnétiques du type électro-aimant qui présentent des encombrements prohibitifs Ces circuits magnétiques créent, de plus,

des champs magnétiques mal définis et de faible inten-

sité.

L'invention a justement pour but un spectro-

mètre magnétique miniature à structure coaxiale per-

mettant de remédier à ces inconvénients Ce spectromè-

tre présente de faibles dimensions et les circuits ma-

gnétiques associés créent un champ magnétique très bien

défini et de grande intensité.

De façon plus précise, l'invention a pour objet un spectromètre magnétique se caractérisant en ce qu'il comprend un transformateur pour créer un

champ magnétique servant à dévier des particules char-

gées, injectées à la première des extrémités du corps du spectromètre, ce transformateur étant muni d'un

circuit secondaire, constituant le corps du spectromè-

tre, formé d'un conducteur externe en court-circuit

avec un conducteur interne, coaxial au conducteur ex-

terne, ces deux conducteurs définissant un espace an-

nulaire dans lequel les particules chargées peuvent se déplacer, et des moyens pour détecter les particules

déviées, ces moyens étant disposés à la deuxième ex-

trémité du corps du spectromètre.

L'utilisation d'un spectromètre magnétique à structure coaxiale permet d'obtenir à bon marché un spectromètre miniaturisé Le champ magnétique créé par

un tel spectromètre est très bien défini, ce qui pe-

rmet de connaître avec précis-ion les trajectoires sui-

vies par les particules dans le corps du spectromètre et donc d'analyser avec précision la largeur d'une

bande ou d'une raie d'énergie.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'alésage du conducteur externe et le

conducteur interne présentent une forme de diabolo.

La forme en diabolo du conducteur interne et de l'alésage du conducteur externe est déterminée en fonction des trajectoires suivies par les particules qui cont connues avec précision, puisque le rayon de coubure des trajectoires dépend de l'intensité du champ magnétique, connu avec précision et de la masse

de ces particules.

Selon un autre mode préféré de réalisation

de l'invention, le transformateur est muni d'un cir-

cuit primaire relié à un circuit d'alimentation élec-

trique, ledit circuit primaire étant constitué par exemple d'une série de bobines en spirale disposées

tout autour d'un noyau de fer doux et reliées électri-

quement entre elles Ce circuit d'alimentation com- prend, par exemple, un condensateur C pouvant être chargé par une tension continue, relié en série avec

une résistance R, l'ensemble, constitué du condensa-

teur C et de la résistance R étant branché aux bornes du circuit primaire, et des moyens pour décharger de façon impulsionnelle le condensateur C. De plus, le circuit d'alimentation comprend des moyens pour réguler l'intensité électrique débitée

dans le circuit primaire lors de la décharge du con-

densateur C. Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, ce spectromètre comprend des moyens permettant de sélectionner les particules chargées suivant l'angle sous lequel elles sont injectées dans

le corps dudit spectromètre Ces moyens sont par exem-

ple constitués d'une série de lames minces en matériau isolant, équidistantes les unes des autres, fixées

dans-l'espace annulaire suivant des directions radia-

les. L'utilisation de ces moyens de sélection permet une détection aiséedes particules en fonction de leur trajectoire suivie dans le spectromètre, et donc d'améliorer considérablement, par rapport aux

spectromètres classiques, le rapport signal/bruit.

Comme on l'a dit précédemment, le spectromè-

tre de l'invention permet de mesurer l'énergie d'un

rayonnement nucléaire ou atomique constitué de parti-

cules chargées ou non Dans le cas de particules non chargées, le spectromètre selon l'invention comprend un élément convertisseur annulaire susceptible d'être bombardé par les particules non chargées et apte à

émettre, suite au bombardement, des particules char-

gées, cet élément convertisseur étant placé dans l'es-

pace annulaire au niveau de la première extrémité du corps du spectromètre, la nature de cet élément étant fonction de la nature des particules non chargées que

l'on désire analyser.

D'autres caractéristiques et avantages de

l'invention ressortiront clairement de la description

qui suit, donnée à titre illustratif mais nullement

limitatif, en référence aux figures annexées, sur les-

quelles: -

la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un schéma d'ensemble du spectromètre de l'invention;

la figure 2 représente un schéma électrique du cir-

cuit d'alimentation du circuit primaire du transfor-

mateur;

la figure 3 représente un premier mode de réalisa-

tion des moyens de détection des particules chargées du spectromètre de l'invention;

les figures 4 a à 4 d représentent différentes varian-

tes d'un second mode de réalisation des moyens de détection des particules chargées du spectromètre de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté, en coupe

longitudinale, un spectromètre magnétique conformé-

ment à l'invention Ce spectromètre, désigné par la référence générale 2, est associé à un collimateur de particules 4 dont on n'a représenté que la dernière

partie Ce collimateur ne faisant pas partie de l'in-

vention n'a pas été représenté dans son entier et ne sera pas décrit ultérieurement Il est cependant à noter que ce dernier peut être intégré au spectromètre

afin d'éviter les difficultés d'alignement.

Selon l'invention, le corps du spectromètre

2 est constitué par deux conducteurs coaxiaux, un con-

ducteur interne 6 et un conducteur externe 8 Ces deux conducteurs définiq An F lin rcna': ' In q 4557

lequel peuvent se déplacer les particules chargées is-

sues du collimateur 4 dont le rôle est de sélectionner les particules qui sont bien parallèles à l'axe de révolution du corps du spectromètre De plus, ces deux conducteurs 6 et 8 sont mis en court-circuit au niveau des extrémités 2 a et 2 b du corps du spectromètre au moyen de deux soudures 12 et 14 Le soudage des deux connecteurs peut être effectué à basse température, de l'ordre de 751 C avec une technique de soudure au four

sous vide.

Selon l'invention, le conducteur interne 6

ainsi que l'alésage du conducteur externe 8, dans le-

quel est logé le conducteur interne 6 présentent une

forme de diabolo Sur la figure 1, ce diabolo présen-

te, à son extrémité située du côté de l'extrémité 2 a

du corps du spectromètre, un diamètre inférieur à ce-

lui de l'autre extrémité dudit diabolo, située du côté

de l'extrémité 2 b du corps du spectromètre Bien en-

tendu, ceci n'est qu'un exemple de réalisation, l'ex-

trémité du diabolo, située du côté de l'extrémité 2 a

du corps du spectromètre, pouvant présenter un diamè-

tre supérieur ou égal à celui de l'autre extrémité dudit diabolo La dimension relative des diamètres des extrémités du diabolo dépend du dimensionnement adopté

pour le spectromètre.

Afin de faciliter l'assemblage des deux con-

ducteurs, le conducteur interne 6 peut être réalisé en deux parties que l'on soude comme précédemment La coupure du conducteur interne et donc la soudure de celui-ci, référencée 16, peuvent être effectuées dans la partie la plus étroite du conducteur interne, en

forme de diabolo Cette partie plus étroite sera appe-

lée, ultérieurement, le cercle de gorge.

Le spectromètre magnétique comprend, de plus, des moyens de détection, portant la référence

générale 18, servant à détecter les particules char-

gées issues du collimateur 4 Ces moyens de détection 18 sont disposés au niveau de l'extrémité 2 b du corps du spectromètre La nature et le fonctionnement de ces moyens de détection seront décrits de façon détaillée ultérieurement. Comme on l'a dit précédemment, le spectromè- tre selon l'invention peut être utilisé pour l'analyse

de particules chargées et de particules non chargées.

Dans le cas o les particules à analyser issues du collimateur 4 ne sont pas chargées, le spectromètre

doit être muni d'un élément convertisseur 20 Ce con-

vertisseur 20 de forme annulaire est disposé dans l'espace annulaire 10, défini par les conducteurs 6 et

8, au niveau de l'extrémité 2 a du corps du spectromè-

tre.

Cet élément convertisseur, soumis au bom-

bardement de particules non chargées (neutrons, photon gamma ou photon X, etc) est susceptible d'émettre des particules chargées (ions, électrons, etc) La nature de cet élément est fonction de la nature des

particules non chargées que l'on désire analyser.

Dans le cas o les particules à analyser sont des neutrons, l'élément convertisseur peut être par exemple constitué d'une fine couche de matériau hydrogéné dont l'épaisseur peut être variable suivant

les luminosités recherchées, c'est-à-dire 1 à 300 am.

La géométrie annulaire de l'élément convertisseur et

son épaisseur excluent dans certains cas l'emploi di-

rect d'une feuille de plastique En conséquence, cette dernière afin de faciliter sa manipulation peut être

collée sur une feuille métallique.

Dans le cas o les particules à analyser sont des photons X, l'élément convertisseur devra être réalisé en un matériau de -numéro atomique (Z) élevé tel que le tungstène ou le plomb, de façon à rendre

complètement prépondérant l'effet photoélectrique.

L'assemblage de cet élément convertisseur est réalisé en même temps que l'assemblage des deux conducteurs 6 et 8 Afin d'éviter tout débordement de la soudure 12 sur l'élément convertisseur, un joint

torique 22 peut être logé dans l'espace annulaire 10.

Ce joint, réalisé par exemple en un matériau connu sous la marque Viton, permet, de plus, d'assurer une

bonne étanchéité du vide présent dans le spectromètre.

Le montage décrit ci-dessus permet de maintenir un vi-

de de l'ordre de 0,5 torr.

Selon l'invention, les deux conducteurs 6 et 8, en court-circuit, forment le circuit secondaire d'un transformateur Etant donné la forme du circuit

secondaire, constitué par une unique boucle, on con-

çoit bien qu'une énergie modeste soit suffisante pour engendrer des courants de très grande intensité et donc de créer un champ magnétique intense, permettant la déviation des particules chargées se déplaçant dans

l'espace annulaire 10.

Afin d'engendrer des courants intenses dans le circuit secondaire, il est nécessaire de réaliser ce dernier de façon qu'il soit aussi peu résistant que

possible L'utilisation du cuivre-massif est tout in-

diquée pour cela, mais l'effet de peau limitant la partie active à une mince pellicule de 0,1 à 2 mm, on réalisera dans certains cas les conducteurs 6 eti 8, constituant ce circuit secondaire, eni un métal lourd tel que le plomb ou le tungstène recouvert d'une mince

pellicule de cuivre 24.

Ce transformateur est muni d'un noyau en fer doux 26 de forme annulaire Ce noyau de fer doux 26 situé dans le conducteur externe 8, peut être soit

placé à proximité de l'extrémité 2 b du corps du spec-

tromètre, dans ce cas il porte la référence 26 a, soit placé dans la partie centrale dudit conducteur 8 et à proximité du conducteur interne 6, autrement dit au niveau du cercle de gorge Dans ce dernier cas, le noyau de fer doux portant la référence 26 b peut être

réalisé sous forme d'un noyau feuill&-

Afin d'obtenir un effet de blindage maximal et un volume à magnétiser aussi faible que possible, le circuit secondaire du transformateur devra être aussi compact que possible Il en est d'ailleurs de même pour le noyau du transformateur (la section du noyau étant de quelques cm 2) d'o son emplacement dans

le conducteur externe et sa faible dimension.

Selon l'invention, le circuit primaire du transformateur, portant la référence générale 28, est

constitué d'une série de N bobines en spirale 30, dis-

posées tout autour du noyau de fer doux 26 a ou 26 b.

Ces N bobines 30 par exemple en nombre pair, peuvent être mises en série deux à deux de telle sorte que chacune d'elles comporte n/2 spires La mise en série

de ces bobines peut être effectuée au moyen d'une ban-

de conductrice 32 réalisée par exemple en cuivre en-

tourant le noyau de fer doux 26 a ou 26 b, la spire centrale de chaque bobine 30 étant soudée sur cette

bande conductrice 32 Ces bobines peuvent être alimen-

tées à l'extérieur soit par des tensions symétriques, soit par des tensions dissymétriques; dans ce cas,

l'une des bobines est reliée à la masse Ceci est pos-

sible puisque le noyau de fer doux est isolé.

Afin de réduire l'énergie magnétisante né-

cessaire au fonctionnement du spectromètre et d'éviter

les pertes d'énergie, la résistance du circuit primai-

re doit être la plus faible possible Pour cela, les

bobines 30 pourrontêtre réalisées à partir d'un con-

ducteur bobiné en spirale et constitué de plusieurs

feuilles de cuivre isolées les unes des autres L'iso-

lement de chacune de ces feuilles et le maintien de

celles-ci ensemble est avantageusement réalisé en uti-

lisant comme isolant un tissu de verre imprégné de

résine époxy.

Le circuit d'alimentation du circuit pri-

maire a été schématisé sur la figure 2 Pour simpli-

fier le schéma, le circuit primaire a été représenté

par une simple bobine portant la référence 28 a.

L'alimentation du circuit primaire 28 a est assurée par la décharge d'un condensateur C (quelques 2 F), branché aux bornes du circuit primaire 28 a La décharge de ce condensateur C, chargé au préalable par une tension continue (quelques centaines de volt),

peut être déclenchée par exemple au moyen d'un thyris-

tor 34.

Pour des raisons que l'on donnera ultérieu-

rement l'intensité débitée dans le circuit primaire doit être régulée La régulation peut être obtenue en

"tronquant" une partie de la décharge du condensateur.

Ceci peut être réalisé au moyen d'un dispositif, tran-

sistorisé pouvant être asservi à la mesure du courant effectivement débité dans le circuit primaire 28 a du transformateur. La régulation de l'intensité débitée dans le circuit primaire peut être obtenue de deux manières différentes.

La première manière, encore appelée régula-

tion série, consiste à modifier la tension aux bornes du circuit primaire 28 a de façon à en contrôler le courant Pour cela, une résistance R est placée en série avec le condensateur C de façon que l'ensemble, constitué du condensateur C et de la résistance R en série, soit branché aux bornes du circuit primaire 28 a La chute de tension aux bornes de la résistance R est modulée par une batterie de transistors T montés

en parallèle.

Pour simplifier le schéma électrique, on n'a représenté sur la figure 2 qu'un seul transistor T Le

collecteur et l'émetteur de ce transistor T sont re-

liés aux bornes de la résistance R et la base de

celui-ci à un système d'asservissement constitué prin-

cipalement d'un amplificateur opérationnel 36 La sor-

tie de cet amplificateur est reliée à la base du tran-

sistor T, l'une de ses entrées est reliée à la masse (ou tension de référence) et son autre entrée à l'émetteur du transistor T par l'intermédiaire d'une

résistance R' La mesure du courant effectivement dé-

bité dans le circuit primaire 28 a est effectuée en

prenant la tension aux bornes de la résistance R'.

La seconde manière, encore appelée régula-

tion parallèle, consiste à placer comme précédemment une résistance R en série avec le condensateur C de façon à augmenter l'impédance interne du circuit de régulation, mais cette fois, on dérive une partie du courant de décharge du condensateur C, au moyen de la batterie de transistors T Le collecteur et l'émetteur du transistor T sont reliés aux bornes de l'ensemble, constitué par le condensateur C et la résistance R reliés en série, et la base du transistor T au système d'asservissement Comme précédemment, la mesure du courant effectivement débité dans le circuit primaire 28 a est effectuée en prenant la tension aux bornes de

la résistance R'.

Le choix entre ces deux types de circuit dé-

pend de la valeur du rapport de transformation N. Lorsque N est très élevé, on doit utiliser le montage

série car le courant est assez faible pour être trans-

mis en totalité à travers les transistors T et les

tensions sont trop élevées, compte tenu de la techno-

logie actuelle des transistors, pour le montage paral-

lèle.

Inversement, lorsque le rapport de trans-

formation N est faible, les courants sont élevés et il n'est plus possible de placer les transistors en série dans le circuit La seule solution consiste alors à il dériver une fraction du courant ( 3 % environ) comme cela est réalisé dans le montage parallèle, ce montage étant rendu possible en raison des faibles tensions

mises en jeu.

Il est à noter que le rapport de transforma- tion N dépend essentiellement du souci de limiter la résistance du circuit primaire Des études ont montré que N devrait être compris entre 30 et 60, et que par conséquent, le nombre de spires du circuit secondaire

étant égal à 1, le nombre de spires du circuit primai-

re sera compris entre 30 et 60 De plus, le fait de choisir N compris entre 30 et 60 permet de résoudre les problèmes dus à l'effet de peau apparaissant dans

le circuit secondaire du transformateur.

La régulation du courant débité dans le cir-

cuit primaire sert en fait à réguler le courant débité dans le circuit secondaire, ces deux courants étant reliés par la simple expression I = N Ip dans laquelle is et Ip représentent respectivement le courant débité dans le circuit secondaire et le courant débité dans

le circuit primaire.

Cette régulation du courant débité dans le circuit secondaire est nécessaire pour maintenir les trajectoires des particules dans l'espace annulaire 10 En effet, afin de réduire l'énergie nécessaire au fonctionnement du spectromètre, le volume à magnétiser qui est en fait l'espace annulaire 10 doit être le plus faible possible Ceci est en partie réalisé par la forme de cet espace annulaire, défini par la forme en diabolo du conducteur interne 6 et de l'alésage du

conducteur 8 dans lequel est logé le conducteur inter-

ne. Pour diminuer encore le volume à magnétiser la paroi interne l Oa (figure 1) de l'espace annulaire 10 et la paroi externe l Ob de celui-ci devront être

tangentes respectivement aux trajectoires des parti-

cules les plus internes et aux trajectoires les plus externes Sur la figure 1, on représente en pointillés l'une de ces trajectoires Il convient de noter que les trajectoires suivies par les particules chargés

dépendent de la nature de ces particules.

Etant donné que la trajectoire suivie par les particules dépend du champ magnétique créé par le

transformateur et donc du courant débité dans le cir-

cuit secondaire, on conçoit que le courant débité doit être très bien défini La régulation du courant débité

dans le circuit primaire et donc dans le circuit se-

condaire permet d'obtenir un courant, débité dans le secondaire, défini avez une précision de 5 10 3 Dans le cas o on analyse des protons de haute énergie,

les courants débités dans ce circuit peuvent être com-

pris entre 5 et 10 000 ampères Il est à noter que l'intensité du courant employé dépend de l'intensité

du champ magnétique que l'on désire obtenir; en par-

ticulier, la détection de photons y ou X, détectés par l'intermédiaire plus faibles que celle des neutrons,

détectés par l'intermédiaire de protons.

Afin d'obtenir un spectromètre miniature, le circuit secondaire du transformateur et donc le noyau de fer doux 26 de celui-ci, le noyau de fer doux étant logé dans le conducteur externe 8 constituant une partie du circuit secondaire, devront être les plus petits possibles En conséquence, pour obtenir un

bon focntionnement du spectromètre, on peut "prémagné-

tiser" le noyau de fer doux du transformateur de façon

à se trouver, avant l'impulsion engendrée par la dé-

charge du codensateur C, au point de saturation de

l'aimantation Cette prémagnétisation peut être réa-

lisée par exemple au moyen d'une alimentation continue

branchée aux bornes du circuit primaire du transforma-

teur.

Comme on l'a dit précédemment le spectromè-

tre, conformément à l'invention, comprend des moyens

18 permettant de détecter les particules chargées is-

sues du collimateur de particules 4 ou de l'élément convertisseur 20 La détection des particules peut

être obtenue de différentes manières.

La première manière consiste en une détec-

tion, ou collection directe, des particules Dans ce cas, les moyens de détection seront constitués, comme représentés sur les figures 1 et 3, par une série de petits détecteurs formés de plaques minces métalliques

* 38 espacées convenablement en fonction de la résolu-

tion souhaitée Ces plaques minces 38 peuvent être ob-

tenues par métallisation d'une pièce en céramique 40

de forme annulaire, disposée dans l'espace annulai-

re 10.

Dans le cas ou les plaques 38 sont disposées

de façon que les particules chargées arrivent perpen-

diculairement auxdites plaques (figure 1), la détec-

tion se fait sans amplification du signal détecté,

c'est-à-dire sans émission de particules secondai-

res; ceci est lié au fait que le champ magnétique

recourbe les trajectoires et les renvoie dans les pla-

ques 38, suivant un rayon de giration extrêmement fai-

ble.

Les câbles d'alimentation électrique 42 des

moyens de détection 18, reliés à des moyens d'alimen-

tation de type connu (non représentés) placés à l'ex-

térieur du spectromètre, sont maintenus le plus possi-

ble au sein du connecteur externe 8, en les faisant sortir du corps du spectromètre suivant des directions

radiales, de façon à obtenir un bon blindage magnétique.

Dans les cas o l'on cherche à réduire au maximum le bruit de fond, comme par exemple lors de la détection d'électrons émis par effet Compton par l'élément convertisseur 20, il peut être intéressant

d'utiliser le champ magnétique, créé par le transfor-

mateur, pour réaliser une isolation magnétique des moyens de détection Il suffit pour cela que les moyens de détection soient situés à au moins deux

rayons de Larmor des parois du spectromètre.

Dans le cas o les plaques 38 sont disposées de façon que les particules chargées arrivent sur

elles suivant un certain angle e, angle entre la tra-

jectoire des particules et la normale N aux plaques

(figure 3), la détection se fait avec une amplifica-

tion du signal détecté, liée à l'émission de particu-

les secondaires telles que des électrons Le gain de cette amplification peut être compris entre 3 et 5

suivant la nature des plaques 38 et de l'angle d'inci-

dence e De façon a obtenir un bon rendement de détec-

tion, l'angle e sera voisin de 200.

Il convient de noter que cette méthode de détection nécessite l'emploi d'un vide inférieur à 3 torr et un montage précis des différents petits détecteurs La seconde manière consiste à détecter les particules chargées par scintillation Dans ce cas, les moyens de détection, représentés sur la figure 4, seront constitués d'un ou plusieurs scintillateurs 44 a ou 44 b associés soit à plusieurs photodiodes 46 soit à

un ou plusieurs photomultiplicateurs 48 Le choix en-

tre les photodiodes et les photomultiplicateurs dépend

de la sensibilité désirée Il est à noter que la sen-

sibilité du spectromètre est beaucoup plus élevée lorsque l'on utilise une détection par scintillation à

la place d'une détection directe.

Lorsque les moyens de détection sont consti-

tués de plusieurs photodiodes miniatures 46 associées à un seul scintillateur annulaire 44 a, placé dans

l'espace annulaire 10 et en regard de celles-ci (figu-

re 4 a), les photodiodes peuvent être placées dans ce même espace annulaire 10 et disposées sous la forme d'une couronne annulaire De même, lorsque les moyens de détection sont constitués de plusieurs photodiodes 46, associées chacune à un seul scintillateur 44 b, ces

scintillateurs et ces photodiodes peuvent être dispo-

sés sous la forme d'une couronne et situés dans l'es-

pace annulaire 10 Bien entendu, il conviendra de vé-

rifier le fonctionnement des photodiodes en présence

du champ magnétique existant dans le spectromètre.

Lorsque les moyens de détection sont constin tués d'un ou plusieurs photomultiplicateur (s) 48 r qui

sont situés hors du spectromètre du fait de leur tail-

le, ces photomultiplicateurs étant associés à un ou plusieurs scintillateurs 46 a ou 46 b, il est nécessaire

de ménager dans le spectromètre, au niveau de l'extré-

mité 2 b de celui-ci une série de trous 50 (figure 4 b) disposés sous la forme d'une couronne et en regard de

l'espace annulaire 10, de façon à détecter les parti-

cules chargées.

Des études ont montré que l'existence des

trous 50 ne perturbait pratiquement pas le fonction-

nement du spectromètre. Dans ce mode de réalisation, le scintilla-

teur annulaire 44 a ou les multiples scintillateurs 44 b

peuvent être placés à l'extérieur du spectromètre.

Ceci est illustré par les figures 4 b et 4 d La figure 4 d correspondant à l'utilisation de plusieurs tubes

photomultiplicateurs associés chacun à un petit scin-

tillateur Ces scintillateurs pourront être soit soli-

daires du ou des tubes photomultiplicateurs et placés en regard des trous 50, soit reliés auxdits tubes au moyen de guides de lumière 52 Ces guides de lumière peuvent être soit massifs, soit constitués de fibres optiques Etant donné que la détection de particules se fait hors du spectromètre, l'ensemble du spectromètre

devra être placé dans une enceinte à vide 53.

De plus, étant donné le gain très élevé de la détection, on pourra, pour chaque point de mesure

n'utiliser qu'une partie du ou des scintillateurs (fi-

gure 4 b) Ceci permet d'avoir des détecteurs corres-

pondant aux différentes énergies des particules à dé-

tecter, ces détecteurs étant disposés en couronne tout

autour du spectromètre.

Lorsque l'on utilise plusieurs scintilla-

teurs 44 b, associés à un ou plusieurs tubes photomul-

tiplicateurs 48, ces scintillateurs pourront être lo-

gés dans les trous 50 (figure 4 c) et reliés aux tubes

photomultiplicateurs au moyen de guides de lumière 52.

La troisième manière consisterait à utili-

ser des détecteurs solides placés à l'intérieur de

l'espace annulaire sous la forme d'une couronne annu-

laire Mais étant donné les caractéristiques et les formes actuelles de ces détecteurs il ne serait pas très avantageux de les utiliser étant donné le très

mauvais rapport signal/bruit.

Le spectromètre de l'invention comprend de

plus des moyens 54 permettant de sélectionner les par-

ticules chargées suivant l'angle sous lequel elles sont injectées dans le corps du spectromètre Ces moyens de sélection ou diaphragme sont représentés sur la figure 1 Ce diaphragme est constitué d'une série de lames minces 56 épaisseur comprise entre 0,1 et

0,3 mm, réalisées en matériau isolant tel qu'en alumi-

ne, en verre époxy ou en matériaux stratifiés divers.

Ces lames 56 sont disposées à l'intérieur de l'espace annulaire 10 et suivant des directions radiales, de façon à fermer totalement l'espace annulaire 10 De

plus, ces lames sont équidistantes les unes des autres.

' 4557

De façon à simplifier au maximum la réalisa-

tion de ce diaphragme, celui-ci pourra être placé au niveau du cercle de gorge, c'est-à-dire à proximité de la soudure 16 du conducteur interne 6 En outre, afin de ne pas perturber la symétrie de révolution du champ

magnétique, le montage du diaphragme dans le spectomè-

tre doit être effectué sans pratiquer de cannelures dans le conducteur interne 6 et le conducteur externe 8 La fixation du diaphragme pourra donc être faite

par simple soudage.

Le spectromètre conformément à l'invention, permet la détection d'un grand nombre de particules

avec une très bonne résolution et une très grande sen-

sibilité Il permet en particulier la mesure d'une raie neutronique de 14 Me V, avec une résolution de

l'ordre de 50 Ke V, et la détection d'une source émet-

tant 1024 neutrons par seconde présentant une énergie de 14 Me V.

Il permet aussi l'analyse, avec une résolu-

tion sensiblement constante, de tout un spectre d'énergie sans avoir à mettre en oeuvre une multitude de spectromètres qui n'auraient observé chacun qu'une

bande d'énergie.

Le spectromètre tel que décrit précédemment

présente un faible encombrement En effet, ce spectro-

mètre présente une longueur de 300 mm, un diamètre de mm et un circuit d'alimentation contenu dans un bottier cubique de 30 cm de côté Son encombrement faible et son coût peu élevé en font un dispositif pouvant être fabriqué de façon standard et utilisé de

façon routinière.

De plus, les problèmes de charge d'espace, conduisant à une perte de résolution et même à une perte de particules sur les parois dans le cas d'un fort courant de particules, entraînant d'importantes perturbations dans le fonctionnement du spectromètre, jouent un rôle négligeable étant donné la constitution

même du spectromètre.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1 Spectromètre magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur ( 6, 8, 26, 28) pour créer un champ magnétique servant à dévier des

particules chargées, injectées à la première des ex-

trémités ( 2 a) du corps du spectromètre ( 2), ce trans-

formateur étant muni d'un circuit secondaire, consti-

tuant le corps-du spectromètre, formé d'un conducteur

externe ( 8) en court circuit avec un conducteur inter-

ne ( 6), coaxial au conducteur externe, ces deux con-

ducteurs définissant un espace annulaire ( 10) dans lequel les particules chargées peuvent se déplacer, et des moyens ( 18) pour détecter les particules déviées, ces moyens étant disposés à la deuxième extrémité < 2 b)

du corps du spectromètre.

2 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 1, caractérisé en ce que l'alésage du conduc-

teur externe ( 8) et le conducteur interne ( 6) présen-

tent une forme de diabolo.

3 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en

ce que le -transformateur est muni d'un noyau en fer

doux ( 26 a) de forme annulaire, situé dans le conduc-

teur externe ( 8) et à proximité de la deuxième extré-

mité ( 2 b) du corps du spectromètre ( 2).

4 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications l et 2, caractérisé en

ce que le transformateur est muni d'un noyau en fer doux feuilleté ( 26 b) de forme annulaire situé dans la partie centrale du conducteur externe ( 8), à proximité

du conducteur interne ( 6).

Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en

ce que le transformateur est muni d'un circuit primai-

re ( 28) relié à un circuit d'alimentation électrique, ledit circuit primaire étant constitué d'une série de bobines en spirale ( 30) disposées tout autour du noyau de fer doux ( 26 a, 26 b) et reliées électriquement entre elles.

6 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 5, caractérisé en ce que, le nombre de bobi-

nes ( 30) étant pair, lesdites bobines sont mises en série deux à deux, la liaison -électrique entre les bobines étant assurés au moyen d'une bande conductrice ( 32) entourant le noyau de fer doux ( 26 a, 26 b) sur

laquelle est fixée la spire centrale de chaque bobine.

7 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en

ce que le nombre de spires est compris entre 30 et 60.

8 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce

que chaque bobine ( 30) est réalisée à partir d'un con-

ducteur spiralé, constitué de plusieurs feuilles métalliques, maintenues ensemble et isolées les unes

des autres au moyen d'un isolant.

9 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 8, caractérisé en ce que les feuilles métal-

liques sont en cuivre et que l'isolant est constitué

d'un tissu de verre, imprégné de résine époxy.

Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce

que le circuit d'alimentation du circuit primaire com-

prend un condensateur C, pouvant être chargé par une tension continue, relié en série avec une résistance R, l'ensemble constitué du condensateur C et de le

résistance R, étant branché aux bornes du circuit pri-

maire, et des moyens ( 34) pour décharger de façon im-

pulsionnelle le condensateur C. 11 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 10, caractérisé en ce que le circuit d'ali-

mentation comprend, encore, des moyens (T, 36, R') pour réguler l'intensité électrique débitée dans le

circuit primaire ( 28) lors de la décharge du condensa-

teur C.

12 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 11, caractérisé en ce que les moyens de régu-

lation sont constitués d'au moins un transistor (T)

dont le collecteur et l'émetteur sont reliés aux bor-

nes de la résistance R et dont la base est reliée à un système ( 36, R') permettant d'asservir l'intensité

électrique débitée dans le circuit primaire.

13 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 11, caractérisé en ce que les moyens de régu-

lation sont constitués d'au moins un transistor (T)

dont le collecteur et l'émetteur sont reliés aux bor-

nes de l'ensemble, constitué par le condensateur C et la résistance R reliés en série, et dont la base est reliée à un système ( 36, R') permettant d'asservir

l'intensité électrique débitée dans le circuit primai-

re. 14 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en

ce que le système d'asservissement est constitué par un amplificateur ( 36) dont la sortie est reliée à la base du transistor (T), dont l'une des entrées est reliée à la masse et dont l'autre entrée est reliée à

l'émetteur du transistor par l'intermédiaire d'une ré-

sistance R'.

Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en

ce que les moyens pour décharger le condensateur C

sont constitués d'un thyristor ( 34).

16 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en

ce que les moyens de détection sont constitués d'une série de plaques minces métalliques ( 38) réalisées sur

une pièce en céramique ( 40) de forme annulaire, dispo-

sée dans l'espace annulaire ( 10).

17 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 16, caractérisé en ce que les plaques métal-

liques ( 38) sont disposées de façon que les particules chargées arrivent perpendiculairement sur lesdites plaques.

18 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 16, caractérisé en ce que les plaques métal-

liques ( 38) sont disposées de façon que les particules

chargées arrivent sur lesdites plaques suivant un an-

gle e, défini par rapport à la normale aux plaques,

voisin de 20 .

19 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en

ce que les moyens de détection sont constitués de plu-

sieurs photodiodes miniatures ( 46) disposées sous la forme d'une couronne dans l'espace annulaire ( 10), ces

photodiodes étant associées à un ou plusieurs scintil-

lateurs ( 44 a, 44 b) placés en regard desdites photodio-

des. Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en

ce que les moyens de détection sont constitués d'au

moins un tube photomultiplicateur ( 48) disposé à l'ex-

térieur du corps du spectromètre ( 2), associé à au

moins un scintillateur ( 44 a, 44 b), la deuxième extré-

mité ( 2 b) dudit corps étant alors percée d'une série de trous ( 50) disposés en couronne et en regard de l'espace annulaire ( 10) de façon que les particules chargées puissent être détectées '

21 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 20, caractérisé en ce que les scintillateurs ( 44 a, 44 b) sont disposés en regard des trous ( 50) et à l'extérieur du corps du spectromètre, le spectromètre

étant alors placé dans une enceinte à vide ( 53).

22 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 20, caractérisé en ce que les scintillateurs ( 44 a, 44 b) sont disposés à l'intérieur du corps du

spectromètre ( 2) et sont reliés au tube photomultipli-

cateur ( 48) au moyen de guides de lumière ( 52)-

23 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 22, caractérisé en ce que les scintillateurs

( 44 b) sont disposés à l'intérieur des trous ( 50).

24 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en

ce qu'il comprend, en outre, des moyens ( 54) permet-

tant de sélectionner les particules chargées suivant l'angle sous lequel elles sont injectées dans le corps

du spectromètre.

Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 24, caractérisé en ce que les moyens de sé-

lection ( 54) sont-constitués d'une série de lames min-

ces ( 56) en matériau isolant, équidistantes les unes

des autres, fixées dans l'espace annulaire ( 10) sui-

vant des directions radiales.

26 Spectromètre magnétique selon la reven-

dication 25, caractérisé en ce que les moyens de sé-

lection ( 54) sont disposés au niveau de la région la

plus étroite du diabolo.

27 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 26, caractérisé en

ce qu'il comprend encore un joint torique ( 22) disposé dans l'espace annulaire ( 10) au niveau de la première

extrémité ( 2 a) du corps du spectromètre.

28 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 16 à 19, caractérisé en

ce que les moyens de détection ( 18) sont connectés à

des moyens d'alimentation électriques par l'intermé-

diaire de câbles( 42) sortant du corps du spectromètre

( 2) suivant des directions radiales.

29 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 28, caractérisé en

ce que le conducteur externe ( 8) et le conducteur in-

terne ( 6) sont réalisés en un métal lourd recouvert

d'une pellicule de cuivre ( 24).

Spectromètre-magnétique selon la reven-

dication 6, caractérisé en ce que la bande conductrice

( 32) recouvrant le noyau de fer doux ( 26) est en cui-

vre. 31 Spectromètre magnétique selon l'une

quelconque des revendications 1 à 30, appliqué à la

mesure de l'énergie d'un rayonnement nucléaire ou ato-

mique constitué de-particules non chargées, caractéri-

sé en ce qu'il comprend un-élément convertisseur annu-

laire ( 20) susceptible d'être bombardé par les parti-

cules non chargées et apte à émettre, suite au bombar-

dement, des particules chargées, cet élément-conver-

tisseur ( 20) étant placé dans l'espace annulaire ( 10) au niveau de la première extrémité ( 2 a) du corps du spectromètre, la nature de cet élément étant fonction

de la nature des particules non chargées.