FR2691247A1 - Jauge radiométrique de mesure d'épaisseur. - Google Patents

Abstract

Jauge radiométrique de mesure sans contact de la densité surfacique ou de l'épaisseur d'un produit plat, caractérisée en ce que l'anti-cathode (3) du tube (2) est constituée d'un matériau de numéro atomique le plus élevé possible, de préférence supérieur à 70, bon conducteur de la chaleur et à point de fusion élevé, en ce qu'un organe de réglage (7) de la tension (V) entre la cathode (4) et l'anti-cathode (3) est agencé pour fonctionner dans une gamme prédéterminée de tensions relativement basse, pour obtenir en correspondance avec l'anti-cathode (3) un spectre d'émission X limité pour l'essentiel à un rayonnement continu de freinage dont l'énergie maximale est fixée par la valeur de la tension (V) entre cathode (4) et anti-cathode (3).

Description

JAUGE RADIOMETRIQUE DE MESURE D'EPAISSEUR

La présente invention concerne les jauges radiomé- triques de mesure sans contact de la densité surfacique ou

épaisseur d'un produit plat.

Par "produit plat", on entend tout produit, tout matériau, ou tout objet, solide, pâteux ou visqueux, ayant une dimension dite épaisseur, substantiellement inférieure aux deux autres dimensions dites longueur et largeur Pré- férentiellement, mais non exclusivement, les produits10 plats considérés par l'invention sont des bandes ou nappes, dont la longueur excède la largeur, continues ou

discontinues, mobiles ou immobiles, telles que rencontrées dans différents processus industriels, et dont il convient de mesurer sans contact la densité surfacique ou le gram-15 mage, ou l'épaisseur pour une même densité en volume.

A titre d'exemple, et de manière non limitative, un produit plat selon l'invention peut être:

une plaque, feuille ou tôle métallique, telle que ren-

contrée en métallurgie ou transformation des métaux un film en matière plastique, d'épaisseur plus ou moins importante, mais souvent d'épaisseur relativement faible, par exemple d'une dizaine de microns une enduction, par exemple le support constituant les moquettes une feuille de caoutchouc une feuille de papier un tissu une plaque de verre

une plaque ou panneau de particules de bois agglomérées.

Au sens de la présente invention, un produit plat peut être aussi une couche d'un matériau donné, déposée

sur un support plat, et dont on désire mesurer comme pré- cédemment la densité surfacique, ou l'épaisseur.

De façon générale, les jauges radiométriques sans contact comprennent: un émetteur d'un rayonnement électro-magnétique ou d'un jet particulaire, dont la source, située d'un côté du produit plat à mesurer, est dirigée vers ce dernier un récepteur du rayonnement ou du jet, dont le détecteur est situé par rapport au produit plat à mesurer, et en relation avec la source, pour recevoir un rayonnement ou jet diffusé ou transmis par ledit produit, sous forme atténuée; ce détecteur délivre un signal de mesure éventuellement un support mécanique permettant de supporter, et éventuellement déplacer le capteur ou ensemble émetteur/récepteur, par rapport au produit plat à mesurer un organe de traitement, analogique et/ou informatique,

du signal de mesure, pour obtenir une information repré-

sentant la densité surfacique ou l'épaisseur du produit plat. Les variations du signal de mesure sont fonction de la quantité de particules ou photons détectés par unité de temps, et de l'énergie laissée par lesdites particules ou lesdits photons Les variations de l'atténuation du flux incident, correspondant au flux transmis ou réfléchi, sont correlées aux variations de l'épaisseur ou grammage du produit plat, et en conséquence le signal de mesure permet de mesurer l'épaisseur ou grammage dudit produit plat. Deux types de jauge ont été proposés, et répondent à la définition précédente: les premières travaillant en transmission comportent un récepteur dont le détecteur est disposé de l'autre côté du produit plat à mesurer, par rapport à la source, pour recevoir le rayonnement atténué transmis par le produit plat les secondes travaillant en rétro-diffusion comportent un récepteur dont le détecteur est disposé du même côté que la source, par rapport au produit plat à mesurer, pour recevoir le rayonnement atténué réfléchi par le produit plat.

Les jauges à rétro-diffusion sont surtout utili-

sées pour mesurer l'épaisseur d'une couche déposée sur un support, ou l'épaisseur d'un produit plat accessible seulement sur une face, par exemple pour des raisons de

fabrication.

Pour les mesures radiométriques, deux types d'émetteur ont jusqu'à présent été proposés ou décrits, à savoir: les émetteurs d'un rayonnement photonique "X" ou "-y"donc avec une longueur d'onde généralement comprise entre 5 x -4 et 5 nm et les émetteurs d'un rayonnement particulaire dit f

(électrons positifs ou négatifs), ou a (noyaux d'hélium).

Une des contraintes principales des jauges à rayonnement a trait à la précision de la mesure Divers facteurs affectent cette dernière, mais telle qu'utilisées aujourd'hui la source principale d'imprécision est due aux fluctuations statistiques du rayonnement émis Les particules ou photons étant émis aléatoirement, la quantité de rayonnement émise par unité

de temps peut donc varier.

L'imprécision due aux fluctuations statistiques est dépendante de l'épaisseur du produit plat, de la

nature et des proportions respectives des atomes consti-

tuant le produit plat, ainsi que de la nature du rayonne- ment utilisé, et finalement du taux d'émission par la source et du temps consacré à la mesure: le temps de la mesure et le taux d'émission de la source sont deux grandeurs liées; si N est le nombre moyen de particules émises par unité de temps et T le temps de la mesure, la quantité totale de particules émises par unité de temps est NT; l'émission d'une particule étant de caractère "tout ou rien", l'écart type à cette moyenne est celui d'une loi binomiale et vaut donc -<Nfi_; la précision de la mesure est donc une fonction de ce paramètre '\Ji Ti les autres paramètres - épaisseur du produit plat, nature du produit plat, nature de l'émetteur interviennent dans la précision de la mesure, par la faculté qu'a le

produit plat d'absorber le flux incident.

En ce qui concerne l'épaisseur, si cette dernière est faible, le rayonnement traverse le produit plat sans pratiquement le "voir", moyennant quoi le flux transmis est encore très voisin du flux incident, d'o il résulte un signal de mesure peu représentatif de l'épaisseur du produit plat A l'opposé, aux fortes épaisseurs, le rayonnement se trouve pratiquement arrêté et absorbé dans le produit plat, moyennant quoi le rayonnement diffusé ou20 transmis est trop faible pour obtenir un signal de mesure significatif de l'épaisseur du produit plat Dans les deux

cas, la précision est très mauvaise.

En ce qui concerne la nature de l'émetteur, si les particules ou photons sont trop pénétrants, leur probabi-

lité d'interaction dans le produit plat est négligeable.

Dans ce cas également, le flux incident et le flux transmis peuvent être très voisins Inversement, si les particules ou photons sont très peu pénétrants, le flux

transmis est une fraction négligeable du flux incident.

En ce qui concerne la nature du produit plat, la probabilité d'interaction dépend de la nature des consti-

tuants du produit plat Par exemple les rayons X sont très sensibles à cette composition A épaisseur constante, et pour les mêmes rayons X, on peut avoir une probabilité d'interaction pratiquement négligeable, ou inversement pratiquement certaine selon la nature du produit plat Là encore la précision sera très mauvaise dans les deux cas. En conclusion, la nature et l'épaisseur moyenne d'un produit plat étant connus, une bonne précision s'obtient en choisissant convenablement le type de l'émetteur et son énergie, et réalisant le meilleur compromis, d'une part entre l'intensité d'émission de rayonnement la plus élevée et le coût de la source de rayonnement, et d'autre part, entre le temps de la mesure le plus long possible et les impératifs de rapidité dans

la mesure nécessaires à une bonne régulation par exemple.

Le tableau qui suit donne la précision de la mesure, en tenant compte des fluctuations statistiques, dans quelques cas typiques (le flux incident est de 107 photons X par seconde, et le temps de mesure est de ms). Les jauges à rayonnement ou X sont obtenues à partir de sources radioisotopiques Compte tenu de la variété des sources disponibles, il apparaît possible de choisir le radioisotope, en fonction de la nature et/ou de l'épaisseur du produit plat à mesurer, pour obtenir selon les principes ci-dessus, un signal de mesure effectivement représentatif de sa densité surfacique ou de son

épaisseur Cependant, on est souvent très loin de l'opti-

mum de précision que l'on pourrait théoriquement atteindre L'adéquation produit plat à mesurer/source radioisotope est rarement optimale Ceci vient du fait que relativement peu d'isotopes peuvent être utilisés En effet, si leur nombre potentiel est de plusieurs centaines et si la gamme des énergies disponibles est très vaste, plusieurs contraintes limitent drastiquement le nombre d'isotopes retenus en pratique: Nature x: énergie Epaisseur Précision (ke V) (m) (%) Polypropylene 4 5 9

1 1

500 0 53

5 (absorption négligeable)

8 1

500 1 75

Aluminium 4 5 O 83 (flux complètement absorbé) 500 (flux complètement absorbé)

5 9 4

O 65

500 O 511

la durée de vie, représentée par la période radioactive;

il faut une période relativement longue pour une appli-

cation industrielle (au moins une année); de très nombreux radioisotopes ont des périodes allant de quelques milli-secondes à quelques minutes, heures ou jours il faut pouvoir trouver ces sources sous forme de source radioisotope scellée il faut que l'activité de la source soit suffisante; les sources des quelques Mbq sont inutilisables par

exemple.

L'ensemble de ces contraintes réduisent à une dizaine le nombre des radioisotopes utilisés dans les jauges radioisotopiques Ainsi, aujourd'hui on connaît les15 utilisations suivantes: (*) pour les rayons

male du spectre d'émission.

f, on indique l'énergie maxi-

S'agissant d'un produit plat d'épaisseur relative-

ment faible, par exemple une feuille plastique d'une dizaine de microns, seules les sources f peu énergétiques

peuvent être utilisées parmi les sources radioisotopiques.

En fait, une précision acceptable ne peut être atteinte qu'en utilisant le prometheum 147, les rayons 3 du krypton Source Rayonnement Produit plat radioisotopique Type Energie* (par exemple) Prometheum 147 0,23 Me V Plastiques minces typiquement de 5 à gm Krypton 85 0, 67 Me V Plastiques plus épais 0 1200 g/m 2 Fer 55 X 5 9 ke V oxyde magnétique sur polyester ( O 50 g) feuille d'aluminium

( O 100 L)

Strontium 90 2,2 Me V plastiques épais 7000 g/m 2 Curium 144 X 15/19/22 Feuilles métalliques ke V minces, aluminium par exemple ( O 5 mm) Americium 241 X 60 ke V feuilles d'acier ( 0,5 mm) caoutchouc Caésium 137 'y 661 ke V feuilles métalliques épaisses Cobalt 60 'y 1,17/1,33 feuilles métalliques Me V très épaisses par exemple étant déjà trop pénétrants pour ce type d'application C'est exactement la même chose pour les rayons X du fer 55 dont l'énergie est de 5 9 ke V, et qui sont des rayons beaucoup trop pénétrants pour la mesure5 des plastiques minces La seule source X qui permettrait une mesure précise est le calcium 40 (de l'ordre de

4 ke V), mais on ne peut la trouver qu'avec des activités beaucoup trop petites.

Mais l'utilisation du prometheum 147 présente

quelques inconvénients qu'il convient d'expliciter.

Tout d'abord, les particules e d'énergie relative- ment faible sont sensibles à la colonne d'air existant

entre la source et la feuille plastique, et à celle existant entre cette dernière et le détecteur, par le fait15 que ces mêmes particules perdent une partie de leur éner-

gie dans l'air En particulier, le spectre d'émission des rayons fl étant continu allant d'une énergie nulle à une énergie maximale et le maximum de la distribution étant situé à environ un tiers de l'énergie maximale, une colonne d'air a pour effet d'arrêter tous les rayons P de petite énergie dans le bas du spectre En conséquence, le signal de mesure apparaît être sensible aux variations de densité de l'air, et donc à ses variations de température. Une telle sensibilité n'est pas négligeable, dans un envi-25 ronnement de production, pouvant présenter des fours ou à l'inverse, différents systèmes de refroidissement, à proximité de la jauge de mesure de l'épaisseur Ensuite, la gamme de mesure apparaît relativement limitée, en l'occurrence de 5 à 130 gm, ce qui interdit toute standardisation des jauges de mesure, pour une gamme

de mesure plus importante.

De plus, les particules a de faible énergie diffusent et se dispersent de manière relativement importante dans l'air Ainsi, même si la distance entre la source et le détecteur demeure relativement faible, par exemple de l'ordre de 2 à 3 cm de diamètre, et même avec une source bien collimatée ( 0,5 cm de diamètre par exemple), le détecteur reçoit un flux atténué ayant une section transversale, ou "spot", de 4 à 5 cm de diamètre, ce qui interdit une résolution spatiale meilleure que ces dernières valeurs Or, pour beaucoup de processus industriels en continu o la mesure de l'épaisseur est utilisée à des fins de régulation, les mesures doivent être effectuées à des intervalles plus faibles, par

exemple de l'ordre de 2,5 cm Il s'agit là d'une limita-

tion importante à l'usage de sources fl.

Il faut noter également que la diffusion et la dispersion des rayons /, lors de leur parcours dans l'air et la matière, dégrade aussi la précision de la mesure De même que les fluctuations statistiques d'émission des rayons a sont comme précédemment une source d'imprécision, il existe aussi une erreur statistique provenant du caractère aléatoire des processus d'interaction des20 rayons 3: la perte d'énergie d'un rayon / pour un parcours donné se distribue autour d'une valeur moyenne il existe une très grande dispersion dans les parcours du rayonnement /3 issu de la source, ce qui se répercute fortement sur la perte d'énergie la dispersion angulaire du rayonnement A, aboutit également à ce que le nombre de rayons / entrant dans le détecteur est aussi aléatoire, avec une dispersion

autour de la moyenne absolument non négligeable.

Il faut enfin noter que, si on peut obtenir des sources de prometheum d'activité conséquente (jusqu'à 0,5 Ci), ce sont finalement des activités encore trop faibles, compte tenu des effets statistiques discutés précédemment, en particulier pour des produits plats il d'épaisseur relativement faible comme une feuille de

plastique d'une dizaine de microns.

En effet, comme signalé précédemment, et ceci est vrai aussi bien pour une source de photons X qu'une source de particules i 3, plus le temps de réponse est relativement faible, plus l'activité de la source, c'està-dire le flux de particules émis par seconde, doit être important, si l'on veut maintenir une précision correcte, par exemple inférieure à quelques pour cent, et ceci indépendamment de

l'épaisseur du produit plat à mesurer.

Or, la vitesse de défilement typique des feuilles de plastique est élevée et peut atteindre par exemple des

vitesses linéaires de l'ordre de 10 m/s.

Compte tenu de ces vitesses de défilement, le temps de mesure ou de réponse de la jauge doit en général être inférieur ou égal à 20 ms, pour obtenir un bon balayage ou "scanning" de la feuille en mouvement, et/ou faire un nombre suffisant de mesures entre deux organes de

régulation de l'épaisseur.

A titre d'exemple, on peut considérer une source de prometheum dont l'activité maximale est de 0,5 Ci, qui correspond à un flux émis de 1,85 x 1010 particules par seconde Compte tenu de l'angle solide de diffusion des particules, de l'absorption de ces mêmes particules dans la colonne d'air entre source et détecteur, ce ne sont au plus que 108 particules qui ont la possibilité d'atteindre ce dernier Compte tenu des relations mathématiques connues, donnant la précision de la mesure, en fonction de la faculté de pénétration des particules considérées, vis-30 à-vis d'un matériau donné, de l'épaisseur traversée dudit matériau, du temps de mesure, du nombre de particules détectées par seconde lorsque ledit matériau n'est pas interposé entre source et détecteur, et de l'effet aléatoire résultant de l'interaction du rayonnement avec la matière, on peut calculer que dans ces conditions il apparaît impossible de concilier, et une précision inférieure ou égale à quelques pour cent et un temps de réponse inférieur ou égal à 20 ms Ceci se vérifie d'ailleurs dans les spécifications que donnent les

constructeurs de jauges d'épaisseur à leurs clients.

Typiquement, les constructeurs annoncent 6 % de précision à 2 , pour un temps de réponse de 100 ms, en utilisant le prometheum 147, pour une feuille plastique de 5 microns d'épaisseur A 20 ms, cette précision tombe à 13 5 %, et à

ms, elle vaut 19 %, pour la même feuille plastique.

Par ailleurs, et ceci à un aspect plus général que ce qui a été dit précédemment, l'utilisation d'une source radioactive emporte avec elle de nombreux obstacles à une utilisation "banalisée": il faut obtenir une autorisation officielle de détenir des sources radioactives ou radioéléments artificiels les jauges à rayonnement doivent être homologuées leur utilisation doit se faire avec des conditions de

sécurité et protection rigoureuses.

etc Toujours pour les mesures radiométriques sans contact, deux types de récepteur ont jusqu'à présent été proposés ou décrits, à savoir: ceux comprenant un détecteur constitué par une chambre d'ionisation

et ceux comprenant un photomultiplicateur.

Une chambre d'ionisation est un détecteur sans gain interne Chaque interaction dans le gaz de la chambre d'ionisation se concrétise par l'apparition d'un certain nombre de paires électrons/ions Si le nombre d'interactions est suffisant, les paires sont produites en

nombre suffisant pour donner un courant électrique mesu-

rable.

L'avantage principal de la chambre d'ionisation est sa très grande stabilité ainsi que sa robustesse.

Par contre, elle présente deux inconvénients:

les chambres d'ionisation doivent être préparées minu-

tieusement; en particulier, on doit prendre soin de bien faire désorber les parois métalliques avant remplissage par le gaz adéquat; ceci nécessite des manipulations qui entraînent un surcoût; le deuxième inconvénient vient de ce que la migration des ions dans les gaz est relativement lente; ceci a pour conséquence de limiter le temps de réponse de ce type de détecteur; d'autre part, en cas de flux très importants, les ions s'accumulent et les charges d'espace qui en résultent peuvent limiter fortement la

fiabilité de la mesure.

Un photomultiplicateur est un détecteur à gain interne, puisqu'un signal de mesure significatif peut être obtenu à partir de l'interaction d'une seule particule De ce fait, le courant résultant est peu stable, puisque le

processus interne de gain est sujet à dérive et à variations statistiques.

On peut pallier à ce problème de stabilité, en comptant individuellement les impulsions Cependant, dans de très nombreux cas, en particulier quant le produit plat est très mince, il s'avère impossible de réaliser un quelconque comptage, ceci parce que souvent les impératifs

de précision nécessitent des flux supérieurs à 106 parti-

cules par seconde Or, au-delà de cette valeur, il est très difficile de réaliser un système permettant un

comptage fiable.

En résumé, à l'issue de cet examen technique exhaustif des jauges radiométriques de mesure sans contact de la densité surfacique ou de l'épaisseur d'un produit plat, on peut dire qu'il n'existe aujourd'hui sur le marché aucune solution technique satisfaisante pour mesurer l'épaisseur d'une feuille plastique relativement mince, par exemple de l'ordre d'une dizaine de gm, défi- lant en continu, et qu'une telle situation rencontrée5 fréquemment en production industrielle apparaît être la

limite sur laquelle butent les jauges actuellement dispo-

nibles. La présente invention a donc pour objet une jauge telle que précédemment définie, permettant de franchir les

limites des jauges actuelles, vis-à-vis d'un film plas- tique mince défilant en continu, tout en n'étant pas elle-

même limitée à cette application bien spécifique. Conformément à la présente invention, on a tout d'abord découvert que, pour le cas le plus difficile

exposé précédemment, un rayonnement X pouvait être utilisé, mais à la condition d'en modifier substantielle-

ment les caractéristiques, par rapport à celles quelquefois utilisées pour les mesures d'épaisseur sans contact.20 On peut effectivement parler de découverte, car on sait très bien que l'atténuation d'un rayonnement X dans un matériau diminue avec le numéro atomique Z de ce dernier Comme les matières plastiques usuelles présentent des éléments chimiques de Z relativement faible, et surtout pour certaines d'entre elles (par exemple polypropylène) une forte proportion en hydrogène, on pouvait s'attendre raisonnablement à ce qu'un matériau plastique soit pratiquement "transparent" à un rayonnement X, empêchant toute mesure de son épaisseur.30 C'est donc le mérite de l'invention d'avoir montré qu'en adaptant les caractéristiques du rayonnement X, alors ce dernier pouvait être utilisé pour le cas le plus difficile exposé précédemment, mais aussi les autres cas

usuels de mesure.

Et selon l'invention, cette adaptation consiste: à choisir pour l' émetteur de rayonnement X, constitué par un tube à rayons X, une anticathode particulière, en ce sens que son matériau constitutif est de numéro atomique Z égal ou supérieur à 50, et de préférence supérieur à 70, qu'il possède de plus une bonne conductivité thermique et un point de fusion élevé; ces contraintes, ajoutées à la nécessité d'utiliser un matériau disponible sur le marché, limitent en pratique les possibilités au tungstène (Z = 74, conductivité thermique p = 1,77 Wcm-l K-1, point de fusion p f = 3410 C) et éventuellement au tantale (Z = 73, p = 0,574 Wcm-l K-1, p f = 2996 C), au rhénium (Z = 75, p = 0,486 Wcm-l K-1, p f = 3180 C), à l'iridium (Z = 77, p = 1,48 Wcm-l K-1, p f = 2410 C), au platine (Z = 78, p = 0,717 Wcm-l K-1, p f = 1772 C) et à l'or (Z = 79, p = 3,19 Wcm- l K-1, p f = 1064 C), et à prévoir un organe de réglage de la tension entre la cathode et l'anti-cathode du tube à rayons X, agencé pour fonctionner dans une gamme prédéterminée de tensions relativement basse (par exemple comprise entre 3,7 et 5 k V quand il s'agit de la mesure de feuilles de plastique mince, de l'ordre de 10 Mm), le tout permettant d'obtenir un spectre d'émission de rayons X, constitué pour l'essentiel par un rayonnement de freinage Le spectre des rayons X obtenus est donc continu Il est limité, vers les hautes énergies, par l'énergie cinétique maximale des électrons qui frappent la cible, c'est- à-dire par la

tension accélératrice entre cathode et anti-cathode.

Bien qu'en principe des rayons X de très basse énergie

soient également émis, le spectre n'est notable qu'au-

delà de 2,5 ke V environ Les rayons X d'énergie

inférieure sont arrêtés soit par l'anti-cathode elle-

même, soit par la fenêtre de sortie du tube Ce spectre est exempt des raies caractéristiques Ka ou Ka qui ne sont excitées que pour des hautes tensions beaucoup plus élevées (de l'ordre de 70 k V et plus dans le cas d'une cible de tungstène). Comme démontré ci-après, un tel spectre permet, d'une part, de disposer d'un rayonnement de freinage d'intensité suffisante à une bonne précision concernant les mesures envisagées De surcroît la limite supérieure du spectre peut être adaptée en fonction du produit plat à mesurer, et plus précisément en fonction de l'atténuation souhaitée pour correspondre à la précision optimale recherchée, et ce uniquement en modulant la tension cathode/anti-cathode. Par exemple, pour des matières plastiques très minces (de l'ordre de 10 Mm), on se limitera à une haute tension comprise entre environ 3,7 et 5 k V Une haute tension plus élevée présente l'inconvénient de produire des rayons X d'énergie supérieure à 5 ke V, pour lesquels20 le plastique est pratiquement "transparent" De même une haute tension inférieure à 3,7 ke V environ est inutilisable à cause, comme cela a déjà été mentionné, de l'atténuation dans la cible, la fenêtre de sortie du tube et la fenêtre d'entrée du détecteur De plus, comme25 l'efficacité de production du rayonnement de freinage varie comme le carré de la haute tension (à courant anodique constant), la quantité de rayonnement émis est nettement insuffisante quand la haute tension est trop basse ($ 3,7 ke V).30 Le choix de matériaux de numéros atomiques les plus élevés possibles pour l'anti-cathode vient de ce que l'efficacité de production de rayonnement de freinage est proportionnelle au numéro atomique Une cible de tungstène produit environ 2,5 fois plus de rayonnement qu'une cible de cuivre et 4 fois plus qu'une cible de

calcium par exemple.

La contrainte d'une bonne conductivité thermique et d'un point de fusion élevé vient de ce que selon les cas 99 à 99,99 % de l'énergie des électrons accélérés se transforme en chaleur dans l'anti-cathode, la

portant toujours à température élevée.

Selon un autre aspect important de la présente

invention, coopérant de manière efficace avec les caracté-

ristiques précitées retenues pour le rayonnement, le détecteur est une photodiode à vide Cette dernière comprend de manière connue en soi: un cristal scintillant, par exemple l'iodure de sodium transformant en lumière l'énergie reçue après atténuation du produit plat une photocathode transformant ladite lumière en électrons et un tube à vide avec anode sous faible tension ( 20 volts par exemple) pour collecter les électrons, moyennant quoi on obtient un signal électrique de mesure,

du type "courant".

Par rapport aux autres détecteurs, tels qu'envisagés dans le préambule de la description, la

photodiode à vide agit comme un photomultiplicateur, mais25 sans gain interne, et donc de manière beaucoup plus stable Un tel détecteur apparaît tout à fait adapté à une jauge de mesure selon l'invention, en ce sens qu'il est précis, de taille ou encombrement relativement faible, et réagit relativement vite à une variation du flux des

rayons X reçus.

On étudie ci-après le comportement du couple émetteur de rayons X/photodiode à vide, selon que l'on utilise l'émission caractéristique d'une anti-cathode de numéro atomique Z petit, ou le rayonnement de freinage d'une cible de numéro atomique Z élevé. L'utilisation de l'émission caractéristique n'est pas très appropriée lorsque le matériau à mesurer est un plastique mince Un rayonnement caractéristique de très basse énergie peut être envisagé en utilisant des anti- cathodes de numéro atomique Z voisin de 20 Les rayons X émis par des matériaux de numéros atomiques inférieurs à sont beaucoup trop atténués par les fenêtres du tube à rayons X et du détecteur Il s'en suit que les matériaux permettant l'émission des rayons X les plus mous compatibles avec une utilisation industrielle sont le calcium (Z = 20, Ka = 3,7 ke V) et le titane (Z = 22, Ka = 4,5 ke V) En ce qui concerne les plastiques très15 minces (< 10 gm) le meilleur choix est bien entendu une anti-cathode de calcium Cette possibilité a fait l'objet de tests qui montrent que si le signal de mesure (courant) semble suffisant (figure 1 représentant le courant du détecteur en p A, en fonction de la distance entre l'émetteur de rayons X et le détecteur, en cm), avec une haute tension de 9 k V et pour un courant anodique maximal (ici 0,2 m A), le spectre d'émission est malheureusement contaminé par une grande proportion de rayonnement de freinage (figure 2 représentant le spectre de l'énergie,25 en ke V, durayonnement émis) Ce rayonnement de freinage est trop pénétrant pour participer à la mesure du plastique mince, mais noie la photodiode par une information inutile A tension plus basse, 5 k V par exemple, l'atténuation dans le plastique est bien meilleure, mais le courant dans la photodiode est alors beaucoup trop faible (rvi 25 p A pour une distance de 4 cm entre tube et détecteur). Un tube à rayons X plus puissant que celui utilisé pour les tests pourrait être envisagé Pour qu'un traitement électronique soit aisé, il faut obtenir des courants voisins du nano-ampère Il faudrait donc un tube à rayons X permettant d'atteindre des courants anodiques de l'ordre de 5 m A Cependant, à la connaissance du Demandeur, ce type de tube qui combine à la fois puissance et cible de calcium n'existe pas dans le commerce Il n'est pas dit d'ailleurs qu'un tel tube soit réalisable dans la mesure o la température de fusion du calcium est seulement de 8390 C Dans tous les cas un refroidissement par eau serait nécessaire même pour des puissances

dissipées n'excédant pas une vingtaine de watts.

L'utilisation du rayonnement de freinage selon

l'invention a aussi fait l'objet de calculs et de tests.

La figure 3 (nombre de photons X, en fonction de l'énergie en ke V) montre la forme du spectre calculé, lorsque l'anti-cathode est en tungstène, avec une haute tension de 4,1 k V et un courant du filament de 5 m A La fenêtre du détecteur étant équivalente à 200 gm de beryllium et celle du tube étant constituée de 300,m de beryllium La distance entre tube à rayons X et détecteur est ici de

quatre centimètres.

Avec les mêmes paramètres, la figure 4 montre le courant obtenu en Ampères, en fonction de l'épaisseur en gm du plastique interposé entre émetteur et détecteur (polypropylène) Ce courant est toujours supérieur à 1 n A. Il permet donc un traitement électronique aisé En fonction de l'épaisseur du film plastique en Mm, la figure rend compte de la précision statistique en pourcentage établie à 2 c Les figures 6 et 7 montrent respectivement l'effet d'une variation de 1/10000 de la haute tension du tube X, et ensuite du courant d'anode ( 1/10000 est un niveau de régulation tout à fait réaliste) Il est clair que toutes variations cumulées, la précision globale du système est au plus de quelques pour cent (, 2 %) Enfin, la figure 8 montre la variation du signal de mesure (en MV) obtenu, pour une variation d'épaisseur de 1 %, toujours en fonction de l'épaisseur en gm Les variations les plus faibles (pour les matériaux les plus minces) sont nettement supérieures (d'un ordre de grandeur) à la plus petite variation décelable par un convertisseur analo-

gique/digital de 14 bits, et à plus forte raison de 16 bits.

L'ensemble des tests et des calculs indiquent par ailleurs que les résultats sont d'autant meilleurs que les rayons X dans la partie de basse énergie du spectre de freinage participent à la mesure Pour cela, il faut impé- rativement réduire l'atténuation dans les fenêtres du tube à rayons X, et dans celle du détecteur C'est ce qui est fait en utilisant une fenêtre de sortie mince en beryllium, d'épaisseur n'excédant pas 400 gm pour le tube, et une fenêtre d'entrée composite du détecteur, qui à la propriété d'être absolument étanche, en particulier à

l'eau, pour assurer la protection du Na I très hy-

groscopique La fenêtre d'entrée ne présente pas une atténuation aux rayons X mous (> 2,5 k V et < 5 ke V) supérieure à 400 Mm de beryllium, et elle est par exemple

équivalente à 200 Mm de beryllium.

L'ensemble de ces résultats montre que l'utilisa-

tion du rayonnement de freinage émis par une anti-cathode de numéro atomique élevé (tungstène par exemple) est parfaitement adaptée à la mesure de l'épaisseur de matériaux très mince, comme les plastiques d'une dizaine de pm d'épaisseur, à condition de maintenir une haute tension sous une valeur adéquate Ceci est bien entendu

toujours vrai pour des matériaux, plus épais.

Au total, selon la présente invention, on aboutit

à une jauge de mesure, obviant les principaux inconvé-

nients des jauges à rayonnement l: quand la jauge n'est plus utilisée, il n'y a plus

émission de particules, ce qui simplifie considérable-

ment les problèmes de sécurité, protection et réglemen-

tation la jauge apparaît peu sensible à la température, parce qu'il n'y a pratiquement pas de rayons X d'énergie inférieure à 2 ke V à la sortie du tube, alors qu'à contrario il y a des rayons e d'énergie pratiquement nulle à la sortie d'une source de prométheum 147 par

exemple

la résolution spatiale obtenue est de l'ordre du centi-

mètre, c'est-à-dire un ordre de grandeur de mieux que les systèmes classiques utilisant une chambre d'ionisation la gamme de mesure est très large, puisqu'il suffit d'augmenter un peu la haute tension pour accéder à des matériaux plus épais; typiquement, ce système permet des mesures précises de l'ordre du pourcentage pour des épaisseurs allant de 5 gm à plusieurs millimètres, voire plus selon la nature du matériau la précision de la mesure est beaucoup moins tributaire du temps de réponse, comme c'est le cas avec les

systèmes classiques, puisque les fluctuations statis-

tiques sont très réduites, mais elle dépend par contre du niveau de stabilisation de l'alimentation du tube à rayons X qui peut être finement contrôlé; pour des plastiques très minces, ce système permet de gagner un ordre de grandeur sur les précisions typiques obtenues à partir des sources de prométheum 147 (voir figure 9) le temps de réponse intrinsèque de la photodiode à vide est pratiquement nul, comparé à celui d'une chambre à

ionisation (rl gs comparé à plusieurs millisecondes).

Pour terminer, avec une jauge selon la présente invention, la précision apparaît dépendre linéairement, et de la variation de la tension de réglage entre cathode et anti-cathode, et de la variation du courant d'alimentation de la cathode Cette linéarité permet de corriger, s'il en est besoin, les imprécisions générées par les variations5 d'alimentation du tube à rayons X.

Les jauges selon l'invention peuvent être utili-

sées aussi bien pour contrôler la qualité d'un produit plat, que pour contrôler un processus ou ligne de production, auquel cas elles sont intégrées dans un

système de contrôle ou pilotage dudit processus.

Les jauges selon l'invention peuvent être mises en oeuvre à poste fixe, dans une configuration dite "lyre": dans ce cas, la densité surfacique ou épaisseur du produit plat est mesurée dans une seule région, par exemple selon une bande pour un produit plat circulant en continu selon sa longueur Ces jauges peuvent être utilisées de manière mobile, par exemple en translation alternativement dans un sens et dans l'autre, dans une configuration dite "travelling"; dans ce cas, l'émetteur et le récepteur de la jauge se déplaçant ensemble, toujours en vis-à-vis, de part et d'autre du produit plat à mesurer Dans ce cas, et pour un produit plat circulant en continu selon sa longueur, son épaisseur est mesurée selon une ligne en zig zag.25 La figure 10 montre, à titre d'exemple, un montage pratique d'une jauge conforme à l'invention, dont les composants sont situés de part et d'autre du matériau plat 1 à contrôler circulant selon la flèche F On a indiqué en 2 le tube à rayons X, avec son anti-cathode 3, son filament 4 constituant la cathode et sa fenêtre de sortie dirigée vers le matériau plat 1, le tube 2 étant placé dans une enceinte thermostatée 6 située d'un côté du matériau plat 1 L'enceinte 6 renferme encore: une unité 7 fournissant la haute tension stabilisée V à laquelle est portée l'anti- cathode 3, une unité 8 d'alimentation du

filament 4, et une unité de thermostatation 9 L'unité 7 permet de régler la tension V, qui est en pratique assimilable à la tension entre la cathode 4 et l'anti-5 cathode 3 (la tension de la cathode étant de faible valeur).

De l'autre côté du matériau plat 1, en regard de la fenêtre de sortie 5 du tube 2, est prévu l'ensemble récepteur 10 comprenant un détecteur de rayonnement X réalisé sous la forme d'une photodiode à vide 11 De manière connue en soi, la photodiode à vide il comprend une fenêtre d'entrée 12, un cristal scintillant 13 transformant l'énergie reçue en lumière, une photocathode 14 transformant cette lumière en électrons, et une anode 15 collectant les électrons et permettant d'obtenir un signal de mesure électrique L'ensemble récepteur 10 comprend encore une unité d'alimentation 16 pour la photodiode à vide 11, lui fournissant une tension +v, et un élément de mesure 17 pour le courant électrique produit en sortie de ladite photodiode 11 Le flux de photons X, émis par l'anti-cathode 3 et dirigé vers le matériau plat

1 qui le transmet partiellement, est symbolisé en 18.

L'élément de mesure 17 peut donner directement la valeur

numérique de l'épaisseur du matériau plat 1.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Jauge radiométrique de mesure sans contact de la densité surfacique ou de l'épaisseur d'un produit plat ( 1), comprenant: un émetteur ( 6) d'un rayonnement X, dont la source constituée par un tube à rayons X ( 2), située d'un côté du produit plat ( 1), est dirigée vers ce dernier un récepteur ( 10) de rayonnement X, dont le détecteur ( 11) est disposé en relation avec le tube ( 2) et par rapport au produit plat ( 1), pour recevoir un rayonnement X ( 18) diffusé ou transmis sous forme atténuée par ledit produit plat ( 1), ledit récepteur ( 10) délivrant un signal de mesure éventuellement un support mécanique permettant de supporter ou déplacer l'ensemble émetteur/récepteur, par rapport au produit plat à mesurer

un organe de traitement du signal de mesure, pour obte-

nir une information représentant la densité surfacique ou l'épaisseur du produit plat ( 1) caractérisée en ce que l'anti-cathode ( 3) du tube à rayons X ( 2) est constituée d'un matériau de numéro atomique (Z) égal ou supérieur à 50, et de préférence supérieur à 70, possédant une bonne conductivité thermique et ayant un point de fusion élevé, et en ce qu'il est prévu un organe de réglage ( 7) de la tension (V) entre la cathode ( 4) et l'anti-cathode ( 3) du tube à rayons X ( 2), agencé pour fonctionner dans une gamme prédéterminée de tensions relativement basse, pour obtenir en correspondance avec l'anti-cathode ( 3) un spectre d'émission X limité pour l'essentiel à un rayonnement continu de freinage dont l'énergie maximale est fixée par

la valeur de la tension (V) entre cathode ( 4) et anti-

cathode ( 3).

2 Jauge selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tension de réglage (V) entre cathode ( 4) et anti-cathode ( 3) est comprise entre 3, 7 et 5 k V, notamment quand il s'agit de la mesure de feuilles de plastique mince, de l'ordre de lbom. 3 Jauge selon la revendication 1 ou 2,

caractérisée en ce le matériau constitutif de l'anti-

cathode ( 3) est choisi parmi les éléments: tantale (Z = 73), tungstène (Z = 74), rhénium (Z = 75), iridium

(Z = 77), platine (Z = 78), or (Z = 79).

4 Jauge selon l'une quelconque des revendications

1 à 3, caractérisée en que le détecteur est une photodiode à vide ( 11), comprenant de manière connue en soi un cristal scintillant ( 13) transformant l'énergie reçue en lumière, une photocathode ( 14) transformant ladite lumière en électrons, et un tube à vide avec anode ( 15) pour collecter lesdits électrons, et obtenir un signal de

mesure électrique.

Jauge selon la revendication 4, caractérisée en

ce que le cristal scintillant ( 13) est l'iodure de sodium.

6 Jauge selon l'une quelconque des revendications

1 à 5, caractérisée en ce que la fenêtre de sortie ( 5) du tube ( 2) constituant la source de rayons X est en

béryllium, son épaisseur n'excédant pas 400 gm.

7 Jauge selon la revendication 6, caractérisée en ce que la fenêtre d'entrée ( 12) du détecteur ( 11) ne présente pas une atténuation aux rayons X mous (> 2,5 et

< 5 ke V) supérieure à 400 gm de béryllium.