FR2951834A1 - Un dispositif a sondes multiples pour la detection multi-sites de radioactivite gamma - Google Patents

Abstract

Il est constitué d'un boîtier sur lequel peut se brancher une ou plusieurs sondes. La connexion entre le boitier et les sondes est une liaison filaire réalisée par un câblage classique. L'ensemble des données de toutes les sondes est communiqué au boîtier via ce câblage puis mis en forme par une électronique d'acquisition au sein du boîtier. Les données ainsi mises en trames sont envoyées via une connexion Ethernet vers un ordinateur pour que l'utilisateur puisse manipuler ces données. Quelle que soit la distance sonde-boitier, la mesure n'est pas perturbée. Chaque sonde comprend : - un cristal scintillateur permettant de transformer le signal radioactif en signal lumineux, ce cristal est chapeauté d'un matériau réflecteur, - une matrice de micro photodiodes à avalanche alimentées en mode Geiger permettant de convertir le signal lumineux en signal électrique, - une électronique d'acquisition permettant d'amplifier et de numériser le signal électrique puis de compter le nombre de signaux radioactifs détectés par la sonde durant une fenêtre de temps définie, - les valeurs de comptage sont mises en formes, numérisées, et communiquées au le boitier principal. Chaque sonde peut être concaténée à une autre ou branchée directement sur le boitier. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la mesure de la radioactivité gamma dans des milieux gazeux et liquides.

Description

La présente invention concerne un dispositif de détection de radiotraceurs en milieux industriels. Plus précisément la présente invention concerne un dispositif comportant plusieurs sondes indépendantes qui permettent la détection simultanée de rayonnements gamma sur des sites et des environnements multiples, de manière simultanée. Les données de chaque sonde sont centralisées par un boîtier d'acquisition, via une ou plusieurs liaisons filaires. Le principe de détection utilisé dans les applications visées, est basé sur le comptage des photons visibles émis par un scintillateur soumis à une excitation radioactive. Le système le plus répandus pour compter les photons est le photomultiplicateur. Il apparaît dès 1936 et fait l'objet de nombreux dépôts de brevets apportant sans cesse de nombreuses améliorations au niveau des gains d'amplifications et des gammes spectrales mesurables. On peut citer l'exemple du brevet n °GB1176910. Un des inconvénients des photomultiplicateurs réside dans leur alimentation électrique car il est nécessaire de les alimenter avec une tension supérieure à 1000 volts et une intensité de plusieurs dizaines de milliampères. Pour les applications en milieu industriel, où le risque électrique peut être un risque majeur, l'utilisation de photomultiplicateur est parfois problématique. De plus, la consommation électrique relativement élevée des photomultiplicateurs fait que les systèmes alimentés sur batteries ont une autonomie limitée. Des alternatives aux photomultiplicateurs existent. Une des principales alternatives sur le marché, apparu en 1996, sont les matrices de micro photodiodes à avalanche alimentées en mode Geiger. Leur fonctionnement est décrit dans les documents suivants : Z.Y.Sadygov et al., Avalanche Semiconductor Radiaton Detectors, Trans. Nucl. Sci. Vol. 43, N°3 (1996) 1009 ; V. Saveliev, The Recent Development and Study of Silicon Photomultiplier, Nucl. Instr. Meth. A 535 (2004) 528-532 ; Brevet d'invention n° WO2006126027. Les matrices de micro photodiodes à avalanche alimentées en mode Geiger nécessitent une alimentation beaucoup plus faible (inférieure à 100 volts) et ont une consommation électrique bien plus faible (inférieure au miliampère), ils représentent donc un bon compromis entre la puissance électrique nécessaire et la sensibilité.

Les sondes à base de photodétecteurs, tels que les photomultiplicateurs ou les matrices de micro photodiodes à avalanche alimentées en mode Geiger, génèrent un signal analogique. Pour des applications où les sondes sont à des distances importantes et variables de la centrale d'acquisition, les signaux analogiques sont perturbés et on note l'apparition rédhibitoire de bruit analogique dans le câble. Le traitement des signaux analogiques issus des photodétecteurs est alors très difficile.

Une solution technique proposée notamment dans le brevet n° US2008308747 consiste à numériser le signal au niveau de la sonde : on obtient un signal numérique qui ne sera plus soumis aux contraintes du bruit analogique dans le câble.

Toutefois, il n'existe aucun système industriel permettant de centraliser n sondes de détections indépendantes. Dans les systèmes existant, il est nécessaire d'avoir n ordinateurs pour gérer n sondes. Ceci devient problématique si l'on souhaite installer et gérer une quantité importante de sondes. Les systèmes existants ne permettent donc pas de mesurer la radioactivité des radiotraceurs dans de multiples sites et environnements en milieux industriels, avec l'ensemble des données centralisées dans un boîtier d'acquisition piloté par une seule unité informatique.

Les systèmes actuels sont donc soumis à des contraintes fortes en termes d'alimentation, d'encombrement, de bruit et de traitement des données.

Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte selon une première caractéristique un boîtier électronique présentant des orifices de connexion permettant de brancher un ou plusieurs câbles reliés à une ou plusieurs sondes ainsi que une ou plusieurs sondes. Les sondes permettent de mesurer l'activité en particules gamma sur des sites et des environnements multiples. L'invention permet de centraliser les données d'autant de sonde que l'on souhaite de deux manières différentes : soit un câble par sonde, soit en regroupant les sondes en les concaténant sur un seul câble. Dans les deux cas, c'est le terminal électronique qui se charge de traiter l'ensemble des signaux reçus et de renvoyer les données traitées à un unique ordinateur.

Selon des modes particuliers de réalisation : - Chaque sonde est composée d'un matériau scintillateur qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants gamma. Le matériau scintillateur est couvert d'un matériau réflecteur.

La lumière émise par le matériau scintillateur est convertie par une les matrices de micro photodiodes à avalanche alimentées en mode Geiger alimenté par une faible tension en un signal électrique. Une électronique d'acquisition incluse dans les sondes permet de traiter le signal électrique obtenu, de le modifier en fonction des conditions externes de température, 35 d'augmenter son gain, de discriminer certains signaux en fonction de leurs amplitudes.

Les valeurs de gains et de discriminations peuvent être modifiées par l'opérateur avec l'aide d'un logiciel externe chargé sur un ordinateur lui-même relié au boîtier d'acquisition. Finalement, l'électronique d'acquisition compte le nombre de particules radioactive ayant interagi avec le matériau scintillateur durant une fenêtre de temps donnée. Une électronique de communication permet de mettre en forme les valeurs de comptage et de communiquer des informations numériques au boitier principal. Le boitier d'acquisition est relié aux sondes par une connexion filaire réalisée par un câblage classique.

Le câblage permet notamment l'alimentation des sondes via le boitier, lui-même relié à une prise de courant ou une batterie. Il est possible de centraliser les données d'autant de sonde que l'on souhaite de deux manières différentes : soit un câble par sonde, soit en regroupant les sondes en les concaténant sur un seul câble. - L'ensemble des données de l'ensemble des sondes est ensuite mis en forme au sein du boitier par une électronique numérique. Les données ainsi mises en trames sont envoyées à fréquence rapide via une connexion Ethernet vers un ordinateur pour que l'utilisateur puisse manipuler les données en temps réel.

Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 décrit le dispositif général selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 2 décrit la constitution d'une sonde selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 3 montre un exemple d'utilisation d'un ensemble d'un détecteur suivant la réalisation décrite précédemment.

La figure 4 montre un exemple d'utilisation d'un ensemble d'un détecteur suivant la réalisation décrite précédemment

En référence à ces dessins, le dispositif comporte un boîtier d'acquisition (figure 1) muni d'orifice de connexion. L'un d'eux (3) permet de relier le boîtier (2) à un ordinateur (4). Un second permet de relier le boîtier à un système d'alimentation. Les autres orifices sont des connecteurs électriques auxquels viennent se connecter les câbles reliés aux sondes (1) suivant l'un ou l'autre mode de travail. Chaque connecteur est ensuite relié à une carte électronique d'analyse qui analyse les trames électroniques arrivant des connecteurs, et retransmet les informations de comptage de chaque détecteur à l'ordinateur.

Selon le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif est également constitué d'une ou plusieurs sondes telles que présentées en figure 2. Selon la figure 2, la sonde est constituée d'un cristal scintillateur cylindrique (5) de composition Bi4Ge3O12 de 25,4 mm de diamètre et de 25,4 mm de hauteur. Sur ce cristal sont collés deux matrices de micro photodiodes à avalanche alimentées en mode Geiger (6) représentant une surface active de détection de 60 à 80 mm2. Ces photodétecteurs sont ensuite reliés à un circuit analogique d'amplification et de comparaison logique (7) incluant une correction des signaux en fonction de la température dont la mesure est réalisée par un composant du même circuit analogique. Un microcontrôleur (8) présent dans le détecteur compte les événements en provenance du circuit analogique, contrôle les composants du circuit analogique et communique avec la centrale d'acquisition via un câble électrique pour lui transmettre les taux de comptage, les mesures de température et recevoir les instructions de réglage des composants du circuit analogique. Tous ces éléments sont inclus dans un boitier en alliage d'aluminium composé d'un bouchon (9) et d'un corps cylindrique creux (10). La fréquence d'échantillonnage des sondes est de 1 kHz et la fréquence de communication entre les sondes et le boîtier est de 10 Hz. L'ensemble assemblé forme un cylindre de 30 mm de diamètre et 75 mm de hauteur. Le détecteur présente un connecteur étanche (11) fixé sur le bouchon permettant de le relier à un câble de manière étanche. L'ensemble du détecteur ainsi constitué est totalement étanche et peut être utilisé dans différentes conditions de température et d'environnement.

Selon une variante non illustrée, le dispositif de détection est constitué d'un ensemble de détecteurs pouvant être reliés à un boîtier d'acquisition de deux manières : selon un premier mode de travail, les détecteurs sont reliés entre eux par un câble électrique, et le dernier détecteur de la série est connecté au boitier d'acquisition qui récupère les données de l'ensemble des détecteurs et les transmet à un ordinateur. Selon le second mode de travail, chaque détecteur est relié au boîtier d'acquisition par un câble électrique. Le boîtier d'acquisition récupère les données de l'ensemble des détecteurs et les transmet à un ordinateur. Dans la forme de réalisation selon la figure 1 et la figure 2, la figure 3 montre un exemple d'utilisation d'un ensemble d'un détecteur suivant la réalisation décrite précédemment et d'un autre détecteur suivant la réalisation décrite précédemment connectés au boîtier d'acquisition (12) selon le premier mode de travail. Les détecteurs (14) sont reliés entre eux par un câble électrique (13), et le dernier détecteur de la série est connecté au boitier d'acquisition qui récupère les données de l'ensemble des détecteurs et les transmet à un ordinateur. Dans la forme de réalisation selon la figure 1 et la figure 2, La figure 4 montre un 35 exemple d'utilisation d'un ensemble d'un détecteur suivant la réalisation décrite précédemment et d'un autre détecteur suivant la réalisation décrite précédemment connectés au boîtier

d'acquisition (15) selon le second mode de travail. Chaque détecteur (17) est relié au boîtier d'acquisition par un câble électrique (16). Le boîtier d'acquisition récupère les données de l'ensemble des détecteurs et les transmet à un ordinateur.

À titre d'exemple non limitatif, une électronique de communication de type CAN permet de mettre en forme les valeurs de comptage et de communiquer des informations numériques au boitier principal. À titre d'exemple non limitatif, le boîtier d'acquisition et l'ordinateur sera reliés par une connexion ethernet. À titre d'exemple non limitatif, on pourra concaténer 6 sondes sur un seul câble sans que cela ne perturbe les valeurs des données acquises. À titre d'exemple non limitatif, la longueur du câble reliant chaque sonde au boîtier d'acquisition pourra dépasser 100 m sans que cela ne perturbe les valeurs des données acquises.15

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de détection simultanée de particules gamma. Le dispositif est composé d'un boitier central et de plusieurs sondes pouvant être placées sur différents sites, les sondes étant branchées sur le boitier ou branchées entre elles. Chaque sonde est composée d'un matériau scintillateur qui émet de la lumière en réponse à des rayonnements ionisants gamma. Le matériau scintillateur est couvert d'un matériau réflecteur. La lumière émise par le matériau scintillateur est détectée par un photodétecteur alimenté par une faible tension et transformé en signal électrique. Une électronique d'acquisition permet de traiter le signal électrique obtenu, de le modifier en fonction des conditions externes de température, d'augmenter son gain, de discriminer certains signaux en fonction de leurs amplitudes. Les valeurs de gains, de discriminations, de températures peuvent être modifiées par l'opérateur avec l'aide d'un logiciel externe. Finalement, l'électronique d'acquisition compte le nombre de particules radioactive ayant interagi avec le matériau scintillateur durant une fenêtre de temps donnée. Une électronique de communication permet de mettre en forme les valeurs de comptage et de communiquer des informations numériques au boitier principal. Le boitier principal est relié aux sondes par un câblage classique. Le câblage permet l'alimentation des sondes via le boitier, lui-même relié à une prise de courant ou une batterie. II est possible de relier plusieurs sondes au boitier ou de concaténer, plusieurs sondes entre elles. L'ensemble des données de l'ensemble des sondes est mis en forme au sein du boitier. Les données misent en formes sont envoyée à fréquence rapide vers un ordinateur.
2. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est possible de centraliser les données d'autant de sonde que l'on souhaite de deux manières différentes : soit un câble par sonde, soit en regroupant les sondes en les concaténant sur un seul câble.
3. 3. Dispositif suivant l'une ou les revendications précédentes caractérisé en ce que la sonde assemblée forme un cylindre de 30 mm de diamètre et 75 mm de hauteur.
4. 4. Dispositif suivant l'une ou les revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence d'échantillonnage des sondes est de 1 kHz et la fréquence de communication entre les sondes et le boîtier est de 10 Hz.
5. 5. Dispositif suivant l'une ou les revendications précédentes, caractérisé en ce que des joints sont ajoutés au boitier et aux sondes afin que ceux-ci soient étanches.