FR3051258A1 - Procede et dispositif de determination de la densite de volumes rocheux ou d'edifices artificiels - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, le dispositif comprenant un détecteur gazeux ayant une première et une seconde chambre séparées par une micro-grille, permettant de détecter un flux de particules ionisantes, de calculer la trajectoire de chaque particule ionisante et le flux des particules ionisantes traversant la première chambre, et comprenant des moyens de calcul pour convertir les calculs de trajectoires et de flux en information de densité de volume de matière à imager.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA DENSITE DE VOLUMES

ROCHEUX OU D’EDIFICES ARTIFICIELS

Domaine de l’invention L’invention concerne le domaine de la détermination en transmission de la densité des volumes rocheux ou des édifices artificiels in situ, et plus particulièrement un procédé et un dispositif basés sur l’étude de la trajectoire et l’absorption de muons pour déterminer une telle densité.

Etat de la Technique

En géophysique, la connaissance de la structure des sous-sols et des roches présente un intérêt pour de nombreuses applications que ce soit pour dresser des cartes des sous-sols, pour la recherche et le suivi de ressources naturelles par exemple, pour la surveillance d’instabilités gravitaires ou encore pour la surveillance de sites présentant un aléa potentiel vis-à-vis de leur intégrité mécanique.

La caractérisation des propriétés du sous-sol utilise des techniques de mesures indirectes telles que par exemple, l'imagerie sismique, la prospection électrique ou encore la gravimétrie. Selon les approches et les appareils de mesure utilisés, les données obtenues permettent après étude et traitement d’obtenir une image du sous-sol.

La tomographie en transmission est une technique d’imagerie connue qui permet de reconstruire le volume intérieur d’un objet (ex. structure géologique, ouvrage d’art, infrastructure industrielle) à partir de mesures déportées à l’extérieur de l’objet.

La demande de brevet EP0081314 décrit un dispositif permettant la détermination de la densité du sous-sol basé sur l’analyse tomographique, qui exploite des signaux électriques représentatifs de la trajectoire de muons pénétrant dans le sol et intercepté par le dispositif.

Les muons sont des particules chargées produites par l'interaction des protons cosmiques de haute énergie avec l’atmosphère. Les muons, de par leur grande masse, environ 207 fois plus grande que celle des électrons, leur grande vitesse (0,9997c) et leur insensibilité face à l’interaction forte, ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière. Typiquement, ils se propagent sur plusieurs centaines de mètres de roches, la profondeur atteinte dépendant essentiellement de leur énergie initiale et de la densité du milieu traversé. Ainsi l’analyse du nombre de muons reçus en fonction de la trajectoire permet de renseigner sur la densité des sous-sols.

Un dispositif tel que celui de la demande précitée nécessite la mise en place de plusieurs détecteurs suivant une géométrie adaptée pour récupérer les signaux produits par les détecteurs et les analyser. Son utilisation reste limitée à des zones offrant une accessibilité imposant peu de contrainte d’encombrement.

Or, il n‘existe pas de solution connue, permettant de caractériser la densité de sous-sols depuis des environnements confinés, imposant de fortes contraintes d’encombrement. La présente invention répond à ce besoin. Résumé de l’invention

Un objet de la présente invention est de proposer un dispositif qui permet de faire de la tomographie (ou muographie) d’un milieu in-situ grâce à la mesure du flux et de la trajectoire des muons le traversant. La technique utilisée est non destructive. Elle est basée sur la quantification de l’absorption du flux naturel des muons, qui dépend de la quantité de matière que les particules traversent. Le taux d’absorption permet de déduire la densité de la matière traversée, étant donnée sa géométrie.

Le procédé mis en œuvre permet de mesurer la densité du sous-sol et ses variations temporelles. Utilisant un dispositif de mesure en transmission, le procédé permet d’imager des lieux difficilement ou dangereusement accessibles sans exposition directe aux risques éventuels. L’invention permet de surveiller dans le temps des variations localisées de densité de matière.

Les applications de la présente invention sont multiples, et peuvent recouvrir par exemple, la surveillance d’instabilités gravitaires, la recherche et le suivi de ressources naturelles ou encore la surveillance de sites présentant des risques naturels.

Avantageusement, le dispositif de la présente invention utilise un détecteur gazeux de faible encombrement combinant deux chambres séparées par une microgrille, une première chambre dite chambre de dérive associée à une deuxième chambre dite chambre d’amplification, l’ensemble permettant la détection et l’identification de chaque muon intercepté. D’une manière générale, l’invention est basée sur le principe de l'ionisation d’un gaz contenu dans une enceinte étanche aux gaz polluants et aux poussières, comprenant deux chambres, la chambre de conversion et dérive, et la chambre d’amplification. Le passage d’un muon dans la chambre de dérive produit des paires électrons-ions positifs tout au long de sa trajectoire (environ une centaine d’ionisations par centimètre). Le champ électrique appliqué dans la chambre de dérive fait dériver les électrons primaires générés jusqu'à la microgrille, entrée de la chambre d'amplification. Les signaux mesurés dans la chambre d’amplification tracent ainsi la projection dans le plan de la grille, de la trajectoire initiale du muon. Le comptage des trajectoires des muons permet de déterminer la densité locale du volume analysé par unité d’angle solide. La mesure de l'absorption du flux de muons dans le sous-sol permet de cartographier la densité moyenne du milieu suivant chaque angle solide déterminé par son azimut, son zénith et son ouverture. L’invention concerne aussi un système de reconditionnement de gaz pour détecteur gazeux, en particulier pour un détecteur gazeux tel que celui revendiqué par la présente invention. En effet, la performance des détecteurs gazeux est indissociablement et fondamentalement liée à la qualité et à la stabilité du gaz utilisé. Habituellement, les détecteurs gazeux fonctionnent en circuit ouvert générant une perte d'un grand pourcentage de gaz, limitant leur autonomie et altérant leur environnement de fonctionnement. Pour palier à ces inconvénients, un nouveau système de conditionnement de gaz en circuit quasi fermé est proposé. Le circuit de reconditionnement de gaz proposé répond aux besoins de : - réduire au maximum la consommation de gaz, sans diminuer la performance du détecteur ; - réduire les émissions de gaz, condition nécessaire au travail dans des espaces confinés ayant une faible ventilation ; et - contrôler et stabiliser en direct le gain du détecteur et la qualité du gaz pour acquérir puis analyser des données de qualité et cohérentes.

Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de l’invention est un dispositif pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, qui comprend un détecteur de particules ionisantes permettant de détecter un flux de particules ionisantes et de calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant le détecteur, et des moyens de calcul couplés au détecteur pour convertir les calculs de trajectoire des particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager, le dispositif étant caractérisé en ce que le détecteur gazeux comporte une première et une seconde chambre séparées par une micro-grille.

Selon un mode de réalisation, d’une part l’espace de dérive de la première chambre est configuré pour générer des électrons primaires le long de la trajectoire des particules ionisantes la traversant, et faire dériver ces électrons primaires générés vers la micro-grille orthogonalement au plan défini par la micro-grille, et d’autre part l’espace d’amplification de la zone d’amplification est configuré pour générer un effet d’avalanche à partir des électrons primaires passant la micro-grille.

Dans un mode d’implémentation, les moyens de calcul sont configurés pour déterminer la trajectoire de chaque particule ionisante et calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques produits dans la seconde chambre.

Dans un mode d’implémentation, la première chambre comprend des premiers moyens de polarisation permettant de générer dans l’espace de dérive un premier champ électrique constant contrôlé et uniforme.

Dans un mode d’implémentation, la deuxième chambre comprend des seconds moyens de polarisation, permettant d’établir dans celle-ci un second champ électrique très élevé accélérant violemment les électrons primaires passant la microgrille et générant par multiplication, des électrons et des ions secondaires dans une micro-avalanche.

Selon un mode de réalisation, le rapport entre le champ électrique créé dans la deuxième chambre et le champ électrique créé dans la zone de dérive est au moins supérieur à 10.

Dans un mode d’implémentation, l’espace de dérive de la première chambre présente une hauteur de plusieurs centimètres bien supérieure à la hauteur de la deuxième chambre.

Dans un mode d’implémentation, la deuxième chambre présente une hauteur d’une centaine de microns.

Avantageusement, le détecteur gazeux placé dans ou à proximité d’un volume rocheux permet d’imager le volume compris entre le détecteur et la surface du sol.

Dans un mode d’implémentation, la deuxième chambre comprend une protection résistive, soit d’une couche résistive, soit d’un ensemble de pistes résistives produisant par induction un courant électrique lors du déplacement des charges dans la chambre d’amplification.

Dans un mode d’implémentation, les pistes de lecture situées sous la protection résistive sont superposées et isolées sur deux niveaux différents selon des axes perpendiculaires.

Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend de plus un circuit pour injecter du gaz dans l’enceinte, le dit circuit étant configuré en circuit quasi fermé entre une entrée de gaz et une sortie de gaz.

Dans un mode d’implémentation, le circuit de gaz comprend des moyens de filtration des différents contaminants présents dans le gaz (ex. impuretés dans le gaz initial, désorption des matériaux constituant le détecteur, usure du gaz par ionisation), des moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz et des moyens de pilotage des variables d’environnement.

Dans un mode d’implémentation, les moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz reçoivent des mesures de débit du gaz et de pression relevées dans le circuit de gaz et des informations de température permettant d’ajuster le débit du gaz et maintenir le gain du détecteur à une valeur désirée. L’invention concerne aussi une méthode pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, la méthode comprenant les étapes de : - détecter un flux de particules ionisantes traversant un détecteur, ledit détecteur étant un détecteur gazeux ayant une première et une seconde chambre séparées par une micro-grille ; - calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant la première chambre du détecteur à partir d’électrons primaires générés le long de la trajectoire des particules ionisantes la traversant et dérivant vers la micro-grille orthogonalement à celle-ci ; - calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques amplifiés dans la seconde chambre, les signaux électriques étant générés à partir d’électrons secondaires issus d’un effet d’avalanche des électrons primaires passant la micro-grille; et - convertir les calculs de trajectoire et de flux des particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager. L’invention couvre aussi un produit programme d’ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d’effectuer tout ou partie des étapes de la méthode, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.

Description des figures

Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaître en appui de la description d’un mode préféré d’implémentation de l’invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :

La figure 1 montre schématiquement une vue en coupe du détecteur gazeux de l’invention selon un mode de réalisation;

La figure 2 montre en zoom une vue en coupe de la chambre d’amplification du détecteur de la figure 1 selon un mode de réalisation ;

La figure 3 montre un enchaînement des étapes du fonctionnement du détecteur de l’invention ;

La figure 4 montre un enchaînement des étapes de l’analyse des données pour reconstituer la trajectoire des particules ionisantes ;

La figure 5 illustre les flux de gaz et des données dans le circuit de reconditionnement de gaz de l’invention ;

La figure 6 montre schématiquement un circuit de reconditionnement de gaz adapté au détecteur de l’invention selon un mode de réalisation.

Description détaillée de l’invention

La figure 1 illustre de manière schématique une vue en coupe du détecteur gazeux de l’invention selon un mode de réalisation.

Le détecteur gazeux de l’invention (100) comprend au moins, une première chambre (110) dite chambre de dérive (D) séparée dans sa partie inférieure par une micro-grille (111) d’une deuxième chambre (112) dite chambre d’amplification (A), et des interfaces (120,123) vers les dispositifs d’acquisition de signaux et d’analyse et traitement de données.

Le détecteur gazeux comprend aussi une entrée de gaz (121) et une sortie de gaz (122) avec des éléments diffuseurs (116a, 116b), permettant de faire circuler un gaz dans la chambre de dérive (110). De manière avantageuse, le gaz est un mélange de gaz composé majoritairement d’argon avec au moins un désactivateur, choisi pour maximiser la vitesse de dérive des électrons à la valeur de champ électrique désiré.

Comme il est détaillé plus bas en référence à la figure 5, le gaz injecté dans le détecteur provient dans un mode de réalisation préférentiel, d’un circuit de reconditionnement de gaz en circuit quasi fermé qui a pour avantage de filtrer, contrôler et stabiliser en direct le gain du détecteur gazeux de l’invention, afin de maximiser sa qualité et d’améliorer la cohérence des données à analyser.

La chambre de dérive comprend de plus un circuit de polarisation (115a, 115b) couplé entre une électrode plane (114) dite cathode de dérive située dans la partie supérieure de la chambre de dérive, et la terre (117). La cathode située dans la partie supérieure de la chambre primaire mise à un potentiel élevé HV1, permet d’activer le circuit de polarisation pour créer un premier champ électrique homogène dans la chambre de dérive. Pour générer une cascade d’électrons primaires à partir d’un muon (102) traversant la chambre de dérive, le circuit de polarisation doit créer un champ électrique dans la chambre de dérive suffisamment fort pour séparer les paires électrons-ions formés pendant l'ionisation. Le champ électrique créé doit de plus être homogène pour obtenir une projection orthogonale au plan de la micro-grille des électrons générés (104, 106, 108) afin de faire les mesures nécessaires à la détermination précise de la trajectoire des muons.

Afin de pouvoir effectuer une analyse de trajectoire des muons, la chambre de dérive du détecteur gazeux de l’invention présente une hauteur ‘Hd’ de plusieurs centimètres. Dans une implémentation préférentielle, la distance entre la cathode de dérive (114) et la micro-grille (111) est de l’ordre de 5 cm. Avantageusement, la hauteur de la chambre de dérive est définie de manière à obtenir une précision spécifique sur la trajectoire des muons et garantir de bonnes performances d’analyse. Ainsi la hauteur de la chambre de dérive doit répondre à deux contraintes qui sont (1 ) de maximiser l’espace de dérive et augmenter la qualité des trajectoires déterminées, et (2) de minimiser le volume pour avoir un capteur compact limité. A la différence de détecteurs gazeux connus, tels les détecteurs MicroMegas® qui ont une chambre de dérive faisant quelques millimètres de hauteur (aussi connue sous le terme de chambre de conversion), le détecteur de l’invention par la hauteur inhabituelle de la chambre de dérive, engendre des problématiques non abordées par les détecteurs connus. En effet, la hauteur importante de plusieurs centimètres de la chambre de dérive, requière un dispositif de polarisation particulier afin d’obtenir un champ électrique homogène, qui soit maîtrisé et contrôlé. Le circuit de polarisation est dans une implémentation particulière réalisé comme un circuit imprimé avec des pistes en cuivre interconnectées ayant des résistances de très grandes valeurs (de l’ordre de 500Mohm) et des petits trous pour laisser diffuser le gaz de façon homogène non turbulente ou convective. Par ailleurs, le circuit de polarisation sert à minimiser l’effet des artefacts dans l’image, en particulier sur les côtés du détecteur.

Dans une implémentation préférentielle, la cathode de dérive (114) est portée à un potentiel négatif de l’ordre de -3000 V, la micro-grille (111) est mise à la terre par le biais d’une résistance (121), permettant de créer un champ électrique de l’ordre de 600 V/cm dans la chambre de dérive.

La figure 2 illustre une vue en coupe de la chambre d’amplification (112) du détecteur gazeux de la figure 1. La chambre d’amplification est définie entre la microgrille (111) et une électrode (113) dite anode résistive qui est une protection résistive. L’électrode résistive, ayant une conductivité électrique fixée (0,5-5MQ/cm), est composée d’un maillage de bandes ou pistes conductrices organisées selon un patron prédéfini. Les électrons primaires (106) qui sont passés au travers des trous de la micro-grille, sont accélérés jusqu’à créer un effet avalanche (107). L’agencement des bandes (x, y) permet de collecter un signal électrique mesurable avec une instrumentation électronique conventionnelle des dispositifs d’acquisition de signaux (120).

Dans le détecteur illustré en figures 1 et 2, les bandes conductrices de lecture (118x, 118y) sont des pistes en cuivre de largeur variable selon la proximité d’une piste à la couche résistive, de telle sorte que le signal électrique induit soit le plus homogène possible entre les différents niveaux. Ainsi, une piste qui est proche de l’anode résistive doit avoir des dimensions plus petites que celle qui est éloignée de cette anode. Celles ci sont protégées des étincelles par la dite couche résistive, et réparties selon des axes perpendiculaires ‘x’ et ‘y’· Cette distribution des pistes conductrices permet par l’analyse des impulsions électriques induites dans ces pistes, un positionnement en deux dimensions. Dans une réalisation, le maillage peut comporter par exemple 1024 pistes sur l’axe ‘x’ et 512 pistes sur l’axe ‘y’.

Les bandes conductrices de la couche résistive sont portées à un potentiel ‘HV2’ très inférieur au potentiel ‘HV1’ de la cathode de la chambre de dérive. Dans une implémentation préférentielle, le potentiel ‘HV2’ est de l’ordre de 600 V permettant de créer un champ électrique dans la chambre d’amplification de l’ordre de 60 kV/cm. La valeur de HV1 est choisie pour optimiser la vitesse de dérive des électrons primaires. La valeur du second champ HV2 permet de régler le gain du détecteur. Le ratio entre les deux champs est contrôlé, car il affecte la transparence électronique autour de la micro-grille. Le rapport entre le champ électrique créé dans la deuxième chambre (zone d’amplification) et le champ électrique créé dans la première chambre (chambre de dérive) est fonction du gaz utilisé et est au moins supérieur à 10, de préférence de l’ordre de 50.

La chambre d’amplification présente une hauteur Ήα’ très inférieure à la hauteur ‘Hd’ de la chambre de dérive. Dans une implémentation préférentielle, la distance entre la micro-grille (111) et la couche résistive (113) est de l’ordre d’une centaine de microns.

Des piliers (119) sont régulièrement répartis sur la surface de l’électrode de lecture pour soutenir la micro-grille, permettant de la maintenir à une distance fixe de l’électrode résistive sur toute sa longueur. Les piliers de soutien sont faits d’un matériel diélectrique permettant de maintenir la micro-grille et la couche résistive électriquement isolées et à une distance constante. Le diamètre des piliers doit être le plus petit possible pour limiter les zones mortes où aucune détection n’est réalisable.

La figure 3 illustre les différents états que subit un flux de particules ionisantes traversant le détecteur de l’invention. Pour des raisons de simplification, la figure 3 est décrite pour une particule comme un muon traversant le détecteur, mais les principes restent inchangés pour un flux de muons. Le principe de l’invention repose sur l’ionisation du gaz au passage d’une particule chargée (302) dans la chambre de dérive. A son passage, le muon ionise le gaz circulant dans la chambre de dérive et génère des électrons (304) dits électrons primaires. Les électrons primaires générés qui sont soumis au champ électrique existant dans la chambre de dérive, dérivent (306) jusqu’à la micro-grille orthogonalement à celle-ci, qui est la zone de transition (308) vers la chambre d’amplification. Les électrons primaires qui passent au travers des trous de la micro-grille sont ensuite multipliés par le champ électrique existant dans la chambre d’amplification selon un effet d’avalanche (310). L’avalanche d’électrons, dits électrons secondaires et des ions, induit un courant dans la couche résistive (312), ce qui induit des signaux électriques (314) dans les pistes de lecture conductrices (x, y) sous-jacentes par couplage capacitif. L’analyse des signaux permet de déterminer une position en deux dimensions (x, y) et un temps d’arrivée de l’impact associé au passage de la particule. L’ensemble des signaux électriques est ensuite traité par le circuit d’acquisition et de traitement (120). Les signaux sont dans un premier temps amplifiés (316). Dans un mode de réalisation préférentiel, les amplificateurs sont les circuits d’une carte hybride de type bien connu «APV25 ». Les signaux analogiques sont ensuite numérisés (318) par un convertisseur analogique/numérique, puis les données numériques sont adaptées (320) et stockées (324) pour pouvoir être traitées par ordinateur. L’effet d’avalanche (310) produit dans la chambre d’amplification, génère une impulsion identique, mais de polarité inverse sur la grille (311). Le dispositif d’analyse et de traitement des données du détecteur de l’invention permet d’utiliser ce signal comme l’information de passage de la particule ionisante à travers le détecteur. Ces signaux électriques induits sont dans un premier temps amplifiés (313), puis discriminés (315) pour éliminer les bruits de fond, et convertis en impulsions logiques (317). Dans un mode de réalisation préférentiel, les impulsions générées sont dans un format standardisé du type bien connu « Nuclear Instrumentation Module » (NIM). Cette impulsion NIM sert à déclencher l’acquisition de données afin de pouvoir capturer exclusivement l’instant précis du passage des particules ionisantes. Cela permet d’optimiser le volume de données acquises en éliminant celles sans intérêt pour la reconstruction de l’image. Avantageusement, l’efficacité du détecteur s’en trouve augmentée, du fait de la minimisation de perte de données liée à une acquisition avec une fréquence d’échantillonnage fixe par exemple (en effet, les cartes électroniques, du fait des temps morts entre les échantillons ne sont pas aptes à enregistrer de façon continue). L’ensemble des circuits d’acquisition et de traitement des données peut être avantageusement disponible sur une seule carte électronique comme interface unique (120) au détecteur de l’invention.

Dans un mode de réalisation non illustré, un dispositif externe d’acquisition de données à base de scintillateurs, par exemple, peut être ajouté pour déclencher l’acquisition des données pour l’analyse de la trajectoire des particules ionisantes.

La figure 4 montre un enchaînement des étapes de l’analyse des données pour reconstituer la trajectoire des particules ionisantes.

Le procédé, initié au niveau de la carte hybride (316) connectée à l’interface du détecteur (120), débute par la mesure à intervalles réguliers de l’amplitude en tension des signaux électriques produits pendant une période donnée. Dans une implémentation particulière, la tension est mesurée toutes les 25 nanosecondes pendant 67.5 psec, par chaque carte hybride dédiée à la mesure de 128 pistes de lectures (x, y).

Si la tension mesurée est inférieure à un seuil donné (404, branche NON), la mesure est considérée comme du bruit (406). Si la tension moyenne mesurée est supérieure au seuil donné (404, branche OUI), la mesure est considérée comme représentative d’un impact sur une piste de lecture et est conservée (408). Typiquement, le seuil équivaut à une charge de 20 000 électrons.

Le procédé permet ensuite de déterminer si les impacts relevés par chaque carte hybride sont des impacts proches (410) relativement aux pistes de lecture. Si les impacts correspondent à des pistes de lecture isolées, ils sont considérés comme des impacts isolés et rejetés comme du bruit (412). Si les impacts correspondent à des pistes de lecture contigües, par exemple dix pistes contiguës, le procédé permet de regrouper (414) les pistes impactées selon l’axe ‘x’ et selon l’axe ‘y’.

Dans une étape suivante (416), le procédé permet de déterminer quels groupes de pistes selon chaque axe ‘x’ et ‘y’ sont impactés dans une même fenêtre de temps et de les associer. L’association des groupes de pistes (x, y) détermine un point (418) donnant une information de position de la particule et détermine donc la hauteur à laquelle la particule correspondant à ce point est passée dans la chambre de dérive, et ainsi reconstituer sa trajectoire. Avantageusement le procédé permet de différencier les points selon l’angle d’incidence selon lequel la particule a pénétré dans la chambre de dérive.

En effet, pour des particules pénétrant de manière quasi verticale dans le détecteur, les avalanches d’électrons secondaires dans la chambre d’amplification sont très proches, pouvant se chevaucher. Un premier traitement (420) est appliqué aux points pour lesquels l’angle d’incidence par rapport à la verticale est quasi nul, correspondant à des particules qui ont pénétré dans la chambre du détecteur selon un angle de moins de 20° (plage angulaire de +10° à-10°). Pour ces particules, l’ensemble des groupes de pistes proches est considéré comme un groupe unique et le procédé permet d’analyser le déplacement du centre de gravité au sein de ce groupe sur toute la durée de la mesure. Le procédé permet ensuite de reconstituer (422) la trajectoire azimutale de la particule à partir de la direction du déplacement du centre de gravité et des positions des points (x, y).

Pour des particules pénétrant dans le détecteur selon un angle non nul, allant dans une plage angulaire comprise entre 20° et 90°,un second traitement (424) est appliqué. Pour ces particules, les différentes avalanches d’électrons secondaires générées pendant la traversée de la particule dans la chambre de dérive, impactent des groupes de pistes bien dissociés et différents. Le procédé permet d’analyser (424) chaque groupe de pistes sur toute la durée de la mesure pour déterminer l’évolution du déplacement des groupes de pistes. Le procédé permet ensuite de reconstituer (426) la trajectoire azimutale de la particule à partir de la direction du déplacement des groupes de pistes et des positions des points (x, y).

Dans les deux cas précédents, une fois les trajectoires azimutales connues, le calcul de la trajectoire en 3D est fait avec l’obtention de l’angle zénithal de chaque particule. En connaissant la vitesse de dérive des électrons primaires et secondaires et son temps de voyage (qui est donné par l’écartement entre signaux électriques), le procédé est capable de reconstruire la distance verticale parcourue, et ainsi l’angle zénithal de chaque trajectoire.

Finalement, à partir du flux de muons mesuré en fonction des angles zénithaux et azimutaux, il devient possible d’imager la densité du milieu traversé. En effet, l'atténuation du flux de muons est définie comme le rapport entre le flux de muons en surface et le flux de muons mesuré après avoir traversé le milieu (ex. sous-sol, ouvrage d’art, édifice industriel). Ce paramètre est relié par une loi mathématique connue à la longueur de matière traversée multipliée par sa densité moyenne. La connaissance de la géométrie de la surface du milieu à imager permet de connaître les longueurs traversées par les muons avant leur arrivée au détecteur. Ainsi, la mesure de l'atténuation du flux directionnel de muons associée à la topographie permet d'obtenir la densité moyenne du milieu en fonction de l'azimut et du zénith.

La figure 5 illustre un procédé pour contrôler et réguler la distribution et qualité du gaz dans un détecteur gazeux. Les circuits connus de distribution de gaz pour détecteurs gazeux fonctionnent en circuit ouvert, ce qui génère une perte importante de gaz et un risque de pollution inutile de l’environnement. Par ailleurs, la performance des détecteurs gazeux dépend entre autre de la qualité et de la stabilité du gaz utilisé. Un nouveau dispositif de distribution de gaz pour détecteur gazeux et un procédé associé sont proposés. Avantageusement, le dispositif est un circuit quasi fermé qui permet de réduire la consommation de gaz sans diminuer la performance du détecteur. Le dispositif est composé d’un système de filtration des différents contaminants présents dans les gaz, associé à un circuit de contrôle de la vitesse de circulation du gaz et à un circuit de pilotage des variables d’environnement, telles notamment la pression interne du détecteur gazeux et la température. Avantageusement, la combinaison des différents éléments composant le dispositif permet de contrôler et de stabiliser en direct le gain du détecteur de gaz et ainsi permettre une acquisition de données cohérentes pour établir la trajectoire des particules. Par ailleurs, le circuit de distribution de gaz opérant en circuit fermé, les émissions de gaz s’en trouvent réduites, ce qui est avantageux et nécessaire dans des espaces confinés ayant une faible ventilation.

La figure 5 illustre le flux de gaz (flèches traits doubles) dans le circuit fermé et le flux de données (flèches traits simples) qui sont relevées à différents points de mesure du circuit. La figure 6 illustre une implémentation d’un tel dispositif de distribution de gaz, particulièrement adaptée au détecteur gazeux de l’invention. Pour des raisons de clarté, les flux de données ne sont pas illustrés sur la figure 6.

Le procédé de contrôle et régulation du gaz (500) débute par une injection de gaz (502) à l’entrée du circuit. Comme illustré sur la figure 6, le gaz peut provenir d’une bouteille de gaz à haute pression (600), dont le gaz en sortie passe dans un réducteur de pression (601) pour amener la pression à une valeur définie, de manière préférentielle jusqu’à 0,1 bar maximum au dessus de la pression ambiante. Le gaz est ensuite filtré au travers d’un filtre à particules (602). La filtration permet d'éviter la contamination de l'intérieur du détecteur en maintenant les particules en suspension. Dans une implémentation préférentielle, le filtre est un filtre à particules de 0,22 microns, valeur inférieure à la taille des trous de la micro-grille du détecteur. Le gaz est ensuite amené en entrée du circuit fermé au travers d’un débitmètre de section variable (603) pour contrôler manuellement le débit du gaz.

Ce débit est mesuré de façon numérique (504, 604) en entrée du circuit fermé et les mesures sont transmises à un automate de contrôle (540). Le gaz est ensuite envoyé dans une pompe de vitesse réglable (506, 606) qui permet de générer un gradient de pression afin de forcer la circulation du gaz. Le gaz peut ensuite de manière optionnelle soit être filtré dans un premier filtre qui retient l’oxygène (508, 608) suivi d’un second filtre pour la vapeur d’eau (510, 610), soit être directement envoyé sur un deuxième filtre à particules (512, 612), qui peut être nécessaire à cause des impuretés libérées par les filtres d’oxygène et de vapeur d’eau. Dans une implémentation préférentielle, le filtre à particules est un filtre à particules de 0,22 microns.

Le filtre pour l’oxygène sert à minimiser l’absorption des électrons primaires par cette molécule en augmentant la performance du détecteur.

Le filtre à eau permet d’éviter que la vapeur d’eau n’atteigne la chambre de dérive, d’une part pour la même raison que le filtre précédent, et d’autre part parce qu’il altère fortement le gain du détecteur et favorise sa corrosion.

En sortie du filtre à particules (512, 612), la pression du gaz est mesurée et les valeurs sont transmises à l‘automate de contrôle (510). Le gaz entre ensuite dans le détecteur (100). A la sortie du détecteur, une vanne anti retour, tarée à une pression d’opération désirée (516, 616) permet de tester (518) la pression du gaz pour autoriser une relâche de gaz et protéger le système de surpressions. La relâche est effectuée dans un bulleur (526,626) qui évite toute rentrée d’air et permet de voir le flux de gaz sortant.

Le flux de gaz en sortie du détecteur (100) est mesuré (520, 620) permettant de déterminer la quantité de gaz en recirculation. La valeur mesurée est transmise à l’automate de contrôle (510). Le gaz passe ensuite dans une valve de contrôle (522, 622) qui permet d’éviter un retour du gaz et force la circulation dans un seul sens.

Le gaz reboucle ensuite sur la pompe d’entrée (506, 606).

La machine de contrôle (510) reçoit les mesures de débit du gaz (504, 520) et de pression (514) relevées dans le circuit fermé ainsi que l’information de température d’un thermocouple (527) installé à cet effet, et est capable d’ajuster le débit du gaz (538).

Le circuit de contrôle de la vitesse de circulation du gaz permet de maintenir le gain du détecteur à la valeur désirée. Le gain du détecteur est calculé périodiquement à intervalles réglables (typiquement 1 h), en relevant les données dans le détecteur (530) et est comparé avec la valeur optimale désignée par l’utilisateur (532). Une unité de calcul (534) permet de déterminer le gain du détecteur et cette valeur est comparée (536) avec une valeur prédéfinie de gain optimum. En cas d'écart entre les valeurs, le circuit permet de définir l’ajustement à apporter au débit (538) et de transmettre la valeur à la machine de contrôle (540) qui permet de modifier automatiquement la vitesse de la pompe (506), ce qui régule le débit du gaz, et permet de revenir à la valeur de gain optimum.

Il existe aussi un autre mode de fonctionnement alternatif qui permet à l’opérateur de piloter la machine de contrôle (505) manuellement.

Ainsi, le dispositif proposé de distribution de gaz pour détecteur gazeux qui opère en circuit fermé combine les effets du filtrage du gaz, de la recirculation du gaz filtré et du contrôle en direct du gain du détecteur par la mesure et l’adaptation des paramètres d’opération comme la pression interne du détecteur. L’homme de l’art appréciera que des variations puissent être apportées sur l’implémentation décrite de manière préférentielle, tout en maintenant les principes de l’invention.

Claims (16)

1. Revendications

   1. Un dispositif pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, comprenant un détecteur de particules ionisantes permettant de détecter un flux de particules ionisantes et de calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant le détecteur, et des moyens de calcul couplés au détecteur pour convertir les calculs de trajectoire de particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager, le dispositif étant caractérisé en ce que le détecteur est un détecteur gazeux ayant une première et une seconde chambre séparées par une micro-grille.
2. 2. Le dispositif selon la revendication 1 dans lequel l’espace de dérive de la première chambre est configuré pour générer des électrons primaires le long de la trajectoire des particules ionisantes la traversant, et faire dériver les électrons primaires générés vers la micro-grille orthogonalement au plan défini par la micro-grille, et dans lequel la seconde chambre est configurée pour générer un effet d’avalanche à partir des électrons primaires passant la micro-grille.
3. 3. Le dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les moyens de calcul sont configurés pour déterminer la trajectoire de chaque particule ionisante et calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques produits dans la seconde chambre.
4. 4. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la première chambre comprend des premiers moyens de polarisation permettant de générer dans l’espace de dérive un premier champ électrique constant contrôlé.
5. 5. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la deuxième chambre comprend des seconds moyens de polarisation permettant de générer dans la deuxième chambre un second champ électrique permettant de produire un effet d’avalanche sur les électrons primaires passant la micro-grille et générer des électrons secondaires dans une micro-avalanche.
6. 6. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le rapport entre le champ électrique créé dans la deuxième chambre et le champ électrique créé dans la première chambre est au moins supérieur à 10.
7. 7. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans l’espace de dérive de la première chambre présente une hauteur de plusieurs centimètres très supérieure à la hauteur de la deuxième chambre.
8. 8. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la deuxième chambre présente une hauteur de l’ordre d’une centaine de microns.
9. 9. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le détecteur gazeux est placé dans ou à proximité dudit volume de matière à imager.
10. 10. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les pistes de lecture électriquement conductrices sont protégées par une couche résistive produisant par induction un courant électrique lors du déplacement des charges dans la deuxième chambre.
11. 11. Le dispositif selon la revendication 10 dans lequel les pistes de lecture sous la couche de protection résistive sont superposées et isolées sur deux niveaux différents selon des axes perpendiculaires.
12. 12. Le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 comprenant de plus un circuit pour injecter du gaz dans le détecteur, ledit circuit étant configuré en circuit quasi fermé entre une entrée de gaz et une sortie de gaz.
13. 13. Le dispositif selon la revendication 12 dans lequel le circuit de gaz comprend des moyens de filtration des différents contaminants présents dans le gaz, des moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz et des moyens de pilotage des variables d’environnement.
14. 14. Le dispositif selon la revendication 13 dans lequel les moyens de contrôle de la vitesse de circulation du gaz reçoivent des mesures de débit du gaz et de pression relevées dans le circuit de gaz et des informations de température permettant d’ajuster le débit du gaz et maintenir le gain du détecteur à une valeur désirée.
15. 15. Une méthode pour déterminer la densité de volumes de matière à imager, la méthode comprenant les étapes de : - détecter un flux de particules ionisantes traversant un détecteur, ledit détecteur étant un détecteur gazeux ayant une première et une seconde chambre séparées par une micro-grille ; - calculer la trajectoire de chaque particule ionisante traversant la première chambre du détecteur à partir d’électrons primaires générés le long de la trajectoire des particules ionisantes la traversant et dérivant vers la microgrille orthogonalement à celle-ci ; - calculer le flux des particules ionisantes à partir de signaux électriques amplifiés dans la seconde chambre, les signaux électriques étant générés à partir d’électrons secondaires issus d’un effet d’avalanche des électrons primaires passant la micro-grille; et - convertir les calculs de trajectoire et de flux des particules ionisantes en information de densité de volume de matière à imager.
16. 16. Un produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes de la méthode selon la revendication 15 lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.