FR3087313A1 - Generateur neutronique - Google Patents

Abstract

Générateur neutronique avec un tube neutronique (10) comprenant un réservoir (12) pour absorber et désorber un gaz, une source d'ions (14) produisant des ions par ionisation du gaz, un système d'accélération des ions et une cible (18) sur laquelle viennent frapper les ions accélérés pour émettre des neutrons. Le générateur neutronique comprend un circuit électronique de contrôle (50) de l'alimentation du réservoir et de la source d'ions en électricité, et a un mode d'émission de neutrons et mode pause. Le générateur neutronique (100) comprend un circuit de régulation (40) configuré pour, en mode pause, déterminer la résistance électrique du réservoir (12) et réguler la résistance électrique du réservoir en faisant varier le courant (Ir) alimentant le réservoir.

Description

GENERATEUR NEUTRONIQUE

DOMAINE TECHNIQUE

Le présent exposé concerne un générateur neutronique et un dispositif d’analyse de matière par interrogation neutronique comprenant un tel générateur. Ce dispositif d’analyse de matière permet de détecter la présence de certains éléments chimiques dans la matière à analyser, en mesurant le rayonnement émis par ces éléments quand la matière est exposée à un flux de neutrons. Il peut être utilisé, notamment, pour l'analyse minière.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE

Il existe aujourd'hui un intérêt croissant de l’industrie minière pour les équipements d'analyse de matière par interrogation neutronique et, en particulier, pour les sondes d'analyse neutronique destinées à être introduites à l'intérieur d'un trou de forage. Des exemples de sondes de ce type sont donnés dans les documents de brevet US 4288696 et US 4092545.

Ces sondes minières d’analyse neutronique permettent, notamment, de connaître la composition de la matière entourant un trou de forage de plusieurs centaines de mètres de profondeur, quasiment en temps réel.

Si l'intérêt de ces sondes pour l'estimation des ressources d’un gisement a déjà été démontré, on cherche aujourd'hui à utiliser ces sondes au stade de la production pour analyser la matière entourant les trous de tir (en anglais blast holes) avant de charger ces trous en explosif. Les trous de tir sont, typiquement, des trous de 5 à 15 mètres de profondeur (correspondant à une strate de la mine), remplis d’explosifs pour réduire la roche en morceaux et récupérer ensuite le matériau. Pour l’exploitation minière, le temps d’analyse des trous de tir doit être réduit au maximum pour des raisons techniques (les trous sont potentiellement instables et s’effondrent) et de productivité. Cela signifie qu’une sonde minière doit permettre l'analyse des trous en un minimum de temps. La vitesse d'analyse est importante mais pas seulement. En effet, l’opération est répétitive, les trous étant espacés de quelques mètres (typiquement de 6 mètres environ), et le transfert de la sonde d’un trou à l’autre doit lui aussi être le plus court possible.

Le cycle d'analyse d’un champ de trous de tir comprend, typiquement, les phases suivantes: [A] mise en place, initialisation et descente de la sonde dans le trou, [B] démarrage ou redémarrage de l’émission neutronique, [C] analyse du trou (en anglais logging), [D] sortie du trou avec arrêt de l’émission neutronique, [E] mouvement vers le prochain trou. Les étapes [B] à [E] sont répétées (par exemple 50 fois) jusqu’au dernier trou et l’arrêt final de la sonde. Pour protéger les personnes présentes sur le site des radiations, il est nécessaire d'arrêter l’émission neutronique lors des étapes [D] et [E],

Il s'avère que les phases [B], [C] et [E] représentent la plus grande part du temps nécessaire à l’analyse du champ de trous de tir. Ces phases doivent donc être optimisées. L’étape [C] dépend essentiellement de la performance de la sonde et l’étape [E] dépend des équipements de manutention et du véhicule permettant la mise en œuvre opérationnelle de la sonde. Bien qu’ils puissent faire l’objet d’optimisations, ces points ne sont pas le sujet la présente invention.

L’invention concerne l'étape [B] de redémarrage de l’émission neutronique et a pour but de réduire significativement le temps nécessaire à la reprise de l’émission neutronique après que celle-ci ait été arrêtée lors du passage d’un trou à l’autre.

PRESENTATION GENERALE

Le présent exposé concerne un générateur neutronique comprenant un tube neutronique comprenant lui-même un réservoir pour absorber et désorber un gaz, une source d'ions produisant des ions par ionisation du gaz, un système d'accélération des ions et une cible sur laquelle viennent frapper les ions accélérés pour émettre des neutrons. Le générateur neutronique comprend, en outre, un circuit électronique de contrôle de l'alimentation du réservoir et de la source d'ions en électricité.

Le générateur neutronique a un premier mode de fonctionnement, ou mode d'émission, dans lequel des neutrons sont émis par le tube neutronique, et un deuxième mode de fonctionnement, ou mode pause, dans lequel l'émission de neutrons est temporairement interrompue.

Le circuit électronique de contrôle est configuré pour couper l'alimentation de la source d'ions lors du passage du mode d'émission au mode pause, maintenir cette alimentation coupée en mode pause, et rétablir l'alimentation de la source d'ions lors du passage du mode pause au mode d'émission.

Le générateur neutronique comprend, en outre, un circuit de régulation configuré pour, en mode pause, déterminer la résistance électrique du réservoir et réguler la résistance électrique du réservoir en faisant varier le courant alimentant le réservoir.

Un tel générateur neutronique permet de reprendre, ou redémarrer, l’émission neutronique en quelques secondes après une pause, en toute sécurité. Pendant la mise en pause, la résistance électrique du réservoir est déterminée et régulée, c'est-à-dire maintenue à une valeur la plus proche possible d'une consigne. Cette régulation permet d'assurer une pression de gaz quasi constante dans le tube neutronique lors de la coupure de l'alimentation de la source d’ion. L’équilibre thermodynamique du tube est ainsi conservé pendant la mise en pause, ce qui permet la reprise rapide de l’émission neutronique après la pause. La reprise de l’émission neutronique peut inclure non seulement la reprise proprement dite mais également le retour à une émission de neutrons stable et régulée.

Outre les caractéristiques susmentionnées, le générateur neutronique proposé peut présenter une ou plusieurs caractéristiques parmi les suivantes, considérées isolément ou selon des combinaisons techniquement possibles: le générateur comprend, en outre, un système de mesure du courant alimentant le réservoir et un système de mesure de la tension électrique aux bornes du réservoir, le circuit de régulation déterminant la résistance électrique du réservoir à partir de la tension et du courant mesurés;

- la consigne de régulation de la résistance électrique du réservoir est calculée par le circuit de régulation à partir des mesures de résistance sur un certain laps de temps antérieur au passage du mode d'émission au mode pause;

- la consigne de régulation de la résistance électrique du réservoir est calculée par le circuit de régulation en faisant une moyenne des mesures de résistance sur un certain laps de temps antérieur au passage du mode d'émission au mode pause;

- la consigne de régulation de la résistance électrique du réservoir est calculée en ajoutant une valeur de compensation à ladite moyenne;

- en mode d'émission, le circuit de régulation régule l'émission de neutrons en faisant varier le courant alimentant le réservoir;

- le circuit de régulation régule le courant de la cible, représentatif de l'émission de neutrons, en faisant varier le courant alimentant le réservoir;

- lors du passage du mode pause au mode émission, le circuit de régulation régule à nouveau le courant de la cible en faisant varier le courant alimentant le réservoir. En variante, lors du passage du mode pause au mode d'émission, lors d’une phase transitoire, le circuit de régulation régule d’abord le courant de la cible, représentatif de l'émission de neutrons, en faisant varier la tension de la source d'ions, et régule la tension moyenne de la source d'ions sur une fenêtre de temps glissante en faisant varier le courant alimentant le réservoir, avant de réguler le courant de la cible en faisant varier le courant alimentant le réservoir.

Le présent exposé concerne également un dispositif d’analyse de matière comprenant un générateur neutronique tel que décrit précédemment, et au moins un détecteur de rayons gamma permettant de mesurer l'énergie des photons gamma générés par l'interaction des neutrons émis avec la matière à analyser.

Un tel dispositif permet, à partir de l'énergie des photons gamma mesurée, de détecter la présence d'au moins un élément chimique d'intérêt dans la matière à analyser. En s'intéressant à plusieurs éléments chimiques, il est possible de connaître, au moins en partie, la composition de la matière à analyser.

Un tel dispositif peut être utilisé dans de nombreuses applications et, notamment, pour l'analyse minière ou dans le cadre d’opérations de détection d’objets suspects civiles ou militaires.

En particulier, le dispositif peut être une sonde minière et être utilisé, en particulier, pour l'analyse d’un champ de trous de tirs. Comparativement aux sondes minières d’analyse neutronique connues, la sonde proposée permet d'interrompre temporairement (i.e. de mettre en pause) l'émission neutronique lors du passage d’un trou de tir à l’autre et de réduire significativement le temps nécessaire à la reprise de l’émission neutronique après l'interruption. Il en résulte une diminution notable du temps total nécessaire à l’analyse d'un champ de trous de tir.

Le dispositif peut également être un analyseur de matière à travers lequel ou autour duquel passe la matière à analyser (e.g. cru cimentier, charbon, minerai de cuivre, de fer, de nickel, etc.), cette matière étant, par exemple, transportée sur une bande convoyeuse ou s'écoulant par gravité alors que l'analyseur reste fixe. La zone autour d'un tel analyseur de matière est souvent restreinte d’accès par une barrière physique (grille ou équivalent). Généralement, pour des raisons de sécurité et, en particulier, pour minimiser les risques d’exposition aux radiations, le générateur neutronique est automatiquement éteint en cas d’intrusion dans la zone. Cette intrusion peut être, par exemple, le fait d’un gardien faisant son chemin de ronde. Dans ce cas, avec un analyseur de matière conventionnel, le redémarrage de l'émission neutronique peut faire perdre jusqu’à 10 à 15 minutes de mesure. La solution proposée permet de limiter cette perte de temps en mettant en pause le générateur neutronique en cas d’intrusion dans la zone autour de l'analyseur et en bénéficiant du redémarrage rapide de l'émission neutronique lorsque l’intrus a quitté la zone, et ce tout en conservant le même niveau de sécurité et d’absence de radiations lorsque l'intrus est présent dans la zone.

Le dispositif d’analyse de matière peut également être utilisé dans le cadre d’opérations de détection d’objets suspects civiles (intervention en gare, aéroport, etc.) ou militaires, pour lesquelles la rapidité de mise en œuvre est cruciale pour la sécurité du personnel d’intervention et du public. Dans ces opérations, les menaces considérées peuvent être des mines (e.g. mines antichars ou anti personnelles), des engins explosifs improvisés ou encore des menaces chimiques (sarin, ypérite, etc.). La générateur neutronique proposé permet d’initialiser le dispositif d’analyse au préalable d’une intervention et de faire ainsi économiser de précieuses minutes d’analyse pendant ladite intervention. Pour les missions de déminage de zone fortement minées, le principe d’utilisation reprend le même schéma que pour l’analyse d’un champ de trous de tir dans le domaine minier, et présente les mêmes avantages: le dispositif proposé permet de réduire fortement le temps de reprise de l'émission neutronique en passant d’une zone d’analyse à une autre.

Plus généralement, le générateur neutronique proposé peut être utile à toute application nécessitant des interruptions et redémarrages rapides de l’émission neutronique.

Le présent exposé concerne également un procédé dans lequel on utilise le générateur neutronique proposé. Les avantages de ce procédé découlent des avantages du générateur neutronique.

Ce procédé utilise le générateur neutronique, ce générateur ayant un premier mode de fonctionnement, ou mode d'émission, dans lequel des neutrons sont émis par le tube neutronique, et un deuxième mode de fonctionnement, ou mode pause, dans lequel l'émission de neutrons est temporairement interrompue.

Selon ce procédé, l'alimentation de la source d'ions en électricité est coupée lors du passage du mode d'émission au mode pause et maintenue coupée en mode pause. En mode pause, la résistance électrique du réservoir est déterminée et régulée en faisant varier le courant électrique alimentant le réservoir. En d'autres termes, il y a régulation de la résistance électrique du réservoir en mode pause, le courant électrique alimentant le réservoir étant la grandeur réglante. L'alimentation de la source d'ions en électricité est rétablie lors du passage du mode pause au mode d'émission.

En mode d'émission, l'émission de neutrons peut être régulée en faisant varier le courant électrique alimentant le réservoir.

Ce procédé peut être utilisé pour l'analyse de matière, en particulier sur un champ de trous. Dans ce cas, le générateur neutronique est descendu dans un trou et mis en mode d'émission. L'énergie des photons gamma générés par l'interaction des neutrons émis avec la matière entourant le trou est alors mesurée et la matière est analysée à partir de cette mesure d'énergie. Le générateur neutronique est ensuite mis en mode pause, sorti du trou et déplacé vers un autre trou, et les étapes qui précèdent sont répétées pour cet autre trou.

Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention.

Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.

La figure 1 représente schématiquement un exemple de générateur neutronique.

La figure 2 représente schématiquement les deux modes de fonctionnement du générateur.

La figure 3 représente un exemple de transitions d'un mode de régulation à l'autre.

La figure 4 représente un autre exemple de transitions d'un mode de régulation à l'autre.

DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES

Des exemples de réalisation sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Ces exemples illustrent les caractéristiques et les avantages de l'invention. II est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples.

Un exemple de générateur neutronique est représenté schématiquement sur la FIG 1. Ce générateur neutronique 100 comprend un tube neutronique 10. Ce tube est scellé et comprend un réservoir 12 pour absorber et désorber un gaz, une source d'ions 14 produisant des ions par ionisation du gaz, un système d'accélération des ions et une cible 18 sur laquelle viennent frapper les ions accélérés pour émettre des neutrons. Sur la FIG 1, la flèche l+ en pointillés représente les ions accélérés tandis que la flèche N en pointillés représente les neutrons émis.

Le générateur 100 comprend également un circuit électronique de contrôle 50 de l'alimentation électrique du tube neutronique 10. Le circuit de contrôle 50 peut être associé à un logiciel de contrôle 60, embarqué sur le circuit 50 ou sur un ordinateur externe, comprenant un ensemble d'instructions permettant d’assurer les fonctions de contrôle souhaitées et les bonnes transitions entre les différents modes de fonctionnement (mode d'émission ou mode pause) du générateur neutronique 100.

Le tube neutronique 10 peut être vu comme un accélérateur de particules miniaturisé produisant des neutrons. Cet accélérateur est le siège d'une réaction de fusion nucléaire. II peut s'agir, par exemple, d'une fusion D-D, ou d'une fusion D-T. Ces exemples de fusion sont symbolisés par les équations suivantes:

- fusion D-D: D + D -> n (2,5 MeV) + He3 (0,8 MeV)

- fusion D-T: D + T -> n (14,1 MeV) + He4 (3,5 MeV).

Typiquement, le tube neutronique 10 est constitué d’un ensemble mécanique, basé sur des assemblages céramique-métal, assurant le maintien des différents composants et les isolations électriques nécessaires au bon fonctionnement du tube. L’intérieur du tube 10 est sous vide poussé (vide secondaire). Dans l'exemple représenté, outre la carcasse métallique et les différentes céramiques, les principaux constituants du tube sont le réservoir 12, la source d’ions 14, une électrode accélératrice 16 et la cible 18.

La cible 18 est le lieu de la réaction nucléaire entre les noyaux des éléments (e.g. deutérium et/ou tritium) qui la composent, et un faisceau d'ions incidents. Pour faire entrer en collision le faisceau d'ions l+ avec la cible 18, le faisceau d'ions l+ est accéléré par un champ électrique intense résultant de l’application d’une grande différence de potentiel entre la cible (cathode) 18 et l'électrode accélératrice (anode) 16. Les ions sont obtenus au préalable grâce à la source d'ions 14 dans laquelle un gaz provenant du réservoir 12 est ionisé. Les ions ainsi générés sont extraits dans l’espace d’accélération pour former le faisceau d'ions l+.

Le réservoir 12 est, typiquement, constitué d’un filament 13, e.g. en tungstène, et d’un métal très poreux (e.g. un frittage de titane) permettant d’absorber et de désorber un gaz (e.g. du deutérium ou un mélange deutériumtritium), et devenant ainsi un hydrure métallique. Le réservoir 12, plus précisément son filament 13, est alimenté en courant lr. Ce courant lr appelé courant réservoir permet de chauffer plus ou moins le filament chauffant à son tour l’hydrure métallique qui libère ainsi plus ou moins de gaz. Ces aspects étant bien connus, ils ne sont pas décrits plus en détails.

La source d’ions 14 permet d’ioniser le gaz et de produire des ions. II existe de nombreux types de source d’ions, l’une des plus classiques étant la source d’ions Penning permettant d’ioniser le gaz par impact électronique dans un plasma maintenu par application d’un champ électrique (typiquement d'environ 2 kV) et d’un champ magnétique issu d’aimants permanents. Ces aspects étant bien connus, ils ne sont pas décrits plus en détails.

L'électrode accélératrice 16 permet de produire une différence de potentiel de plusieurs dizaines de kV (typiquement, environ 100 kV) pour accélérer les ions créés par la source d’ions 14 vers la cible 18. La cible 18 et l'électrode accélératrice 16 sont un exemple de système d'accélération des ions au sens de l'invention. D'autres systèmes d'accélération pourraient toutefois être envisagés. . Ces aspects étant bien connus, ils ne sont pas décrits plus en détails.

La cible 18, e.g. en cuivre, est recouverte d’une couche de métal, e.g. du titane ou un autre métal pouvant s’hydrurer. Les ions accélérés viennent frapper sur cette cible pour produire la fusion nucléaire et donner ainsi naissance à des neutrons. Ces aspects étant bien connus, ils ne sont pas décrits plus en détails.

Dans l'exemple représenté, pour que la réaction de fusion (et donc la production de neutrons N) ait lieu, les trois conditions suivantes sont requises.

(i) Le gaz doit être en quantité suffisante i.e. la pression partielle de gaz dans le tube 10 doit être suffisante. Plus la pression est forte et plus l’émission neutronique est forte (dans les limites de fonctionnement du tube) (ii) La tension de la source d’ions 14 doit être suffisamment élevée, typiquement supérieure à 800 V. Plus la tension de la source d’ions 14 est élevée et plus l’émission neutronique est forte (dans les limites de fonctionnement nominal du tube). Dans la présente demande, la tension de la source d’ions 14 est définie comme la tension aux bornes de la source d'ions. Sur le schéma de la FIG 1, la tension de la source d’ions 14 correspond à la tension aux bornes du générateur 24 alimentant la source d'ions 14. La tension (haute tension) de la source d’ions 14 est notée HT.

(iii) La tension entre la cible 18 et l'électrode accélératrice 16, d’une part, et la source d’ions 14, d'autre part, doit être suffisante, typiquement supérieure à plusieurs dizaines de kV. Plus cette tension est élevée et plus l’émission neutronique est forte (dans les limites de fonctionnement du tube). Cette tension (très haute tension) est appelée tension d'accélération et notée THT.

On notera que l’alimentation électrique du tube neutronique 10 fonctionne généralement en mode pulsé. Le mode pulsé signifie que la tension d'accélération THT est élevée pendant une durée d’impulsion At₀ puis nulle pendant une durée AT. En mode pulsé, cette variation de la tension THT entre une valeur nulle (i.e. 0 V) et une valeur non nulle se répète de façon périodique. La tension d'accélération THT provoque l’accélération du faisceau d'ions l+ sur la cible 18 et, ainsi, l’émission de neutrons N pendant la durée d’impulsion At₀. A l'inverse, pendant la durée Ati, aucun neutron n'est émis. On parle alors de fonctionnement du générateur neutronique 100 en mode pulsé. La pulsation de l’émission neutronique peut aussi être obtenue en maintenant une tension d'accélération THT continue entre la cible 18 et l’électrode accélératrice 16, d’une part, et la source d’ions 14, d’autre part, et en faisant varier la tension HT de la source d’ions 14, de façon périodique, entre une valeur non nulle (pendant une durée d’impulsion At₀) et une valeur nulle (pendant une durée Δΐι). Dans tous les cas, le mode pulsé du générateur neutronique ne doit pas être confondu avec les modes d'émission et de pause décrits plus loin.

Pour que l’émission neutronique démarre, il faut nécessairement que les trois conditions (i), (ii) et (iii) précitées soient remplies. Or, si la haute tension HT de la source d’ions 14 et la très haute tension THT de l’électrode accélératrice 16 peuvent être mises en route et atteindre rapidement (i.e. en quelques micro secondes) leurs valeurs de consigne, l’établissement de la pression de gaz adéquate à l’intérieur du tube 10 (condition (i)) est nettement plus lente, i.e. de l’ordre de quelques minutes suivant la stabilité souhaitée et, typiquement, d'environ 5 minutes pour une bonne stabilité. Cette lenteur provient de la conception même du réservoir 12, détaillée ci-dessous.

L’hydrure métallique du réservoir 12 permet de piéger le gaz (e.g. le deutérium) de façon réversible en fonction de sa température. Plus l’hydrure métallique est chaud et plus la pression partielle du gaz à l’intérieur du tube 10 augmente. La chauffe de l’hydrure métallique est assurée par le filament 13: en faisant circuler un courant électrique dans le filament 13, celui-ci s'échauffe et, par conduction et rayonnement majoritairement, transmet la chaleur à l’hydrure. Toutefois, le filament 13 est isolé électriquement de l’hydrure métallique pour éviter un court-circuit, ce qui crée également une résistance thermique entre le filament 13 et l’hydrure. La lenteur des phénomènes thermiques explique donc en partie la lenteur de la libération du gaz et, par conséquent, le délai nécessaire pour obtenir une émission de neutrons N et, a fortiori, une émission de neutrons stable et régulée. La cinétique de libération du gaz dépend aussi du métal utilisé (titane, zirconium, etc.).

Lors des recherches ayant conduit à l'invention, les inventeurs ont constaté que les solutions simples pour contrecarrer cet inconvénient ne fonctionnaient pas: couper simplement la tension d'accélération THT ou la tension HT de la source d’ions 14 en laissant le courant réservoir lr allumé pendant l’interruption de l’émission neutronique ne permettait pas d’aboutir à une reprise de l’émission neutronique rapide et sans danger pour le tube 10. En effet, laisser la tension HT de la source d’ions 14 sans tension d'accélération THT dégradait rapidement le tube neutronique 10 car le plasma issu du la source d'ions 14 métallisait les parois des céramiques, ce qui finissait par mettre en court-circuit le tube 10. Les inventeurs ont donc décidé de couper l'alimentation 24 de la source d’ions 14 pendant la pause. Cependant, les inventeurs ont constaté que couper l'alimentation de la source d’ions (en laissant ou non la tension d'accélération THT) modifiait l’équilibre thermodynamique à l’intérieur du tube 10: la pression en gaz augmentait. Cette dérive de la pression ne permettait pas de redémarrer le tube rapidement: le retour à une émission de neutrons stable et régulée était lent et prenait, typiquement, plusieurs minutes. En outre, il y avait un risque d’endommager le tube si, à la reprise, la pression était trop forte et conduisait à des claquages potentiellement destructeurs.

La solution proposée permet au contraire de maintenir un bon équilibre thermodynamique à l’intérieur du tube 10 pendant l'interruption temporaire de l’émission neutronique. Cette solution exploite le lien entre la résistance électrique du réservoir 12 et la pression de gaz à l'intérieur du tube 10, et permet de réguler la pression de gaz à l’intérieur du tube 10 pendant la coupure de la source d’ions 14. Ceci permet de conserver un bon équilibre pour redémarrer l’émission de neutrons rapidement. Typiquement, le retour à une émission de neutrons stable et régulée peut se faire en moins d'une minute et, par exemple, en 10 à 30 secondes. De plus, le redémarrage se fait sans risquer d'endommager le tube.

Selon cette solution, le générateur neutronique a un premier mode de fonctionnement, ou mode d'émission, dans lequel des neutrons sont émis, et un deuxième mode de fonctionnement, ou mode pause, dans lequel l'émission de neutrons est temporairement interrompue. Le circuit électronique de contrôle 50 coupe l'alimentation de la source d'ions 14 lors du passage du mode d'émission au mode pause, maintient cette alimentation coupée en mode pause, et rétablit l'alimentation de la source d'ions 14 lors du passage du mode pause au mode d'émission. Pour couper l'alimentation de la source d'ions 14, on peut, par exemple, couper le générateur 24 alimentant la source d'ions 14.

Le générateur neutronique comprend, en outre, un circuit de régulation 40 pour, en mode pause, réguler la résistance électrique du réservoir 12 en faisant varier le courant de réservoir lr. Le circuit de régulation 40 peut être intégré dans le circuit de contrôle 50. Comme le circuit de contrôle 50, le circuit de régulation 40 peut être associé au logiciel de contrôle 60, ce dernier comprenant un ensemble d'instructions permettant d’assurer les fonctions de régulation souhaitées.

Les circuits de contrôle 50 et de régulation 40 pilotent les différents équipements dont les alimentations (de l'accélératrice 16, de la source d’ions 14 et du réservoir 12) et les équipements de mesure. Ils assurent par exemple l’envoi des télé-contrôles, la réception des télé-mesures, les (pré-)traitements des mesures, les régulations et assurent les communications vers le logiciel de contrôle 60.

Le circuit de régulation 40 fonctionne suivant au moins deux modes de régulation: un premier mode de régulation dit régulation standard correspondant au mode d'émission du générateur neutronique 100, et un deuxième mode de régulation dit régulation par résistance réservoir correspondant au mode pause du générateur neutronique 100. La FIG 2 illustre ces deux modes de régulations: en haut, la régulation standard et en bas la régulation par résistance réservoir. Les transitions d'un mode de régulation à l'autre sont également gérées de façon fine, comme illustré sur la FIG 3.

La régulation standard, illustrée en haut sur la FIG 2, est celle utilisée pour le pilotage du générateur neutronique en mode d'émission: elle permet, en particulier, d’avoir une émission de neutrons N sensiblement constante. Le courant Ions de la cible 18, qui mesure indirectement l’émission neutronique à tension de la source d’ions HT et tension d’accélération THT fixes, est maintenu constant en ajustant lr. La grandeur réglée est donc le courant Ions et la grandeur réglante est le courant du réservoir lr. La consigne de régulation est une valeur désirée de courant lions. Sur la FIG 2, les traits légers représentent des consignes fixes et les traits gras représentent les mesures et consignes qui varient du fait de leur ajustement par la régulation.

Lorsque le tube neutronique doit être mis en pause, le circuit de régulation 40 coupe temporairement l’émission neutronique en coupant la tension de la source d’ions HT (la tension d’accélération THT est maintenue, coupée ou seulement abaissée) et bascule sur la régulation par résistance réservoir, illustrée en bas sur la FIG 2. Dans ce cas, la grandeur réglée est la résistance du réservoir Rr et la grandeur réglante est le courant du réservoir lr. La consigne de régulation est une valeur désirée de résistance du réservoir Rr.

Les transitions entre les deux modes sont gérées par le logiciel de contrôle 60 qui peut être embarqué sur les circuits de contrôle et de régulation 40, 50 ou sur un ordinateur (PC) externe. Les transitions assurent la sécurité du système entre les deux modes de fonctionnement (mode d'émission/mode pause) du générateur et, donc, entre les deux modes de régulation associés (régulation standard/régulation par résistance réservoir) et préparent les bonnes consignes de régulation. Les transitions comprennent notamment :

- La gestion des arrêts/redémarrages des alimentations (tension de la source d’ions HT et éventuellement tension d’accélération THT).

- La préparation de la consigne de régulation pour la résistance du réservoir Rr, notée ci-après consigne RR. Cette consigne peut être calculée à partir d’une moyenne des mesures de résistance Rr sur un certain laps de temps avant la transition du mode d'émission au mode pause. En particulier, la consigne RR peut être égale à ladite moyenne, éventuellement additionnée à une valeur de compensation (ou offset) permettant d’anticiper la coupure puis la remise en route de l'alimentation de la source d’ions 14. Cette valeur de compensation peut typiquement être ajustée expérimentalement pour optimiser le temps de redémarrage.

- La bonne gestion de la reprise de la régulation standard au redémarrage et, en particulier, le bon timing entre la remise en tension de la source d’ions 14 et le passage à la régulation standard.

La figure 3 représente un exemple de transitions d'un mode de fonctionnement (mode d'émission / mode pause) à l'autre.

Sur cette figure, l'étape S0 correspond au démarrage initial du tube neutronique.

L'étape S1 correspond au fonctionnement normal du générateur selon son mode d'émission. La régulation mise en œuvre est la régulation standard.

L'étape S2 correspond à la transition du mode d'émission vers le mode pause. Lors de cette transition, l'alimentation de la source d'ions 14 est coupée (l'alimentation du système d'accélération peut l'être également) et la consigne de régulation pour la régulation par résistance réservoir est préparée.

L'étape S3 correspond au mode pause du générateur. La régulation mise en œuvre est la régulation par résistance réservoir.

L'étape S4 correspond à la transition du mode pause vers le mode d'émission. Lors de cette transition, la consigne de régulation pour la régulation standard est préparée et l'alimentation de la source d'ions 14 est rétablie (l'alimentation du système d'accélération peut l'être également).

La figure 4 représente un autre exemple de transitions d'un mode de régulation à l'autre. Dans cet exemple, la transition du mode pause vers le mode d'émission est plus élaborée: lors de cette transition, deux régulations imbriquées sont mise en œuvre en même temps. Ceci permet de réduire encore le temps nécessaire pour retrouver un flux de neutrons stable mais rend la transition plus complexe que sur la figure 3.

Les étapes SO, S1, S2 et S3 de la figure 4 sont les mêmes que celles de la figure 3. L'étape de transition S4 de la figure 3 est, en revanche, remplacée par les étapes S41 à S43.

Lors de l'étape S41, les consignes de régulation pour la double régulation sont préparées et l'alimentation de la source d'ions 14 est rétablie (l'alimentation du système d'accélération peut l'être également, si elle a été coupée lors de l'étape S2).

L'étape S42 correspond à la double régulation, i.e. à l’utilisation des deux régulations suivantes qui fonctionnent en même temps.

Une première régulation du courant lions de la cible 18 par la tension de la source d’ions HT. La grandeur réglée est donc le courant Ions et la grandeur réglante est la tension de la source d’ions HT. La consigne de régulation est une valeur désirée de courant lions.

Une deuxième régulation de la tension de la source d’ions moyenne HTm sur une fenêtre de temps glissante, typiquement de quelques secondes, par le courant du réservoir lr. La grandeur réglée est donc la tension de la source d’ions moyenne HTm et la grandeur réglante est le courant réservoir lr. La consigne de régulation est la tension de la source d’ions moyenne HTm.

La première régulation présente l'avantage d’être très réactive car l’influence de la tension de la source d’ions HT sur le courant Ions de la cible est immédiate. Cette régulation permet d’arriver à un flux de neutrons stable en quelques secondes et donc de pouvoir démarrer les analyses quelques secondes après que l'alimentation de la source d'ions 14 soit rétablie. En revanche, la pression à l’intérieur du tube 10 n’est pas régulée ce qui peut être dangereux pour le tube sur plusieurs minutes ou plusieurs heures. Ce problème est corrigé par la deuxième régulation imbriquée.

La deuxième régulation permet en effet de retrouver un état d’équilibre à l’intérieur du tube 10. L’équilibre peut être strictement identique à celui de la régulation standard : pour cela, il suffit de faire correspondre la consigne de régulation la tension de la source d’ions moyenne HTm à la valeur de la tension HT de la source d’ions (fixe) utilisée en régulation standard. Ainsi la régulation par le courant du réservoir lr va lentement faire revenir la tension de la source d’ions moyenne HTm vers sa valeur usuelle. Cette régulation est similaire en vitesse à la régulation standard (car limitée par les phénomènes thermiques du réservoir) et donc l’équilibre peut être, typiquement, retrouvé en 10 à 30 secondes environ. Toutefois grâce à la première régulation (plus rapide que la seconde), le flux neutronique lui est bel et bien stable en quelques secondes et permet de démarrer l’analyse neutronique pendant que le tube 10 se stabilise en pression.

Dans l'exemple de la figure 4, l'étape S42 de double régulation est suivie de l'étape S43 qui correspond à la préparation de la consigne de régulation pour la régulation standard, i.e. la régulation d'ions par lr, et au passage à la régulation standard.

Selon une variante, non représenté, la régulation standard peut être remplacée par la double régulation précitée.

Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention telle que définie dans les revendications annexée.

Par ailleurs, les différentes caractéristiques des modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé peuvent être considérées isolément ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant 5 pas aux combinaisons spécifiques précédemment décrites. En particulier, sauf précision contraire ou incompatibilité technique, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Générateur neutronique comprenant :

   un tube neutronique (10) comprenant un réservoir (12) pour absorber et désorber un gaz, une source d'ions (14) produisant des ions par ionisation du gaz, un système d'accélération des ions et une cible (18) sur laquelle viennent frapper les ions accélérés pour émettre des neutrons, et un circuit électronique de contrôle (50) de l'alimentation du réservoir et de la source d'ions en électricité, dans lequel, le générateur neutronique (100) a un premier mode de fonctionnement, ou mode d'émission, dans lequel des neutrons sont émis par le tube neutronique (10), et un deuxième mode de fonctionnement, ou mode pause, dans lequel l'émission de neutrons est temporairement interrompue, le circuit électronique de contrôle (50) est configuré pour couper l'alimentation de la source d'ions (14) lors du passage du mode d'émission au mode pause, maintenir cette alimentation coupée en mode pause, et rétablir l'alimentation de la source d'ions (14) lors du passage du mode pause au mode d'émission, et le générateur neutronique (100) comprend un circuit de régulation (40) configuré pour, en mode pause, déterminer la résistance électrique du réservoir (12) et réguler la résistance électrique du réservoir en faisant varier le courant (lr) alimentant le réservoir.
2. 2. Générateur neutronique selon la revendication 1 comprenant, en outre, un système de mesure du courant (lr) alimentant le réservoir (12) et un système de mesure de la tension électrique aux bornes du réservoir, le circuit de régulation (40) déterminant la résistance électrique du réservoir à partir de la tension et du courant mesurés.
3. 3. Générateur neutronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la consigne de régulation de la résistance électrique du réservoir (12) est calculée par le circuit de régulation (40) à partir des mesures de résistance sur un certain laps de temps antérieur au passage du mode d'émission au mode pause.
4. 4. Générateur neutronique selon la revendication 3, dans lequel la consigne de régulation de la résistance électrique du réservoir (12) est calculée par le circuit de régulation (40) en faisant une moyenne des mesures de résistance sur un certain laps de temps antérieur au passage du mode d'émission au mode pause, et en ajoutant une valeur de compensation à ladite moyenne.
5. 5. Générateur neutronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel, en mode d'émission, le circuit de régulation (40) régule l'émission de neutrons en faisant varier le courant alimentant le réservoir (12).
6. 6. Générateur neutronique selon la revendication 5, dans lequel le circuit de régulation (40) régule le courant de la cible (18), représentatif de l'émission de neutrons, en faisant varier le courant (lr) alimentant le réservoir.
7. 7. Générateur neutronique selon la revendication 6 dans lequel, lors du passage du mode pause au mode émission, le circuit de régulation (40) régule à nouveau le courant de la cible (18) en faisant varier le courant (lr) alimentant le réservoir.
8. 8. Générateur neutronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel, lors du passage du mode pause au mode d'émission, lors d’une phase transitoire, le circuit de régulation (40) régule d’abord le courant de la cible (18), représentatif de l'émission de neutrons, en faisant varier la tension de la source d'ions, et régule la tension moyenne de la source d'ions sur une fenêtre de temps glissante en faisant varier le courant alimentant le réservoir (lr), avant de réguler le courant de la cible (18) en faisant varier le courant alimentant le réservoir (lr).
9. 9. Dispositif d’analyse de matière comprenant un générateur neutronique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et au moins un détecteur de rayons gamma permettant de mesurer l'énergie des photons gamma générés par l'interaction des neutrons émis avec la matière à analyser.