FR3134193A1 - Device for real-time monitoring of radon and thoron, particularly in an ionizing environment. - Google Patents
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Abstract
Appareil pour la surveillance en temps réel du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant. L’invention consiste essentiellement à intégrer au moins un détecteur à pixels hybrides (4) et/ou un détecteur (5) à semi-conducteurs à base de silicium dans une chambre de mesure (3) dans laquelle on fait circuler un aérosol susceptible de contenir des descendants solides de radon et de thoron, la chambre de mesure étant entourée d’un écran de radioprotection gamma et/ou neutronique autour du détecteur pour le protéger de tout rayonnement ionisant provenant de l’environnement extérieur, susceptible d’engendrer un fort bruit parasite gamma et/ou neutronique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1Device for real-time monitoring of radon and thoron, particularly in an ionizing environment. The invention essentially consists of integrating at least one hybrid pixel detector (4) and/or a silicon-based semiconductor detector (5) into a measuring chamber (3) in which an aerosol capable of contain solid descendants of radon and thoron, the measuring chamber being surrounded by a gamma and/or neutron radioprotection screen around the detector to protect it from any ionizing radiation coming from the external environment, likely to generate a strong parasitic gamma and/or neutron noise. Figure for abstract: Fig. 1
Description
La présente invention concerne le domaine général de la surveillance par mesure de gaz radioactifs inertes.The present invention relates to the general field of monitoring by measuring inert radioactive gases.
Elle a trait plus particulièrement à la mesure du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant.It relates more particularly to the measurement of radon and thoron, particularly in an ionizing environment.
L’invention vise en premier lieu à améliorer les appareils de mesure existants, notamment en permettant une détection et une discrimination du radon222Rn et du thoron220Rn, même dans un environnement fortement irradiant tout en gardant une haute sensibilité au signal utile.The invention aims firstly to improve existing measuring devices, in particular by allowing detection and discrimination of radon 222 Rn and thoron 220 Rn, even in a highly irradiating environment while maintaining high sensitivity to the useful signal.
Une application privilégiée de l’invention est la mesure et l’instrumentation en milieu nucléaire. De manière générale, l’invention s’applique à tous les domaines en lien avec le contrôle de la qualité de l’air dans le secteur de l’industrie nucléaire, mais aussi le secteur privé ainsi que le secteur civil et médical pouvant être en présence de rayonnements ionisants. On peut citer les laboratoires de mesure, de recherche, dits chauds (équipés pour la manipulation ou le traitement de substances fortement radioactives), les zones douanières proches d’une source d’étalonnage, les milieux hospitaliers proches d’accélérateurs médicaux et/ou de coffres sources, …A preferred application of the invention is measurement and instrumentation in a nuclear environment. In general, the invention applies to all areas related to the control of air quality in the nuclear industry sector, but also the private sector as well as the civil and medical sector which may be in question. presence of ionizing radiation. We can cite so-called hot measurement and research laboratories (equipped for handling or processing highly radioactive substances), customs areas close to a calibration source, hospital environments close to medical accelerators and/or source chests, …
Le thoron et le radon, estimé comme étant la deuxième source des cancers pulmonaires dans le monde après le tabac, sont des gaz radioactifs inertes sans odeur qui proviennent de la désintégration naturelle de l’uranium et du thorium. Ils sont présents avec diverses abondances en fonction des régions du monde.Thoron and radon, estimated to be the second source of lung cancer worldwide after tobacco, are odorless, inert radioactive gases that come from the natural decay of uranium and thorium. They are present in varying abundances depending on the regions of the world.
Le gaz radon se décline sous deux principales formes : il peut être présent sous la forme de l’isotope222Rn issu de la chaîne de décroissance de l’238U, principal élément du radon naturel, et ou de son isotope220Rn dit thoron, issu de la chaine de décroissance du232Th. La décroissance par désintégration alpha du radon222Rn et du thoron220Rn, présentant des demi-vies respectives de 3,8 jours et de 55,6 secondes, donne lieu à la production de descendants solides dont le polonium et le bismuth sous forme d’aérosols. Ces éléments, instables, se désintègrent à leur tour par décroissance alpha et bêta jusqu’au plomb, stable.Radon gas comes in two main forms: it can be present in the form of the isotope 222 Rn resulting from the decay chain of 238 U, the main element of natural radon, and or its isotope 220 Rn known as thoron , coming from the decay chain of 232 Th. The decay by alpha decay of radon 222 Rn and thoron 220 Rn, having respective half-lives of 3.8 days and 55.6 seconds, gives rise to the production of solid descendants including polonium and bismuth in aerosol form. These elements, which are unstable, in turn disintegrate by alpha and beta decay to lead, which is stable.
De par l’impact sanitaire élevé suite à l’inhalation de radon et de ses descendants solides par les individus dans les milieux publics comme privés, des nombreuses lois en France présentent les recommandations et les performances attendues pour des appareils commerciaux de mesure du radon. A titre d’exemple, le décret français n°2018-434 du 4 juin 2018 stipule une baisse du niveau de référence annuel du radon en milieu professionnel de 400 Bq/m3à 300 Bq/m3.Due to the high health impact following the inhalation of radon and its solid descendants by individuals in both public and private environments, numerous laws in France present the recommendations and expected performances for commercial radon measuring devices. For example, French decree no. 2018-434 of June 4, 2018 stipulates a reduction in the annual reference level of radon in the workplace from 400 Bq/m 3 to 300 Bq/m 3 .
Dans ce contexte, il existe un besoin de trouver des solutions pour répondre aux nouvelles exigences pour la surveillance en temps réel du gaz radon, notamment dans des milieux ionisants au fort signal parasite où les dispositifs actuels présentent des limites d’utilisation.In this context, there is a need to find solutions to meet the new requirements for real-time monitoring of radon gas, particularly in ionizing environments with strong parasitic signals where current devices present limits of use.
De nombreuses technologies sont d’ores et déjà à un stade de développement suffisamment avancé pour être intégrées dans des dispositifs disponibles dans le commerce.Many technologies are already at a sufficiently advanced stage of development to be integrated into commercially available devices.
On peut classer en trois grandes technologies les dispositifs déjà proposés par de nombreux industriels : les chambres avec des semi-conducteurs, par exemple en silicium (Si), les chambres à scintillation, et les chambres à ionisation.The devices already offered by many manufacturers can be classified into three main technologies: chambers with semiconductors, for example in silicon (Si), scintillation chambers, and ionization chambers.
Les chambres avec des semi-conducteurs en silicium sont intégrées dans de nombreux dispositifs portatifs du commerce et permettent d’atteindre une sensibilité du signal de l’ordre de quelques dixièmes de cph (comptage par heure)/Bq/m3. Elles permettent également la discrimination des gaz radon et thoron par identification des raies à l’aide d’une spectrométrie alpha.Chambers with silicon semiconductors are integrated into many commercial portable devices and make it possible to achieve a signal sensitivity of the order of a few tenths of a cph (counts per hour)/Bq/m 3 . They also allow the discrimination of radon and thoron gases by identification of lines using alpha spectrometry.
Les chambres à scintillation de type « Lucas Cell » sont proposées sous leurs formes passives et actives : [1], [2]. La sensibilité des Lucas Cell passives est comparable à celle des chambres avec un semi-conducteur en Si. Cependant, la technologie passive de ces chambres ne permet pas une discrimination entre le radon et le thoron. Les appareils haut de gamme dits actifs qui mettent en œuvre des chambres à scintillation dépassent cette limitation en intégrant une pompe qui assure la circulation du gaz à l’intérieur de la cavité de mesure.“Lucas Cell” type scintillation chambers are available in their passive and active forms: [1], [2]. The sensitivity of passive Lucas Cells is comparable to that of chambers with a Si semiconductor. However, the passive technology of these chambers does not allow discrimination between radon and thoron. High-end so-called active devices which use scintillation chambers overcome this limitation by integrating a pump which ensures the circulation of the gas inside the measurement cavity.
Le fonctionnement des chambres à ionisation repose sur le déploiement d’une chambre de mesure dont les parois en plastique conducteur, couplées à un détecteur en téflon sous tension électrique, permettent d’ioniser l’air à l’intérieur de la chambre : [3]. En cas de présence de radon, la collecte des charges électriques s’effectue à l’aide du détecteur en téflon. Comme pour les chambres à scintillation, la forme passive des chambres à ionisation ne permet pas une discrimination entre le radon et le thoron. La forme active de ces chambres à ionisation consiste à déployer des électrodes capillaires mises sous tension électrique afin d’obtenir l’ionisation de l’air dans la chambre de mesure. Le déploiement des nombreux capillaires couplés à une pompe de circulation de gaz permet d’atteindre une sensibilité du signal atteignant les 5 cph/Bq/m3. En complément, cela permet la capacité de discrimination entre radon et thoron par le fonctionnement en mode pulsé de la pompe (phases marche/arrêt).The operation of ionization chambers is based on the deployment of a measuring chamber whose conductive plastic walls, coupled with a Teflon detector under electrical voltage, make it possible to ionize the air inside the chamber: [3 ]. If radon is present, the electrical charges are collected using the Teflon detector. As with scintillation chambers, the passive form of ionization chambers does not allow discrimination between radon and thoron. The active form of these ionization chambers consists of deploying capillary electrodes put under electrical voltage in order to obtain the ionization of the air in the measuring chamber. The deployment of numerous capillaries coupled with a gas circulation pump makes it possible to achieve a signal sensitivity of up to 5 cph/Bq/m 3 . In addition, this allows the ability to discriminate between radon and thoron by operating the pump in pulsed mode (on/off phases).
Une dernière technologie disponible dans le commerce consiste à mesurer les rayonnements gamma émis par les chaînes de décroissance du radon ou du thoron à l’aide de scintillateurs inorganiques de type à iodure de césium CsI(Tl).A final commercially available technology consists of measuring gamma radiation emitted by the decay chains of radon or thoron using inorganic scintillators of the cesium iodide type CsI(Tl).
D’autres technologies actuellement à un stade de développement amont présentent un fort potentiel pour la surveillance en temps réel du radon. C’est le cas notamment des détecteurs à pixels hybrides tels que les détecteurs fondés sur la technologie Timepix hybridée à un semi-conducteur, permettant de séparer à la fois la contribution du radon comme d’autres radioéléments émetteurs gamma présents dans l’environnement de mesure : [4], [5]. Dans le cadre de l’invention, on désigne sous le terme « Timepix », un détecteur de ce type. La sensibilité du signal de ce type de détecteurs pour le radon atteint les quelques dixièmes de cph/Bq/m3.Other technologies currently at an early stage of development have strong potential for real-time radon monitoring. This is particularly the case for hybrid pixel detectors such as detectors based on Timepix technology hybridized with a semiconductor, making it possible to separate both the contribution of radon and other gamma-emitting radioelements present in the environment from measurement: [4], [5]. In the context of the invention, a detector of this type is designated under the term “Timepix”. The signal sensitivity of this type of radon detector reaches a few tenths of cph/Bq/m 3 .
Les auteurs de la publication [6] proposent de détecter le radon et le thoron à l’aide d’un détecteur Timepix : les deux gaz sont détectés par la présence d’un impact de dépôt sur le détecteur, caractéristique d’une particule alpha émise par les descendant solides du220Rn/222Rn.The authors of the publication [6] propose detecting radon and thoron using a Timepix detector: the two gases are detected by the presence of a deposit impact on the detector, characteristic of an alpha particle emitted by the solid descendants of 220 Rn/ 222 Rn.
Quelles que soient les technologies, il existe un besoin pour améliorer encore les solutions de surveillance en temps réel du gaz radon, en permettant la discrimination avec le thoron et en augmentant encore la sensibilité de mesure.Regardless of the technologies, there is a need to further improve real-time radon gas monitoring solutions, enabling discrimination with thoron and further increasing measurement sensitivity.
Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin.The general aim of the invention is then to respond at least in part to this need.
Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un appareil pour la surveillance du radon et du thoron, notamment dans un environnement ionisant, comprenant :To do this, the invention firstly relates to a device for monitoring radon and thoron, particularly in an ionizing environment, comprising:
- un corps creux délimitant intérieurement une chambre de mesure, entre un orifice d’entrée et un orifice de sortie, le corps creux comprenant une couche externe formant écran de radioprotection gamma et/ou une couche interne formant écran de radioprotection neutronique vis-à-vis de l’environnement extérieur ;- a hollow body internally delimiting a measuring chamber, between an inlet orifice and an outlet orifice, the hollow body comprising an external layer forming a gamma radiation protection screen and/or an internal layer forming a neutron radiation protection screen with respect to vis-à-vis the external environment;
- au moins un détecteur à pixels hybrides et/ou un détecteur à semi-conducteurs à base de silicium, logé(s) dans la chambre, le(s) détecteur(s) étant configuré(s) pour collecter les descendants solides du radon et du thoron provenant de l’orifice d’entrée ;- at least one hybrid pixel detector and/or a silicon-based semiconductor detector, housed in the chamber, the detector(s) being configured to collect solid radon progeny and thoron coming from the inlet port;
- une unité de traitement électronique reliée au(x) détecteur(s) et configurée pour réaliser au moins une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par impact sur le détecteur, puis une analyse temporelle du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron, par la mesure des temps de décroissance.- an electronic processing unit connected to the detector(s) and configured to carry out at least one alpha spectrometry, so as to identify energy peaks of interest which are characteristic of the solid descendants deposited by impact on the detector, then a temporal analysis of the counting rate in the energy peaks of interest in the alpha spectrum, so as to discriminate between radon and thoron, by measuring the decay times.
Selon un mode de réalisation avantageux, le détecteur à pixels hybrides est configuré pour permettre à l’unité de traitement de réaliser l’analyse d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur ledit détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ) : [7]. Le détecteur à pixels hybrides est ainsi avantageusement un détecteur Timepix ou ASIC Timepix, développé par le CERN, qui est une puce de lecture de pixels à haute résolution spatiale et à contraste élevé.According to an advantageous embodiment, the hybrid pixel detector is configured to allow the processing unit to carry out the analysis of a circular shape of the impact of deposition of the alpha particle (α) on said detector, of so as to discriminate it among alpha, beta and gamma particles (α, β, γ): [7]. The hybrid pixel detector is thus advantageously a Timepix or ASIC Timepix detector, developed by CERN, which is a pixel reading chip with high spatial resolution and high contrast.
Selon une variante avantageuse de réalisation, le corps est percé d’au moins un conduit formant une chicane entre l’orifice d’entrée et la chambre et d’au moins un conduit formant une chicane entre la chambre et l’orifice de sortie. Une chicane en entrée et sortie de la circulation de l’aérosol assure à la fois l’obscurité dans la chambre de mesure, et limite toute contribution du signal gamma et neutronique de l’environnement extérieur. Le profil de ces chicanes peut être aussi complexe que nécessaire pour limiter autant que possible les contributions parasites de l’environnement extérieur sur les mesures utiles effectuées à l’intérieur de la cavité de mesure.According to an advantageous embodiment, the body is pierced with at least one conduit forming a baffle between the inlet orifice and the chamber and at least one conduit forming a baffle between the chamber and the outlet orifice. A baffle at the entrance and exit of the aerosol circulation ensures both darkness in the measuring chamber and limits any contribution of the gamma and neutron signal from the external environment. The profile of these baffles can be as complex as necessary to limit as much as possible the parasitic contributions of the external environment on the useful measurements carried out inside the measuring cavity.
Une variante éventuelle dans le but de simplifier la chicane consiste à mettre en place deux compartiments supplémentaires en entrée et sortie du corps assurant une obscurité suffisante au niveau de la chambre de mesure. Cette variante pouvant être déployée dans un environnement à faible contribution ionisante externe.A possible variant with the aim of simplifying the baffle consists of setting up two additional compartments at the entrance and exit of the body ensuring sufficient darkness at the level of the measuring chamber. This variant can be deployed in an environment with low external ionizing contribution.
Avantageusement, la paroi interne de la chambre est revêtue d’une couche de matériau à effet scintillant, de préférence en ZnS(Ag). Une telle couche permet de mieux collecter le signal lumineux,i.e.avec un grand angle solide.Advantageously, the internal wall of the chamber is coated with a layer of material with a scintillating effect, preferably ZnS(Ag). Such a layer makes it possible to better collect the light signal, ie with a large solid angle.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’appareil comprend une pompe agencée entre l’orifice d’entrée et la chambre pour assurer la circulation de l’aérosol susceptible de contenir des descendants solides, depuis l’orifice d’entrée jusque dans la chambre, la pompe étant configurée pour fonctionner en mode pulsé selon des phases de marche/arrêt, une phase de marche permettant de vider la chambre par l’orifice de sortie, une phase d’arrêt permettant aux descendants solides de se déposer sur le détecteur.According to another advantageous embodiment, the device comprises a pump arranged between the inlet orifice and the chamber to ensure the circulation of the aerosol likely to contain solid descendants, from the inlet orifice into the chamber, the pump being configured to operate in pulsed mode according to on/off phases, an on phase allowing the chamber to be emptied through the outlet orifice, a stopping phase allowing the solid descendants to be deposited on the detector .
Selon ce mode et une variante avantageuse, l’appareil comprend un obturateur agencé entre la chambre et l’orifice de sortie, l’obturateur étant configuré pour fonctionner de manière synchrone avec le fonctionnement de la pompe de sorte à fermer l’orifice de sortie lorsque la pompe est en phase d’arrêt. Ainsi, cet obturateur assurant l’étanchéité de la chambre de manière synchrone avec une phase d’arrêt de la pompe, au cours de laquelle le dépôt par impact a lieu sur le détecteur.According to this mode and an advantageous variant, the device comprises a shutter arranged between the chamber and the outlet orifice, the shutter being configured to operate synchronously with the operation of the pump so as to close the outlet orifice when the pump is stopped. Thus, this shutter ensures the sealing of the chamber in a synchronous manner with a pump stopping phase, during which the deposition by impact takes place on the detector.
De préférence, l’appareil comprend un filtre à particules fines agencé au niveau de l'orifice d'entrée. Le filtre est de préférence adapté pour filtrer des particules PM10, de préférence encore PM2.5, de préférence encore PM1.Un tel filtre permet de limiter l’entrée de polluants et d’aérosols solides dans la chambre de mesure, par exemple ceux issus de la décroissance du Radon et Thoron à l’extérieur.Preferably, the apparatus comprises a fine particle filter arranged at the inlet port. The filter is preferably adapted to filter PM10 particles, more preferably PM2.5, more preferably PM1 . Such a filter makes it possible to limit the entry of pollutants and solid aerosols into the measuring chamber, for example those resulting from the decay of Radon and Thoron outside.
De préférence, le matériau de la couche externe de radioprotection gamma est choisi parmi le plomb, le tungstène et leurs alliages. Dans le cadre de l’invention, tout matériau de numéro atomique (Z) élevé, typiquement au-delà d’un numéro égal à 29, et de haute densité, typiquement au-delà de 8g/cm3, convient pour constituer l’écran de radioprotection gamma souhaité.Preferably, the material of the outer gamma radiation protection layer is chosen from lead, tungsten and their alloys. In the context of the invention, any material of high atomic number (Z), typically above a number equal to 29, and of high density, typically above 8g/cm 3 , is suitable for constituting the desired gamma radiation protection screen.
De préférence encore, le matériau de la couche interne de radioprotection neutronique est choisi parmi le polyéthylène Haute Densité (PEHD) dopé au bore ou la paraffine avec un absorbant neutronique, de préférence à base de bore ou d’hafnium.More preferably, the material of the internal neutron radioprotection layer is chosen from high density polyethylene (HDPE) doped with boron or paraffin with a neutron absorbent, preferably based on boron or hafnium.
L’épaisseur de chacune des couches de radioprotection (gamma ou neutronique) peut varier entre quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètre en fonction de l’application et du débit de dose effectif de l’environnement de mesure.The thickness of each of the radioprotection layers (gamma or neutron) can vary between a few centimeters to several tens of centimeters depending on the application and the effective dose rate of the measurement environment.
L’invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d’un appareil qui vient d’être décrit, comprenant les étapes :The invention also relates to a method of operating a device which has just been described, comprising the steps:
a/ circulation dans la chambre de mesure, d’un aérosol susceptible de contenir au moins la particule alpha (α) émise par les descendant solides du radon et du thoron,a/ circulation in the measuring chamber of an aerosol likely to contain at least the alpha particle (α) emitted by the solid descendants of radon and thoron,
b/ le cas échéant, analyse par l’unité de traitement d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur le détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ),b/ where applicable, analysis by the processing unit of a circular shape of the impact of deposition of the alpha particle (α) on the detector, so as to discriminate it among the alpha, beta and gamma particles (α ,β,γ),
c/ réalisation par l’unité de traitement d’une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par l’impact sur le détecteur,c/ production by the processing unit of alpha spectrometry, so as to identify energy peaks of interest which are characteristic of the solid descendants deposited by the impact on the detector,
d/ analyse temporelle par l’unité de traitement du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron par la mesure des temps de décroissance.d/ temporal analysis by the processing unit of the counting rate in the energy peaks of interest of the alpha spectrum, so as to discriminate radon and thoron by measuring the decay times.
De préférence, l’étape b/ ou l’étape c/ est initiée une fois la pompe à l’arrêt, l’obturateur ayant obturé de manière synchrone l’orifice de sortie.Preferably, step b/ or step c/ is initiated once the pump has stopped, the shutter having synchronously closed the outlet orifice.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer au moins un détecteur à pixels hybrides et/ou détecteur en silicium dans une chambre de mesure dans laquelle on fait circuler un aérosol susceptible de contenir des descendants solides de radon et de thoron, la chambre de mesure étant entourée d’un écran de radioprotection gamma et/ou neutronique autour du détecteur pour le protéger de tout rayonnement ionisant provenant de l’environnement extérieur, susceptible d’engendrer un fort bruit parasite gamma et/ou neutronique.Thus, the invention essentially consists of integrating at least one hybrid pixel detector and/or silicon detector in a measuring chamber in which an aerosol capable of containing solid descendants of radon and thoron is circulated, the measuring chamber being surrounded by a gamma and/or neutron radiation protection screen around the detector to protect it from any ionizing radiation coming from the external environment, likely to generate strong gamma and/or neutron parasitic noise.
Dans le cadre de l’invention, un détecteur à pixels hybrides, notamment de type ASIC Timepix, permet de discriminer toute contribution beta, gamma voir neutronique, par l’analyse de la forme circulaire de l’impact sur lui. De manière générale, dans le cadre de l’invention tout détecteur pixelisé capable de mesurer l’énergie déposée sur un pixel et avantageusement les positions des particules ionisantes déposées convient.In the context of the invention, a hybrid pixel detector, in particular of the ASIC Timepix type, makes it possible to discriminate any beta, gamma or even neutron contribution, by analyzing the circular shape of the impact on it. Generally speaking, in the context of the invention any pixelated detector capable of measuring the energy deposited on a pixel and advantageously the positions of the ionizing particles deposited is suitable.
L’unité de traitement électronique reliée au(x) détecteur(s) est configurée pour réaliser la discrimination de la particule détectée (α,β,γ) par l’analyse de la forme de l’impact sur le détecteur, puis une spectrométrie alpha pour l’identification des raies caractéristiques des descendant solides, et enfin une analyse temporelle de la décroissance du taux de comptage dans la région en énergie d’intérêt du spectre alpha. Cette analyse temporelle consiste de préférence en une analyse de la période radioactive à l’aide d’un ajustement exponentiel préalable.The electronic processing unit connected to the detector(s) is configured to discriminate the detected particle (α, β, γ) by analyzing the shape of the impact on the detector, then spectrometry alpha for the identification of characteristic lines of solid descendants, and finally a temporal analysis of the decay of the counting rate in the energy region of interest of the alpha spectrum. This temporal analysis preferably consists of an analysis of the radioactive half-life using a prior exponential adjustment.
L’invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer ceux par rapport aux solutions selon l’état de l’art, la discrimination du radon et du thoron par des méthodes combinées (analyse de forme de l’impact couplé à une analyse du taux de comptage), l’amélioration de la sensibilité du signal notamment pour la mesure en milieu ionisant de par l’enveloppe de protection et par-là la diminution du taux de fausses alarmes, i.e. générées par une mauvaise détection.The invention provides numerous advantages among which we can cite those compared to state-of-the-art solutions, the discrimination of radon and thoron by combined methods (analysis of the shape of the impact coupled with an analysis of the counting rate), improving the sensitivity of the signal, particularly for measurement in an ionizing environment due to the protective envelope and thereby reducing the rate of false alarms, i.e. generated by poor detection.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will become clearer on reading the detailed description, given for illustrative and non-limiting purposes, with reference to the following figures.
La
Cet appareil 1 comprend tout d’abord un corps creux 2 délimitant intérieurement une chambre de mesure 3, entre un orifice d’entrée 20 et un orifice de sortie 21.This device 1 firstly comprises a hollow body 2 internally delimiting a measuring chamber 3, between an inlet orifice 20 and an outlet 21.
Le corps creux 2 est constitué d’une couche externe 22 formant écran de radioprotection gamma et d’une une couche interne 23 formant écran de radioprotection neutronique vis-à-vis de l’environnement extérieur. Le matériau de l’écran externe 22 peut être choisi parmi le plomb, le tungstène et leurs alliages, ou tout matériau de numéro atomique (Z) élevé, typiquement au-delà d’un numéro égal à 29, et de haute densité, typiquement au-delà de 8g/cm3. Le matériau de l’écran interne 23 peut être choisi parmi le polyéthylène Haute Densité (PEHD) dopé au bore ou la paraffine avec un absorbant neutronique, de préférence à base de bore ou d’hafnium. L’épaisseur e1 de l’écran externe 22 peut être de l’ordre quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres tout comme l’épaisseur e2 de l’écran interne 23.The hollow body 2 consists of an external layer 22 forming a gamma radiation protection screen and an internal layer 23 forming a neutron radiation protection screen with respect to the external environment. The material of the external screen 22 can be chosen from lead, tungsten and their alloys, or any material of high atomic number (Z), typically above a number equal to 29, and of high density, typically above 8g/cm 3 . The material of the internal screen 23 can be chosen from high density polyethylene (HDPE) doped with boron or paraffin with a neutron absorber, preferably based on boron or hafnium. The thickness e1 of the external screen 22 can be of the order of a few centimeters to several tens of centimeters just like the thickness e2 of the internal screen 23.
La paroi interne de la chambre 3 peut être revêtue d’une couche 30 de matériau à effet scintillant, de préférence en ZnS(Ag). Une telle couche 30 permet de collecter avec un grand angle solide le signal lumineux dans la chambre de mesure 3.The internal wall of chamber 3 can be coated with a layer 30 of material with a scintillating effect, preferably ZnS(Ag). Such a layer 30 makes it possible to collect the light signal in the measuring chamber 3 with a large solid angle.
Dans l’exemple illustré, le corps 2 est percé d’un conduit 24 formant une chicane entre l’orifice d’entrée 20 et la chambre 3 et d’un conduit 25 formant une chicane entre la chambre 3 et l’orifice de sortie 21. Ces chicanes 24, 25 garantissent à la fois l’obscurité dans la chambre de mesure, et limitent toute contribution du signal gamma et neutronique de l’environnement extérieur vers la chambre 3.In the example illustrated, the body 2 is pierced by a conduit 24 forming a baffle between the inlet orifice 20 and the chamber 3 and a conduit 25 forming a baffle between the chamber 3 and the outlet orifice 21. These baffles 24, 25 guarantee both darkness in the measuring chamber, and limit any contribution of the gamma and neutron signal from the external environment to the chamber 3.
Un détecteur 4 à pixels hybrides de type ASIC Timepix ainsi qu’un photomultiplicateur en silicium 5 sont logés dans la chambre 3.A detector 4 with ASIC Timepix hybrid pixels as well as a silicon photomultiplier 5 are housed in chamber 3.
Une pompe 6 est agencée entre l’orifice d’entrée 20 et la chambre 3 pour assurer la circulation de l’aérosol susceptible de contenir des descendants solides, depuis l’orifice d’entrée 20 jusque dans la chambre 3.A pump 6 is arranged between the inlet orifice 20 and the chamber 3 to ensure the circulation of the aerosol likely to contain solid progeny, from the inlet orifice 20 into the chamber 3.
Un obturateur 7 est agencé entre la chambre 3 et l’orifice de sortie 21. L’obturateur 7 est configuré pour fonctionner de manière synchrone avec le fonctionnement de la pompe de sorte à obturer l’orifice de sortie lorsque la pompe est en phase d’arrêt comme détaillé ci-après.A shutter 7 is arranged between the chamber 3 and the outlet orifice 21. The shutter 7 is configured to operate synchronously with the operation of the pump so as to close the outlet orifice when the pump is in phase d judgment as detailed below.
Un filtre à particules fines 8 est agencé au niveau de l'orifice d'entrée 20.A fine particle filter 8 is arranged at the inlet orifice 20.
En plus de ces composants physiques pour la collecte des descendants solides du radon et du thoron, l’appareil 1 comprend une unité de traitement électronique 10 reliée aux détecteurs 4, 5.In addition to these physical components for the collection of solid progeny of radon and thoron, the device 1 includes an electronic processing unit 10 connected to the detectors 4, 5.
On décrit maintenant le fonctionnement d’un tel appareil en référence aux figures 2A à 2C.We now describe the operation of such a device with reference to Figures 2A to 2C.
La pompe 6 est mise en fonctionnement en mode pulsé selon des phases de marche/arrêt pour faire circuler jusqu’à la chambre de mesure 3, un aérosol susceptible de contenir des particules caractéristiques du radon et du thoron. Une phase de marche permet de vider la chambre 3 par l’orifice de sortie 21.Pump 6 is put into operation in pulsed mode in on/off phases to circulate an aerosol likely to contain particles characteristic of radon and thoron to the measuring chamber 3. A running phase allows chamber 3 to be emptied through outlet 21.
La pompe 6 est mise à l’arrêt et simultanément l’obturateur 7 est fermé.Pump 6 is turned off and simultaneously shutter 7 is closed.
Pendant une phase d’arrêt, l’unité de traitement électronique 10 va mettre en œuvre un traitement d’analyse comme suit.During a shutdown phase, the electronic processing unit 10 will implement analysis processing as follows.
La particule alpha, caractéristique des descendants solides du radon et au thoron dont (218Po,214Po) et (212Bi,212Po,216Po) respectivement, est identifiable par sa forme circulaire caractéristique sur la cartographie à deux dimensions obtenues sur l’image pixélisée du détecteur 4, selon le rond symbolisé en haut à gauche de la
Afin de discriminer le radon, le thoron et tout autre polluant éventuel émetteur alpha dans l’environnement ionisant de mesure, une analyse par spectrométrie alpha est ensuite réalisée en se focalisant sur les pics d’énergie d’intérêt. La présence des descendants solides du radon (218Po,214Po) se caractérise par la présence de pics/raies alpha caractéristiques aux énergies avoisinant le 5,9 et 7,7 MeV, comme montré à la
Afin de mieux discriminer encore le radon et le thoron, et s’affranchir de l’étalonnage du détecteur et de l’unité, de sa résolution en énergie et la proximité en énergie de certaines des raies, une analyse temporelle sur les pics d’énergie d’intérêt est réalisée sur le spectre alpha.In order to further discriminate radon and thoron, and to overcome the calibration of the detector and the unit, its energy resolution and the energy proximity of some of the lines, a temporal analysis on the peaks of energy of interest is carried out on the alpha spectrum.
Cette analyse temporelle peut consister en une analyse de la période radioactive à l’aide d’un ajustement exponentiel. Un exemple d’analyse en présence de radon et thoron, à partir des mesures présentées dans la publication [5], est illustré graphiquement en
En complément, le signal du photomultiplicateur à silicium 5 dans le spectre alpha comprend la présence du dépôt d’énergie des particules beta des descendants solides. Et la réponse lumineuse produite dans la couche 30, apporte une information complémentaire quant à la nature du gaz dans la chambre 3, que l’unité de traitement 10 peut analyser. Cela permet d’améliorer la sensibilité de détection globale de l’appareil et le niveau de confiance sur la mesure.In addition, the signal from the silicon photomultiplier 5 in the alpha spectrum includes the presence of the energy deposition of the beta particles of the solid progeny. And the light response produced in layer 30 provides additional information as to the nature of the gas in chamber 3, which the processing unit 10 can analyze. This improves the overall detection sensitivity of the device and the level of confidence in the measurement.
D’autres avantages et améliorations pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other advantages and improvements could be made without departing from the scope of the invention.
Dans l’exemple illustré, la partie détection consiste à implanter à la fois un ASIC Timepix 4 et un photomultiplicateur en silicium 5 dans la chambre de mesure 3. On peut utiliser uniquement photomultiplicateur en silicium 5 pour la collecte du signal, comme illustré à la
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.The invention is not limited to the examples which have just been described; In particular, it is possible to combine characteristics of the illustrated examples within non-illustrated variants.
[1]: H.F Lucas, «Improved low-level alpha-scintillation counter for radon», Review of Scientific Instruments, vol. 28, pp. 680, 1957.[1]: HF Lucas, “ Improved low-level alpha-scintillation counter for radon ”, Review of Scientific Instruments, vol. 28, pp. 680, 1957.
[2]: https://en.wikipedia.org/wiki/Lucas_cell[2]: https://en.wikipedia.org/wiki/Lucas_cell
[3]: Filip Studnika et. al, «Low-Cost Radon Detector with Low-Voltage Air-Ionization Chamber», Sensors Magazine, (2019), vol. 19, 3721.[3]: Filip Studnika et. al, “ Low-Cost Radon Detector with Low-Voltage Air-Ionization Chamber ”, Sensors Magazine, (2019), vol. 19, 3721.
[4]: Boris Bulanek et. al, «Measurement of Radon Progenies Using the TimePix Detector», Radiation Protection Dosimetry (2014), Vol. 160, N°1-3, pp. 184-187.[4]: Boris Bulanek et. al, “ Measurement of Radon Progenies Using the TimePix Detector ”, Radiation Protection Dosimetry (2014), Vol. 160, No. 1-3, pp. 184-187.
[5]: Boris Bulanek et. al, «The Portable Device For Continual Measurement of Radon Progenies on Filter using the Detector TimePix», Radiation Protection Dosimetry (2015), Vol. 164, N°4, pp. 493 – 496.[5]: Boris Bulanek et. al, “ The Portable Device For Continual Measurement of Radon Progenies on Filter using the Detector TimePix ”, Radiation Protection Dosimetry (2015), Vol. 164, No. 4, pp. 493 – 496.
[6]: M. Caresena et. al, «Real-time measurements of radon activity with the Timepix -based RADONLITE and RADONPIX detectors» 2014, JINST 9 P11023.[6]: M. Caresena et. al, “ Real-time measurements of radon activity with the Timepix -based RADONLITE and RADONPIX detectors ” 2014, JINST 9 P11023.
[7]: J. Bouchami et al., «Study of the charge sharing in silicon pixel detector by means of heavy ionizing particles interacting with a Medipix2 device» Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip., vol. 633, pp. S117–S120, 2011, doi: https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.06.141.[7]: J. Bouchami et al., “ Study of the charge sharing in silicon pixel detector by means of heavy ionizing particles interacting with a Medipix2 device ” Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. At Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip., vol. 633, pp. S117–S120, 2011, doi: https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.06.141.
Claims (11)
- un corps creux (2) délimitant intérieurement une chambre de mesure (3), entre un orifice d’entrée (20) et un orifice de sortie (21), le corps creux comprenant une couche externe (22) formant écran de radioprotection gamma et/ou une couche interne (23) formant écran de radioprotection neutronique vis-à-vis de l’environnement extérieur ;
- au moins un détecteur à pixels hybrides (4) et/ou un détecteur (5) à semi-conducteurs à base de silicium, logé(s) dans la chambre, le(s) détecteur(s) étant configuré(s) pour collecter les descendants solides du radon et du thoron provenant de l’orifice d’entrée ;
- une unité de traitement électronique (10) reliée au(x) détecteur(s) et configurée pour réaliser au moins une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par impact sur le détecteur, puis une analyse temporelle du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron, par la mesure des temps de décroissance.
- a hollow body (2) internally delimiting a measuring chamber (3), between an inlet orifice (20) and an outlet orifice (21), the hollow body comprising an external layer (22) forming a gamma radiation protection screen and /or an internal layer (23) forming a neutron radiation protection screen with respect to the external environment;
- at least one hybrid pixel detector (4) and/or a silicon-based semiconductor detector (5), housed in the chamber, the detector(s) being configured to collect solid progeny of radon and thoron from the inlet;
- an electronic processing unit (10) connected to the detector(s) and configured to carry out at least one alpha spectrometry, so as to identify energy peaks of interest which are characteristic of the solid descendants deposited by impact on the detector, then a temporal analysis of the counting rate in the energy peaks of interest in the alpha spectrum, so as to discriminate between radon and thoron, by measuring the decay times.
a/ circulation dans la chambre de mesure, d’un aérosol susceptible de contenir au moins la particule alpha (α) émise par les descendant solides du radon et du thoron,
b/ le cas échéant, analyse par l’unité de traitement d’une forme circulaire de l’impact de dépôt de la particule alpha (α) sur le détecteur, de sorte à la discriminer parmi les particules alpha, beta et gamma (α,β,γ),
c/ réalisation par l’unité de traitement d’une spectrométrie alpha, de sorte à identifier des pics d’énergie d’intérêt qui sont caractéristiques des descendants solides déposés par l’impact sur le détecteur,
d/ analyse temporelle par l’unité de traitement du taux de comptage dans les pics d’énergie d’intérêt du spectre alpha, de sorte à discriminer le radon et le thoron par la mesure des temps de décroissance.Method of operating a device according to the preceding claims, comprising the steps:
a/ circulation in the measuring chamber of an aerosol capable of containing at least the alpha particle (α) emitted by the solid descendants of radon and thoron,
b/ where applicable, analysis by the processing unit of a circular shape of the impact of deposition of the alpha particle (α) on the detector, so as to discriminate it among the alpha, beta and gamma particles (α ,β,γ),
c/ production by the processing unit of alpha spectrometry, so as to identify energy peaks of interest which are characteristic of the solid descendants deposited by the impact on the detector,
d/ temporal analysis by the processing unit of the counting rate in the energy peaks of interest of the alpha spectrum, so as to discriminate radon and thoron by measuring the decay times.
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|---|---|---|---|
| FR2202789A FR3134193B1 (en) | 2022-03-29 | 2022-03-29 | Device for real-time monitoring of radon and thoron, particularly in an ionizing environment. |
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Applications Claiming Priority (2)
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| FR2202789 | 2022-03-29 | ||
| FR2202789A FR3134193B1 (en) | 2022-03-29 | 2022-03-29 | Device for real-time monitoring of radon and thoron, particularly in an ionizing environment. |
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| FR3134193B1 FR3134193B1 (en) | 2024-03-15 |
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ID=82694090
Family Applications (1)
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2022
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2023
- 2023-03-28 WO PCT/EP2023/057906 patent/WO2023186850A1/en unknown
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2023186850A1 (en) | 2023-10-05 |
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