WO1993022792A1 - Dispositif pour la detection et la localisation bidimensionnelle de neutrons - Google Patents

Dispositif pour la detection et la localisation bidimensionnelle de neutrons Download PDF

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WO1993022792A1
WO1993022792A1 PCT/FR1993/000408 FR9300408W WO9322792A1 WO 1993022792 A1 WO1993022792 A1 WO 1993022792A1 FR 9300408 W FR9300408 W FR 9300408W WO 9322792 A1 WO9322792 A1 WO 9322792A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light pulses
photons
calibrated
delivering
electric charges
Prior art date
Application number
PCT/FR1993/000408
Other languages
English (en)
Inventor
Françoise Allioli
Irene Dorion
Serge Maitrejean
Original Assignee
Schlumberger Industries S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schlumberger Industries S.A. filed Critical Schlumberger Industries S.A.
Publication of WO1993022792A1 publication Critical patent/WO1993022792A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
    • H01J47/02—Ionisation chambers

Definitions

  • the present invention relates to a device for the two-dimensional detection and localization of neutrons. It applies to the production of images, in particular for non-destructive industrial control, non-destructive security control or more particularly, the detection of corrosion on metallic structures.
  • Several devices are known for producing images of an object subjected to a flow of particles, such as X photons, gamma photons, particles or even protons.
  • the object is placed between a source of neutral particles and the device.
  • the detector in general, comprises a converter capable of producing ionizing particles, more specifically fast electrons, under the impact of neutral particles.
  • the secondary electrons are collected by a set of elongated detection elements (wires or strips) which are associated with a row of pixels (one pixel corresponds to a point in the image formed). Thanks to the devices mentioned above, we therefore only form a one-dimensional image (corresponding to the row of pixels). The object is subjected to a scan which makes it possible to form a complete two-dimensional image, row after row. In the device described in patent GB 2000632, a two-dimensional image is formed by a detector also using the Townsend avalanche phenomenon. This device belongs to the class of devices known as multi-wire proportional chambers.
  • the invention for its part, proposes to use the avalanche phenomenon of Townsend but to detect the photons created during avalanches to form a two-dimensional image corresponding to the distribution, on the surface of incidence of the device, of the impacts of particles having passed through the object.
  • photons are created during avalanche phenomena by the relaxation processes of atoms or molecules excited by the incident electrons.
  • the detection of the photons thus created to locate particle impacts avoids the complicated connection of the electron detection systems of the devices of the prior art.
  • photon detection allows total decoupling between an amplification part where the avalanches develop and an optical reading part.
  • the invention relates to a device for the two-dimensional detection and localization of neutrons comprising:
  • means capable of delivering, on an output surface, from focused photons, light pulses each corresponding at a particle impact on the incidence surface, these light pulses being distributed over the exit surface in correspondence with the distribution of the particle impacts on the incidence surface, and being amplified until saturation so as to obtain calibrated light pulses and
  • the means capable of delivering light pulses comprise an image intensifier of the "microchannel wafer” type producing a linear amplifier.
  • the means capable of delivering light pulses comprise first and second wafers of microchannels.
  • the means capable of delivering light pulses comprise first and second microchannel wafers, the first microchannel wafer producing a linear amplifier coupled as an input to a photocathode, the second microchannel wafer producing a saturated amplifier coupled at output to a fluorescent screen, this fluorescent screen delivering a calibrated intensity output light signal for any input light pulse greater in intensity than a fixed threshold.
  • An electron produced under the effect of an incident particle generates a large number of electrons by amplification and avalanche.
  • this number of electrons fluctuates from one event to another; moreover, the emitted electrons do not have a single energy but have energies included in a broad spectrum. Consequently, the number of photons created during avalanches is subject to these fluctuations; in addition, the number of photons obtained after amplification also fluctuates, this being due to dispersion phenomena.
  • the counting and locating means 5 comprise a matrix device with coupled charges.
  • the matrix of sensors with coupled charges makes it possible to transform an illumination into electrical signals.
  • Each sensor of the matrix corresponds to an image point located in correspondence with a point of the incidence surface. Carried out at regular rate, a count of the signals emitted by each sensor of the matrix makes it possible to deduce the number of impacts of corresponding incident particles.
  • the light pulses produced have a sufficient intensity to allow the use of a matrix device with standard coupled charges, which limits the cost of the device and avoids the use of device to coupled loads made very sensitive by cooling.
  • Optical adaptation means can be provided to adapt the format of the image from the output surface of the second image intensifier to the format of the array of sensors with coupled charges.
  • the means for amplifying the electric charges comprise a gas mixture capable of being ionized by the electric charges delivered by the production means and means for subjecting the ionized gas mixture to at least one potential difference.
  • the photon amplification means are constituted by said gas mixture capable of being ionized, this gas mixture containing at least one photoemissive gas.
  • said photoemissive gas is triethylamine.
  • the means for producing electric charges comprise a substantially planar solid converter.
  • the converter can be of any shape, for example rectangular or square, with sides up to several meters. Thanks to the decoupling between the amplification part and the optical reading part, the problems linked to the connection of a number of detectors which is all the greater when the converter is large does not arise.
  • the optical image obtained is easily adapted to the size of the matrix device with coupled charges.
  • FIG. 1 schematically shows a device according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows a partial view of an amplification assembly of charged particles allowing the generation of associated photons
  • FIG. 3 schematically shows a sectional view of an image intensification assembly
  • FIG. 4 schematically shows a sectional view of a channel of a wafer of microchannels.
  • FIG 5 shows schematically a sectional view of another set of image intensification;
  • FIG. 6 schematically shows a sectional view of another set of image intensification
  • Figure 1 schematically shows a device according to the invention.
  • the object 10 of which we want to make an image is placed between a source 12 of neutrons and the detection and localization device.
  • the beam 14 of incident neutrons is collected on the detection and localization device after passing through the object 10.
  • the detection and localization device comprises an enclosure 15 hermetically sealed. The wall of the enclosure opposite the source
  • This converter may consist of a layer of gadolinium a few microns thick deposited on an aluminum substrate.
  • the converter 16 may have a square or rectangular surface.
  • an outlet window 26 which may for example be a silica plate transparent to U.V.
  • the device includes means for amplifying charged particles making it possible to trigger Townsend avalanche phenomena, these means are of the type of a proportional counter with parallel plates (PPAC or Parallel Plate Avalanche Chamber in English terminology).
  • These amplification means comprise a gas mixture 17 contained in the enclosure 15 and allowing the appearance of an amplification of charges by stimulated ionization.
  • this gas may contain a mixture of r argon and hydrocarbon, for example, ethane or methane, the latter constituting the quenching substance (quencher).
  • the pressure of the gas mixture 17 in the enclosure is approximately 1 bar.
  • the gas circulates inside the enclosure 15 into which it enters via an inlet e and from which it emerges via an outlet s.
  • the amplification means also include an assembly making it possible to subject the gas to a potential difference.
  • This assembly is described more precisely with reference to FIG. 2. It is composed of parallel plates 19, 23, in fact, two electrodes which are very tight planes of wires 18, 22, stretched on frames 20, 24 by example in printed circuit.
  • the network of wires 18 is brought to ground and the network of wires 22 is connected to a HV source of positive potential, this half being for example of the order of 4000 V.
  • the networks of wires 18 and 22 are made of steel stainless or golden tungsten; the wires have a diameter of 100 ⁇ m and are arranged at least approximately parallel to each other at approximately 1 mm from each other.
  • the electrode 18 is fixed inside the enclosure 15 at a distance of approximately 1 mm from the converter 16.
  • the electrode 22 is fixed inside the enclosure 15 at a distance of approximately 4 mm of electrode 18.
  • the function of the converter is to produce an ionizing particle inside the enclosure under the impact of an incident neutron PN coming to strike its surface of incidence (entrance face of the enclosure 15).
  • the path of an ionizing particle has been represented symbolically in FIG. 2 by a dashed line PC1.
  • Ionizing particles such as that which propagates along PC1 cause the creation, from the molecules of the gas 17 contained in the enclosure 15 of the electrical charges and more precisely of the electrons and the ions.
  • the wires 22 also fulfill the role of collecting negative charges.
  • the positive ions created during the amplification are collected by the network 18 brought to ground.
  • Photons are emitted during the avalanche process, resulting from inelastic collisions between the electrons and the molecules of the gas. These photons are symbolized in Figure 2 by wavy arrows PH and are emitted in the ultraviolet range.
  • the number of these photons is amplified by means of amplification consisting of the conventional gas mixture electron amplification such as a mixture of rare gas and a hydrocarbon, to which are added vapors of molecules with low ionization potential, to increase the number of photons produced per electron.
  • the conventional gas mixture electron amplification such as a mixture of rare gas and a hydrocarbon
  • triethylamine or TEA
  • TEA triethylamine
  • the gas mixture 17 contained in the enclosure can have the following composition: 90% of argon, 8% of methane and 2% of triethylamine.
  • the device comprises focusing means 28 (simple lens or more complex optical system but known per se) arranged opposite the exit window 26, image intensification means 29 , image size adaptation means 60 and a matrix device of coupled charge sensors 58 ("charges coupled device" or CCD in English terminology).
  • the focusing means 28 make it possible to form an image of the distribution of photons generated during amplification phenomena on the input face of the image intensification means 29.
  • FIG. 3 represents a sectional view of the image intensification means, according to a first embodiment.
  • These means capable of delivering light pulses are composed in this embodiment by an image intensifier, for example of the type sold by the company RTC under the reference XX1410.
  • an intensifier comprises a quartz window 30, a photocathode 32 operating at the emission wavelengths of the gas mixture, a wafer of microchannels 34, a fluorescent screen 36, and a set of optical fibers 38 assembled side by side so that their ends form planar faces.
  • the photons focused by the focusing means 28 pass through the quartz window 30 and strike the photocathode 32 which then produces electrons.
  • the photocathode 32 is for example brought to ground potential, while the opposite end of the microchannels is brought to a potential V1 equal for example to 200V.
  • V1 a potential equal for example to 200V.
  • a wafer of microchannels 34 consists of approximately 10 7 channels subjected to a potential difference V2-V1 between their ends. If V1 is equal to 200V, V2 can be equal to 10OOV.
  • a channel consists of a tube 35, for example made of glass with an internal diameter equal to about 10 micrometers and the internal wall of which is covered by a conductive coating.
  • an incident electron ee tears off electrons which in turn tear off others.
  • the electronic gain ie the ratio between the number of electrons exiting es and the number of electrons at the input varies according to the voltage applied to the terminals of the channel.
  • the »outgoing electrons strike the fluorescent screen 36 brought to a potential V3 equal for example to 7000V.
  • FIG. 5 schematically represents image intensification means making it possible to obtain a greater image intensification than previously.
  • two microchannel wafers 34a, 34b are used, contained in two image intensifiers, for example of the type sold by RTC under the reference XX1410, coupled to each other by an adaptation layer.
  • index 40 for example Canada Balm.
  • the same references designate the same objects as in FIG. 3. It can therefore be seen that the second image intensifier differs from the first by a set of input optical fibers 31 which replaces the quartz window.
  • Each intensifier comprises a photocathode 32a, 32b whose efficiency is adapted for the first 32a to the wavelengths of the incident photons, for the second 32b to the wavelengths of the photons leaving the first fluorescent screen.
  • the potentials applied are also different.
  • V4 represents the potential applied to the photocathode of the first intensifier
  • V5 represents the potential applied to the inlet end of the microchannels of the first wafer
  • V6 represents the potential applied to the outlet end of the microchannels of this wafer
  • V7 represents the potential applied to the fluorescent screen of the first intensifier
  • V8 represents the potential applied to the photocathode of the second intensifier
  • V9 represents the potential applied to the input end of the microchannels of the second wafer
  • V10 represents the potential applied to the output end of the microchannels of the second wafer
  • V11 represents the potential applied to the fluorescent screen of the second intensifier
  • these potentials can take the following values:
  • V4 -7000V
  • V5 -6800V
  • V6 -6000V
  • V7 0V
  • the light pulses delivered by the means 29 have a calibrated intensity.
  • the first microchannel wafer 34a is used in linear mode as above, with a light amplification factor greater than 10 ⁇ .
  • the second microchannel pancake 34b operates in saturated mode, that is to say that the output luminous flux is not proportional to the input flux. Saturation is obtained when the number of electrons leaving a channel of the microchannel plate 34b is independent of the number of electrons entering (when the latter exceeds a threshold). To obtain saturation, the light flux entering the second intensifier must be greater than a threshold depending on the value of the potential difference of V10-V9.
  • FIG. 6 schematically represents other means of image intensification usable in saturated mode.
  • the references identical to those in FIG. 5 represent the same objects. These means include two microchannel pancakes 34a, 34b arranged side by side. The microchannels of each of the wafers are inclined at the same angle but in opposite directions so as to form chevrons.
  • the inclination of the microchannels makes it possible to avoid any impact on the photocathode 32 of positive ions created in a channel, by recombination of these ions on the wall of the channel.
  • the first wafer 34a is used in linear mode and the second 34b for example in saturated mode.
  • a light pulse of calibrated intensity is delivered at the output of several neighboring fibers of the assembly 38. This pulse forms a light point located on the output face in correspondence with the location of the point of impact of the particle on the incidence surface of the converter. The rest of the description refers again to FIG. 1.
  • the light pulses at the output of the intensification means 29 are detected by a matrix of detectors with coupled charges 58.
  • the size of the image delivered by the intensification means 29 is adapted to the size of the matrix thanks to a system 60 optical adaptation known per se.
  • the detectors with coupled charges are arranged in rows of 500 detectors and in columns of 500 detectors and each define a pixel of the image thus formed. Each detector detects the light signal emitted by about ten micro-channels of the intensification means 29.
  • the array of detectors with coupled charges is triggered by a control signal S which defines the counting time and the counting rate of the light pulses.
  • Each detector of the matrix corresponds to a unit surface of the incidence surface receiving the particles to be detected.
  • a counting time defined by the signal S and which can range for example from 1s to ten seconds each detector of the matrix receives a quantity of light pulses corresponding to a number of particles having struck the converter at a "point "(unit area) given.
  • the matrix detectors are read one after the other in a predefined order.
  • An image is made up of the succession of analog electrical signals delivered by each detector.
  • the intensity of the electrical signal delivered by a detector corresponds to the number of light pulses received by the detector considered during the counting time; it defines a gray level.
  • the integrated intensity of the light signal corresponding to a given number of particle impacts can vary greatly from one pixel to another and on the same pixel, from one counting period to another.
  • the clocked counting of calibrated pulses gives rise to a substantially identical electrical signal for the same number of integrated pulses and makes it possible to eliminate the disturbance originating from statistical fluctuations due to the different amplification processes and therefore to obtain a more precise estimate.
  • grayscale on a pixel Due to statistical fluctuations, the integrated intensity of the light signal corresponding to a given number of particle impacts can vary greatly from one pixel to another and on the same pixel, from one counting period to another. .
  • the clocked counting of calibrated pulses gives rise to a substantially identical electrical signal for the same number of integrated pulses and makes it possible to eliminate the disturbance originating from statistical fluctuations due to the different amplification processes and therefore to obtain a more precise estimate.
  • grayscale on a pixel Due to statistical fluctuations, the integrated intensity of the light signal corresponding to a given number of particle impacts can vary greatly from one pixel
  • the array of coupled charge detectors is connected to a video acquisition system 62, for example of the type marketed by Data Translation under the reference DT2861, which allows the digitization of the analog signals delivered by the detectors.
  • the video acquisition system 62 is connected to a processing unit 64 such as a microcomputer.
  • the latter controls the system 62, triggers the acquisition of the signals coming from the array of detectors 58, and performs, in relation to the system 62, various data processing operations such as averaging, summing, filtering or any other type of processing. image.
  • the microcomputer 64 can be used for the storage of the digital images thus processed. It can also trigger the system 62 for viewing the digitized images on a monitor 66.
  • the counting of the light pulses on each pixel makes it possible to translate the number of neutron impacts on the incidence surface of the converter into a gray level.
  • the gray level obtained for each pixel corresponds to a local transmission coefficient of the object for the particles considered. This gives an image of the object seen "in transparency”.

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Abstract

Les neutrons, ayant traversé un objet (10) dont on veut faire l'image, viennent frapper un convertisseur (16) produisant des électrons dans une enceinte (15) contenant un gaz (17); ces électrons sont amplifiés par avalanche de Townsend produisant des flux de photons; des moyens d'intensification (29) produisent des impulsions lumineuses calibrées à partir des photons ainsi créés; les impulsions lumineuses sont localisées et comptées à cadence régulière par une matrice de détecteurs à charges couplées (58) délivrant un signal traité pour la formation d'une image de l'objet (10). Application à la surveillance et au contrôle.

Description

DISPOSITIF POUR LA DETECTION ET LA LOCALISATION BIDIMENSIONNELLE DE NEUTRONS
La présente invention a pour objet un dispositif pour la détection et la localisation bidimensionnelle de neutrons. Elle s'applique à la réalisation d'images, notamment pour le contrôle industriel non destructif, le contrôle non destructif de sécurité ou plus particulièrement, la détection de corrosion sur des structures métalliques. On connait plusieurs dispositifs permettant de réaliser des images d'objet soumis à un flux de particules, telles que photons X, photons gamma, particules ou même protons. Dans les demandes de brevet EP 0228933 et EP 0368694, l'objet est placé entre une source de particules neutres et le dispositif. Le détecteur, d'une manière générale, comprend un convertisseur apte à produire des particules ionisantes, plus spécifiquement des électrons rapides, sous l'impact des particules neutres. Ces électrons rapides ionisent un gaz et créent par conséquent des paires électrons-ions positifs, les électrons ainsi créés sont dits primaires. Des moyens sont prévus pour déclencher le phénomène dit "d'avalanche de Townsend". Les électrons primaires sont accélérés sous l'effet d'un champ électrique intense de manière à ce que leur énergie cinétique ainsi acquise soit supérieure à l'énergie d'ionisation des atomes ou molécules de gaz.
Dans ces conditions, ces électrons primaires peuvent à leur tour créer d'autres électrons dits secondaires qui eux mêmes participent au phénomène d'avalanche. Les électrons secondaires sont collectés par un ensemble d'éléments de détection de forme allongée (fils ou bandes) qui sont associés à une rangée de pixels (un pixel correspond à un point de l'image formée). Grâce aux dispositifs mentionnés plus haut, on ne forme donc qu'une image unidimensionnelle (correspondant à la rangée de pixels). On soumet l'objet à un balayage qui permet de former une image complète bidimensionnelle, rangée après rangée. Dans le dispositif décrit dans le brevet GB 2000632 une image bidimensionnelle est formée par un détecteur utilisant lui aussi le phénomène d'avalanche de Townsend. Ce dispositif appartient à la classe d'appareils connus sous le nom de chambres proportionnelles multifils. Il est destiné à détecter un rayonnement l'irradiant sous une incidence perpendiculaire à son plan et comprend deux cathodes formées de bandes et une anode constituée d'un plan de fils électriquement reliés les uns aux autres. Les bandes cathodiques sont associées à des lignes à retard elles mêmes reliées à un circuit d'analyse temporelle. On comprend qu'ici encore la réalisation d'une image passe par la détection et le comptage des particules chargées créées lors de l'avalanche. L'invention, quant à elle, propose d'utiliser le phénomène d'avalanche de Townsend mais de détecter les photons crées lors des avalanches pour former une image bidimensionnelle correspondant à la distribution, sur la surface d'incidence du dispositif, des impacts des particules ayant traversé l'objet. Ces photons sont créés lors des phénomènes d'avalanche par les processus de relaxation des atomes ou molécules excités par les électrons incidents. La détection des photons ainsi créés pour localiser des impacts de particules évite la connectique compliquée des systèmes de détection des électrons des appareils de l'art antérieur. De plus, la détection des photons permet un découplage total entre une partie d'amplification où se développent les avalanches et une partie de lecture optique.
De manière plus précise, l'invention concerne un dispositif pour la détection et la localisation bidimensionnelle de neutrons comportant :
- des moyens de production de charges électriques sous l'impact de neutrons incidents, - des moyens d'amplification des charges électriques, les moyens d'amplification émettant des photons au cours du processus d'amplification,
- des moyens de focalisation des photons émis,
- des moyens aptes à délivrer sur une surface de sortie, à partir des photons focalisés, des impulsions lumineuses correspondant chacune à un impact de particule sur la surface d'incidence, ces impulsions lumineuses étant réparties sur la surface de sortie en correspondance avec la répartition des impacts de particule sur la surface d'incidence, et étant amplifiées jusqu'à saturation de façon à obtenir des impulsions lumineuses calibrées et
- des moyens de comptage et de localisation des impulsions lumineuses calibrées émises par ladite surface de sortie.
Selon un premier mode de réalisation, les moyens aptes à délivrer des impulsions lumineuses comprennent un intensificateur d'image du type "à galette de microcanaux" réalisant un amplificateur linéaire. Selon un second mode de réalisation, les moyens aptes à délivrer des impulsions lumineuses comprennent une première et une seconde galettes de microcanaux. Dans ce cas, selon un mode particulier de réalisation, les moyens aptes à délivrer des impulsions lumineuses comprennent une première et une seconde galettes de microcanaux, la première galette de microcanaux réalisant un amplificateur linéaire couplé en entrée à une photocathode, la seconde galette de microcanaux réalisant un amplificateur saturé couplé en sortie à un écran fluorescent, cet écran fluorescent délivrant un signal lumineux de sortie d'intensité calibré pour toute impulsion lumineuse d'entrée supérieure en intensité à un seuil fixé. Un électron produit sous l'effet d'une particule incidente engendre un grand nombre d'électrons par amplification et avalanche. Or, il s'avère que ce nombre d'électrons fluctue d'un événement à l'autre; de plus, les électrons émis ne présentent pas une énergie unique mais possèdent des énergies comprises dans un spectre large. Par conséquent, le nombre de photons créés lors des avalanches est sujet à ces fluctuations; de plus, le nombre de photons obtenus après amplification fluctue aussi, ceci étant dû à des phénomènes de dispersion.
Ces fluctuations sur le nombre de photons correspondant à un impact diminuent le rapport signal / bruit de la détection et les performances du dispositif. Le comptage d'impulsions lumineuses d'intensité calibrée permet de s'affranchir des fluctuations statistiques inhérentes à la chaîne d'amplification.
Avantageusement, les moyens de comptage et de localisation 5 comprennent un dispositif matriciel à charges couplées.
La matrice de capteurs à charges couplées permet de transformer un éclairement en signaux électriques. Chaque capteur de la matrice correspond à un point d'image localisé en correspondance avec un l o point de la surface d'incidence. Effectué à cadence régulière, un comptage des signaux émis par chaque capteur de la matrice permet de déduire le nombre d'impacts de particules incidentes correspondant.
15 Que ce soit en mode linéaire ou en mode saturé, les impulsions lumineuses produites présentent une intensité suffisante pour permettre l'utilisation d'un dispositif matriciel à charges couplées standard, ce qui limite le coût du dispositif et évite l'utilisation de dispositif à charges couplées rendu très sensible par refroidissement.
20
Des moyens d'adaptation optique peuvent être prévus pour adapter le format de l'image issue de la surface de sortie du second intensificateur d'image au format de la matrice de capteurs à charges couplées.
25
Avantageusement, les moyens d'amplification des charges électriques comprennent un mélange gazeux apte à être ionisé par les charges électriques délivrées par les moyens de production et des moyens pour soumettre le mélange gazeux ionisé à au moins une différence de 30 potentiel.
Selon une réalisation particulière, les moyens d'amplification des photons sont constitués par ledit mélange gazeux apte à être ionisé, ce mélange gazeux contenant au moins un gaz photoémissif. 35 De manière préférée, ledit gaz photoémissif est du triethylamine. De façon avantageuse, les moyens de production de charges électriques comprennent un convertisseur solide sensiblement plan.
Le convertisseur peut être de forme quelconque par exemple rectangulaire ou carrée, de côté pouvant atteindre plusieurs mètres. Grâce au découplage entre la partie d'amplification et la partie de lecture optique, les problèmes liés à la connexion d'un nombre de détecteurs d'autant plus grand que le convertisseur est grand ne se posent pas. L'image optique obtenue est facilement adaptée à la taille du dispositif matriciel à charges couplés.
Les caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, se rapportant aux dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention;
- la figure 2 représente schématiquement une vue partielle d'un ensemble d'amplification de particules chargées permettant la génération de photons associés;
- la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un ensemble d'intensification d'image;
- la figure 4 représente schématiquement une vue en coupe d'un canal d'une galette de microcanaux. - la figure 5 représente schématiquement une vue en coupe d'un autre ensemble d'intensification d'image;
- la figure 6 représente schématiquement une vue en coupe d'un autre ensemble d'intensification d'image;
La figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention. L'objet 10 dont on veut faire une image est disposé entre une source 12 de neutrons et le dispositif de détection et de localisation. Le faisceau 14 de neutrons incidents est recueilli sur le dispositif de détection et de localisation après avoir traversé l'objet 10. Le dispositif de détection et de localisation comprend une enceinte 15 hermétiquement close. La paroi de l'enceinte en regard de la source
12 est formée par un convertisseur plan 16. Ce convertisseur peut-être constitué d'une couche de gadolinium de quelques microns d'épaisseur déposée sur un substrat en aluminium.
Le convertisseur 16 peut présenter une surface carrée, ou rectangulaire.
Du côté opposé au convertisseur 16, l'enceinte 15 est fermée par une fenêtre de sortie 26 qui peut être par exemple une plaque de silice transparente aux U.V.
Le dispositif comprend des moyens d'amplification de particules chargées permettant de déclencher des phénomènes d'avalanche de Townsend, ces moyens sont du type d'un compteur proportionnel à plaques parallèles (PPAC ou Parallel Plate Avalanche Chamber en terminologie anglosaxonne).
Ces moyens d'amplification comprennent un mélange gazeux 17 contenu dans l'enceinte 15 et autorisant l'apparition d'une amplification de charges par ionisation stimulée. A cette fin, ce gaz peut contenir un mélange drargon et d'hydrocarbure par exemple de l'éthane ou du méthane, ce dernier constituant la substance d'extinction (quencher). La pression du mélange gazeux 17 dans l'enceinte est d'environ 1 bar.
Le gaz circule à l'intérieur de l'enceinte 15 dans laquelle il pénètre par une entrée e et dont il ressort par une sortie s.
Les moyens d'amplification comprennent encore un ensemble permettant de soumettre le gaz à une différence de potentiel. Cet ensemble est décrit de manière plus précise en référence à la figure 2. Il est composé de plaques parallèles 19, 23, en fait, deux électrodes qui sont des plans de fils très serrés 18, 22, tendus sur des cadres 20, 24 par exemple en circuit imprimé. Le réseau de fils 18 est porté à la masse et le réseau de fils 22 est relié à une source HT de potentiel positif, ce demîerétant par exemple de l'ordre de 4000 V.
A titre d'exemple, les réseaux de fils 18 et 22 sont réalisés en acier inoxydable ou en tungstène doré; les fils ont un diamètre de 100 μm et sont disposés au moins à peu près parallèlement les uns aux autres à environ 1 mm les uns des autres.
L'électrode 18 est fixée à l'intérieur de l'enceinte 15 à une distance d'environ 1 mm du convertisseur 16. L'électrode 22 est fixée à l'intérieur de l'enceinte 15 à une distance d'environ 4 mm de l'électrode 18.
La fonction du convertisseur est de produire une particule ionisante à l'intérieur de l'enceinte sous l'impact d'un neutron incident PN venant frapper sa surface d'incidence (face d'entrée de l'enceinte 15). Le trajet d'une particule ionisante a été représenté de façon symbolique sur la figure 2 par un trait mixte PC1.
Les particules ionisantes telles que celle qui se propage suivant PC1 provoquent la création, à partir des molécules du gaz 17 contenu dans l'enceinte 15 des charges électriques et plus précisément des électrons et des ions.
Ces électrons créés, dits primaires, violemment attirés par les lignes électriques 22, créent à leur tour des électrons secondaires, eux aussi attirés par ces lignes électriques 22. Ces électrons secondaires crées dans ce processus d'avalanche sont attirés par les lignes 22. Ce phénomène d'attraction de charges négatives par ces lignes est symboliquement représenté sur la figure 2 par des flèches en traits pleins PC2.
Dans cet exemple de réalisation, les fils 22 remplissent en outre un rôle de coliectage des charges négatives.
Les ions positifs crées lors de l'amplification sont quant à eux collectés par le réseau 18 porté à la masse.
Des photons sont émis au cours du processus d'avalanche, résultant de collisions inélastiques entre les électrons et les molécules du gaz. Ces photons sont symbolisés sur la figure 2 par des flèches ondulées PH et sont émis dans la gamme ultra- violette.
Le nombre de ces photons est amplifié grâce à des moyens d'amplification constitué du mélange gazeux conventionnel d'amplification des électrons comme par exemple un mélange de gaz rare et d'un hydrocarbure, auquel on ajoute des vapeurs de molécules à faible potentiel d'ionisation, pour augmenter le nombre de photons produits par électron. Avantageusement, la triéthylamine (ou TEA) présente cette particularité et permet d'augmenter la longueur d'onde des photons émis. Son spectre d'émission se situe dans l'ultra-violet, entre 260 nm et 310 nm.
Le mélange gazeux 17 contenu dans l'enceinte peut avoir la composition suivante: 90 % d'argon, 8 % de méthane et 2 % de triéthylamine.
De retour à la figure 1, on voit que le dispositif comprend des moyens de focalisation 28 (simple lentille ou système optique plus complexe mais connu en soi) disposés en regard de la fenêtre de sortie 26, des moyens d'intensification d'image 29, des moyens d'adaptation de taille d'image 60 et un dispositif matriciel de capteurs à charges couplées 58 ("charges coupled device" ou CCD en terminologie anglosaxonne). Les moyens de focalisation 28 permettent de former une image de la distribution de photons engendrés lors des phénomènes d'amplification sur la face d'entrée des moyens d'intensification d'image 29.
La figure 3 représente une vue en coupe des moyens d'intensification d'image, selon un premier mode de réalisation. Ces moyens aptes à délivrer des impulsions lumineuses sont composés dans cette réalisation par un intensificateur d'image, par exemple du type de ceux commercialisés par la société RTC sous la référence XX1410. Comme on peut le voir sur la figure 3, un tel intensificateur comprend une fenêtre en quartz 30, une photocathode 32 fonctionnant aux longeurs d'onde d'émission du mélange gazeux, une galette de microcanaux 34, un écran fluorescent 36, et un ensemble de fibres optiques 38 assemblées côte à côte de manière à ce que leurs extrémités forment des.faces planes. Les photons focalisés par les moyens 28 de focalisation traversent la fenêtre de quartz 30 et viennent frapper la photocathode 32 qui produit alors des électrons. La photocathode 32 est par exemple portée au potentiel de masse, alors que l'extrémité en regard des microcanaux est portée à un potentiel V1 égal par exemple à 200V. Les électrons produits par la photocathode accélérés par cette différence de potentiel pénètrent dans les microcanaux sensiblement en regard du point de leur production.
Une galette de microcanaux 34 est constituée d'environ 107 canaux soumis à une différence de potentiel V2-V1 entre leurs extrémités. Si V1 est égal à 200V, V2 peut être égal à 10OOV.
Comme on peut le voir sur la figure 4, un canal est constitué par un tube 35, par exemple en verre de diamètre interne égal à environ 10 micromètres et dont la paroi interne est recouverte par un revêtement conducteur. En heurtant les parois du canal, un électron incident ee arrache des électrons qui à leur tour en arrachent d'autres. Le gain électronique, c'est à dire le rapport entre le nombre d'électrons sortant es et le nombre d'électrons à l'entrée varie en fonction de la tension appliquée aux bornes du canal. De retour à la figure 3, on comprend que les» électrons sortant viennent frapper l'écran fluorescent 36 porté à un potentiel V3 égal par exemple à 7000V. L'écran produit des photons sous l'impact des électrons sortant; ces photons sont canalisés dans les fibres optiques placées en regard du point d'impact des électrons sortant. On obtient donc un nombre de photons amplifié en un point de la surface de sortie correspondant au point d'impact des photons incidents sur la fenêtre. L'intensification est contrôlée notamment par le réglage de la différence de potentiels V2-V1. La figure 5 représente schématiquement des moyens d'intensification d'image permettant d'obtenir une intensification d'image plus importante que précédemment. Dans cette réalisation, on utilise deux galettes de microcanaux 34a, 34b contenus dans deux intensificateurs d'image par exemple du type de ceux commercialisés par la société RTC sous la référence XX1410, couplés l'un à l'autre par une couche d'adaptation d'indice 40, par exemple du Baume de Canada. Sur la figure 5, les mêmes références désignent les mêmes objets que sur la figure 3. On voit donc que le second intensificateur d'image se différencie du premier par un ensemble de fibres optiques d'entrée 31 qui remplace la fenêtre en quartz. Chaque intensificateur comprend une photocathode 32a, 32b dont l'efficacité est adaptée pour la première 32a aux longeurs d'onde des photons incidents, pour la seconde 32b aux longeurs d'onde des photons sortant du premier écran fluorescent.
Les potentiels appliqués sont aussi différents.
Si V4 représente le potentiel appliqué à la photocathode du premier intensificateur,
V5 représente le potentiel appliqué à l'extrémité d'entrée des microcanaux de la première galette, V6 représente le potentiel appliqué à l'extrémité de sortie des microcanaux de cette galette,
V7 représente le potentiel appliqué à l'écran fluorescent du premier intensificateur,
V8 représente le potentiel appliqué à la photocathode du second intensificateur, v
V9 représente le potentiel appliqué à l'extrémité d'entrée des microcanaux de la seconde galette,
V10 représente le potentiel appliqué à l'extrémité de sortie des microcanaux de la seconde galette, V11 représente le potentiel appliqué à l'écran fluorescent du second intensificateur, alors ces potentiels peuvent prendre les valeurs suivantes:
V4 = -7000V ; V5 = -6800V ; V6 = -6000V ; V7 = 0V ;
V8 = 0V ; V9 = 200V ; V10 = 1150V ; V11 = 7000V.
Les impulsions lumineuses délivrées par les moyens 29 présentent une intensité calibrée. Pour cela, on utilise la première galette de microcanaux 34a en mode linéaire comme précédemment, avec un facteur d'amplification lumineuse supérieur à 10^ . Mais la seconde galette de microcanaux 34b fonctionne en mode saturé, c'est à dire que le flux lumineux de sortie n'est pas proportionnel au flux d'entrée. La saturation est obtenue lorsque le nombre d'électrons sortant d'un canal de la galette de microcanaux 34b est indépendant du nombre d'électrons entrant (lorsque ce dernier dépasse un seuil). Pour obtenir la saturation, le flux lumineux pénétrant dans le second intensificateur doit être supérieur à un seuil dépendant de la valeur de la différence de potentiel de V10-V9. La figure 6 représente schématiquement d'autres moyens d'intensification d'image utilisables en mode saturé. Les références identiques à celles de la figure 5 représentent les mêmes objets. Ces moyens comprennent deux galettes de microcanaux 34a, 34b disposées côte à côtes. Les microcanaux de chacune des galettes sont inclinés du même angle mais en sens inverse de manière à former des chevrons.
L'inclinaison des microcanaux permet d'éviter tout impact sur la photocathode 32 d'ions positifs créés dans un canal, par recombinaison de ces ions sur la paroi du canal. La première galette 34a est utilisée en mode linéaire et la seconde 34b par exemple en mode saturé.
Pour un neutron interagissant avec la surface d'incidence du convertisseur, une impulsion lumineuse d'intensité calibrée, est délivrée en sortie de plusieurs fibres voisines de l'ensemble 38. Cette impulsion forme un point lumineux localisé sur la face de sortie en correspondance avec la localisation du point d'impact de la particule sur la surface d'incidence du convertisseur. La suite de la description se réfère à nouveau à la figure 1.
Les impulsions lumineuses en sortie des moyens d'intensification 29 sont détectées par une matrice de détecteurs à charges couplées 58. La taille de l'image délivrée par les moyens d'intensification 29 est adaptée à la taille de la matrice grâce à un système 60 d'adaptation optique connu en soi. Les détecteurs à charges couplées sont arrangés en lignes de 500 détecteurs et en colonnes de 500 détecteurs et définissent chacun un pixel de l'image ainsi formée. Chaque détecteur détecte le signal lumineux émis par environ une dizaine de miccrocanaux des moyens d'intensification 29.
La matrice de détecteurs à charges couplées est déclenchée par un signal de commande S qui définit le temps de comptage et la cadence de comptage des impulsions lumineuses. Chaque détecteur de la matrice correspond à une surface unitaire de la surface d'incidence recevant les particules à détecter. Pendant un temps de comptage définit par le signal S et qui peut aller par exemple de 1s à une dizaine de secondes, chaque détecteur de la matrice reçoit une quantité d'impulsions lumineuses correspondant à un nombre de particules ayant frappé le convertisseur en un "point" (surface unitaire) donné. À la fin du temps de comptage, les détecteurs de la matrice sont lus les uns après les autres dans un ordre prédéfini.
Une image est composée de la succession des signaux électriques analogiques délivrés par chaque détecteur. L'intensité du signal électrique délivré par un détecteur correspond au nombre d'impulsions lumineuses reçues par le détecteur considéré pendant le temps de comptage; il définit un niveau de gris.
A cause des fluctuations statistiques, l'intensité intégrée du signal lumineux correspondant à un nombre donné d'impacts de particules peut varier fortement d'un pixel à l'autre et sur un même pixel, d'une période de comptage à l'autre. Le comptage cadencé d'impulsions calibrées donne lieu à un signal électrique sensiblement identique pour un même nombre d'impulsions intégrées et permet d'éliminer la perturbation provenant des fluctuations statistiques dues aux différents processus d'amplification et donc d'obtenir une estimation plus précise d'un niveau de gris sur un pixel.
La matrice de détecteurs à charges couplées est connectée à un système d'acquisition vidéo 62, par exemple du typé de ceux commercialisés par la société Data Translation sous la référence DT2861 , qui permet la numérisation des signaux analogiques délivrés par les détecteurs.
Le système d'acquisition vidéo 62 est relié à une unité de traitement 64 tel un micro-ordinateur. Ce dernier pilote le système 62, déclenche l'acquisition des signaux en provenance de la matrice de détecteurs 58, et effectue en relation avec le système 62 différents traitements de données comme du moyennage, de la sommation, du filtrage ou tout autre type de traitement d'image.
Eventuellement, le micro-ordinateur 64 peut être utilisé pour le stockage des images numérisées ainsi traitées. Il peut aussi déclencher le système 62 pour la visualisation des images numérisées sur un moniteur 66.
Le comptage des impulsions lumineuses sur chaque pixel (ou détecteur de la matrice CCD) permet de traduire le nombre d'impacts de neutrons sur la surface d'incidence du convertisseur en un niveau de gris. En d'autres termes, le niveau de gris obtenu pour chaque pixel correspond à un coefficient de transmission local de l'objet pour les particules considérées. On obtient ainsi une image de l'objet vu "en transparence".

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour la détection et la localisation bidimensionnelle de neutrons incidents comportant une surface d'incidence soumise à ces neutrons, caractérisé en ce qu'il comprend:
- des moyens (16) de production de charges électriques sous l'impact de neutrons incidents,
- des moyens d'amplification (17, 19, 23) des charges électriques, les moyens d'amplification émettant des photons au cours du processus d'amplification,
- des moyens (28) de focalisation des photons émis,
- des moyens (29) aptes à délivrer sur une surface de sortie, à partir des photons focalisés, des impulsions lumineuses correspondant chacune à un impact de particule sur la surface d'incidence, ces impulsions lumineuses étant réparties sur la surface de sortie en correspondance avec la répartition des impacts de particule sur la surface d'incidence, et étant amplifiées jusqu'à saturation de façon à obtenir des impulsions lumineuses, calibrées et - des moyens de comptage (58, 60, 62) et de localisation des impulsions lumineuses calibrées émises par ladite surface de sortie.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens (29) aptes à délivrer des impulsions lumineuses calibrées comprennent un intensificateur d'image du type "à galette de microcanaux" réalisant un amplificateur linéaire.
3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens (29) aptes à délivrer des impulsions lumineuses calibrées comprennent une première et une seconde galettes de microcanaux (34a, 34b).
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens (29) aptes à délivrer des impulsions lumineuses calibrées comprennent une première et une seconde galettes de microcanaux (34a, 34b), la première galette de microcanaux (34a) réalisant un amplificateur linéaire couplé en entrée à une photocathode (32a), la seconde galette de microcanaux (34b) réalisant un amplificateur saturé couplé en sortie à un écran fluorescent (36), cet écran fluorescent (36) délivrant un signal lumineux de sortie d'intensité calibrée pour tout impulsion lumineuse d'entrée supérieure en intensité à un seuil fixé.
5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de comptage et de localisation comprennent un dispositif matriciel à charges couplées (58).
6. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens d'amplification des charges électriques comprennent un mélange gazeux (17) apte à être ionisé par les charges électriques délivrés par les moyens (16) de production de charges électriques et des moyens (19, 23) pour soumettre le mélange gazeux ionisé à au moins une différence de potentiel.
7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens d'amplification (17) des photons sont constitués par ledit mélange gazeux apte à être ionisé, ce mélange gazeux contenant au moins un gaz photoémissif.
8. Dispositif selon la. revendication 7 caractérisé en ce que ledit gaz photoémissif est du triéthylamine.
9. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens (16) de production de charges électriques comprennent un convertisseur solide, sensiblement plan.
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