WO2023198801A1 - Optical fibre sensor for analysing the activity of a radioactive fluid - Google Patents

Optical fibre sensor for analysing the activity of a radioactive fluid Download PDF

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WO2023198801A1
WO2023198801A1 PCT/EP2023/059596 EP2023059596W WO2023198801A1 WO 2023198801 A1 WO2023198801 A1 WO 2023198801A1 EP 2023059596 W EP2023059596 W EP 2023059596W WO 2023198801 A1 WO2023198801 A1 WO 2023198801A1
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WO
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wall
chamber
detection
photodetector
fiber
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/059596
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French (fr)
Inventor
Nouhaila TABTI
Nicolas DUFOUR
Adrien Sari
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/167Measuring radioactive content of objects, e.g. contamination
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/20Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/201Measuring radiation intensity with scintillation detectors using scintillating fibres

Definitions

  • the technical field of the invention is the detection of the activity of a fluid capable of comprising a radioactive radionuclide, emitter P".
  • the fluid can be a gas or a liquid.
  • Fluid analyzes are often performed on collected samples, and this has several disadvantages.
  • a first difficulty is the time required to take samples and analyze them in the laboratory. This results in a significant time lag between taking the sample and its analysis. This is a so-called “offline” measurement technique, incapable of delivering a result in real time.
  • a second difficulty is the contamination of the equipment used for sampling and analysis. This concerns in particular the equipment used for packaging and handling the sample.
  • a third difficulty is linked to the representativeness of the samples taken. The question of representativeness arises particularly when the fluid to be analyzed is not homogeneous. It is then necessary to increase the number of samples taken, which increases complexity and cost.
  • Patent EP3542185 describes a device comprising a measuring chamber, intended to be filled with a fluid.
  • the measuring chamber contains scintillating optical fibers.
  • the latter are intended to generate scintillation light under the effect of irradiation with ionizing radiation.
  • a disadvantage of this device is that the scintillation fibers are placed directly in contact with the fluid to be analyzed.
  • the measuring chamber, and the optical fibers placed inside the chamber are potentially contaminated. It is therefore necessary to clean the optical fibers and/or direct them towards a nuclear waste channel.
  • optical fibers can degrade on contact with fluid.
  • the inventors propose a device, intended for the analysis of the activity of a fluid, which is not intrusive, that is to say whose elements sensitive to irradiation are not directly in contact with the fluid to be analyze. This avoids the need for decontamination operations.
  • the device makes it possible to perform an online analysis of the activity of a fluid.
  • the design of the device makes it compatible with implementation on different geometries.
  • a first object of the invention is a device for analyzing the activity of a fluid capable of comprising a radionuclide emitting charged particles of type /3 ⁇ , the device comprising:
  • a wall delimiting a chamber, intended to be occupied by the fluid, the wall extending along a thickness
  • an optical detection fiber comprising a core surrounded by a sheath, the core being formed of a scintillator material, the scintillator material emitting photons when exposed to charged particles;
  • At least one photodetector optically coupled to the optical detection fiber, so as to detect scintillation photons emitted by the scintillator material under the effect of exposure to charged particles;
  • At least one processing circuit configured to perform processing of the detection signal resulting from the or each photodetector
  • the calculation unit being programmed to calculate an analysis result as a function of the detection signal generated by the or each photodetector; the device being characterized in that:
  • the optical detection fiber is placed outside the chamber
  • the photodetector generates a detection signal depending on a quantity of scintillation photons emitted by the scintillator material of the or each optical detection fiber under the effect of exposure to charged particles.
  • the detection wall extends around the chamber; all or part of the optical detection fiber extends around the chamber.
  • the optical detection fiber can form a spiral around the chamber.
  • the device comprises different optical detection fibers optically coupled to the photodetector, each optical detection fiber forming at least one turn around the chamber. According to one possibility:
  • the wall extends around a longitudinal axis
  • the or each optical detection fiber extends parallel to the longitudinal axis.
  • the processing circuit is configured to determine a counting rate from the detection signal, the counting rate corresponding to a number of pulses detected by the photodetector per unit of time;
  • the calculation unit is programmed to compare the counting rate to a predetermined threshold.
  • the calculation unit can be configured to quantify an activity of the radionuclide from the counting rate.
  • the processing circuit is a spectrometry circuit, configured to establish a spectrum representative of the energy deposited in the scintillator material by the charged particles;
  • the calculation unit is programmed to identify the radionuclide from the spectrum.
  • the calculation unit can be programmed to calculate an activity of each radionuclide identified from the spectrum.
  • the wall delimits all or part of a pipe or a tank or a barrel.
  • the wall can form an external wall and/or an internal wall of a tubular conduit, the chamber extending between the internal wall and the external wall, the internal and external walls extending around a central axis, respectively according to an internal radius and an external radius, the internal radius being less than the external radius.
  • a second object of the invention is a method for analyzing a fluid using a device according to the first object of the invention, the fluid extending in a chamber delimited by the wall of said device, the process comprising:
  • step b) comprises:
  • the processing circuit is a spectrometry circuit, configured to establish a spectrum representative of the energy deposited in the scintillator material by the charged particles detected;
  • step b) comprises, from the detected spectrum, an identification of the radioelement present in the fluid.
  • Figure IA schematizes a first embodiment, in which the device comprises an optical detection fiber, placed against a wall delimiting a chamber containing the fluid, the fiber being placed outside the chamber.
  • Figure IB shows a configuration according to which the detection fiber is arranged in contact with the wall, and extends parallel to a central axis around which the chamber extends.
  • Figure IC shows a configuration according to which the detection fiber is arranged around the wall, in contact with the latter.
  • Figure 1D shows a configuration in which several detection fibers are arranged, each detection fiber forming a turn around the wall.
  • Figure 2A schematically shows a second embodiment, in which the device comprises an optical detection fiber, arranged in the thickness of a wall delimiting a chamber containing the fluid.
  • Figure 2B shows a configuration according to which the detection fiber is arranged in the wall and extends parallel to a central axis around which the chamber extends.
  • Figure 2C shows a configuration according to which detection fibers, forming turns parallel to each other, are embedded in the wall, around the chamber.
  • Figure 3A is a transparent view of the configuration shown in Figure 2B.
  • Figure 3B is a transparent view of the configuration shown in Figure 2C: detection fibers, forming turns parallel to each other, are embedded in the wall.
  • Figure 3C is a transparent view of a configuration according to which the detection fiber forms a spiral, embedded in the wall, around the chamber.
  • Figure 4 shows, for different materials, the stopping power (y-axis) as a function of the energy of a particle P" (x-axis).
  • Figure 5A is a sectional view, in a radial plane, of a modeling of a measurement geometry according to which a detection fiber is placed forming a spiral around a wall delimiting a cylindrical chamber containing the fluid to be analyzed.
  • Figure 5B is a sectional view, in a longitudinal plane, of the modeling described in connection with Figure 5A.
  • Figure 6 shows a detection spectrum, representing the number of particles P- (ordinate axis) interacting in a scintillator material forming the heart of a detection fiber, as a function of the energy deposited, by each particle, in said scintillator material (x-axis).
  • Figure 7A describes an example of implementation of a device according to the invention.
  • Figure 7B is a detail of Figure 7A, which shows the main components of the device.
  • Figure 7C is a detail of Figure 7B.
  • Figure 8A is a sectional view, in a radial plane, of a modeling of a measurement geometry corresponding to the device described in connection with Figures 7A to 7C.
  • Figure 8B is a sectional view, in a longitudinal plane, of the modeling described in connection with Figure 8A.
  • Figure 9A shows a detection spectrum, as defined in connection with Figure 6, resulting from a detection fiber used in the device described in connection with Figures 7A to 7C.
  • Figure 9B shows a detection spectrum resulting from a solid auxiliary scintillator, of cylindrical shape, shown in Figure 7C.
  • Figure 10 schematizes different process steps implementing a device according to the invention. PRESENTATION OF SPECIAL MODES OF REALIZATION
  • Figure IA represents a first embodiment of a device 1 for characterizing the activity of a fluid 3.
  • the device 1 comprises a wall 20, delimiting a chamber 2 inside which a fluid 3 extends to analyze.
  • the fluid 3 can be a liquid or a gas.
  • the wall 20 is cylindrical in shape, and extends around a central axis A.
  • the central axis is parallel to a longitudinal axis Z.
  • the measured fluid 3 can flow through the chamber 2, parallel to the central axis A.
  • Fluid 3 is likely to contain a radionuclide, emitter P" and possibly emitter y.
  • Detection fiber 10 is a scintillating fiber.
  • a scintillator fiber is an optical fiber comprising a core 11 formed of a scintillator material surrounded by a sheath 12.
  • the scintillator material can for example be an organic polymer doped with fluorophores.
  • the scintillator material, forming the core 11, emits scintillation photons when it is irradiated by ionizing radiation.
  • the sheath 12 has a refractive index lower than the refractive index of the scintillation material forming the core.
  • the sheath can be formed from a PMMA (polymethyl methacrylate) type polymer.
  • Fiber 10 forms a waveguide, in which the scintillation photons propagate to one end 13.
  • the end of the detection fiber 10 is optically coupled to a photodetector 14. It can be placed in contact with the photodetector 14, or be optically coupled by means of an optical system or by a conventional optical fiber, ensuring an optical link between the scintillation optical fiber and the photodetector.
  • a scintillation material is sensitive to any type of ionizing radiation, in particular charged particles a or P", or ionizing photons, X or gamma.
  • the diameter of the core is preferably less than 500 pm or 300 pm. A small diameter core reduces the probability of interaction of an ionizing photon propagating through the fiber.
  • the thickness and the material forming the wall 20 are chosen so that the attenuation with respect to the particles P" is not too high.
  • a part of the particles P" propagates through the wall 20, so as to irradiate the core 11 of the detection fiber 10.
  • the detection fiber 10 is essentially sensitive to P- particles, and, to a lesser extent, to photons emitted by the fluid 3 occupying the chamber 2 or emitted into the environment of the device.
  • the thickness of the sheath 12 must be as thin as possible, so as to limit the attenuation of the P- particles. It can for example be less than 10 pm.
  • the scintillating fiber 10 is flexible. This is an interesting feature of the invention, as described below.
  • FIG. IA only one detection fiber 10 is shown, arranged along the wall 20, outside the chamber 2. Several detection fibers 10 can be used, as described in connection with the figure IB.
  • the photodetector 14, to which the or each detection fiber is optically coupled can be a photodetector of the photodiode or photomultiplier type.
  • an ionizing particle p interacts in the scintillation material, forming the core of the fiber, several scintillation photons are produced, part of which reaches the end 13 of the fiber coupled to the photodetector 14.
  • the number of scintillation photons produced is generally proportional to the energy deposited by the particle P" during the interaction.
  • the number of scintillation photons created in the core is typically a few thousand per MeV deposited in the core.
  • the scintillation photons are detected by the photodetector 14 and are converted into an electrical pulse whose amplitude depends on the number of scintillation photons generated.
  • the amplitude of each electrical pulse resulting from the photodetector depends on the energy deposited, in the scintillation material, during a interaction with a particle P".
  • the photodetector 14 generates a detection signal formed of pulses, each pulse corresponding to an interaction of a particle P".
  • the photodetector 14 is connected to a processing circuit 15, the latter being configured to process the pulses resulting from the photodetector.
  • the processing circuit 15 is connected to a calculation unit 16.
  • the calculation unit 16 is intended to establish a measurement result as a function of the detection signal resulting from the photodetector.
  • the processing circuit 15 generates, from each detection signal transmitted by the photodetector, a counting rate N, corresponding to a number of pulses detected per unit of time.
  • the calculation unit 16 can then be configured to compare the counting rate to a threshold and emit an alert signal if the threshold is exceeded.
  • a second application we have an a priori on the radionuclide present in chamber 2. From the counting rate N, a first estimate of the activity A of the radionuclide can be made, using a detection efficiency q .
  • the detection efficiency q makes it possible to establish a link between the counting rate and the activity of the radionuclide.
  • the detection efficiency q can be established experimentally by placing, in the chamber, a calibration fluid whose activity is known. The detection efficiency can also be established on the basis of numerical modeling.
  • the processing circuit 15 is a spectrometry circuit.
  • the processing circuit 15 generates a detection spectrum, corresponding to an amplitude histogram of the pulses detected during an acquisition period.
  • the calculation unit 16 can be configured to carry out processing of the detection spectrum so as to identify one or more radionuclides present in the fluid 3 occupying the chamber 2 and possibly estimate an activity of each identified radionuclide.
  • the device 1 may include several detection fibers 10, respectively coupled to the same photodetector 14 or to several photodetectors 14.
  • the calculation unit 16 receives the detection signal resulting from each photodetector 14, and processed by the processing circuit 15.
  • the calculation unit 16 can be formed of an electronic circuit and/or a microprocessor.
  • the calculation unit 16 is programmed to carry out steps described below, in connection with Figure 10.
  • Figure IB represents a device according to which several detection fibers 10 are distributed around a wall 20 delimiting a cylindrical chamber 2.
  • Each detection fiber 10 is arranged in contact with the wall 20.
  • each detection fiber 10 is fixed relative to the wall 20.
  • Each detection fiber can extend over a length of several tens of centimeters or several meters.
  • Each detection fiber extends parallel to the central axis of the chamber 2.
  • At least one end 13 of each detection fiber 10 is connected to a photodetector 14.
  • Figure IC represents a configuration according to which the detection fiber 10 forms a spiral arranged around the wall 20.
  • Figure 1D represents a configuration according to which several detection fibers 10 are arranged, each detection fiber forming a turn around the wall 20.
  • the configurations shown in Figures IC and 1D take advantage of the fact that the detection fiber, or each detection fiber, is flexible.
  • each detection fiber 10 is fixed in or on the wall.
  • the or each detection fiber is placed in contact with the wall.
  • each radionuclide can be characterized by an average emission energy and a maximum particle emission energy P", the latter being several hundred keV or several MeV.
  • the wall is preferably formed of a plastic material, for example a polymer, or a light metal, for example aluminum or steel, and whose thickness is small, preferably less than 1 mm, or even 100 ⁇ m.
  • the wall 20 forms a skin delimiting the chamber 2 in which the fluid to be analyzed 3 extends.
  • Figures 2A to 2D represent embodiments in which the or each detection fiber 10 is integrated (or embedded) in the wall 20 delimiting the chamber 2.
  • the advantage of such a configuration is that the or each detection fiber 10 is arranged at a distance £ from the chamber 2 which is less than the thickness e of the wall 20. Compared to the first embodiment, this makes it possible to relax the constraint concerning the thickness of the wall. This also allows the distance between the interior of the chamber 2 and the (or each) detection fiber 10 to be small, for example less than 2 mm, or even 1 mm.
  • the distance £ corresponds to an apparent thickness seen by the particles P" before reaching the detection fiber 10.
  • the lower the apparent thickness £ the lower the average energy of the particles P" likely to interact in the fiber optical detection is high. This results in a better detection efficiency, the detection efficiency corresponding to the number of scintillation photons detected for a particle P" emitted inside the chamber 2.
  • FIG 2B there is shown a configuration according to which several detection fibers 10, parallel to each other, extend parallel to the central axis A of the chamber 2, inside the wall 20.
  • Figure 2C shows a configuration according to which detection fibers extend around the chamber 2 forming several turns, embedded in the wall 20.
  • the or each detection fiber 10 is arranged in outside of chamber 2.
  • the or each detection fiber 10 can be embedded in the wall 20 during the construction of the latter.
  • Figures 3A and 3B represent “transparent” views of configurations respectively described in connection with Figures 2B and 2C.
  • Figure 3C represents a transparent view of a configuration according to which the detection fiber describes a spiral around the chamber 2.
  • each detection fiber is embedded in the wall.
  • Figure 4 illustrates the stopping power (y-axis: MeV/cm unit), with regard to P particles of different materials as a function of the energy of said particles (x-axis - MeV unit).
  • the stopping powers of HDPE high density polyethylene - curve a
  • concrete concrete
  • stainless steel curve c
  • water curve d
  • air curve e
  • polystyrene polystyrene
  • the inventors modeled the detection of particles P" by a device as described in connection with Figure IC.
  • the configuration was modeled according to the following parameters: material of the wall 20: steel; thickness of the wall 20: 2 mm; radius of chamber 2: 20 cm; height of the chamber: 2 m; nature of the fluid: air modeled radioelement: 90 Y - Average emission energy: 926 keV - Maximum emission energy: 2280 keV; diameter of the core of the detection fiber: 250 pm; material of the detection fiber: polystyrene - density 1.05; thickness of the sheath of the detection fiber: 7.5 pm; material of the sheath: PM MA number of turns: 3601.
  • the modeled optical fiber corresponds to the reference BCF-10 - manufacturer Saint Gobain.
  • Figures 5A and 5B are views of the configuration modeled respectively in a radial plane, defined by axes X and Y, and a longitudinal plane, defined by axes X and Z.
  • Reference 4 corresponds to the ambient air.
  • Figures 5A and 5B a detail of a part of the wall 20 against which the detection fiber 10 is assembled.
  • the detection fiber 10 appears in the form of discs adjacent to each other.
  • MCNP Monte Carlo N-Particle
  • a detection spectrum of particles detected by the detection fiber was modeled, the detection spectrum being represented in Figure 6.
  • the detection spectrum corresponds to a proportion of interactions detected for 1 particle emitted (y axis) as a function of the detection energy (x axis - MeV unit).
  • Figure 6 shows a distribution of the energy deposited, by the detection fiber, of a particle P" emitted in chamber 2, the energy of the particle P" being emitted according to a distribution corresponding to the emission spectrum of 90 Y. Due to the small volume of the fiber, a particle P" interacting in the fiber can only release part of its energy.
  • Figure 7A represents an example of application of a device according to the invention.
  • a liquid is transported from a tank A to a tank B.
  • the device 1 is integrated in the central part of a pipe C, connecting the tank A to the tank B.
  • Figures 7B and 7C are details of the device 1.
  • the device comprises a wall 20, against which is placed a detection fiber 10 as previously described.
  • the detection fiber is arranged around the wall 20 forming a spiral, as described in connection with Figure IC.
  • Chamber 2 delimited by wall 20 is annular. It has an internal wall 20', which is, like wall 20, cylindrical. The radius of the internal wall 20' is less than the radius of the wall 20, the latter forming an external wall of the annular chamber 2.
  • the device includes an auxiliary scintillator 10', applied against the internal wall 20'.
  • the auxiliary scintillator 10' is a solid scintillator, coupled to an auxiliary photodetector 14'. According to this embodiment, particles P" emitted in the annular chamber 2 can be detected either by the detection fiber 10 or by the auxiliary scintillator 10'.
  • the solid auxiliary scintillator 10' is replaced by a fiber auxiliary detection fiber 10', wound against the internal wall 20', in the same way as the detection fiber 10 is wound against the wall 20.
  • detection fibers are their less sensitivity with regard to gamma radiation.
  • the device comprises an auxiliary detector 10' applied against the internal wall 20'. It may be an auxiliary scintillator, in particular fibered. It can also be a gas detector, the geometry of which is adapted to the internal wall 20'. It may in particular be a gas detector of cylindrical geometry.
  • detection fiber constitution similar to the detection fiber described in connection with Figures 5A and 5B. 571 turns. radius of the internal wall 20': 2.5 cm; radius of wall 20: 4.5 cm; thickness of the internal wall 20' and of the wall 20: 1 mm; material of the internal wall 20' and the wall 20: stainless steel.
  • Figures 8A and 8B are views of the modeled configuration respectively in a radial plane, defined by axes X and Y, and a longitudinal plane, defined by axes a detail of a part of the wall 20 against which the detection fiber 10 is assembled.
  • the detection fiber 10 appears in the form of discs adjacent to each other.
  • Figure 9A shows the detection spectrum of a p particle emitted by 90 Y in the measurement chamber. This is a histogram discretized in energy (x-axis - MeV) and showing, at each energy, the probability of detection, by the detection fiber, at said energy, of a P- particle emitted in the chamber 2, the energy of the emitted particle being distributed according to the emission spectrum of 90 Y.
  • Figure 9B is a figure similar to Figure 9A, established by modeling the solid auxiliary scintillator 10'. The detection probabilities obtained with the solid scintillator are higher due to the larger volume of the latter, which increases the detection efficiency, to the detriment of increased detection sensitivity with regard to gamma photons.
  • the detection spectra shown in Figures 6, 9A and 9B can be used for the purposes of identifying a radionuclide present in the fluid 3 circulating in the chamber 2.
  • the detection spectrum corresponds to a spectral signature of the or radionuclides present in fluid 3.
  • the detection spectra shown in Figures 6, 9A and 9B are so-called unit spectra, because they correspond to the detection spectrum resulting from the presence of a single radionuclide, in this case 90 Y, for a unit emission, in this case 1 particle p emitted.
  • each radionuclide RN corresponds to a unit detection spectrum S t .
  • S t From each unit detection spectrum Si, we can form a response matrix M, each column of which corresponds to a unit detection spectrum S t .
  • the activity A, of each radionuclide RN is defined according to the expression:
  • S is the detection spectrum, of dimension [7,1], K corresponding to the number of channels in the spectrum;
  • M is the response matrix, of dimension [K, I], where I corresponds to the number of RN radionuclides considered.
  • the response matrix reflects the detection efficiency of the device.
  • A is a vector, of dimension [I, 1], each term of which corresponds to the activity A t of each radionuclide RN t .
  • M is established beforehand, on the basis of modeling, as described in connection with Figures 6 and 9A. M can be obtained on the basis of experimental measurements, using samples containing radionuclides whose activity is known. A can be estimated by inversion.
  • M(k, j) is a term of the matrix M and S(/c) is a term of the vector S.
  • the optimization algorithm can be initialized, during the first iteration, by:
  • Step 100 corresponds to the acquisition of detection signals, resulting from one or more photodetectors, during an acquisition period.
  • the processing circuit 15 establishes a counting rate N, corresponding to a number of pulses detected per unit of time, for example each second.
  • the calculation unit 16 compares the counting rate with a threshold N t h previously determined. During a step 120, the calculation unit 16 generates an alert signal if the counting rate N is greater than the threshold N t h-
  • the method may include a step 130, during which an estimate ⁇ of the activity of a radionuclide RN t is carried out as a function of a detection yield previously established for said radionuclide.
  • Quantification of activity based on a simple counting rate assumes an a priori on the radionuclide (or on a mixture of radionuclides) present in the fluid.
  • the detection efficiency r] relating the counting rate to the activity, is previously established by experimental measurements, on calibration fluids, whose activity is known, or from modeling.
  • the processing circuit 15 can be a spectrometric circuit.
  • the processing circuit from detection signals acquired during the acquisition period, the processing circuit generates a spectrum S of the amplitude of the pulses detected during the acquisition period.
  • the calculation unit 16 takes into account a response matrix, as described in expression (1).
  • the calculation unit implements an inversion algorithm, for example of the ML-EM type, to identify the radionuclides present in the fluid and possibly estimate their respective activities ⁇ t .
  • the invention can be implemented to carry out the control of fluids, liquids or gases, containing or likely to contain radionuclides.
  • the invention makes it possible to carry out online monitoring of the fluid, in real time, without risk of contamination of the or each optical detection fiber, taking into account the fact that the or each detection fiber does not penetrate into the chamber.
  • the use of a calculation unit collecting detection signals, after processing, makes it possible to obtain information in real time or near real time (a few minutes).
  • the use of a flexible detection fiber allows adaptation to chambers with different geometries.

Abstract

The invention relates to a device (1) for analysing the activity of a fluid (3) capable of comprising a radionuclide emitting β− charged particles, the device comprising a wall (20) delimiting a chamber (2) intended to be occupied by the fluid, the wall extending along a thickness (e), and a sensing optical fibre (10) comprising a core (11) surrounded by a sheath (12), the core being formed of a scintillator material, the scintillator material emitting photons when it is irradiated by charged particles. The scintillator material is coupled to a photodetector. The sensing optical fibre extends outside the chamber, inside the thickness of the wall, such that under the effect of exposure to the charged particles emitted by the radionuclide, the photodetector generates a sensing signal (S, N) depending on the quantity of scintillation photons emitted by the scintillator material of the sensing optical fibre under the effect of exposure to the charged particles.

Description

Description Description
Titre : Capteur fibré pour l'analyse de l'activité d'un fluide radioactif Title: Fiber sensor for analyzing the activity of a radioactive fluid
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
Le domaine technique de l'invention est la détection de l'activité d'un fluide susceptible de comporter un radionucléide radioactif, émetteur P". Le fluide peut être un gaz ou un liquide. The technical field of the invention is the detection of the activity of a fluid capable of comprising a radioactive radionuclide, emitter P". The fluid can be a gas or a liquid.
ART ANTERIEUR PRIOR ART
Dans l'industrie nucléaire ou médicale, il est fréquent d'analyser l'activité de fluides radioactifs. De telles analyses sont par exemple conduites à des fins de contrôle de procédés, ou contrôle de rejets, ou le contrôle d'un réseau de distribution d'air ou d'eau. In the nuclear or medical industry, it is common to analyze the activity of radioactive fluids. Such analyzes are for example carried out for the purposes of process control, or discharge control, or the control of an air or water distribution network.
Les analyses de fluides sont souvent effectuées sur des échantillons prélevés, et cela présente plusieurs inconvénients. Une première difficulté est le temps nécessaire à la prise d'échantillons et leur analyse en laboratoire. Il en résulte un décalage temporel important entre la prise d'échantillon et son analyse. Il s'agit d'une technique de mesure dite « hors ligne », inapte à délivrer un résultat en temps réel. Une deuxième difficulté est la contamination des équipements utilisés pour la prise d'échantillons et l'analyse. Il s'agit en particulier du matériel utilisé pour le conditionnement et la manipulation de l'échantillon. Une troisième difficulté est liée à la représentativité des échantillons prélevés. La question de la représentativité se pose particulièrement lorsque le fluide à analyser n'est pas homogène. Il est alors nécessaire de multiplier la prise d'échantillons, ce qui augmente la complexité et le coût. Fluid analyzes are often performed on collected samples, and this has several disadvantages. A first difficulty is the time required to take samples and analyze them in the laboratory. This results in a significant time lag between taking the sample and its analysis. This is a so-called “offline” measurement technique, incapable of delivering a result in real time. A second difficulty is the contamination of the equipment used for sampling and analysis. This concerns in particular the equipment used for packaging and handling the sample. A third difficulty is linked to the representativeness of the samples taken. The question of representativeness arises particularly when the fluid to be analyzed is not homogeneous. It is then necessary to increase the number of samples taken, which increases complexity and cost.
Des solutions ont été développées, qui permettent d'effectuer une mesure en ligne de l'activité d'un fluide. Le brevet EP3542185 décrit un dispositif comportant une chambre de mesure, destinée à être remplie par un fluide. La chambre de mesure comporte des fibres optiques scintillantes. Ces dernières sont destinées à générer une lumière de scintillation sous l'effet d'une irradiation par un rayonnement ionisant. Un inconvénient de ce dispositif est que les fibres de scintillation sont placées directement au contact du fluide à analyser. Ainsi, lorsque le fluide est contaminé, la chambre de mesure, et les fibres optiques disposées à l'intérieur de la chambre, sont potentiellement contaminées. Il est donc nécessaire de procéder à un nettoyage des fibres optiques et/ou de les orienter vers une filière de déchets nucléaires. De plus, les fibres optiques peuvent se dégrader au contact du fluide. Les inventeurs proposent un dispositif, destiné à l'analyse de l'activité d'un fluide, qui ne soit pas intrusif, c'est-à-dire dont les éléments sensibles à l'irradiation ne soient pas directement au contact du fluide à analyser. Cela évite le recours à des opérations de décontamination. Le dispositif permet d'effectuer une analyse en ligne de l'activité d'un fluide. En outre, la conception du dispositif le rend compatible avec une mise en oeuvre sur différentes géométries. Solutions have been developed which make it possible to carry out an online measurement of the activity of a fluid. Patent EP3542185 describes a device comprising a measuring chamber, intended to be filled with a fluid. The measuring chamber contains scintillating optical fibers. The latter are intended to generate scintillation light under the effect of irradiation with ionizing radiation. A disadvantage of this device is that the scintillation fibers are placed directly in contact with the fluid to be analyzed. Thus, when the fluid is contaminated, the measuring chamber, and the optical fibers placed inside the chamber, are potentially contaminated. It is therefore necessary to clean the optical fibers and/or direct them towards a nuclear waste channel. In addition, optical fibers can degrade on contact with fluid. The inventors propose a device, intended for the analysis of the activity of a fluid, which is not intrusive, that is to say whose elements sensitive to irradiation are not directly in contact with the fluid to be analyze. This avoids the need for decontamination operations. The device makes it possible to perform an online analysis of the activity of a fluid. In addition, the design of the device makes it compatible with implementation on different geometries.
EXPOSE DE L'INVENTION STATEMENT OF THE INVENTION
Un premier objet de l'invention est un dispositif d'analyse de l'activité d'un fluide susceptible de comporter un radionucléide émettant des particules chargées de type /3~, le dispositif comportant : A first object of the invention is a device for analyzing the activity of a fluid capable of comprising a radionuclide emitting charged particles of type /3~, the device comprising:
- une paroi, délimitant une chambre, destinée à être occupée par le fluide, la paroi s'étendant selon une épaisseur; - a wall, delimiting a chamber, intended to be occupied by the fluid, the wall extending along a thickness;
- une fibre optique de détection, comportant un cœur entouré d'une gaine, le cœur étant formé d'un matériau scintil lateur, le matériau scintillateur émettant des photons lorsqu'il est exposé à des particules chargées ; - an optical detection fiber, comprising a core surrounded by a sheath, the core being formed of a scintillator material, the scintillator material emitting photons when exposed to charged particles;
- au moins un photodétecteur, optiquement couplé à la fibre optique de détection, de façon à détecter des photons de scintillation émis par le matériau scintillateur sous l'effet d'une exposition aux particules chargées; - at least one photodetector, optically coupled to the optical detection fiber, so as to detect scintillation photons emitted by the scintillator material under the effect of exposure to charged particles;
- au moins un circuit de traitement, configuré pour effectuer un traitement du signal de détection résultant du ou de chaque photodétecteur ; - at least one processing circuit, configured to perform processing of the detection signal resulting from the or each photodetector;
- une unité de calcul, reliée au circuit de traitement, l'unité de calcul étant programmée pour calculer un résultat d'analyse en fonction du signal de détection généré par le ou chaque photodétecteur ; le dispositif étant caractérisé en ce que : - a calculation unit, connected to the processing circuit, the calculation unit being programmed to calculate an analysis result as a function of the detection signal generated by the or each photodetector; the device being characterized in that:
- la fibre optique de détection est disposée en dehors de la chambre ; - the optical detection fiber is placed outside the chamber;
- tout ou partie fibre optique de détection s'étend dans l'épaisseur de la paroi ou contre la paroi; de façon que sous l'effet d'une exposition aux particules chargées émises par le radionucléide, le photodétecteur génère un signal de détection dépendant d'une quantité de photons de scintillation émis par le matériau scintillateur de la ou de chaque fibre optique de détection sous l'effet d'une exposition aux particules chargées. - all or part of the optical detection fiber extends in the thickness of the wall or against the wall; so that under the effect of exposure to charged particles emitted by the radionuclide, the photodetector generates a detection signal depending on a quantity of scintillation photons emitted by the scintillator material of the or each optical detection fiber under the effect of exposure to charged particles.
Selon un mode de réalisation, la paroi de détection s'étend autour de la chambre ; tout ou partie de la fibre optique de détection s'étend autour de la chambre . Selon une possibilité, la fibre optique de détection peut former une spirale, autour de la chambre. Selon une possibilité, le dispositif comporte différentes fibres optiques de détection optiquement couplées au photodétecteur, chaque fibre optique de détection formant au moins une spire autour de la chambre. Selon une possibilité : According to one embodiment, the detection wall extends around the chamber; all or part of the optical detection fiber extends around the chamber. According to one possibility, the optical detection fiber can form a spiral around the chamber. According to one possibility, the device comprises different optical detection fibers optically coupled to the photodetector, each optical detection fiber forming at least one turn around the chamber. According to one possibility:
- la paroi s'étend autour d'un axe longitudinal ; - the wall extends around a longitudinal axis;
- la ou chaque fibre optique de détection s'étend parallèlement à l'axe longitudinal. - the or each optical detection fiber extends parallel to the longitudinal axis.
Selon un mode de réalisation, According to one embodiment,
- le circuit de traitement est configuré pour déterminer un taux de comptage à partir du signal de détection, le taux de comptage correspondant à un nombre d'impulsions détectées par le photodétecteur par unité de temps ; - the processing circuit is configured to determine a counting rate from the detection signal, the counting rate corresponding to a number of pulses detected by the photodetector per unit of time;
- l'unité de calcul est programmée pour comparer le taux de comptage à un seuil prédéterminé. - the calculation unit is programmed to compare the counting rate to a predetermined threshold.
- et/ou l'unité de calcul peut être configurée pour quantifier une activité du radionucléide à partir du taux de comptage. - and/or the calculation unit can be configured to quantify an activity of the radionuclide from the counting rate.
Selon une possibilité, According to one possibility,
- le circuit de traitement est un circuit de spectrométrie, configuré pour établir un spectre représentatif de l'énergie déposée dans le matériau scintillateur par les particules chargées ; - the processing circuit is a spectrometry circuit, configured to establish a spectrum representative of the energy deposited in the scintillator material by the charged particles;
- l'unité de calcul est programmée pour identifier le radionucléide à partir du spectre.- the calculation unit is programmed to identify the radionuclide from the spectrum.
L'unité de calcul peut être programmée pour calculer une activité de chaque radionucléide identifié à partir du spectre. The calculation unit can be programmed to calculate an activity of each radionuclide identified from the spectrum.
Selon un mode de réalisation, la paroi délimite tout ou partie d'une conduite ou d'une cuve ou d'un fût. La paroi peut former une paroi externe et/ou une paroi interne d'une conduite tubulaire, la chambre s'étendant entre la paroi interne et la paroi externe, les parois interne et externe s'étendant autour d'un axe central, respectivement selon un rayon interne et un rayon externe, le rayon interne étant inférieur au rayon externe. According to one embodiment, the wall delimits all or part of a pipe or a tank or a barrel. The wall can form an external wall and/or an internal wall of a tubular conduit, the chamber extending between the internal wall and the external wall, the internal and external walls extending around a central axis, respectively according to an internal radius and an external radius, the internal radius being less than the external radius.
Selon une possibilité : According to one possibility:
- la fibre de détection, ou chaque fibre de détection, est disposée contre ou dans la paroi externe de la conduite tubulaire ; le dispositif comporte un scintillateur auxiliaire, disposé au contact de la paroi interne, le scintillateur auxiliaire étant relié à un photodétecteur auxiliaire. Un deuxième objet de l'invention est un procédé d'analyse d'un fluide à l'aide d'un dispositif selon le premier objet de l'invention, le fluide s'étendant dans une chambre délimitée par la paroi dudit dispositif, le procédé comportant : - the detection fiber, or each detection fiber, is placed against or in the external wall of the tubular pipe; the device comprises an auxiliary scintillator, arranged in contact with the internal wall, the auxiliary scintillator being connected to an auxiliary photodetector. A second object of the invention is a method for analyzing a fluid using a device according to the first object of the invention, the fluid extending in a chamber delimited by the wall of said device, the process comprising:
- a) acquisition de signaux de détection par le ou chaque photodétecteur durant une période d'acquisition ; - a) acquisition of detection signals by the or each photodetector during an acquisition period;
- b) à l'aide de l'unité de calcul, obtention d'un résultat d'analyse. - b) using the calculation unit, obtaining an analysis result.
Selon un mode de réalisation, l'étape b) comporte : According to one embodiment, step b) comprises:
- détermination d'une quantité de particules chargées détectées par unité de temps ;- determination of a quantity of charged particles detected per unit of time;
- comparaison de la quantité de particules chargées détectées par unité de temps avec une valeur seuil ; - comparison of the quantity of charged particles detected per unit of time with a threshold value;
- en fonction de la comparaison, génération d'un signal d'alerte. - depending on the comparison, generation of an alert signal.
Selon une possibilité : According to one possibility:
- le circuit de traitement est un circuit de spectrométrie, configuré pour établir un spectre représentatif de l'énergie déposée dans le matériau scintillateur par les particules chargées détectées ; - the processing circuit is a spectrometry circuit, configured to establish a spectrum representative of the energy deposited in the scintillator material by the charged particles detected;
- l'étape b) comporte, à partir du spectre détecté, une identification du radioélément présent dans le fluide. - step b) comprises, from the detected spectrum, an identification of the radioelement present in the fluid.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous. The invention will be better understood on reading the presentation of the exemplary embodiments presented, in the remainder of the description, in connection with the figures listed below.
FIGURES FIGURES
La figure IA schématise un premier mode de réalisation, dans lequel le dispositif comporte une fibre optique de détection, disposée contre une paroi délimitant une chambre contenant le fluide, la fibre étant disposée à l'extérieur de la chambre. Figure IA schematizes a first embodiment, in which the device comprises an optical detection fiber, placed against a wall delimiting a chamber containing the fluid, the fiber being placed outside the chamber.
La figure IB montre une configuration selon laquelle la fibre de détection est disposée au contact de la paroi, et s'étend parallèlement à un axe central autour duquel s'étend la chambre. La figure IC montre une configuration selon laquelle la fibre de détection est disposée autour de la paroi, au contact de cette dernière. Figure IB shows a configuration according to which the detection fiber is arranged in contact with the wall, and extends parallel to a central axis around which the chamber extends. Figure IC shows a configuration according to which the detection fiber is arranged around the wall, in contact with the latter.
La figure 1D montre une configuration selon laquelle on dispose plusieurs fibres de détection, chaque fibre de détection formant une spire autour de la paroi. Figure 1D shows a configuration in which several detection fibers are arranged, each detection fiber forming a turn around the wall.
La figure 2A schématise un deuxième mode de réalisation, dans lequel le dispositif comporte une fibre optique de détection, disposée dans l'épaisseur d'une paroi délimitant une chambre contenant le fluide. La figure 2B montre une configuration selon laquelle la fibre de détection est disposée dans la paroi et s'étend parallèlement à un axe central autour duquel s'étend la chambre. Figure 2A schematically shows a second embodiment, in which the device comprises an optical detection fiber, arranged in the thickness of a wall delimiting a chamber containing the fluid. Figure 2B shows a configuration according to which the detection fiber is arranged in the wall and extends parallel to a central axis around which the chamber extends.
La figure 2C montre une configuration selon laquelle des fibres de détection, formant des spires parallèles les unes aux autres, sont noyées dans la paroi, autour de la chambre. Figure 2C shows a configuration according to which detection fibers, forming turns parallel to each other, are embedded in the wall, around the chamber.
La figure 3A est une vue en transparence de la configuration représentée sur la figure 2B.Figure 3A is a transparent view of the configuration shown in Figure 2B.
La figure 3B est une vue en transparence de la configuration représentée sur la figure 2C : des fibres de détection, formant des spires parallèles les unes aux autres, sont noyées dans la paroi. La figure 3C est une vue en transparence d'une configuration selon laquelle la fibre de détection forme une spirale, noyée dans la paroi, autour de la chambre. Figure 3B is a transparent view of the configuration shown in Figure 2C: detection fibers, forming turns parallel to each other, are embedded in the wall. Figure 3C is a transparent view of a configuration according to which the detection fiber forms a spiral, embedded in the wall, around the chamber.
La figure 4 montre, pour différents matériaux, le pouvoir d'arrêt (axe des ordonnées) en fonction de l'énergie d'une particule P" (axe des abscisses). Figure 4 shows, for different materials, the stopping power (y-axis) as a function of the energy of a particle P" (x-axis).
La figure 5A est une vue en coupe, dans un plan radial, d'une modélisation d'une géométrie de mesure selon laquelle on dispose une fibre de détection formant une spirale autour d'une paroi délimitant une chambre cylindrique contenant le fluide à analyser. Figure 5A is a sectional view, in a radial plane, of a modeling of a measurement geometry according to which a detection fiber is placed forming a spiral around a wall delimiting a cylindrical chamber containing the fluid to be analyzed.
La figure 5B est une vue en coupe, dans un plan longitudinal, de la modélisation décrite en lien avec la figure 5A. Figure 5B is a sectional view, in a longitudinal plane, of the modeling described in connection with Figure 5A.
La figure 6 montre un spectre de détection, représentant le nombre de particules P- (axe des ordonnées) interagissant dans un matériau scintillateur formant le cœur d'une fibre de détection, en fonction de l'énergie déposée, par chaque particule, dans ledit matériau scintillateur (axe des abscisses). Figure 6 shows a detection spectrum, representing the number of particles P- (ordinate axis) interacting in a scintillator material forming the heart of a detection fiber, as a function of the energy deposited, by each particle, in said scintillator material (x-axis).
La figure 7A décrit un exemple de mise en œuvre d'un dispositif selon l'invention. Figure 7A describes an example of implementation of a device according to the invention.
La figure 7B est un détail de la figure 7A, qui montre les principaux composants du dispositif.Figure 7B is a detail of Figure 7A, which shows the main components of the device.
La figure 7C est un détail de la figure 7B. Figure 7C is a detail of Figure 7B.
La figure 8A est une vue en coupe, dans un plan radial, d'une modélisation d'une géométrie de mesure correspondant au dispositif décrit en lien avec les figures 7A à 7C. Figure 8A is a sectional view, in a radial plane, of a modeling of a measurement geometry corresponding to the device described in connection with Figures 7A to 7C.
La figure 8B est une vue en coupe, dans un plan longitudinal, de la modélisation décrite en lien avec la figure 8A. Figure 8B is a sectional view, in a longitudinal plane, of the modeling described in connection with Figure 8A.
La figure 9A montre un spectre de détection, tel que défini en lien avec la figure 6, résultant d'une fibre de détection utilisée dans le dispositif décrit en lien avec les figures 7A à 7C. Figure 9A shows a detection spectrum, as defined in connection with Figure 6, resulting from a detection fiber used in the device described in connection with Figures 7A to 7C.
La figure 9B montre un spectre de détection résultant d'un scintillateur auxiliaire solide, de forme cylindrique, représenté sur la figure 7C. Figure 9B shows a detection spectrum resulting from a solid auxiliary scintillator, of cylindrical shape, shown in Figure 7C.
La figure 10 schématise différentes étapes de procédés mettant en œuvre d'un dispositif selon l'invention. EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Figure 10 schematizes different process steps implementing a device according to the invention. PRESENTATION OF SPECIAL MODES OF REALIZATION
La figure IA représente un premier mode de réalisation d'un dispositif 1 de caractérisation de l'activité d'un fluide 3. Le dispositif 1 comporte une paroi 20, délimitant une chambre 2 à l'intérieur de laquelle s'étend un fluide 3 à analyser. Le fluide 3 peut être un liquide ou un gaz. Dans cet exemple, la paroi 20 est de forme cylindrique, et s'étend autour d'un axe central A. L'axe central est parallèle à un axe longitudinal Z. Le fluide mesuré 3 peut s'écouler à travers la chambre 2, parallèlement à l'axe central A. Figure IA represents a first embodiment of a device 1 for characterizing the activity of a fluid 3. The device 1 comprises a wall 20, delimiting a chamber 2 inside which a fluid 3 extends to analyze. The fluid 3 can be a liquid or a gas. In this example, the wall 20 is cylindrical in shape, and extends around a central axis A. The central axis is parallel to a longitudinal axis Z. The measured fluid 3 can flow through the chamber 2, parallel to the central axis A.
Le fluide 3 est susceptible de comporter un radionucléide, émetteur P" et éventuellement émetteur y. Fluid 3 is likely to contain a radionuclide, emitter P" and possibly emitter y.
Le dispositif 1 comporte au moins une fibre de détection 10. La fibre de détection 10 est une fibre scintillante. Comme décrit dans EP3542185, une fibre scintillante est une fibre optique comportant un cœur 11 formé d'un matériau scintillateur entouré d'une gaine 12. Le matériau scintillateur peut par exemple être un polymère organique dopé avec des fluorophores. Le matériau scintillateur, formant le cœur 11, émet des photons de scintillations lorsqu'il est irradié par un rayonnement ionisant. La gaine 12 présente un indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction du matériau de scintillation formant le cœur. La gaine peut être formée d'un polymère de type PMMA (Polyméthacrylate de méthyle). La fibre 10 forme un guide d'onde, dans lequel les photons de scintillation se propagent jusqu'à une extrémité 13. Device 1 comprises at least one detection fiber 10. Detection fiber 10 is a scintillating fiber. As described in EP3542185, a scintillator fiber is an optical fiber comprising a core 11 formed of a scintillator material surrounded by a sheath 12. The scintillator material can for example be an organic polymer doped with fluorophores. The scintillator material, forming the core 11, emits scintillation photons when it is irradiated by ionizing radiation. The sheath 12 has a refractive index lower than the refractive index of the scintillation material forming the core. The sheath can be formed from a PMMA (polymethyl methacrylate) type polymer. Fiber 10 forms a waveguide, in which the scintillation photons propagate to one end 13.
L'extrémité de la fibre de détection 10 est optiquement couplée à un photodétecteur 14. Elle peut être disposée au contact du photodétecteur 14, ou être optiquement couplée par le biais d'un système optique ou par une fibre optique classique, assurant une liaison optique entre la fibre optique de scintillation et le photodétecteur. The end of the detection fiber 10 is optically coupled to a photodetector 14. It can be placed in contact with the photodetector 14, or be optically coupled by means of an optical system or by a conventional optical fiber, ensuring an optical link between the scintillation optical fiber and the photodetector.
Généralement, un matériau de scintillation est sensible à tout type de rayonnement ionisant, en particulier les particules chargées a ou P", ou les photons ionisants, X ou gamma. Afin de minimiser la sensibilité aux photons ionisants, le diamètre du cœur est de préférence inférieur à 500 pm ou 300 pm. Un cœur de faible diamètre diminue la probabilité d'interaction d'un photon ionisant se propageant à travers la fibre. Generally, a scintillation material is sensitive to any type of ionizing radiation, in particular charged particles a or P", or ionizing photons, X or gamma. In order to minimize sensitivity to ionizing photons, the diameter of the core is preferably less than 500 pm or 300 pm. A small diameter core reduces the probability of interaction of an ionizing photon propagating through the fiber.
L'épaisseur et le matériau formant la paroi 20 sont choisis de façon que l'atténuation vis-à-vis des particules P" ne soit pas trop élevée. Ainsi, comme représenté sur la figure IA, une partie des particules P" se propage à travers la paroi 20, de façon à irradier le cœur 11 de la fibre de détection 10. Compte tenu de la présence de la paroi 20, et de la gaine 12 entourant le cœur 11, on considère que d'éventuelles particules a émises par un radioélément présent dans le fluide 3 sont absorbées avant d'atteindre la fibre. Ainsi, la fibre de détection 10 est essentiellement sensible aux particules P-, et, dans une moindre mesure, aux photons émis par le fluide 3 occupant la chambre 2 ou émis dans l'environnement du dispositif. L'épaisseur de la gaine 12 doit être aussi fine que possible, de façon à limiter l'atténuation des particules P-. Elle peut par exemple être inférieure à 10 pm. The thickness and the material forming the wall 20 are chosen so that the attenuation with respect to the particles P" is not too high. Thus, as shown in Figure IA, a part of the particles P" propagates through the wall 20, so as to irradiate the core 11 of the detection fiber 10. Taking into account the presence of the wall 20, and the sheath 12 surrounding the core 11, it is considered that possible particles a emitted by a radioelement present in the fluid 3 are absorbed before reaching the fiber. Thus, the detection fiber 10 is essentially sensitive to P- particles, and, to a lesser extent, to photons emitted by the fluid 3 occupying the chamber 2 or emitted into the environment of the device. The thickness of the sheath 12 must be as thin as possible, so as to limit the attenuation of the P- particles. It can for example be less than 10 pm.
Avantageusement, la fibre scintillante 10 est souple. Il s'agit d'une caractéristique intéressante de l'invention, comme décrit par la suite. Advantageously, the scintillating fiber 10 is flexible. This is an interesting feature of the invention, as described below.
Sur la figure IA, on n'a représenté qu'une fibre de détection 10, disposée le long de la paroi 20, à l'extérieur de la chambre 2. Plusieurs fibres de détection 10 peuvent être utilisées, comme décrit en lien avec la figure IB. In Figure IA, only one detection fiber 10 is shown, arranged along the wall 20, outside the chamber 2. Several detection fibers 10 can be used, as described in connection with the figure IB.
Le photodétecteur 14, auquel la ou chaque fibre de détection est optiquement couplée, peut être un photodétecteur de type photodiode ou photomultiplicateur. Lorsqu'une particule ionisante p interagit dans le matériau de scintillation, formant le cœur de la fibre, plusieurs photons de scintillation sont produits, dont une partie atteint l'extrémité 13 de la fibre couplée au photodétecteur 14. Le nombre de photons de scintillation produits est généralement proportionnel à l'énergie déposée par la particule P" lors de l'interaction. Le nombre de photons de scintillation créés dans le cœur est typiquement de quelques milliers par MeV déposé dans le cœur. Les photons de scintillation sont détectés par le photodétecteur 14 et sont convertis en une impulsion électrique dont l'amplitude dépend du nombre de photons de scintillation générés. Ainsi, l'amplitude de chaque impulsion électrique résultant du photodétecteur dépend de l'énergie déposée, dans le matériau de scintillation, lors d'une interaction avec une particule P". Le photodétecteur 14 génère un signal de détection formé d'impulsions, chaque impulsion correspondant à une interaction d'une particule P". The photodetector 14, to which the or each detection fiber is optically coupled, can be a photodetector of the photodiode or photomultiplier type. When an ionizing particle p interacts in the scintillation material, forming the core of the fiber, several scintillation photons are produced, part of which reaches the end 13 of the fiber coupled to the photodetector 14. The number of scintillation photons produced is generally proportional to the energy deposited by the particle P" during the interaction. The number of scintillation photons created in the core is typically a few thousand per MeV deposited in the core. The scintillation photons are detected by the photodetector 14 and are converted into an electrical pulse whose amplitude depends on the number of scintillation photons generated. Thus, the amplitude of each electrical pulse resulting from the photodetector depends on the energy deposited, in the scintillation material, during a interaction with a particle P". The photodetector 14 generates a detection signal formed of pulses, each pulse corresponding to an interaction of a particle P".
Le photodétecteur 14 est relié à un circuit de traitement 15, ce dernier étant configuré traiter les impulsions résultant du photodétecteur. Le circuit de traitement 15 est relié à une unité de calcul 16. L'unité de calcul 16 est destinée à établir un résultat de mesure en fonction du signal de détection résultant du photodétecteur. The photodetector 14 is connected to a processing circuit 15, the latter being configured to process the pulses resulting from the photodetector. The processing circuit 15 is connected to a calculation unit 16. The calculation unit 16 is intended to establish a measurement result as a function of the detection signal resulting from the photodetector.
Selon une première application, le circuit de traitement 15 génère, à partir de chaque signal de détection transmis par le photodétecteur, un taux de comptage N, correspondant à un nombre d'impulsions détectées par unité de temps. L'unité de calcul 16 peut alors être configurée pour comparer le taux de comptage à un seuil et émettre un signal d'alerte en cas de dépassement du seuil. Selon une deuxième application, on dispose d'un a priori sur le radionucléide présent dans la chambre 2. A partir du taux de comptage N, une première estimation de l'activité A du radionucléide peut être effectuée, en utilisant un rendement de détection q. Le rendement de détection q permet d'établir un lien entre le taux de comptage et l'activité du radionucléide. Le rendement de détection q peut être établi expérimentalement en disposant, dans la chambre, un fluide de calibration dont l'activité est connue. Le rendement de détection peut également être établi sur la base de modélisations numériques. According to a first application, the processing circuit 15 generates, from each detection signal transmitted by the photodetector, a counting rate N, corresponding to a number of pulses detected per unit of time. The calculation unit 16 can then be configured to compare the counting rate to a threshold and emit an alert signal if the threshold is exceeded. According to a second application, we have an a priori on the radionuclide present in chamber 2. From the counting rate N, a first estimate of the activity A of the radionuclide can be made, using a detection efficiency q . The detection efficiency q makes it possible to establish a link between the counting rate and the activity of the radionuclide. The detection efficiency q can be established experimentally by placing, in the chamber, a calibration fluid whose activity is known. The detection efficiency can also be established on the basis of numerical modeling.
Selon une troisième application, le circuit de traitement 15 est un circuit de spectrométrie. Le circuit de traitement 15 génère un spectre de détection, correspondant à un histogramme d'amplitude des impulsions détectées durant une période d'acquisition. L'unité de calcul 16 peut être configurée pour effectuer un traitement du spectre de détection de façon à identifier un ou plusieurs radionucléides présents dans le fluide 3 occupant la chambre 2 et éventuellement estimer une activité de chaque radionucléide identifié. According to a third application, the processing circuit 15 is a spectrometry circuit. The processing circuit 15 generates a detection spectrum, corresponding to an amplitude histogram of the pulses detected during an acquisition period. The calculation unit 16 can be configured to carry out processing of the detection spectrum so as to identify one or more radionuclides present in the fluid 3 occupying the chamber 2 and possibly estimate an activity of each identified radionuclide.
Le dispositif 1 peut comporter plusieurs fibres de détection 10, respectivement couplées à un même photodétecteur 14 ou à plusieurs photodétecteurs 14. L'unité de calcul 16 reçoit le signal de détection résultant de chaque photodétecteur 14, et traité par le circuit de traitement 15. L'unité de calcul 16 peut être formée d'un circuit électronique et/ou d'un microprocesseur. L'unité de calcul 16 est programmée pour effectuer des étapes décrites par la suite, en lien avec la figure 10. The device 1 may include several detection fibers 10, respectively coupled to the same photodetector 14 or to several photodetectors 14. The calculation unit 16 receives the detection signal resulting from each photodetector 14, and processed by the processing circuit 15. The calculation unit 16 can be formed of an electronic circuit and/or a microprocessor. The calculation unit 16 is programmed to carry out steps described below, in connection with Figure 10.
La figure IB représente un dispositif selon lequel plusieurs fibres de détection 10 sont réparties autour d'une paroi 20 délimitant une chambre cylindrique 2. Chaque fibre de détection 10 est disposée au contact de la paroi 20. De préférence, chaque fibre de détection 10 est fixe par rapport à la paroi 20. Chaque fibre de détection peut s'étendre selon une longueur de plusieurs dizaines de centimètres ou plusieurs mètres. Chaque fibre de détection s'étend parallèlement à l'axe central de la chambre 2. Au moins une extrémité 13 de chaque fibre de détection 10 est reliée à un photodétecteur 14. Figure IB represents a device according to which several detection fibers 10 are distributed around a wall 20 delimiting a cylindrical chamber 2. Each detection fiber 10 is arranged in contact with the wall 20. Preferably, each detection fiber 10 is fixed relative to the wall 20. Each detection fiber can extend over a length of several tens of centimeters or several meters. Each detection fiber extends parallel to the central axis of the chamber 2. At least one end 13 of each detection fiber 10 is connected to a photodetector 14.
La figure IC représente une configuration selon laquelle la fibre de détection 10 forme une spirale disposée autour de la paroi 20. La figure 1D représente une configuration selon laquelle on dispose plusieurs fibres de détection 10, chaque fibre de détection formant une spire autour de la paroi 20. Les configurations représentées sur les figures IC et 1D tirent profit du fait que la fibre de détection, ou chaque fibre de détection, soit souple. De préférence, quelle que soit la configuration, chaque fibre de détection 10 est fixée dans ou sur la paroi. De préférence, sur les configurations représentées sur les figures IB à 1D, la ou chaque fibre de détection est disposée au contact de la paroi. Figure IC represents a configuration according to which the detection fiber 10 forms a spiral arranged around the wall 20. Figure 1D represents a configuration according to which several detection fibers 10 are arranged, each detection fiber forming a turn around the wall 20. The configurations shown in Figures IC and 1D take advantage of the fact that the detection fiber, or each detection fiber, is flexible. Preferably, whatever the configuration, each detection fiber 10 is fixed in or on the wall. Preferably, on the configurations shown in Figures IB to 1D, the or each detection fiber is placed in contact with the wall.
Les configurations décrites en lien avec les figures IA à 1D sont adaptées à des parois 20 dont l'épaisseur est suffisamment fine pour qu'une quantité suffisante de particules P- soit transmise à travers la paroi. L'énergie d'émission d'une particule P- suit une distribution, usuellement désignée spectre d'émission, qui est propre à chaque radionucléide. Ainsi, chaque radionucléide peut être caractérisé par une énergie d'émission moyenne et une énergie d'émission maximale de particules P", cette dernière étant de plusieurs centaines de keV ou de plusieurs MeV. Pour qu'une fibre de détection 10 soit exposée à des particules P" dont l'énergie résiduelle, après avoir traversé la paroi 20, soit suffisamment élevée, la paroi est de préférence formée d'un matériau plastique, par exemple un polymère, ou un métal léger, par exemple aluminium ou acier, et dont l'épaisseur est faible, de préférence inférieure à 1 mm, voire à 100 pm. Ainsi, la paroi 20 forme une peau délimitant la chambre 2 dans lequel s'étend le fluide à analyser 3.The configurations described in connection with Figures IA to 1D are adapted to walls 20 whose thickness is sufficiently thin so that a sufficient quantity of P- particles is transmitted through the wall. The emission energy of a P- particle follows a distribution, usually called emission spectrum, which is specific to each radionuclide. Thus, each radionuclide can be characterized by an average emission energy and a maximum particle emission energy P", the latter being several hundred keV or several MeV. For a detection fiber 10 to be exposed to particles P" whose residual energy, after passing through the wall 20, is sufficiently high, the wall is preferably formed of a plastic material, for example a polymer, or a light metal, for example aluminum or steel, and whose thickness is small, preferably less than 1 mm, or even 100 μm. Thus, the wall 20 forms a skin delimiting the chamber 2 in which the fluid to be analyzed 3 extends.
Les figures 2A à 2D représentent des modes de réalisation dans lesquels la ou chaque fibre de détection 10 est intégrée (ou noyée) dans la paroi 20 délimitant la chambre 2. L'avantage d'une telle configuration est que la ou chaque fibre de détection 10 est disposée à une distance £ de la chambre 2 qui est inférieure à l'épaisseur e de la paroi 20. Par rapport au premier mode de réalisation, cela permet de relâcher la contrainte concernant l'épaisseur de la paroi. Cela permet également que la distance entre l'intérieur de la chambre 2 et la (ou chaque) fibre de détection 10 soit faible, par exemple inférieure à 2 mm, voire à 1 mm. La distance £ correspond à une épaisseur apparente vue par les particules P" avant d'atteindre la fibre de détection 10. Plus l'épaisseur apparente £ est faible, plus l'énergie moyenne, des particules P" susceptibles d'interagir dans la fibre optique de détection est élevée. Il en résulte un meilleur rendement de détection, le rendement de détection correspondant au nombre de photons de scintillation détectés pour une particule P" émise à l'intérieur de la chambre 2. Figures 2A to 2D represent embodiments in which the or each detection fiber 10 is integrated (or embedded) in the wall 20 delimiting the chamber 2. The advantage of such a configuration is that the or each detection fiber 10 is arranged at a distance £ from the chamber 2 which is less than the thickness e of the wall 20. Compared to the first embodiment, this makes it possible to relax the constraint concerning the thickness of the wall. This also allows the distance between the interior of the chamber 2 and the (or each) detection fiber 10 to be small, for example less than 2 mm, or even 1 mm. The distance £ corresponds to an apparent thickness seen by the particles P" before reaching the detection fiber 10. The lower the apparent thickness £, the lower the average energy of the particles P" likely to interact in the fiber optical detection is high. This results in a better detection efficiency, the detection efficiency corresponding to the number of scintillation photons detected for a particle P" emitted inside the chamber 2.
Sur la figure 2B, on a représenté une configuration selon laquelle plusieurs fibres de détection 10, parallèles les unes aux autres, s'étendent parallèlement à l'axe central A de la chambre 2, à l'intérieur de la paroi 20. Sur la figure 2C, on a représenté une configuration selon laquelle des fibres de détection s'étendent autour de la chambre 2 en formant plusieurs spires, noyées dans la paroi 20. Quelle que soit la configuration retenue, la ou chaque fibre de détection 10 est disposée en dehors de la chambre 2. Dans les configurations représentées sur les figures 2A à 2C, la ou chaque fibre de détection 10 peut être noyée dans la paroi 20 lors de la construction de cette dernière. In Figure 2B, there is shown a configuration according to which several detection fibers 10, parallel to each other, extend parallel to the central axis A of the chamber 2, inside the wall 20. On the Figure 2C shows a configuration according to which detection fibers extend around the chamber 2 forming several turns, embedded in the wall 20. Whatever the configuration chosen, the or each detection fiber 10 is arranged in outside of chamber 2. In the configurations shown in Figures 2A to 2C, the or each detection fiber 10 can be embedded in the wall 20 during the construction of the latter.
Les figures 3A et 3B représente des vues « en transparence » de configurations respectivement décrites en lien avec la figure 2B et 2C. La figure 3C représente une vue en transparence d'une configuration selon laquelle la fibre de détection décrit une spirale autour de la chambre 2. Sur les figures 3A, 3B et 3C, chaque fibre de détection est noyée dans la paroi. Figures 3A and 3B represent “transparent” views of configurations respectively described in connection with Figures 2B and 2C. Figure 3C represents a transparent view of a configuration according to which the detection fiber describes a spiral around the chamber 2. In Figures 3A, 3B and 3C, each detection fiber is embedded in the wall.
La figure 4 illustre le pouvoir d'arrêt (axe des ordonnées : unité MeV/cm), à l'égard de particules P de différents matériaux en fonction de l'énergie desdites particules (axe des abscisses - unité MeV). Sur la figure 4, on a représenté les pouvoirs d'arrêt du PEHD (polyéthylène haute densité - courbe a), béton (courbe b), acier inoxydable (courbe c), eau (courbe d), air (courbe e) et polystyrène (courbe f). On observe que pour une même épaisseur, il est préférable que la paroi soit constituée d'un matériau de type PEHD ou polystyrène que d'acier. Les courbes d et f sont presque confondues. Figure 4 illustrates the stopping power (y-axis: MeV/cm unit), with regard to P particles of different materials as a function of the energy of said particles (x-axis - MeV unit). In Figure 4, the stopping powers of HDPE (high density polyethylene - curve a), concrete (curve b), stainless steel (curve c), water (curve d), air (curve e) and polystyrene are shown (curve f). We observe that for the same thickness, it is preferable for the wall to be made of a HDPE or polystyrene type material than of steel. Curves d and f are almost identical.
Les inventeurs ont modélisé la détection de particules P" par un dispositif tel que décrit en lien avec la figure IC. La configuration a été modélisée selon les paramètres suivants : matériau de la paroi 20 : acier ; épaisseur de la paroi 20 : 2 mm ; rayon de la chambre 2 : 20 cm ; hauteur de la chambre : 2 m ; nature du fluide : air radioélément modélisé : 90Y - Energie d'émission moyenne : 926 keV - Energie d'émission maximale : 2280 keV ; diamètre du cœur de la fibre de détection : 250 pm ; matériau de la fibre de détection : polystyrène - densité 1.05 ; épaisseur de la gaine de la fibre de détection : 7.5 pm ; matériau de la gaine : PM MA nombre de spires : 3601. The inventors modeled the detection of particles P" by a device as described in connection with Figure IC. The configuration was modeled according to the following parameters: material of the wall 20: steel; thickness of the wall 20: 2 mm; radius of chamber 2: 20 cm; height of the chamber: 2 m; nature of the fluid: air modeled radioelement: 90 Y - Average emission energy: 926 keV - Maximum emission energy: 2280 keV; diameter of the core of the detection fiber: 250 pm; material of the detection fiber: polystyrene - density 1.05; thickness of the sheath of the detection fiber: 7.5 pm; material of the sheath: PM MA number of turns: 3601.
La fibre optique modélisée correspond à la référence BCF-10 - fabricant Saint Gobain. The modeled optical fiber corresponds to the reference BCF-10 - manufacturer Saint Gobain.
Les figures 5A et 5B sont des vues de la configuration modélisée respectivement dans un plan radial, défini par des axes X et Y, et un plan longitudinal, défini par les axes X et Z. La référence 4 correspond à l'air ambiant. Sur chacune des figures 5A et 5B, on a représenté un détail d'une partie de la paroi 20 contre laquelle est assemblée à fibre de détection 10. Sur la figure 5B, la fibre de détection 10 apparaît sous la forme de disques adjacents les uns des autres. Figures 5A and 5B are views of the configuration modeled respectively in a radial plane, defined by axes X and Y, and a longitudinal plane, defined by axes X and Z. Reference 4 corresponds to the ambient air. In each of Figures 5A and 5B, a detail of a part of the wall 20 against which the detection fiber 10 is assembled. In Figure 5B, the detection fiber 10 appears in the form of discs adjacent to each other.
A l'aide du code MCNP (Monte Carlo N-Particle), on a modélisé un spectre de détection de particules détectées par la fibre de détection, le spectre de détection étant représenté sur la figure 6. Le spectre de détection correspond à une proportion d'interactions détectées pour 1 particule émise (axe des ordonnées) en fonction de l'énergie de détection (axe des abscisses - unité MeV). La figure 6 montre une distribution de l'énergie déposée, par la fibre de détection, d'une particule P" émise, dans la chambre 2, l'énergie de la particule P" étant émise selon une distribution correspondant au spectre d'émission de 90Y. Du fait du faible volume de la fibre, une particule P" interagissant dans la fibre peut ne libérer qu'une partie de son énergie. Using the MCNP (Monte Carlo N-Particle) code, a detection spectrum of particles detected by the detection fiber was modeled, the detection spectrum being represented in Figure 6. The detection spectrum corresponds to a proportion of interactions detected for 1 particle emitted (y axis) as a function of the detection energy (x axis - MeV unit). Figure 6 shows a distribution of the energy deposited, by the detection fiber, of a particle P" emitted in chamber 2, the energy of the particle P" being emitted according to a distribution corresponding to the emission spectrum of 90 Y. Due to the small volume of the fiber, a particle P" interacting in the fiber can only release part of its energy.
La figure 7A représente un exemple d'application d'un dispositif selon l'invention. Dans cet exemple, un liquide est transporté d'une cuve A vers une cuve B. Le dispositif 1 est intégré dans la partie centrale d'une conduite C, reliant la cuve A vers la cuve B. Les figures 7B et 7C sont des détails du dispositif 1. Le dispositif comporte une paroi 20, contre laquelle est disposée une fibre de détection 10 telle que précédemment décrite. La fibre de détection est agencée autour de la paroi 20 en formant une spirale, comme décrit en lien avec la figure IC. Figure 7A represents an example of application of a device according to the invention. In this example, a liquid is transported from a tank A to a tank B. The device 1 is integrated in the central part of a pipe C, connecting the tank A to the tank B. Figures 7B and 7C are details of the device 1. The device comprises a wall 20, against which is placed a detection fiber 10 as previously described. The detection fiber is arranged around the wall 20 forming a spiral, as described in connection with Figure IC.
La chambre 2 délimitée par la paroi 20, est annulaire. Elle comporte une paroi interne 20', qui est, comme la paroi 20, cylindrique. Le rayon de la paroi interne 20' est inférieur au rayon de la paroi 20, cette dernière formant une paroi externe de la chambre annulaire 2. Le dispositif comporte un scintillateur auxiliaire 10', appliqué contre la paroi interne 20'. Dans l'exemple représenté sur les figures 7B et 7C, le scintillateur auxiliaire 10' est un scintillateur solide, couplé à un photodétecteur auxiliaire 14'. Selon ce mode de réalisation, des particules P" émises dans la chambre annulaire 2 peuvent être détectées soit par la fibre de détection 10, soit par le scintillateur auxiliaire 10'. Selon une variante, le scintillateur auxiliaire solide 10' est remplacé par une fibre de détection auxiliaire 10', enroulée contre la paroi interne 20', de la même façon que la fibre de détection 10 est enroulée contre la paroi 20. L'avantage des fibres de détection est leur moindre sensibilité à l'égard du rayonnement gamma. Chamber 2 delimited by wall 20 is annular. It has an internal wall 20', which is, like wall 20, cylindrical. The radius of the internal wall 20' is less than the radius of the wall 20, the latter forming an external wall of the annular chamber 2. The device includes an auxiliary scintillator 10', applied against the internal wall 20'. In the example shown in Figures 7B and 7C, the auxiliary scintillator 10' is a solid scintillator, coupled to an auxiliary photodetector 14'. According to this embodiment, particles P" emitted in the annular chamber 2 can be detected either by the detection fiber 10 or by the auxiliary scintillator 10'. According to a variant, the solid auxiliary scintillator 10' is replaced by a fiber auxiliary detection fiber 10', wound against the internal wall 20', in the same way as the detection fiber 10 is wound against the wall 20. The advantage of detection fibers is their less sensitivity with regard to gamma radiation.
D'une façon plus générale, le dispositif comporte un détecteur auxiliaire 10' appliqué contre la paroi interne 20'. Il peut s'agir d'un scintillateur auxiliaire, notamment fibré. Il peut également s'agir d'un détecteur gazeux, dont la géométrie est adaptée à la paroi interne 20'. Il peut en particulier s'agir d'un détecteur gazeux de géométrie cylindrique. Les inventeurs ont modélisé la configuration décrite en lien avec les figures 7A à 7C, en utilisant le code de transport MCNP. Les paramètres de modélisation sont : fibre de détection : constitution similaire à la fibre de détection décrite en lien avec les figures 5A et 5B. 571 spires. rayon de la paroi interne 20' : 2.5 cm ; rayon de la paroi 20 : 4.5 cm ; épaisseur de la paroi interne 20' et de la paroi 20 : 1 mm ; matériau de la paroi interne 20' et de la paroi 20 : acier inoxydable. More generally, the device comprises an auxiliary detector 10' applied against the internal wall 20'. It may be an auxiliary scintillator, in particular fibered. It can also be a gas detector, the geometry of which is adapted to the internal wall 20'. It may in particular be a gas detector of cylindrical geometry. The inventors have modeled the configuration described in connection with Figures 7A to 7C, using the MCNP transport code. The modeling parameters are: detection fiber: constitution similar to the detection fiber described in connection with Figures 5A and 5B. 571 turns. radius of the internal wall 20': 2.5 cm; radius of wall 20: 4.5 cm; thickness of the internal wall 20' and of the wall 20: 1 mm; material of the internal wall 20' and the wall 20: stainless steel.
Les figures 8A et 8B sont des vues de la configuration modélisée respectivement dans un plan radial, défini par des axes X et Y, et un plan longitudinal, défini par les axes X et Z. Sur chacune des figures 8A et 8B, on a représenté un détail d'une partie de la paroi 20 contre laquelle est assemblée à fibre de détection 10. Sur la figure 8B, la fibre de détection 10 apparaît sous la forme de disques adjacents les uns des autres. Figures 8A and 8B are views of the modeled configuration respectively in a radial plane, defined by axes X and Y, and a longitudinal plane, defined by axes a detail of a part of the wall 20 against which the detection fiber 10 is assembled. In Figure 8B, the detection fiber 10 appears in the form of discs adjacent to each other.
La figure 9A montre le spectre de détection d'une particule p émise par 90Y dans la chambre de mesure. Il s'agit d'un histogramme discrétisé en énergie (axe des abscisses - MeV) et montrant, à chaque énergie, la probabilité de détection, par la fibre de détection, à ladite énergie, d'une particule P- émise dans la chambre 2, l'énergie de la particule émise étant distribuée selon le spectre d'émission de 90Y. La figure 9B est une figure similaire à la figure 9A, établie en modélisant le scintillateur auxiliaire solide 10'. Les probabilités de détection obtenues avec le scintil lateur solide sont plus élevées du fait du volume plus grand de ce dernier, ce qui augmente l'efficacité de détection, au détriment d'une sensibilité de détection accrue à l'égard des photons gamma. Figure 9A shows the detection spectrum of a p particle emitted by 90 Y in the measurement chamber. This is a histogram discretized in energy (x-axis - MeV) and showing, at each energy, the probability of detection, by the detection fiber, at said energy, of a P- particle emitted in the chamber 2, the energy of the emitted particle being distributed according to the emission spectrum of 90 Y. Figure 9B is a figure similar to Figure 9A, established by modeling the solid auxiliary scintillator 10'. The detection probabilities obtained with the solid scintillator are higher due to the larger volume of the latter, which increases the detection efficiency, to the detriment of increased detection sensitivity with regard to gamma photons.
Les spectres de détection représentés sur les figures 6, 9A et 9B peuvent être utilisés à des fins d'identification d'un radionucléide présent dans le fluide 3 circulant dans la chambre 2. En effet, le spectre de détection correspond à une signature spectrale du ou des radionucléides présents dans le fluide 3. Les spectres de détection représentés sur les figures 6, 9A et 9B sont des spectres dits unitaires, car ils correspondent au spectre de détection résultant de la présence d'un unique radionucléide, en l'occurrence 90Y, pour une émission unitaire, en l'occurrence 1 particule p émise. The detection spectra shown in Figures 6, 9A and 9B can be used for the purposes of identifying a radionuclide present in the fluid 3 circulating in the chamber 2. In fact, the detection spectrum corresponds to a spectral signature of the or radionuclides present in fluid 3. The detection spectra shown in Figures 6, 9A and 9B are so-called unit spectra, because they correspond to the detection spectrum resulting from the presence of a single radionuclide, in this case 90 Y, for a unit emission, in this case 1 particle p emitted.
On peut établir, notamment par modélisation, des spectres de détection unitaires correspondant respectivement à différents radionucléides, pour une activité unitaire de lBq. Chaque spectre de détection unitaire forme un modèle direct assigné à chaque radionucléide. Il est préférable que chaque spectre de détection unitaire soit établi en considérant une même activité de chaque radionucléide, par exemple lBq. Ainsi, à chaque radionucléide RN, correspond un spectre de détection unitaire St. A partir de chaque spectre de détection unitaire Si, on peut former une matrice de réponse M, dont chaque colonne correspond à un spectre de détection unitaire St. A partir d'un spectre de détection mesuré S, l'activité A, de chaque radionucléide RN, est définie selon l'expression : It is possible to establish, in particular by modeling, unit detection spectra corresponding respectively to different radionuclides, for a unit activity of lBq. Each unit detection spectrum forms a direct model assigned to each radionuclide. He It is preferable that each unit detection spectrum is established by considering the same activity of each radionuclide, for example lBq. Thus, each radionuclide RN corresponds to a unit detection spectrum S t . From each unit detection spectrum Si, we can form a response matrix M, each column of which corresponds to a unit detection spectrum S t . From a measured detection spectrum S, the activity A, of each radionuclide RN, is defined according to the expression:
S = M x A (1) où S = M x A (1) where
S est le spectre de détection, de dimension [7 ,1], K correspondant au nombre de canaux du spectre ; S is the detection spectrum, of dimension [7,1], K corresponding to the number of channels in the spectrum;
M est la matrice de réponse, de dimension [K, I], où I correspond au nombre de radionucléides RN, considérés. La matrice de réponse traduit le rendement de détection du dispositif. M is the response matrix, of dimension [K, I], where I corresponds to the number of RN radionuclides considered. The response matrix reflects the detection efficiency of the device.
A est un vecteur, de dimension [I, 1], dont chaque terme correspond à l'activité At de chaque radionucléide RNt. A is a vector, of dimension [I, 1], each term of which corresponds to the activity A t of each radionuclide RN t .
S résulte de la mesure. M est préalablement établie, sur la base de modélisations, comme décrit en lien avec les figures 6 et 9A. M peut être obtenue sur la base de mesures expérimentales, en utilisant des échantillons comportant des radionucléides dont l'activité est connue. A peut être estimé par inversion. S results from the measurement. M is established beforehand, on the basis of modeling, as described in connection with Figures 6 and 9A. M can be obtained on the basis of experimental measurements, using samples containing radionuclides whose activity is known. A can be estimated by inversion.
La matrice M n'étant généralement pas inversible, une méthode possible pour estimer A est l'application d'un algorithme d'optimisation itératif de type ML-EM (Maximum Likelihood- Expectation Maximization- méthode espérance maximisation). Un tel algorithme permet d'estimer, à chaque itération de rang j, un vecteur ÂJ , en utilisant l'expression de mise à jour suivante :
Figure imgf000015_0001
Since the matrix M is generally not invertible, a possible method for estimating A is the application of an iterative optimization algorithm of the ML-EM type (Maximum Likelihood-Expectation Maximization-expectation maximization method). Such an algorithm makes it possible to estimate, at each iteration of rank j, a vector  J , using the following update expression:
Figure imgf000015_0001
M(k, j) est un terme de la matrice M et S(/c) est un terme du vecteur S. M(k, j) is a term of the matrix M and S(/c) is a term of the vector S.
L'algorithme d'optimisation peut être initialisé, lors de la première itération, par :
Figure imgf000015_0002
The optimization algorithm can be initialized, during the first iteration, by:
Figure imgf000015_0002
Le recours à un algorithme d'optimisation, mettant en oeuvre la méthode ML-EM pour quantifier l'activité de différents radioéléments, à partir d'un spectre de détection résultant de fibres de détection sensibles aux particules, a été décrit dans Dufour N, « Scintillating fibre based beta spectrometer : Proof of concept by Monte-Carlo simulation and first experimental assessment », Nuclear Inst, and Methods in Physics research, A 1010 (2021). The use of an optimization algorithm, implementing the ML-EM method to quantify the activity of different radioelements, from a detection spectrum resulting from particle-sensitive detection fibers, was described in Dufour N, « Scintillating fiber based beta spectrometer: Proof of concept by Monte-Carlo simulation and first experimental assessment”, Nuclear Inst, and Methods in Physics research, A 1010 (2021).
La figure 10 montre différentes étapes de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. L'étape 100 correspond à l'acquisition de signaux de détection, résultant d'un ou plusieurs photodétecteurs, au cours d'une période d'acquisition. Selon un premier mode de réalisation, dit mode comptage, le circuit de traitement 15 établit un taux de comptage N, correspondant à un nombre d'impulsions détectées par unité de temps, par exemple chaque seconde. Figure 10 shows different stages of implementation of the device according to the invention. Step 100 corresponds to the acquisition of detection signals, resulting from one or more photodetectors, during an acquisition period. According to a first embodiment, called counting mode, the processing circuit 15 establishes a counting rate N, corresponding to a number of pulses detected per unit of time, for example each second.
Au cours de l'étape 110, l'unité de calcul 16 compare le taux de comptage avec un seuil Nth préalablement déterminé. Au cours d'une étape 120, l'unité de calcul 16 génère un signal d'alerte si le taux de comptage N est supérieur au seuil Nth-During step 110, the calculation unit 16 compares the counting rate with a threshold N t h previously determined. During a step 120, the calculation unit 16 generates an alert signal if the counting rate N is greater than the threshold N t h-
De façon complémentaire ou alternative, le procédé peut comporter une étape 130, au cours de laquelle on effectue une estimation  de l'activité d'un radionucléide RNt en fonction d'un rendement de détection préalablement établi pour ledit radionucléide. La quantification de l'activité sur la base d'un simple taux de comptage suppose un a priori sur le radionucléide (ou sur un mélange de radionucléides) présent dans le fluide. Le rendement de détection r], reliant le taux de comptage à l'activité, est préalablement établi par des mesures expérimentales, sur des fluides de calibration, dont l'activité est connue, ou à partir de modélisations. Complementarily or alternatively, the method may include a step 130, during which an estimate  of the activity of a radionuclide RN t is carried out as a function of a detection yield previously established for said radionuclide. Quantification of activity based on a simple counting rate assumes an a priori on the radionuclide (or on a mixture of radionuclides) present in the fluid. The detection efficiency r], relating the counting rate to the activity, is previously established by experimental measurements, on calibration fluids, whose activity is known, or from modeling.
Comme précédemment décrit, le circuit de traitement 15 peut être un circuit spectrométrique. Dans ce cas, à partir de signaux de détection acquis pendant la période d'acquisition, le circuit de traitement génère un spectre S de l'amplitude des impulsions détectées durant la période d'acquisition. Au cours d'une étape 140, l'unité de calcul 16 prend en compte une matrice de réponse, telle que décrite dans l'expression (1). L'unité de calcul met en oeuvre un algorithme d'inversion, par exemple de type ML-EM, pour identifier les radionucléides présents dans le fluide et éventuellement estimer leurs activités respectives Ât. As previously described, the processing circuit 15 can be a spectrometric circuit. In this case, from detection signals acquired during the acquisition period, the processing circuit generates a spectrum S of the amplitude of the pulses detected during the acquisition period. During a step 140, the calculation unit 16 takes into account a response matrix, as described in expression (1). The calculation unit implements an inversion algorithm, for example of the ML-EM type, to identify the radionuclides present in the fluid and possibly estimate their respective activities  t .
L'invention pourra être mise en oeuvre pour effectuer le contrôle de fluides, liquides ou gazeux, comportant ou susceptibles de comporter des radionucléides. L'invention permet d'effectuer un suivi en ligne du fluide, en temps réel, sans risque de contamination du ou de chaque fibre optique de détection, compte tenu du fait que la ou chaque fibre de détection ne pénètre pas dans la chambre. Le recours à une unité de calcul recueillant des signaux de détection, après traitement, permet d'obtenir des informations en temps réel ou en quasi-temps réel (quelques minutes). Le recours à une fibre de détection souple permet une adaptation à des chambres présentant différentes géométries. The invention can be implemented to carry out the control of fluids, liquids or gases, containing or likely to contain radionuclides. The invention makes it possible to carry out online monitoring of the fluid, in real time, without risk of contamination of the or each optical detection fiber, taking into account the fact that the or each detection fiber does not penetrate into the chamber. The use of a calculation unit collecting detection signals, after processing, makes it possible to obtain information in real time or near real time (a few minutes). The use of a flexible detection fiber allows adaptation to chambers with different geometries.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) d'analyse de l'activité d'un fluide (3) susceptible de comporter un radionucléide émettant des particules chargées de type /3~, le dispositif comportant :1. Device (1) for analyzing the activity of a fluid (3) likely to contain a radionuclide emitting charged particles of type /3~, the device comprising:
- une paroi (20), délimitant une chambre (2) destinée à être occupée par le fluide, la paroi s'étendant selon une épaisseur (e); - a wall (20), delimiting a chamber (2) intended to be occupied by the fluid, the wall extending to a thickness (e);
- une fibre optique de détection (10), comportant un cœur entouré d'une gaine, le cœur étant formé d'un matériau scintillateur, le matériau scintillateur émettant des photons lorsqu'il est exposé à des particules chargées ; - an optical detection fiber (10), comprising a core surrounded by a cladding, the core being formed of a scintillator material, the scintillator material emitting photons when exposed to charged particles;
- au moins un photodétecteur (14), optiquement couplé à la fibre optique de détection, de façon à détecter des photons de scintillation émis par le matériau scintillateur sous l'effet d'une exposition aux particules chargées; - at least one photodetector (14), optically coupled to the optical detection fiber, so as to detect scintillation photons emitted by the scintillator material under the effect of exposure to charged particles;
- au moins un circuit de traitement (15), configuré pour effectuer un traitement du signal de détection résultant du ou de chaque photodétecteur ; - at least one processing circuit (15), configured to perform processing of the detection signal resulting from the or each photodetector;
- une unité de calcul (16), reliée au circuit de traitement, l'unité de calcul étant programmée pour calculer un résultat d'analyse en fonction du signal de détection généré par le ou chaque photodétecteur ; - a calculation unit (16), connected to the processing circuit, the calculation unit being programmed to calculate an analysis result as a function of the detection signal generated by the or each photodetector;
- la fibre optique de détection (10) est disposée en dehors de la chambre (2) ; - the optical detection fiber (10) is arranged outside the chamber (2);
- tout ou partie de la fibre optique de détection s'étend dans l'épaisseur de la paroi; de façon que sous l'effet d'une exposition aux particules chargées émises par le radionucléide, le photodétecteur génère un signal de détection (S, N) dépendant d'une quantité de photons de scintillation émis par le matériau scintillateur de la fibre optique de détection sous l'effet d'une exposition aux particules chargées ; le dispositif étant caractérisé en ce que la paroi (20) s'étend autour de la chambre, la chambre formant tout ou partie d'une conduite ou d'une cuve ou d'un fût. - all or part of the optical detection fiber extends through the thickness of the wall; so that under the effect of exposure to charged particles emitted by the radionuclide, the photodetector generates a detection signal (S, N) depending on a quantity of scintillation photons emitted by the scintillator material of the optical fiber of detection under the effect of exposure to charged particles; the device being characterized in that the wall (20) extends around the chamber, the chamber forming all or part of a pipe or a tank or a barrel.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel tout ou partie de la fibre optique de détection (10) s'étend autour de la chambre . 2. Device according to claim 1, wherein all or part of the optical detection fiber (10) extends around the chamber.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la fibre optique de détection forme une spirale autour de la chambre. 3. Device according to claim 2, in which the optical detection fiber forms a spiral around the chamber.
4. Dispositif selon la revendication 2, comportant différentes fibres optiques de détection optiquement couplées au photodétecteur, chaque fibre optique de détection formant au moins une spire autour de la chambre. 4. Device according to claim 2, comprising different optical detection fibers optically coupled to the photodetector, each optical detection fiber forming at least one turn around the chamber.
5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel : 5. Device according to claim 1, in which:
- la paroi s'étend autour d'un axe longitudinal ; - the wall extends around a longitudinal axis;
- la ou chaque fibre optique de détection (Z) s'étend parallèlement à l'axe longitudinal. - the or each optical detection fiber (Z) extends parallel to the longitudinal axis.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : 6. Device according to any one of the preceding claims, in which:
- le circuit de traitement (15) est configuré pour déterminer un taux de comptage (N) à partir du signal de détection, le taux de comptage correspondant à un nombre d'impulsions détectées par le photodétecteur par unité de temps ; - the processing circuit (15) is configured to determine a counting rate (N) from the detection signal, the counting rate corresponding to a number of pulses detected by the photodetector per unit of time;
- l'unité de calcul (16) est programmée pour comparer le taux de comptage à un seuil (Nth) prédéterminé. - the calculation unit (16) is programmed to compare the counting rate to a predetermined threshold (N t h).
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'unité de calcul est configurée pour quantifier une activité du radionucléide à partir du taux de comptage. 7. Device according to claim 6, wherein the calculation unit is configured to quantify an activity of the radionuclide from the counting rate.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : 8. Device according to any one of the preceding claims, in which:
- le circuit de traitement (15) est un circuit de spectrométrie, configuré pour établir un spectre (S) représentatif de l'énergie déposée dans le matériau scintillateur par les particules chargées ; - the processing circuit (15) is a spectrometry circuit, configured to establish a spectrum (S) representative of the energy deposited in the scintillator material by the charged particles;
- l'unité de calcul est programmée pour identifier le radionucléide à partir du spectre. - the calculation unit is programmed to identify the radionuclide from the spectrum.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'unité de calcul est programmée pour calculer une activité de chaque radionucléide identifié à partir du spectre. 9. Device according to claim 8, in which the calculation unit is programmed to calculate an activity of each radionuclide identified from the spectrum.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi (20) forme une paroi externe ou une paroi interne d'une conduite tubulaire, la chambre s'étendant entre la paroi interne et la paroi externe, les parois interne et externe s'étendant autour d'un axe central, respectivement selon un rayon interne et un rayon externe, le rayon interne étant inférieur au rayon externe. 10. Device according to any one of the preceding claims, in which the wall (20) forms an external wall or an internal wall of a tubular pipe, the chamber extending between the internal wall and the external wall, the internal walls and external extending around a central axis, respectively along an internal radius and an external radius, the internal radius being less than the external radius.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel : 11. Device according to claim 10, in which:
- la fibre de détection, ou chaque fibre de détection, est disposée contre ou dans la paroi externe de la conduite tubulaire ; le dispositif comporte un détecteur auxiliaire (10'), disposé au contact de la paroi interne. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le détecteur auxiliaire est un scintil lateur auxiliaire relié à un photodétecteur auxiliaire (14'). Procédé d'analyse d'un fluide (3) à l'aide d'un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le fluide s'étendant dans une chambre (2) délimitée par la paroi (20) dudit dispositif, le procédé comportant : - the detection fiber, or each detection fiber, is placed against or in the external wall of the tubular pipe; the device comprises an auxiliary detector (10'), placed in contact with the internal wall. Device according to claim 11, in which the auxiliary detector is an auxiliary scintillator connected to an auxiliary photodetector (14'). Method for analyzing a fluid (3) using a device (1) according to any one of the preceding claims, the fluid extending into a chamber (2) delimited by the wall (20) of said device, the method comprising:
- a) acquisition de signaux de détection par le ou chaque photodétecteur (14) durant une période d'acquisition ; - a) acquisition of detection signals by the or each photodetector (14) during an acquisition period;
- b) à l'aide de l'unité de calcul (16), obtention d'un résultat d'analyse. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape b) comporte : - b) using the calculation unit (16), obtaining an analysis result. Method according to claim 13, in which step b) comprises:
- détermination d'une quantité (N) de particules chargées détectées par unité de temps ;- determination of a quantity (N) of charged particles detected per unit of time;
- comparaison de la quantité de particules chargées détectées par unité de temps avec une valeur seuil (Nth); - comparison of the quantity of charged particles detected per unit of time with a threshold value (N t h);
- en fonction de la comparaison, génération d'un signal d'alerte. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, dans lequel - depending on the comparison, generation of an alert signal. Method according to any one of claims 13 or 14, in which
- le circuit de traitement est un circuit de spectrométrie, configuré pour établir un spectre représentatif de l'énergie déposée dans le matériau scintillateur par les particules chargées détectées ; - the processing circuit is a spectrometry circuit, configured to establish a spectrum representative of the energy deposited in the scintillator material by the charged particles detected;
- l'étape b) comporte, à partir du spectre détecté, une identification du radioélément présent dans le fluide. - step b) comprises, from the detected spectrum, an identification of the radioelement present in the fluid.
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