Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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CHAMBRE D'IONISATION, CHAINE DE MESURE D'ACTIVITÉ D'UN
GAZ ÉMETTEUR DE RAYONNEMENT (~ ET PROCÉDÉ DE MISE EN
OEUVRE DE CELLE-CI
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne une chambre
d'ionisation, une chaîne de mesure d'activité d'un gaz
émetteur de rayonnement ~3, qui peut par exemple être
une chambre de détection tritium, et un procédé de mise
en oeuvre de celle-ci.
État de la technique antérieure
Une chaîne tritium à chambre d'ionisation,
telle que décrite dans le document référencé [1) en fin
de description, sert à mesurer l'activité d'un gaz
émetteur de rayonnement (3 dans une ambiance gazeuse
donnée, par exemple celle d'une boîte à gants, celle
d'un réseau de ventilation d'un laboratoire, ou encore
celle d'un contrôle en -cheminée d'un bâtiment
nucléaire. La chambre d'ionisation, qui est plongée
directement dans le milieu à contrôler, fournit un
courant proportionnel à l'activité à quantifier. Une
électronique de traitement permet de mesurer des
intensités comprises entre 10-14 et 10-g A.
Une telle chaîne de mesure est composée d'une
chambre d'ionisation, qui joue le rôle de détecteur,
d'un préamplificateur, d'une électronique de traitement
du signal, et d'un câble de liaison entre le
préamplificateur et l'électronique de traitement.
Les chambres d'ionisation de l'art connu sont
de deux types .
~ Les chambres à anode et cathode massives .
une chambre de ce type, illustrée sur la figure 1,
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comprend une électrode centrale 10 en laiton nickelé
formant une anode, une coque 11 en laiton formant une
cathode, un orifice de remplissage 12, un embout 13
pour adaptation à un préamplificateur, un anneau de
garde 14 en laiton nickelé, des isolants 15 en
polystyrène, des joints toriques 16.
De telles chambres sont utilisées pour des
mesures de faibles activités, par exemple inférieures à
5 000 LDCA (limite de contamination admissible). Elles
sont généralement de grand volume, par exemple
d'environ 10 000 cm3.
~ Les chambres à anode ou/et à cathode légère .
une chambre de ce type, illustrée sur la figure 2,
comprend des électrodes démontables 20 et 21, à savoir
une anode centrale 20 et une cathode 21 formée par un
grillage de laiton, de cuivre ou d'aluminium, et est
munie d'un orifice de remplissage 22. Elle est disposée
ici dans une coque 23 en acier, munie de deux orifices
24 et 25 respectivement de remplissage et d'évacuation.
Elle comprend de plus un joint torique 26, un anneau de
garde 27, des isolants 28 en polystyral, une sortie 29
vers une haute tension, et une sortie 30 vers un
préamplificateur.
De telles chambres sont dédiées à la mesure
d'activités plus élevées (boîte à gants, voire même
certains procédés de fabrication). Ce sont généralement
des chambres de faible volume, par exemple 100 cm3.
L'utilisation d'électrodes légères pour la mesure de
fortes activités vise à limiter la contamination de
surface des électrodes qui occasionne un bruit de fond
important.
Dans les chaînes de l'art connu un
préamplificateur, monté directement sur la chambre
d'ionisation, permet d'amplifier le courant, qui peut
avoir une très faible valeur, à un niveau suffisant
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pour le rendre transmissible par le câble de liaison
jusqu'à l'électronique de traitement.
Deux méthodes sont couramment utilisées, au
niveau de l'électronique de traitement du signal, pour
quantifier le courant dû aux ions produits par le
rayonnement (3, et captés au niveau des électrodes de la
chambre d'ionisation .
- la charge d'un condensateur (quantificateur
de charge) ;
- la tension lue aux bornes d'une résistance de
forte valeur dans laquelle circule le courant généré.
Une électronique du premier type est réputée
plus précise car sa dérive dans le temps est plus
faible. Une électronique du second type est moins
délicate à mettre en oeuvre et moins onéreuse.
De plus l'électronique de traitement du signal
doit avoir une grande étendue de mesure (de 10-14 A à
10-a A ou de 10-12 à 10-6 A) , ce qui implique une
commutation de calibre automatique.
De tels chaînes de mesure de l'art connu
présentent de nombreux inconvénients .
- le coût prohibitif des systèmes électroniques
permettant de mesurer des courants très faibles ;
- le bruit de fond important des chambres à
électrodes légères . dans certains cas ces chambres
sont inopérantes après une seule mesure ;
- la non possibilité de décontamination par
étuvage (400 °C) sous vide des chambres d'ionisation
actuelles ;
- la non-existence dans toutes les chambres, en
particulier dans celles de volume inférieur à 100 cm3,
de systèmes de chauffe . les mesures sont, en effet,
plus stables quand l'atmosphère au voisinage de la
chambre peut être chauffée (stabilisation en
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température, brassage par convection, action sur
l'hygrométrie...) ;
- la nécessité du remplacement d'un bloc
complet chambre + embase + connecteur en cas de panne
ou après une contamination importante, ce qui est très
onéreux, les chambres actuelles étant en effet soudées
à leurs systèmes de connexion. et à leur embase
mécanique de manière à limiter les bruits engendrés par
les résistances de contact ;
- la nécessité d'avoir recours à des anneaux de
garde pour bien délimiter les lignes de champs
électriques dans la chambre d'ionisation, certaines
pièces de l'ossature des chambres actuelles (hors
cathode, anode et connecteur) étant en effet réalisées
avec des matériaux conducteurs ;
- la non étanchéité de l'embase mécanique qui
fait l'interface entre la chambre d'ionisation et le
connecteur ;
- la génération d'un poids non négligeable
(aujourd'hui environ 1 kg) de déchets contaminés lors
du remplacement d'un détecteur complet (chambre
+ embase + connecteur) ;
- la multiplication des chaînes de mesure (250
voies de mesure constamment opérationnelles dans une
installation nucléaire de base traitant du tritium) qui
entraîne un coût important de l'installation . une
chaîne de mesure complète (détecteur + électronique
traitement + câble) a un coût compris entre environ
72 kF (environ 14 kF pour un détecteur de 100 cm3 et
environ 58 kF pour l'électronique) et environ 126 kF
(environ 68 kF pour un détecteur de 10 000 cm3 et
environ 58 kF pour l'électronique).
i
09-05-2001 ' s- PCT/FR00/01001 DESC
9- 5-Ot;12:i5 :BREVATOME oEO/mun;cr, ;+g3 ++~++-++..+ a 3/ 6
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La présente invention a pour objectif de
pallier les inconvénients de ces dispositifs de l'art
antérieur.
5 Exposé de l'invention
La présente invention concerne un dispositif
d'ionisation de forme cylindrique comportant une
chambre d'ionisation comprenant une anode formée d'une
barre centrale en matériau conducteur électrique et une
cathode en matêriau conducteur électrique entourant
ladite anode, reliées toutes deux à deux éléments d'une
embase mécanique de ladite chambre, deux flasques
cylindriques, en matêriau amagnétique et isolant,
centrés sur l'anode et disposës perpendiculairement à
celle-ci en ses deux extrémitês et la cathode étant
formée d'un fil bobiné sur la partie périphérique de
ces deux flasques, caractérisë en ce que l'embase est
amovible, l'extrémité inférieure de l'anode et les deux
extrémités du fil formant la cathode raccordées à des
fiches màles disposées sur le flasque inférieur, étant
aptes â venir s'insérer dans des fiches femelles
disposées sur un ensemble porte-contact de l'embase, et
en ce que les flasques sont munis d'ouvertures.
Dans un mode de réalisation avantageux,
l'embase est munie en ses deux extrémités supérieure et
inférieure respectivement de l'ensemble porte-contact
et d'un connecteur, ledit ensemble comprenant les
fiches femelles disposées sur le flasque inférieur et
connectëes par des fils conducteurs à des cosses du
connecteur. Un corps cylindrique de protection de la
chambre est fixé sur la partie supérieure dew 1~'~emba-se~.
Avantageusement l'anode est en acier inoxydable
les deux flasques sont en PTFE,~ en' céramique ou en
matériau mixte (céramique + PTFE), la cathode comprend
un fil en platine, par exemple de diamètre de 0,05 mm.
Pl~ilteCl"~1, Oô ~D(~~~ ~ i 32 61. 3 DH
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La présente invention concerne également une
chaîne de mesure d'activité d'un gaz émetteur de
rayonnement (3 comprenant une telle chambre
d'ionisation, un ensemble de préamplification monté
juste derrière la chambre d'ionisation, une
électronique de traitement du signal déportée et un
câble de liaison entre l'ensemble de préamplification
et l'électronique de traitement. Avantageusement
l'ensemble de préamplification réalise une conversion
analogique/numérique.
La chaîne de mesure peut être, par exemple, une
chaîne de mesure tritium.
La présente invention concerne aussi un procédé
de mise en oeuvre de cette chambre d'ionisation, tel
que l'on puisse avoir l'une des trois variantes
suivantes, dans lequel on fait circuler un courant de
chauffe dans la cathode .
- pendant la mesure, de manière' à créer des
mouvements de convection du mélange gazeux à mesurer ;
- pendant la mesure, de manière à stabiliser la
température du capteur et à influer sur l'hygrométrie
du mélange gazeux ;
- lors d'un étuvage sous vide de
décontamination, la température étant supérieure à
400 °C.
Brève description des dessins
Les figures l et 2 illustrent deux chambres
d'ionisation de l'art antérieur.
Les figures 3 et 4 illustrent la chambre
d'ionisation de l'invention.
La figure 5 illustre l'ensemble chambre
d'ionisation + ensemble de préamplification selon
l'invention.
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La figure 6 illustre des courbes de mesure
comparatives obtenues pour une chambre d'ionisation de
l'art connu et pour la chambre d'ionisation de
l'invention.
La figure 7 illustre la chaîne de traitement
selon l'invention.
La figure 8 illustre un exemple de réalisation
de la chaîne illustrée sur la figure 7.
Exposé détaillé de modes de réalisation
Comme illustré sur les figures 3 et 4 une
chambre d'ionisation 34 selon l'invention, de forme
cylindrique, comprend une anode centrale 35 formée par
une barre en matériau conducteur électrique, par
exemple en acier inoxydable, deux flasques cylindriques
inférieur 36 et supérieur 37 en matériau amagnétique et
isolant, par exemple en céramique, en PTFE ou en
matériau mixte (céramique + PTFE), centrés sur l'anode
35 et disposés perpendiculairement à celle-ci en ses
deux extrémités, et une cathode 38 formée d'un fil en
matériau conducteur, par exemple en platine, bobiné sur
la partie périphérique de ces deux flasques 36 et 37,
pour ainsi entourer l'anode 35. Comme illustré sur la
figure 4 ces deux flasques 36 et 37 sont munis
respectivement de trois ouvertures 50 de forme
circulaire, ce qui a pour avantage d'alléger la
structure et de diminuer la surface contaminable.
L'anode 35, en son extrémité inférieure, est
reliée à une première fiche mâle 39. Les deux
extrémités du fil formant la cathode 38 sont raccordées
à deux autres fiches mâles 39 disposées sur le flasque
inférieur 36.
Cette figure 3 illu/Stre également une bride
connecteur 41, formant embase mécanique, munie en ses
deux extrémités supérieure et inférieure respectivement
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d'un ensemble porte-contact 40 et d'un connecteur 42.
L'ensemble 40 comprend des fiches femelles 47, par
exemple au nombre de quatre, aptes à recevoir les
fiches mâles 39, par exemple au nombre de quatre,
disposées sur le flasque inférieur 36, et connectées
par des fils conducteurs 49 à des cosses du connecteur
42, la chambre 34 étant ainsi amovible. Sur la partie
supérieure de la bride 41 est fixé un corps cylindrique
de protection 43, qui est démonté dans les phases de
mesure. Sont également représentés une bague 45 et un
écrou 44 permettant la fixation des flasques 36 et 37
sur l'anode, un canon isolant 46, un joint revêtu inox
48.
Une telle structure permet de résoudre
différents problèmes existant dans les dispositifs de
l'art connu .
~ Les flasques 36 et 37 permettent d'atteindre
des niveaux de bruit de fond inférieurs à 5.10-14 A, ce
qui est indispensable pour la mesure de faibles
courants.
~ Les flasques 36 et 37 permettent de ne plus
avoir recours à une structure en anneaux de garde pour
délimiter précisément les lignes de champs électriques
dans la chambre.
~ La cathode bobinée 38 en fil extrêmement fin,
par exemple 0, 05 mm de diamètre, permet de diviser par
un certain nombre n, par exemple 16, la surface active
de la chambre. Un tel bobinage permet de tendre vers
une notion d' « électrode immatérielle », qui serait
évidemment idéale pour éliminer la contamination de
surface. Les résultats obtenus. montrent une baisse du
bruit de fond dû à la contamination surfacique. Outre
la fiabilité des mesures qui~s'en trouve améliorée, le
coût de maintenance corrective est également minimisé
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car le remplacement des détecteurs devient moins
fréquent.
~ La décontamination de la chambre d'ionisation
34 par étuvage à 400 °C sous vide est possible. Les
flasques doivent alors être en céramique pour des
raisons de tenue à la température et de non dégazage
dans l'enceinte sous vide.
~ Le fait que la cathode 38 soit un bobinage de
type série imbriqué autorise trois possibilités de mise
en oeuvre de la chambre d'ionisation .
1 La circulation d'un courant de chauffe
pendant la mesure de manière à créer des
mouvements de convection du mélange gazeux
à mesurer (mélange plus homogène).
1 La circulation d'un courant de chauffe
pendant la mesure de manière à stabiliser
la température de la chambre et à influer
sur l'hygrométrie du mélange gazeux.
1 La circulation d'un courant de chauffe dans
la cathode lors d'un éventuel étuvage sous
vide de décontamination (la température
minimale requise est de 400 °C).
~ La structure autoporteuse de la chambre 34
fait que celle-ci devient un élément consommable sans
qu'il soit nécessaire de remplacer ni la bride 41, ni
la connectique associée. Les fonctions fixation
mécanique de la chambre 34 sur l'embase 41 et
continuité électrique de la chambre 34 sont assurées
par l'ensemble des connecteurs mâles 39 et des
connecteurs femelles 47. Cette solution est rendue
possible par l'extrême légèreté de la chambre
d'ionisation 34, qui est par exemple de 30 g. Le coût
de la chambre d'ionisation selon l'invention est de
7 000 F environ à comparer au 14 000 F d'une chambre de
100 cm3 de l'art connu. Outre le fait que de telles
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chambres se remplacent moins souvent (faible
contamination surfacique), leur coût est divisé environ
par deux, la maintenance corrective sur celles-ci est
donc largement diminuée.
5 ~ La bride 41 est testée en étanchéité, le
système peut donc être monté sur un procédé de
fabrication Tritium sans remettre en cause son
confinement.
~ Le remplacement de la chambre d'ionisation 34
10 en cas de bruit de fond trop important dû à la
contamination ou en cas de panne génère une quantité de
déchets de seulement environ 30 g.
Comme illustré sur la figure 5 un ensemble de
préamplification 51 peut être monté dans l'embase 41
juste derrière la chambre d'ionisation 34. I1 permet
d'amplifier et de numériser le signal sortant de ladite
chambre.
Pour mesurer le courant généré par la chambre
d'ionisation 34, le courant collecté par les électrodes
de la chambre traverse une résistance de forte valeur
(R=1011 S2). On mesure alors la différence de potentiel
aux bornes de cette résistance et on en déduit
l'intensité qui y circule.
Un exemple de mesure de cette intensité est
présenté sur la figure 6, correspondant à une mesure
d'activité dans une boîte à gants en grandeurs réelles,
pour une chambre d'ionisation de l'art connu (I) et
pour la chambre d'ionisation de l'invention (II). I1 y
a bien linéarité entre les deux courbes de réponse
obtenues pour une mise en contamination programmée.
La chaîne de mesure ~1'activité de gaz émetteur
de rayonnement ~i selon l'invention, comme illustrée sur
la figure 7, comprend une chambre d'ionisation 34 telle
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que décrite ci-dessus, un ensemble de préamplification
51, une électronique de traitement du signal 52 et un
câble de liaison 53 entre l'ensemble de
préamplification 51 et l'électronique de traitement 52.
L'électronique 52 peut être déportée à plusieurs mètres
de l'ensemble décrit dans la figure 5.
L'électronique de traitement 52 comprend
plusieurs ensembles .
- fonctions internes .
~ alimentation,
~ horloge sauvegardée,
~ mémoires mortes et vives,
~ gestion de l'entrée clavier et de la
sortie affichage ;
- liaisons avec la chambre d'ionisation 34 .
~ alimentation de l'ensemble de
préamplification 51,
~ alimentation de la chambre d'ionisation 34
(tension d'ionisation),
~ acquisition des valeurs de courant et de
température,
~ génération d'un courant de chauffe à la
chambre d'ionisation 34,
~ commutation des électrodes de la chambre
34 ;
- entrées/sorties analogiques .
~ quatre entrées analogiques 4 à 20 mA
correspondant à des capteurs optionnels
situés en entrée,
~ deux sorties analogiques isolées A et B, 4
à 20 mA, 500 ohms ;
- entrées/sorties « tout ou rien » ou « TOR » .
~ deux entrées ~« tout ou rien » non
alimentées,
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~ trois sorties relais inverseurs 5A, 250 V
reliées aux seuils d'alarmes A et B et à
un défaut d'état ;
- entrées/sorties numériques .
~ une liaison RS 232 9600 Bauds
(communication MINC),
~ un interface réseau, par exemple BITBUS.
Les fonctions générales assurées par l'ensemble
de préamplification 51 et l'électronique de traitement
52 sont les suivantes .
~ Alimenter la chambre d'ionisation 34 (tension
d'ionisation).
~ Produire et réguler le courant de chauffage
de la chambre 34 (régulation par la résistivité du fil
chauffant 38).
~ Acquérir, numériser et retransmettre le
courant d'ionisation.
~ Acquérir, numériser et retransmettre la
température de l'ensemble de préamplification 51 pour
une compensation des éventuelles dérives thermiques.
~ Corriger les dérives de la chaîne dues à la
polarisation de la chambre 34, soit par synchronisation
avec commande externe, soit par compensation d'une
valeur fixe ou proportionnelle à la contamination.
~ Convertir linéairement le courant
d'ionisation en unités d'activité instantanée (LDCA,
CMA, ~Ci/m3, GBq/m3, ou TBq/m3) .
~ Intégrer le courant d'ionisation en fonction
de différentes périodes de temps.
~ Acquérir les valeurs analogiques de débit,
température et pression, fournies par des capteurs
extérieurs optionnels et calculer le débit instantané
du gaz rapporté aux conditions normales (1013 mB,
20 °C).
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~ Intégrer le débit instantané calculé en
fonction de différentes périodes de temps.
~ Intégrer l'activité instantanée en fonction du
volume pour une expression de la contamination en ~,Ci,
GBq ou TBq sur des périodes glissantes de 1 minute,
3 minutes, 15 minutes, 1 heure, 6 heures, 1 jour, 1
semaine, 4 semaines.
~ Retransmettre les différentes informations
sous forme de signaux analogiques ou de liaisons
numériques.
~ Élaborer et retransmettre deux contacts de
dépassement de seuils et gérer une procédure
d'acquittement avec proposition d'une nouvelle consigne
échelonnée et temporisée par programmation.
~ Élaborer et retransmettre un contact d'état de
l'électronique.
Ces deux ensembles 51 et 52 permettent
d'obtenir les avantages suivants .
- la numérisation du signal, qui permet une
plus grande fiabilité des mesures et une meilleure
précision, et qui permet à la chaîne d'être moins
sensible aux perturbations électromagnétiques (surtout
en ce qui concerne le câble de liaison 53). La chaîne
dans sa globalité est conforme aux nouvelles normes CEM
(compatibilité électro-magnétique) ;
- le changement de gamme automatique permettant
de couvrir les différentes, par exemple six, décades de
l'étendue de mesure est maintenant réalisé en statique
(non plus par relais) d'où une meilleure précision et
une fiabilité accrue ;
- la compensation des écarts de température au
niveau de l'ensemble de préanyplification 51 garantit la
stabilité et la reproductibilité des mesures ;
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- une minimisation importante du coût de
revient . réduction de coût envisagé de 44 ~S.
La figure 8 illustre un exemple de réalisation
des circuits constituant les différents éléments de la
chaîne, à savoir .
- la chambre d'ionisation 34 ;
- l'ensemble de préamplification 51 comprenant
un amplificateur 56, un amplificateur d'isolement 57,
un convertisseur analogique/numérique 14 bits 58, une
résistance Rc de compensation en température, deux
résistances R1 et R2 correspondant à deux positions
d'alimentation de la cathode ;
- le câble de liaison 53 ;
- l'électronique de traitement du signal 52
comprenant .
~ une option réseau MINC + BITBUS 60,
~ une alimentation 61 qui reçoit du 220 V et
qui délivre du 0 V, 5 V et ~12 V,
~ une unité centrale 62 qui comporte par
exemple un microprocesseur ~,P, une mémoire
RAM, une mémoire EPROM, et ur~ unité RTC,
~ un interface 63 ;
- un ensemble écran de visualisation + clavier
65.
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REFERENCES
[1] « Tritium And Other Radiogas Monitors » (Overhoff
Technology Corporation)
