DISPOSITIF D'IONISATION, CHAINE DE MESURE D'ACTIVITE

D'UN GAZ EMETTEUR DE RAYONNEMENT β ET PROCEDE DE MISE

EN OEUVRE DE CE DISPOSITIF

DESCRIPTION

Domaine technique

La présente invention concerne un dispositif d'ionisation, une chaîne de mesure d'activité d'un gaz émetteur de rayonnement β, qui peut par exemple être une chambre de mesure tritium, et un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif.

Etat 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 β 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 ^~8 A.

Le document référencé [2] décrit une chambre d'ionisation. Cette chambre d'ionisation 10, qui est illustrée sur les figures 1 et 2, est de forme cylindrique. Elle comprend une anode centrale 11 formée par une barre en matériau conducteur électrique, par

exemple en acier inoxydable, deux flasques cylindriques inférieur 12 et supérieur 13 en matériau amagnétique et isolant, centrés sur l'anode 11 et disposés perpendiculairement à celle-ci en ses deux extrémités, et une cathode 14 formée d'un fil en matériau conducteur bobiné sur la partie périphérique de ces deux flasques 12 et 13, pour ainsi entourer l'anode 11.

L'anode 11, en son extrémité inférieure, est reliée à une première fiche mâle 16. Les deux extrémités du fil formant la cathode 14 sont raccordées à deux autres fiches mâles 16 disposées sur le flasque inférieur 12.

La figure 1 illustre également une embase mécanique 20, munie en ses deux extrémités supérieure et inférieure respectivement d'un ensemble porte- contact 21 et d'un connecteur 22. L'ensemble 21 comprend quatre fiches femelles 23, aptes à recevoir quatre fiches mâles 16 disposées sur le flasque inférieur 12. Ces fiches femelles 23 sont connectées par des fils conducteurs 24 à des cosses du connecteur 22. La chambre d'ionisation 10 est ainsi amovible.

Sur la partie supérieure de la bride 20 est fixé un corps cylindrique de protection 25, qui est démonté dans les phases de mesure. Sont également représentés une bague 26 et un écrou 27 permettant la fixation des flasques 12 et 13 sur l'anode, un canon isolant 28, un joint revêtu inox 29.

Comme illustré sur la figure 2 ces deux flasques 12 et 13 sont munis respectivement de trois ouvertures 15 de forme circulaire, ce qui permet

d'alléger la structure et de diminuer la surface contaminable .

Ce document référencé [2] décrit également une chaîne de mesure d'activité de gaz émetteur de rayonnement β qui comprend une chambre d' ionisation telle que décrite ci-dessus, un ensemble de préamplification, une électronique de traitement du signal et un câble de liaison entre l'ensemble de préamplification et l'électronique de traitement. L'électronique peut être déportée à plusieurs mètres de l'ensemble de préamplification.

La figure 3 illustre une telle chaîne de mesure de l'art connu comprenant :

- un préamplificateur 70 relié d'une part à une chambre d'ionisation de l'art connu 10 (tension d'ionisation Ui et courant d'ionisation Ii) et d'autre part à :

- un tiroir de mesure 71, reliés entre eux par un câble 83 d'une longueur maximale de 25 mètres. Ce câble, composé de plusieurs fils, véhicule différentes tensions analogiques et numériques .

Le préamplificateur 70 comprend : un étage analogique 72 comprenant un électromètre 69,

- un étage de numérisation 73.

Le tiroir de mesure 71 comprend un étage analogique 74 et un étage numérique 68 comprenant :

- un module de stockage de paramètre 75, - un module de surveillance des états 76,

- un module de calcul de courant 77,

- un module de changement de gamme 78,

- un module de calcul d'activité 79,

- un interface utilisateur 80,

- un module de gestion des entrées sorties 81, - un module d'élaboration des alarmes 82.

Dans le dispositif de l'art connu illustré sur les figures 1 et 2 le passage étanche, qui est la pièce intermédiaire entre la chambre d' ionisation et son électronique de mesure, présente plusieurs défauts qui influencent la qualité de mesure.

Ce passage étanche, en effet, assure la liaison électrique entre la chambre d' ionisation placée dans un milieu potentiellement contaminé et son électronique placée en milieu non contaminé, et joue le rôle de support pour la chambre d'ionisation. Il doit être soumis à un test d'étanchéité à l'hélium pour garantir la non dissémination de matière radioactive vers l'extérieur de la boîte à gants.

L'étanchéité du flasque porte-contacts est réalisé à l'aide de résine. Cette résine mal polymérisée peut engendrer des courants de fuites venant parasiter la mesure.

Les défauts d' isolement du passage étanche sont liés à la qualité de l'isolation des connections électriques. Ces défauts ont deux conséquences directes sur la mesure :

• ils contribuent à dériver une partie du courant d' ionisation à la masse introduisant par là même une erreur de gain dans la mesure,

• ils introduisent un décalage constant de la meure par superposition d'un courant issu du potentiel d'ionisation provoquant de ce fait une erreur de zéro.

De plus dans la chaîne de mesure de l'art connu, la mesure est parasitée par des courants de fuite circulant entre l'anode et la cathode de la chambre d'ionisation. Ces courants ont pour origine la haute tension de la chambre d' ionisation et la présence de champs électromagnétiques ambiants. Il en résulte une limitation des mesures à des valeurs minimales de

ICT ¹⁴ A. Les courants parasites se superposent à la mesure et doivent donc être éliminés.

La présente invention a pour objectif de pallier ces inconvénients en permettant de réduire les volumes et les masses des éléments de la chaîne de mesure et donc, à terme, de générer un volume plus faible de déchets potentiellement contaminés.

Exposé de l'invention La présente invention concerne un dispositif d' ionisation de forme cylindrique comportant une chambre d'ionisation amovible apte à venir s'insérer dans une embase, cette chambre comprenant une anode formée d'une barre centrale en matériau conducteur électrique et une cathode en matériau conducteur électrique entourant ladite anode, reliées toutes deux à deux flasques cylindriques, centrés sur l'anode et disposés perpendiculairement à celle-ci en ses deux extrémités, la cathode étant formée de fils reliés sur la partie périphérique de ces deux flasques, caractérisé en ce que chacun de ces deux flasques

intègre un circuit collecteur de courants parasites, et est isolé de l'anode, en ce que les deux flasques sont reliés entre eux par un faisceau de fils reliés entre eux par des pistes conductrices internes à ces deux flasques pour former la cathode, et en ce qu'un dernier fil parallèle aux autres relie les circuits de collecte de courants parasites, internes à ces deux flasques.

Dans un mode de réalisation avantageux, l'embase est munie en ses deux extrémités supérieure et inférieure respectivement d'un ensemble porte-contacts et d'un connecteur. Ledit ensemble comprend des fiches femelles aptes à recevoir des fiches mâles disposées sur le flasque inférieur. Ces fiches femelles sont connectées par des fils conducteurs à des cosses du connecteur. Un corps cylindrique de protection de la chambre peut être fixé sur la partie supérieure de 1' embase .

Dans un mode de réalisation avantageux, le flasque inférieur comporte des fiches mâles : - une fiche centrale du circuit de mesure,

- une/des fiche (s) radiale (s) pour alimenter la haute tension,

- une autre fiche radiale pour la collecte des courants parasites.

La présente invention concerne également une chaîne de mesure d'activité d'un gaz émetteur de rayonnement β comprenant un tel dispositif d' ionisation, un ensemble de préamplification, qui peut être monté juste derrière la chambre d'ionisation, une électronique de traitement du signal déportée et une

liaison de communication de type CAN entre l'ensemble de préamplification et l'électronique de traitement.

Avantageusement, l'ensemble de préamplification comprend un convertisseur analogique/numérique 24 bits. Cette chaîne de mesure peut être, par exemple, une chaîne de mesure tritium.

La présente invention concerne aussi un procédé de mise en oeuvre du dispositif d' ionisation, 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 ; de manière à stabiliser la température et à influer sur l'hygrométrie du mélange gazeux ; et lors d'un étuvage sous vide de décontamination, la température étant supérieure à 400 ⁰ C.

La chaîne de mesure de l'invention peut être utilisée dans de nombreuses applications, et notamment dans les domaines suivants :

- contrôle des rejets des cheminées d'un bâtiment ;

- mesures environnementales ; - réalisation d'un système de contrôle portable autonome ;

- réalisation d'un système de contrôle direct en sortie de zone réglementée.

Brève description des dessins

Les figures 1 et 2 illustrent un dispositif d'ionisation de l'art connu.

La figure 3 illustre une chaîne de mesure de l'art connu. La figure 4 illustre le dispositif d' ionisation de l' invention .

Les figures 5A à 5D et 6A à 6D illustrent deux éléments du dispositif d'ionisation selon l'invention.

La figure 7 illustre la chaîne de mesure de 1' invention .

La figure 8 illustre des courbes de mesure comparatives obtenues pour la chambre d'ionisation de l'art connu et pour la chambre d'ionisation de 1' invention .

Exposé détaillé des modes de réalisation

Comme illustré sur la figure 4 une chambre d'ionisation 30 selon l'invention, de forme cylindrique, comprend une anode centrale 31 formée par une barre en matériau conducteur électrique, par exemple en acier inoxydable, deux flasques cylindriques inférieur 32 et supérieur 33, centrés sur l'anode 31 et disposés perpendiculairement à celle-ci en ses deux extrémités, et une cathode 34 formée de fils en matériau conducteur, par exemple en platine, reliés sur la partie périphérique de ces deux flasques 32 et 33, pour ainsi entourer l'anode 31. Cette chambre d'ionisation est apte à venir s'insérer dans une embase 39. Cette embase 39 est munie, en sa partie supérieure, d'un ensemble porte-contacts 50 et, en sa

partie inférieure, d'un connecteur 51. L'ensemble porte-contacts 50 comprend cinq fiches femelles 52 aptes à recevoir cinq fiches mâles 53 disposées sur le flasque inférieur 32. Ces fiches femelles 52 sont connectées par des fils conducteurs 54 à des cosses du connecteur 51.

Un corps cylindrique de protection de la chambre peut être fixé sur la partie supérieure de 1' embase . Chacun des deux flasques 32 et 33, réalisés par exemple en céramique, intègre un circuit de collecte des courants parasites. Ces circuits permettent de collecter les courants parasites et de les dériver du circuit de mesure via des anneaux de garde 47 et 62 qui sont des pistes métallisées, par exemple de diamètre 10 mm entourant l'anode 31. Chacun des flasques est isolé de cette anode centrale 31 par une bague en PTFE. Les anneaux de garde 47 et 62 sont reliés à la masse électrique . Comme illustré sur les figures 5A à 5D, le flasque inférieur 32 comprend ainsi un circuit formé d'un ensemble de couches, en forme de disques à savoir, au minimum :

- une couche conductrice 42 comprenant une piste annulaire extérieure 45 percée de trous métallisés 55, reliée à trois trous radiaux métallisés 46 ; cette couche centrale 42 comprenant également un trou métallisé central 47 relié à un trou métallisé radial 48 et à un trou extérieur 49 par une piste 50, - une ou deux couches isolantes 41 et 43 accolées à la couche 42,

- et éventuellement deux couches conductrices extérieures 40 et 44.

Comme illustré sur les figures 6A à 6D, le flasque supérieur 33 comprend également un circuit conducteur formé d'un ensemble de couches en forme de disques; à savoir au minimum:

- une couche conductrice 57, identique à la couche 42, comprenant une piste annulaire extérieure 60 percée de trous métallisés 61 ; cette couche centrale 57 comportant également un trou central métallisé 62 relié à un trou extérieur métallisé 63 par une piste 64,

- une ou deux couches isolantes 56 et 58 accolées à la couche 57, - et éventuellement deux couches conductrices extérieures 55 et 59.

Les deux flasques 32 et 33 sont reliés entre eux par des fils parallèles soudés aux pistes conductrices pour former la cathode 34. Un fil, parallèle aux autres fils, relie entre eux les circuits de collecte des courants parasites des deux flasques 32 et 33.

Comme illustré sur la figure 4, le flasque inférieur 32, qui est le flasque porte-contacts, comporte au moins:

- au moins une fiche centrale 35 du circuit de mesure (anode 31),

- au moins une fiche radiale 36 pour alimenter la haute tension (cathode 34),

- une fiche radiale 37 pour le circuit de garde (mise à la masse des courants parasites) , qui sert aussi de détrompeur au montage.

Ces fiches permettent le montage de la chambre d'ionisation 30 sur l'embase 39.

Pour pallier aux inconvénients du dispositif d'ionisation de l'art connu, tels que définis précédemment, le passage étanche est modifié de la façon suivante : • Le flasque inférieur porte-contacts 32 est amélioré. Des plots d'isolement sont vissés en force dans le flasque 32. L'insertion de contacts électriques 37 dans ces plots d'isolement garantit l' étanchéité . De plus il n'y a plus utilisation de résine, qui risquerait de générer des courants parasites collectés par le circuit de mesure.

• Le circuit de masse est amélioré en reliant la masse mécanique à la masse analogique. Une telle liaison s'effectue par l'intermédiaire de la vis 102, fixée dans la masse métallique de l'ensemble porte- contacts 50. Cette vis est reliée à l'anneau de blindage du connecteur électrique 51 par la patte 103, elle-même soudée sur la tresse de blindage du fil 54.

La figure 7 illustre la chaîne de mesure de l'invention. Elle comprend :

- un préamplificateur haute-tension 85, relié d'une part à la chambre d'ionisation de l'invention 30 et d' autre part à - une électronique de traitement 86,

via une liaison bidirectionnelle 84 de type CAN. Le dialogue numérique entre le préamplificateur et le tiroir de mesure peut ainsi transiter via une paire de fils torsadés. Le préamplificateur 85 n'est plus alimenté que par une tension unique valim, fournie par l'électronique de traitement 86 ou par une alimentation externe .

Le préamplificateur 85 comprend : - un étage analogique 87, comme dans la chaîne de l'art connu, qui comprend un électromètre 67,

- un étage convertisseur analogique-numérique 88, 24 bits,

- un étage numérique 89 comprenant : • un module de stockage des paramètres 90,

• un module de surveillance des états 91,

• un module de calcul du courant-correction- filtrage 92,

• un module de changement de gamme 93, • un module bus de transmission 94,

• un voyant d'état 95.

L'électronique de traitement 86 (tout numérique) comprend :

• un module de calcul de l'activité 96, • un interface utilisateur 97,

• un interface de gestion des entrées-sorties 98,

• un module d'élaboration des alarmes 99. L'amélioration de l'immunité de la chambre d'ionisation 30 aux courants parasites permet

d'améliorer également les performances de l'électronique de mesure associée, et notamment du préamplificateur 85. Ce préamplificateur est capable de mesurer des courants pouvant descendre jusqu'à ICT ¹ VlCr ¹⁷ ampères. De telles améliorations portent sur l'étage analogique, les niveaux d'isolement et la conversion analogique-numérique :

- Dans l'étage analogique 87, on réalise une implantation soignée des composants à l'intérieur du préamplificateur ce qui permet de compenser la principale grandeur d' influence qui est la température du préamplificateur.

- En ce qui concerne les niveaux d' isolement des cartes électroniques, ceux-ci sont définis en réalisant une implantation soignée des composants et des points d' équipotentialité .

La conversion analogique-numérique 88 est améliorée par la mise en place d'un convertisseur de meilleure résolution pour augmenter la sensibilité de la chaîne de mesure.

La distance de dialogue entre le préamplificateur 85 et son électronique de mesure 86 est améliorée en utilisant une liaison bidirectionnelle 84 performante, ce qui permet de passer à une distance de plusieurs centaines de mètres entre le préamplificateur et son électronique de traitement.

Test de la chaîne de mesure

Une chaîne de mesures prototype a permis de procéder à des premiers essais. Cette chaîne de mesure prototype est composée d'un tiroir de mesure, d'un

préamplificateur, d'un passage étanche et d'une chambre d'ionisation selon l'invention. Ce tiroir de mesure est doté d'une liaison communication de type CAN avec son préamplificateur. Le préamplificateur comporte une compensation de température et un convertisseur analogique/numérique de 24 bits.

Ces essais consistent à injecter une activité tritium connue sur deux chaînes de mesures montées en ligne : une chaîne de mesure de l'art connu telle qu'illustrée sur la figure 3 et la chaîne de mesure de l'invention illustrée sur la figure 7. Une activité proche de 1 LDCA (ou limite Dérivée de la Concentration dans l'Air, qui est de 800 000 Bq/m ³ ) , puis une autre proche de 10 LCDA ont été injectées. Les résultats obtenus sont visibles sur la figure 8, la courbe 100 correspondant à des valeurs moyennes mesurées avec la chaîne de mesure de l'art connu et la courbe 101 correspondant à des valeurs moyennes mesurées avec la chaîne de mesure de l'invention. La chaîne de mesure de l'invention est nettement plus performante que la chaîne de l'art connu dans les basses activités. En effet, cette dernière ne peut pas mesurer des activités inférieures à 5,5 LDCA alors que la chaîne de l'invention en est tout à fait capable et affiche une mesure moyenne de 0,85 LDCA pour 1, 01 LDCA injectés.

Cette amélioration est encore plus probante pour une activité de 10.4 LDCA injectés. La chaîne de mesure de l'art connu mesure 0,60 LDCA et la chaîne de mesure de l'invention 9,63 LDCA de moyenne.

REFERENCES

[1] « Tritium And Other Radiogas Monitors » (Overhoff

Technology Corporation)

[2] US 6,734,433