[0001] La présente invention a pour objet une chambre d'ionisation permettant de mesurer
des rayonnements gamma de haute énergie. Elle permet en particulier de mesurer des
rayonnements gamma dont l'énergie est voisine de 6 MeV. De tels rayonnements gamma
sont notamment émis par l'azote 16 induit, par réactions nucléaires, dans l'eau de
la cuve d'un réacteur à eau sous pression. La mesure de ces rayonnements gamma, et
donc de la quantité d'azote 16 formée, est l'un des moyens utilisés pour connaître
la puissance d'un réacteur et pour déterminer la vitesse et le débit du fluide circulant
dans le circuit primaire du réacteur.
[0002] De façon générale, une chambre d'ionisation comprend une enceinte étanche, remplie
d'un gaz ionisable, et une ou plusieurs électrodes permettant de créer un champ électrique
à l'intérieur de l'enceinte. Lorsqu'un rayonnement nucléaire traverse le gaz de la
chambre, celui-ci se trouve ionisé. En présence du champ électrique, les charges produites
subissent, dans la direction du champ, un entraînement qui se superpose à leur agitation
thermique. Cet entraînement des charges et notamment des ions formés permet d'induire,
à travers les électrodes, un courant dit d'ionisation que l'on mesure.
[0003] La chambre d'ionisation, qui représente un détecteur bien adapté à la mesure de rayonnements
gamma peut permettre la mesure de rayonnements gamma présentant un débit de dose allant
de l à 100 rad/heure. Pour effectuer de telles mesures de rayonnements gamma, et notamment
des rayonnements émis par l'azote 16, induite dans l'eau de la cuve d'un réacteur,
la chambre d'ionisation, compte tenu des conditions d'environnement et du fait qu'aucune
intervention humaine n'est possible pendant le fonctionnement du réacteur, doit présenter
les caractéristiques suivantes :
- grande sensibilité pour les photons gamma de haåte énergie,
- bonne tenue en température,
- bonne tenue aux vibrations,
- bande passante élevée permettant la mesure de fluctuations,
- grande robustesse, et
- durée de vie importante.
[0004] Les chambres d'ionisation servant actuellement à une telle mesure et qui présentent
notamment une faible sensibilité à la température présentent une faible sensibilité
aux photons gamma de grande énergie, nécessitant l'utilisation d'amplificateurs qui
eux sont très sensibles à la température ainsi qu'à l'humidité ambiante.
[0005] La présente invention a justement pour objet une chambre d'ionisation pour la mesure
de rayonnements gamma de haute énergie permettant de remédier à cet inconvénient.
En plus de sa grande sensibilité aux rayonnements gamma de haute énergie et sa bonne
tenue en température, la chambre d'ionisation selon l'invention présente toutes les
autres caractéristiques citées ci-dessus.
[0006] De façon plus précise, l'invention a pour objet une chambre d'ionisation permettant
de mesurer des rayonnements gamma de haute énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend
une enceinte cylindrique étanche, contenant un gaz ionisable, et plusieurs électrodes
cylindriques coaxiales isolées les unes des autres, situées à l'intérieur de l'enceinte
et portées à des potentiels différents de façon à créer un champ électrique dans l'enceinte,
l'électrode la plus interne étant forcée d'un cylindre plein, l'électrode la plus
externe formée d'un tube plein et les électrodes intermédiaires formées d'un tube
perforé.
[0007] De préférence, la chambre d'ionisation comporte cinq électrodes.
[0008] L'utilisation de plusieurs électrodes portées à des potentiels différents et dont
certaines, les électrodes non extrêmes, sont perforées permet d'augmenter le libre
parcours moyen des électrons formés dans l'enceinte de la chambre ce qui conduit à
augmenter, dans la chambre, par rapport au nombre de photons gamma incidents, le nombre
d'interactions nucléaires, ainsi que le courant électrique induit pour chaque interaction.
L'augmentation du libre parcours moyen des électrons permet d'obtenir une grande sensibilité
pour la détection de rayonnements gamma de haute énergie.
[0009] Selon un mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, les électrodes
perforées présentent une transparence comprise entre 30 et 40 %. Cette transparence
permet d'optimiser le courant d'ionisation induit dans la chambre.
[0010] Dans une chambre d'ionisation servant à la détection de photons de grande énergie,
c'est-à-dire des photons dont l'énergie est supérieure à 1 MeV, l'essentiel des interactions
nucléaires (effet Compton, effet de matérialisation d'un photon, c'est-à-dire production
d'une paire d'électron-positon), et donc du courant induit est produit dans les parois
de l'enceinte et dans les électrodes. Pour optimiser le nombre d'interactions et donc
le courant induit, l'épaisseur de la paroi de l'enceinte, ainsi que le matériau constituant
cette paroi et les électrodes, doivent être choisis en fonction de l'énergie des rayonnements
gamma à mesurer.
[0011] Selon l'invention, la détection de rayonnements gamma présentant une énergie voisine
de 6 MeV est effectuée en utilisant une enceinte dont l'épaisseur est comprise entre
3 et 4 mm, réalisée de préférence en acier inoxydable. De même, les électrodes peuvent
être réalisées en acier inoxydable, les électrodes intermédiaires étant constituées
chacune par des feuilles d'acier perforées, roulées et soudées entre elles.
[0012] Par ailleurs, étant donné que le courant d'ionisation induit dépend de la nature
et de la pression du gaz, on utilisera de préférence un gaz contenant 98 à 99 % en
poids de xénon et présentant par exemple une pression comprise entre 8,8 et 9,2 bars
absolus.
[0013] Selon un autre mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, les différentes
électrodes présentent entre elles des écarts tels que le champ électrique soit uniforme
dans toute l'enceinte. L'obtention dans un champ électrique présentant la même intensité
dans toute l'enceinte permet d'assurer une bonne collection des ions formés ainsi
que d'optimiser la bande passante de la chambre.
[0014] Selon un autre mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, l'une des
extrémités des électrodes est fixe et l'autre extrémité est maintenue en position
par des premiers moyens élastiques permettant un déplacement axial et par des seconds
moyens élastiques permettant un déplacement radial.
[0015] Par ailleurs, la chambre d'ionisation selon l'invention, peut comprendre des troisièmes
moyens élastiques agissant axialement et uniquement sur ladite autre extrémité des
électrodes intermédiaires.
[0016] Ces différents moyens élastiques permettent d'obtenir une chambre d'ionisation insensible
à la température et aux vibrations.
[0017] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description
qui suit, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins
annexés,sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma de principe d'une chambre d'ionisation selon l'invention
illustrant notamment la structure des électrodes de la chambre,
- la figure 2 représente des courbes donnant l'intensité du courant d'ionisation I,
exprimé en ampère, en fonction de la tension de polarisation V des électrodes, exprimé
en volt ; ces différentes courbes sont données pour différentes pressions du gaz ionisable
et pour une transparence des électrodes perforées de 39%, et
- la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de la chambre
d'ionisation selon l'invention.
[0018] Sur la figure 1, on a représenté le schéma de principe de la chambre d'ionisation
selon l'invention. Cette chambre d'ionisation comprend une enceinte cylindrique étanche
2 présentant un axe de révolution 3 et constituée d'une virole 4 fermée respectivement
aux deux extrémités par un flasque inférieur 6 et un flasque supérieur 8. Ces flasques
6 et 8, prenant appui sur des épaulements 9 de la virole 4 sont soudés sur ladite
virole au moyen de soudures telles que 10. L'enceinte étanche 2 est remplie d'un gaz
ionisable qui peut être introduit dans l'enceinte au moyen d'un queusot 12, scellé
après remplissage de l'enceinte.
[0019] La chambre d'ionisation comprend aussi des électrodes cylindriques 14 disposées coaxialement
dans l'enceinte 2 suivant l'axe 3 de ladite enceinte. Les électrodes 14, qui sont
par exemple au nombre de cinq, comme représenté sur la figure, sont constituées d'une
électrode externe portant la référence 14a, de trois électrodes intermédiaires, portant
les références 14b, 14c et 14d et d'une électrode centrale portant la référence 14e.
[0020] L'utilisation d'un nombre élevé d'électrodes (par exemple 5) permet, notamment, d'augmenter
le volume utile à la détection de la chambre d'ionisation par rapport au volume total
de ladite chambre et donc d'augmenter le libre parcours moyen des électrons dans la
chambre, lors de la traversée de celle-ci par un rayonnement gamma.
[0021] Les électrodes 14a, 14c et 14e sont reliées électriquement entre elles au moyen d'une
pièce conductrice 18 connectée, par l'intermédiaire d'une fiche 20 traversant le flasque
8, à la haute tension (HT). Cette fiche 20 est isolée du flasque 8 au moyen d'un isolant
22 peu sensible aux variations de température tel que la stéatite.
[0022] De même, les électrodes 14b et 14d sont reliées électriquement entre elles au moyen
d'une pièce conductrice 24 etconnectées, par l'intermédiaire d'une fiche 26 traversant
la pièce 18 puis le flasque 8, à la sortie notée S. Cette fiche 26 est isolée de la
pièce 18 et du flasque 8 au moyen d'un isolant 28 peu sensible aux variations de température
tel que la stéatite. Les électrodes 14b et 14d sont affectées à la collection des
ions formés dans l'enceinte, lors de la traversée de la chambre d'ionisation par un
rayonnement gamma.
[0023] Selon l'invention, l'électrode externe 14a est formée d'un tube plein, les électrodes
intermédiaires 14b, 14c et 14d sont formées d'un tube comportant des perforations
16 et l'électrode centrale 14e est formée d'un cylindre plein. L'utilisation d'électrodes
intermédiaires perforées permet d'accroître le libre parcours moyen des électrons
formés dans la chambre, lors de la traversée de celle-ci par un rayonnement gamma,
et donc d'augmenter le nombre d'interactions nucléaires.
[0024] Selon l'invention, la transparence des électrodes intermédiaires, c'est-à-dire la
proportion de surface trouée, est comprise entre 30 et 40 % et par exemple voisine
de 32%. Cette transparence a été déterminée expérimentalement de façon à optimiser
le courant d'ionisation ainsi que la pente de la caractéristique courant-tension.
[0025] Sur la figure 2, on a représenté, pour différentes pressions du gaz ionisable, l'intensité
du courant d'ionisation I, exprimée en ampère, en fonction de la tension de polarisation
V appliquée aux électrodes, exprimée en volt. Pour ces mesures, la chambre d'ionisation
était remplie d'un gaz contenant 99% de xénon et 1% d'azote, les électrodes étaient
au nombre de quatre et la transparence des électrodes intermédiaires était de 39%.
[0026] Sur cette figure, on constate que l'obtention d'un plateau, c'est-à-dire d'une pente
nulle, sur les courbes courant-tension est obtenue à partir d'une tension de polarisation
(HT) de 450 V ; ces courbes permettent donc de déterminer pour une transparence donnée,
la tension de polarisation à appliquer pour obtenir une pente nulle.
[0027] Comme on l'a dit précédemment, le courant d'ionisation dépend de la nature du gaz
ionisable ainsi que de sa pression.
[0028] Des études sur la nature du gaz, dans des conditions normales de pression et de température,
ont permis de montrer que parmi les gaz ionisables pouvant être utilisés dans la chambre
d'ionisation, tels que l'azote, l'oxygène, l'air, l'argon ou le xénon, le xénon présente
le plus faible coefficient d'attachement électronique et que la valeur du courant
d'ionisation obtenue avec ce gaz est la plus élevée. Selon l'invention, le gaz ionisable
contient 98 à 99 % en poids de xénon. Le gaz peut être par exemple constitué de 98%
en poids de xénon et de 2% en poids d'azote, lorsque l'on désire détecter des photons
gamma présentant une énergie voisine de 6 MeV, tels que ceux émis par l'azote 16 induit
dans l'eau de la cuve d'un réacteur à eau sous pression.
[0029] Par ailleurs, il ressort des courbes de la figure 2 que plus la pression du gaz est
élevée plus le courant d'ionisation est élevé. On a donc tout intérêt à utiliser une
pression élevée. De plus, pour tenir compte de la tension de polarisation la plus
basse que l'on peut utiliser (450 V), la pression du gaz est choisie de préférence
entre 8,8 et 9,2 bars absolus.
[0030] Lors de la détection de photons gamma présentant une énergie de 6 MeV on utilisera,
par exemple, un gaz à base de xénon présentant une pression voisine de 9 bars.
[0031] Afin d'assurer une bonne collection des ions formés dans la chambre d'ionisation,
et afin d'optimiser la bande passante, les écarts entre les différentes électrodes
14 sont choisis de façon à obtenir dans toute l'enceinte un champ électrique uniforme.
En effet, on peut montrer par un calcul simple que le champ électrique régnant dans
un volume cylindrique compris entre deux électrodes cylindriques, présentant une différence
de potentiel donné, décroît au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'électrode
externe. En utilisant cinq électrodes espacées correctement, on peut obtenir un champ
électrique uniforme présentant une intensité de 2000 V/cm pour une tension de polarisation
(tension HT) de 1100 V. Il est à noter que pour une telle valeur de la tension de
polarisation, les courbes courant-tension de la figure 2 présentent bien une pente
nulle.
[0032] Comme on l'a dit précédemment, l'essentiel des interactions nucléaires, lors de la
détection d'un rayonnement gamma présentant une énergie élevée (supérieure à 1 MeV),
est produit dans les parois de l'enceinte et dans les électrodes. Pour optimiser le
nombre d'interactions, et donc le courant d'ionisation, l'épaisseur de la paroi de
l'enceinte ainsi que le matériau constituant cette paroi et les électrodes doivent
être choisis en fonction de l'énergie des rayonnements gamma à mesurer.
[0033] Lors de la détection de photons gamma ayant une énergie voisine de 6 MeV, on utilise
de préférence une enceinte 2 réalisée en acier inoxydable et présentant une épaisseur
comprise entre 3 et 4 mm et par exemple voisine de 3,5 mm. Cette épaisseur, déterminée
pour obtenir un grand nombre d'interactions nucléaires, est bien entendu aussi déterminée
pour tenir la pression élevée du gaz remplissant l'enceinte. Par ailleurs, les électrodes
peuvent être réalisées en acier inoxydable. Les électrodes intermédiaires peuvent
être réalisées sous la forme de feuilles d'acier inoxydable perforées, roulées et
soudées entre elles. Il est à noter que des électrodes intermédiaires constituées
de feuilles d'acier perforées présentent une rigidité mécanique supérieure aux électrodes
réalisées sous forme d'un grillage utilisées dans certaines chambres d'ionisation
de l'art antérieur. Ceci permet .de contribuer à la robustesse de la chambre de l'invention
et à sa durée de vie.
[0034] Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de la chambre d'ionisation
selon l'invention. Cette chambre comprend, comme sur le schéma de principe de la figure
1, une enceinte cylindrique 2, contenant un gaz ionisable, formée d'une virole 4 et
de deux flasques 6 et 8 soudés sur la virole à ses extrémités, un queusot 12 de remplissage
du gaz et cinq électrodes 14a, 14b, 14c, 14d et 14e correspondant respectivement à
l'électrode externe, aux trois électrodes intermédiaires perforées et à l'électrode
centrale.
[0035] Comme représenté sur la figure 3, les extrémités des électrodes 14a, 14c et 14e se
trouvant à proximité du flasque 8, sont supportées par une plaque conductrice cylindrique
18a, correspondant à la pièce 18 de la figure 1, connectée à la haute tension (HT)
au moyen d'une fiche 20 ; les extrémités des électrodes 14a et 14c sont emboîtées
dans la plaque 18a au niveau d'épaulement tel que 30 et l'extrémité de l'électrode
14e est vissée dans la plaque 18a. La plaque 18a, percée d'une ouverture 34 pour permettre
le passage du gaz à l'intérieur de l'enceinte (flèche F), est fixée au moyen de vis
telles que 36 sur une plaque de maintien 38. L'isolement des vis 36, au moyen d'un
manchon isolant 40, peu sensible aux variations de température, permet d'éviter tout
contact électrique entre les plaques 18a et 38. La plaque de maintien 38 est fixée
sur le flasque 8 au moyen d'un système à clavette 42 permettant d'éviter la rotation
de l'ensemble et assurant le bon positionnement des connexions à la haute tension
et à la sortie S.
[0036] De même, les extrémités des électrodes 14b et 14d se trouvant à proximité du flasque
8 sont solidaires de bagues métalliques telles que 44, montées sur des bagues isolantes
46, elles-mêmes emboîtées dans la plaque 18a. Ces bagues isolantes 46 permettent d'éviter
tout contact électrique entre les électrodes 14b, 14d et les électrodes 14a, 14c,
14e. Les bagues métalliques 44 sont reliées, par l'intermédiaire de fiches 42, traversant
les bagues isolantes 46, à une pièce métallique 24a, correspondant à la pièce 24 de
la figure 1. Cette pièce 24a, qui est montée dans un bloc isolant 49 emboîté dans
la plaque de maintien 38 et la plaque 18a, est connectée au moyen d'une fiche 26 à
la sortie notée S. Ce bloc 49 permet d'éviter tout contact électrique entre la bague
24a et les plaques 18a et 38 et donc entre les électrodes 14b, 14d et les électrodes
14a, 14c, 14e.
[0037] Les extrémités des électrodes 14a et 14c se trouvant à proximité du flasque 6, sont
fixées, par tout moyen connu, sur un flasque 50, par l'intermédiaire d'une plaque
54, sur une pièce cylindrique 56 placée au contact du flasque 6. La plaque 54 est
rendue solidaire de la pièce 56 au moyen de vis 58, isolées de ladite pièce 56 au
moyen de blocs isolants 60. Des ressorts tels que 62, prenant appui sur le flasque
6, par l'intermédiaire de rondelles 64, sollicitent en compression, suivant l'axe
3 de l'enceinte 2, la pièce 56 et par conséquent le flasque 50. De même, des ressorts
tels que 66, s'appuyant sur la surface interne de la virole 4 de l'enceinte, par l'intermédiaire
d'une bille 68, sollicitent en compression de façon radiale la pièce 56 et par conséquent,
le flasque 50.
[0038] Les extrémités des électrodes perforées 14b et 14d se trouvant à proximité du flasque
6 sont emboîtées dans des bagues isolantes 70 emmanchées dans le flasque 50. De même,
l'extrémité de l'électrode perforée 14c se trouvant du côté du flasque 6 est emboîtée
dans une bague métallique 72 montée sur le flasque 50. Les bagues isolantes 70 et
la bague métallique 72 sont sollicitées axialement en compression par des ressorts
74 prenant appui sur la plaque 54.
[0039] L'utilisation des ressorts 62 et 74 d'une part, et des ressorts 66 d'autre part,
permettant de maintenir en position respectivement axiale et radiale, les extrémités
des électrodes situées du côté du flasque 6, assure à la chambre d'ionisation une
bonne tenue en température (compensation des dilatations) et une bonne tenue aux vibrations
(vibrations du milieu dans lequel est placée la chambre d'ionisation).
[0040] Par ailleurs, la bonne tenue en température de la chambre est assurée en utilisant
comme matériau isolant un matériau peu sensible aux variations de température tel
que la stéatite.
[0041] On va maintenant donner un exemple de réalisation et de caractéristiques de la chambre
d'ionisation selon l'invention.
[0042] La chambre d'ionisation est constituée d'une enceinte et de cinq électrodes réalisées
en acier inoxydable isolées par de la statite.
[0043] L'enceinte présente un diamètre interne de 63 mm, une épaisseur de 3,5 mm et une
longueur de 300 mm.
[0044] L'électrode externe 14a est formée d'un tube plein de 57 mm de diamètre interne et
d'épaisseur de 1 mm. Les trois électrodes intermédiaires 14b, 14c, 14d formées de
feuilles d'acier perforées, roulées et soudées entre-elles, présentent une épaisseur
de 0,4 mm et un diamètre interne respectivement de 46 mm, 34 mm et 22 mm. Elles présentent
une transparence de 32%.
[0045] L'électrode centrale 14e est formée d'un cylindre plein de 8 mm de diamètre.
[0046] Le volume utile à la détection de la chambre est de 474 cm
3 pour un volume total de 592 cm .
[0047] Le gaz de remplissage contient 98% en poids de xénon et 2% en poids d'azote. La pression
absolue du gaz est de 9 bars.
[0048] La tension moyenne d'utilisation est de 1100 V et la tension maximale d'utilisation
de 2000 V.
[0049] Le champ électrique entre les électrodes en partant de l'électrode interne pour une
tension de polarisation de 1000 V est de 2471 V/cm, 2088 V/cm, 1945 V/cm et 2210 V/cm.
Il est donc approximativement uniforme.
[0050] La sensibilité théorique, caractérisée par l'intensité du courant délivré pour un
flux de photon gamma, est de 3,2.10 9
A/rad/h pour un flux de photons gamma de 6 MeV, correspondant à un débit de dose de
100 rad/h.
[0051] La bande passante est de 0 à 140 Hz.
[0052] Les caractéristiques de la chambre d'ionisation, données ci-dessus, sont bien adaptées
à la détection de photons gamma présentant une énergie de 6 MeV émis par l'azote 16,
obtenu par activation neutronique de l'oxygène 16 contenu dans l'eau du circuit primaire
d'un réacteur à eau sous pression.
1. Chambre d'ionisation permettant de mesurer des rayonnements gamma de haute énergie,
caractérisée en ce qu'elle.comprend une enceinte cylindrique étanche (2), contenant
un gaz ionisable, et plusieurs électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) cylindriques coaxiales
isolées les unes des autres, situées à l'intérieur de l'enceinte (2) et portées à
des potentiels différents de façon à créer un champ électrique dans l'enceinte, l'électrode
la plus interne (14e) étant formée d'un cylindre plein, l'électrode la plus externe
(14a) formée d'un tube plein et les électrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d) formées
d'un tube perforé.
2. Chambre d'ionisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les électrodes
perforées (14b, 14c, 14d) présentent une transparence comprise entre 30 et 40 %.
3. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée
en ce que les différentes électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) présentent entre elles
des écarts tels que le champ électrique régnant dans l'enceinte (2) soit sensiblement
uniforme dans toute l'enceinte.
4. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée
en ce que les électrodes (14) sont au nombre de cinq.
5. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée
en ce que le gaz ionisable est un gaz contenant 98 à 99 % en poids de xénon.
6. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée
en ce que la pression du gaz est comprise entre 8,8 et 9,2 bars absolus.
7. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée
en ce que l'une des extrémités des électrodes (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) est fixe et
en ce que l'autre extrémité est maintenue en position par des premiers moyens élastiques
(62) permettant un déplacement axial et par des seconds moyens élastiques (66) permettant
un déplacement radial.
8. Chambre d'ionisation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend
des troisièmes moyens élastiques (74) agissant axialement et uniquement sur ladite
autre extrémité des électrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d).
9. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée
en ce que les électrodes intermédiaires (14b, 14c, 14d) sont constituées chacune par
des feuilles métalliques perforées, roulées et soudées entre elles.
10. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, permettant
de mesurer des rayonnements gamma présentant une énergie d'environ 6 MeV, caractérisée
en ce que l'enceinte (2) et les électrodes sont réalisées en acier inoxydable.
11. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, permettant
de mesurer des rayonnements gamma présentant une énergie d'environ 6 MeV, caractérisée
en ce que l'enceinte présente une épaisseur variant de 3 à 4 mm.