Un prototype de lecteur de lumidosimetres

NUCLEAR

INSFRUMENTS

AND

METHODS

50

0967)

93-99;

'~

NORTH-HOLLAND

PUBLISHING

CO.

UN P R O T O T Y P E DE L E C T E U R DE L U M I D O S I M E T R E S J.P

B A C I O T T I , D. B L A N C et J.L

TEYSSIER

Centre de Ph3 slque Atomtque et Nuclatre, Facult~ des Sctences de Toulouse, France et H

F R A N C O I S et G. S O U D A I N

Servtce Techmque d'Etudes de Protectton, CEA, Fontena)-aux-Roses, France Requ le 14 Jmllet 1966 et en forme revls6e le 22 Octobre 1966 After h a w n g defined the q u a h t y cr~term o f a fluorlmeter, we describe the prototype that we have reahzed; ~t ~s m a d e to be used wzth the french S l i v e r - - actl,,ated p h o s p h a t e glass (6 - 3.7 ram). A p p a r e n t predoses are lower t h a n 400 m R ; the

hnearzty o f the a p p a r a t u s ~s ensured between 79 m R and 1 000 R; the degree o f reproductibflity zs a b o u t 6°~; the holder allows to read a series o f 24 dommeters.

1. Introduction

2. Constitution et qualit~s d'un leeteur de doses

La radiophotoluminescence est le ph6nom6ne qui se manifeste Iorsqu'un sohde ne devlent luminescent, sous excitation ultra-v~olette ou viszble, qu'apr~s irradiation par des rayons X ou y. Elle tend de plus en plus h ~tre utllis~e pour la dosim6trie courante. Les dosim~tres sont des verres phosphatiques activ6s par des atomes d'argent; on leur donne le nom de "lumidomm~tres". Deux raisons de natures tr~s diff6rentes freinent fi l'heure actuelle le d6veloppement de cette technique. Les verres possbdent un "'bruit de fond", ou son 6quivalent en dose (ou pr6dose), qui est encore trop 61ev6 et surtout trop variable d ' u n 6chantillon fi l'autre; les verres de Becker 1) semblent poss6der la plus faible pr6dose, de 80 mRad. Par ailleurs, on manque de dispositlfs de lecture des doses absorb~es qui permettent une mesure rapide et pr6clse d'une grande s6rie de verres, tout en pr~sentant un bruit de fond n6ghgeabie ]1 y a tro~s ans, on ne trouvait en France aucun appareil de ce genre On devait se contenter de transformer, du mieux que l'on pouvait, les lecteurs 6trangers pour les adapter aux dimensions des verres fran~ais • les verres 6trangers sont de forme parall616pip6dique, tandis que les verres franqais sont cylindriques (6 × 3.7 mm). Nous nous sommes attach6s fi rdaliser un prototype de laboratoire, pouvant constituer le point de d6part de r6alisations industrielles.

2.1. CONSTITUTION On peut distinguer deux types de ]ecteurs de lumidosim6tres. Le lecteur de laboratoire est un appareil de pr6cision, g6n6ralement lourd et encombrant: le lecteur portable aliment6 sur batteries ou sur pile est destin6 aux mesures de routine, 6ventuellement sur le terrain. Mais tous ces appareils poss~dent les m~mes constituants. Ils comprennent : - - u n e source d'exc~tation, 6mettant un rayonnement ultraviolet, - - un filtre primaire (FP), dont la bande passante aussi 6troite que possible est centr6e sur 3665 A. Pour cette longueur d'onde, les lampes b. vapeur de mercure pr6sentent une rale tr~s intense et la pr~dose des verres est faible, - - un syst~me optique qui condense la lumi6re sur le lumidosim~tre, - - un support dans lequel sont plac6s les 6chantillons h 6tudier, --un photomultiplicateur (PM) qui collecte la lumi6re orang6e 6mise par le verre. La quantit6 de lumi~re est porportionnelle ~t la dose revue, - - u n second filtre (filtre secondaire FS), plac6 devant le PM, qui 61imine la lumi6re ultra-violette, - - un circuit 61ectronique d'amplification et d'enregistrement.

JLumido~,imePr¢l

F~g. 1. Eldments constttutzfs d ' u n lecteur de lumldomm~tres

93

94

J.P. BACIOTTI et al.

Les 616ments constitutifs d ' u n lecteur sont repr6sent6s sur la fig. l. 2.2. CRITERES DE QUALITI~ D'UN LECTEUR I1 est difficile de proc6der ~t une 6tude c o m p a r a t w e des performances des lecteurs constrults J u s q u ' ~ t pr6sent, car les dosim~tres mis au point dans les divers pays ont des formes et des compositions tr~s diff6rentes. C'est pourquoi, il est indispensable de d6finir quelques crit~res de quaht6 qui pmssent servlr de r6f6rence. 2.2.1. Bruit de fond Le bruit de fond provient du disposltif optlque, des circuits 61ectriques, et du photomultiplcateur. On peut d6termlner facilement le bruit de fond 61ectronique : ]1 suffit d'arr~ter le fonctionnement de la source

lumineuse. Par contre, on ne peut connaitre exactement le mouvement propre de la partie optique qul est dfi ~t la daffusion des rayons ultravlolets par le verre et g la fluorescence parasite du s u p p o r t si on 6te le verre de son support, la mesure est mexacte car la propagation de la lumi~re est modlfide. Le bruit de fond total ou son dquivalent en dose, que nous appelons pour des raisons de commodmt6 la "pseudo-prfidose" s'ajoute au mouvement propre du lumldosimbtre non irradi6: la lecture totale, convertie en dose, repr6sente la pr6dose apparente du lumidoslm~tre. La pseudo-pr6dose n'6tant pas connue, le seul cntbre de qualit6 que l'on pulsse ddfimr est la prddose apparente des lum]dosimbtres. Celle-ci ne constltue pas 6videmment un crlt~re absolu puisqu'elle ddpend b. la lois du lecteur et du verre dans des proportions qu]

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206~,,,.

Fig. 2 Sch6ma d'ensemble du prototype.

|

UN P R O T O T Y P E

DE L E C T E U R

95

DE L U M I D O S I M E T R E S

TABLEAU 1 Caract6nstNues de quelques lecteurs de doses.

Lecteur

Radlac CP-95 1953 (USA)

Dimensions des doslm6tres (ram)

19 > 19 ×4.5

Reproductlblht6

1 ~, 6

10°o au-dessous de 500 R + 5 ° £ au-dessus

Umverslt6 de Boston 1957 (USA)

1×6

± 2 5°0

Bausch et Lomb 1960 (USA)

I .< 6

Photovolt 540 1961 (USA)

1 ×6 13×13. 6 (~)

Toshiba F G D 4 1963 (Japon)

8>'8×47 1×6

SFERMA 1965 (France) SRME 1965 (France)

6×3 7

apparente

± 20°0 entre 20 et 75 R

Navy 1953 (USA)

Stephen 1965 (G B )

Pr6dose

Rdf

20 R - - 600 R

(5)

50 R

77 R 12)

z~ll°{, h 5 R ~°" au-del~t de 50 R

Lin6ant6

18h20R 5 R avec mlcrodos~m6tres j a p o n m s

(6)

--1000 R

(7)

--1000 R

(8)

±5°,o

(9)

10% ~ 10 m R 2°0 /t 50 m R 2°0 g 100 R (1 7..6)

100 - - 1 5 0 m R 300mR (1 x 6)

20°o j u s q u ' h 75 R ± 1 ",{ au-dela

= 20 h=6 avec trorlcature

ne sont pas connues. Elle caract6rise donc un appareil destm6 h la lecture d ' u n type de verre bien d6termin6. 2.2.2. Lmbaritb de la rOponse en Jonctton de la dose recue par le verre On salt que l'intensitd de la fluorescence 6mlse par un lumidosimbtre est proportionnelle ~_ la dose d'irradlatlon qu'il a revue. Pour des raisons de c o m m o dit6, il importe que les lectures varient lin6airement, elles aussl, en fonction des doses reques. Le m a n q u e de lin6arit6 de l'appareil peut provenir pour les fortes doses d ' u n e saturation du photomultiplicateur ou de l'amplificateur, et pour les falbles doses des valeurs de la pseudopr6dose qui ne sont pas rigoureusement ldentiques avant et aprbs irradiation. La plage de lin6arit6 d ' u n lecteur est la seconde caract6ristique que nous retiendrons.

3R

0-1000 R

(lO)

10mR--1000R

(2)

--2 500 R

(3)

-- 1500 R

(11)

2.2.3. Reproductibiht~ des mesures On caract6rise souvent un lecteur par sa senslbilitd. Y o k o t a en Nakafima 2) la d6finissent c o m m e l'augmentation de la fluorescence par umt6 de dose absorb6e. Cette d6finition ne permet aucune comparmson, car on peut ana6horer la sens~biht6, en augmentant le gain de la chaine d'amplification, ce qui ne pr6sente pas de difficult6 particuli~re. Certams constructeurs 3) expr~ment la sens~biht6 en roentgens, sans pr&iser ce qu'ils entendent par l~t. I1 semble que l ' o n veuille indiquer la dose minimale d6celable. Cependant, cette norton perd de sa signification, si l ' o n n'indique pas en mfime temps le degr6 de reproductibilit6 avec lequel cette dose peut 6tre mesur6e. La reproduct~biht6 des mesures constltue donc un trois16me cnt6re de qualit6 pour les lecteurs. Elle est

96

J.P. BACIOTT[ et al.

li6e aux fluctuations de la pr6dose apparente des verres. Elle d6pend donc 5- la fois des lumidosim~tres et du lecteur. En ce qui concerne les dosim~tres, elle d6pend de leur 6tat de surface et de leur finition. En particulier, les poussi~res peuvent introduire des fluorescences parasites importantes¢). Pour augmenter la reproductibilit6 du lecteur, il faut a v o i r . - - le moins possible de jeu entre le dosim~tre et son support, - - de tr6s faibles fluctuations du bruit de fond. On a int6r~t h employer une cha]ne d'amplification dont le gain soit faible, et une source de lumibre dont le flux lumineux soit rigoureusement constant en fonction du temps. --une surface 6clair6e du lumidosim~tre aussi r6duite que possible, h cause des poussi6res. N o t o n s que si cette surface est tr6s petite, on 6vite le risque d ' u n e fluorescence parasite du support.

l i

I.,0~

J

20

I

3. Apergu rapide des lecteurs existants

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Le tableau 1 donne les caract6ristlques d ' u n certain n o m b r e de lecteurs. L'appareil le plus perfectlonn62) est le lecteur Toshiba F G D 4 ; la source d'excitation y est une lampe de mercure 5- haute pression, dont la puissance n'est pas pr6cls6e par le constructeur. Les variations de sensibiht6 peuvent 8tre compens6es, en ajustant la tension du photomultiplicateur sur la lecture d ' u n verre 6talon. La pr6cision m6canique est trbs pouss6e; un ressort supprime le jeu entre le support et son guide. Un ventilateur 5_ air flirt6 se met automatiquement en marche l o r s q u ' o n sort de ]'appareil le /umidosim~tre et son support; on 6vlte ainsi tout d6p6t de poussibre. Enfin, les faibles doses sont mesur6es par la m6thode d'opposition.

d611vre un faisceau suffisamment convergent pour que la fluorescence parasite du support soit rdduite au m i n i m u m (diam+tre du trou d'entr6e ~ = 4 mm). k ' i m a g e d6finitive, apr6s la travers6e du condenseur, a un diam6tre de 1 m m et se forme sur la face de sortie du verre. La lumi6re est modul6e h la fr6quence de 100 Hertz, h l'aide d ' u n disque de Talbot entraind par un petit moteur synchrone.

4. Description de notre prototype

4.2. POS1T1ONNEMENT DES VERRES

Le disposltif peut 8tre divis6 en quatre parties (fig. 2). 4.1. EXCITATIONDES VERRES La source de lumi~re est constitu6e par une lampe 5vapeur de mercure O s r a m ~t haute pression d ' u n e puissance de 100 W. On s61ectionne la raie tr~s intense du mercure situ6e ~ 3665 A ~t l'aide d ' u n filtre Eppend o f f (Hg 366 ram), dont la courbe de transmission est reprfsent6e sur la fig. 3. Cette lampe pr6sente surtout l'avantage d ' a v o i r un arc de tr~s petites dimensions (0.25 × 0.25 mm). Grace au collecteur, on peut former sur le diaphragme l'image de l'arc entler. Le syst~me optique transmet donc la plus grande quantit6 de luml~re possible et

~$50

3750

/.~oe o

Fig 3 Courbe de transmission du filtre Eppendorf(Hg 366 mm).

Le support dolt satlsfaire aux conditions suivantes • - - il dolt permettre une s6rie de lectures, plut6t que d'6chantillonner les verres un h u n . - - il ne dolt pas rayer les lumidosimbtres. - - g r h c e ~t un simple changement du support, il dolt 8tre possible de faire les lectures sur des 6chantillons de formes diff6rentes. La substitution dolt ~tre simple. La solution retenue est la s m v a n t e , un dlsque perc6 de 24 trous semblables permet la lecture successive d ' u n n o m b r e identique de verres Le verre est positionn6 de telle sorte que ses g6n6ratrices solent perpendiculaires 5- la direction du faisceau lumineux. Le disque est en chloropolyvinyle, matl~re plastique nolre, peu

UN PROTOTYPE DE LECTEUR DE LUMIDOSIMETRES cofiteuse, facile h travaJller et qui ne raie pas les verres: pour plus de s6curit6, il est recouvert par une peinture noire antireflet (fig. 2). 4.3. COLLECTE DE LA LUMIERE IbMISE PAR LES VERRES On 61imme les rayons ultravlolets ~ l'aide du filtre Corning 3.67. O n lui adjomt un filtre M T O (r+f6rence D R 10b), iI supprime les radiations rouges de la lampe que lalssent passer les deux autres filtres (fig. 4). Le photomultiplicateur est du mod+le Radiotechnique XP 1002. dont la r6ponse spectrale est du type S 20. Pour utfliser au mieux la surface de sa fen~tre (diam6tre = 44 mm), on place devant lui un objectif de microscope qui donne de la t~che lumineuse de 3.7 m m de dmm~tre constttu6e par la section du lumidosimbtre une image de 20 m m de diam6tre au niveau de la p h o t o c a t h o d e (fig. 2). 4.4. CIRCUITS I~LECTRIQUES Le signal d61ivr6 par le photomultiplicateur est envoy6 dans un amplificateur accord6 sur 100 Hertz. Sa bande passante (/l 3 dB) est de 5 Hertz. L ' a m p h ficateur ne transmet que la c o m p o s a n t e de fr6quence 100 Hertz du brmt de fond de l'appareil. La r6ststance de charge du photomultlplicateur est branch6e aux bornes d ' u n contacteur ~t cinq positions qui f o u r m t cinq gammes de mesure : Gamme Gamme Gamme Gamme Gamme

I 2 3 4 5

97

5. Performances du prototype 5.1. PRI~DOSES APPARENTES DES LUMIDOSIMETRES L'6quivalent en dose de la lecture moyenne effectude l o r s q u ' o n 6claire un trou vide est de (38 + 15 mR). Les variations observ6es d ' u n trou /~ l'autre sont dues au fair que dans certains trous, la couche de peinture antireflet n'est pas uniforme. 11 est difficile de peindre les patois des trous; de plus, la couche de peinture ne doit pas ~tre trop 6paisse, si l ' o n veut que les lumldosim6tres soient tous positionn6s de la m~me faqon. On peut affirmer en tout c a s q u e la pseudoprddose est dans tous les cas inf6rieure ~ 38 mR. N o u s avons constat6 que les pr6doses apparentes des lumidosim6tres franqais sont comprises entre 280 et 400 mR. Ces valeurs sont les plus faibles obtenues .lusqu'~ pr6sent, c o m m e le montre le tableau 2. 5.2. LIN~,RITI~ DE LA RI~PONSEEN FONCTION DE LA DOSE REqUE NOUS nous sommes assur6s de la lin6arit~ de l'appareil en tragant la courbe de variation des lectures en fonction des doses regues.

~°I Tr*ntmlss:on (~)]

: > 2500 R : 2500-250 R : 250-25 R : 25-2.5 R : > 2.5 R C

On peut ainsi toujours utiliser la m6me bande de lecture de l'enregistreur ( S E F R A M type Grvack). II est possible de r6gler le gain G de la chMne de d6tection avec le photomultiplicateur ou avec l'amplificateur. Pour d6terminer les conditions optimales de fonctionnement, qui correspondent au meilleur rapport signal sur bruit, nous nous sommes fix6s la valeur de G et nous avons choisi la g a m m e 5 de l'amplificateur. Le meilleur rapport signal sur bruit est obtenu pour une valeur de la haute tension appliquEe au PM de 1250 V. Le gain de l'amplificateur est alors de 3.5 × 10 6, la sensibilit6 anodique de 25 A/lumen. Le bruit de fond 61ectronique est 6qmvalent sur la g a m m e 5 ~t une dose de 20 m R + 5 mR. Sur les autres gammes et pour le m6me gain, 11 est ind6celable.

I

3~7

I

I

o o 3000

$~0

6000

6~:)<~

~ (A) 7000

Fig. 4. Courbes de transmismon des filtres MTO (DR 10 b) et Coming 3.67

98

J.P. B A C I O T T [ et al. TABLEAU 2

Pr6doses apparentes des lum~dos~m6tres franqms, selon le type de lecteur employ6

Lecteur

Bausch et Lomb

Pr6doses ipparentes des cerres franqais

6b+7R

S E F R A M I Toshiba FGDI

3R

Notre prototype

9 ~t 1 05R 0.285.0 40R

La fig. 5 donne la courbe d'6talonnage p o u r des doses sup6rieures ~t 5 R. Elle est trac6e en coordonn~es logarithmiques; la pente de la droite est bJen de 45 °. ka limite sup6neure de la zone de lin6arlt6 est certainement sup6neure ~ 100 R, car l'amplificateur et le photomultiplicateur sont Iota de la saturation pour cette dose. Sur la fig. 6, nous avons trac6 la courbe th6orique de lln6arlt~ et port6 les lectures obtenues pour des doses d h r r a d i a t i o n inf6neures fi 3 R. kes points se placent tous au-dessus de la droite. Ce r~sultat est correct, puisque la lecture repr6sente la s o m m e de la pr6dose apparente et de la dose reque. Cependant, on remarquera que la lecture A C convertie en dose

pour un verre de dose D est dans t o u s l e s cas inf6rieure 400 mR. Nous pou~ons donc est,mer fi juste titre que A C repr6sente la prddose apparente du verre. S], en effet, la loi n'Otait pas lin~aire, AC devrait &re supOrieure ~ 4 0 0 m R . N o u s nous sommes, pour I'lnstant, llmltdS ~t des doses de 79 mR, reals la hmite thOorlque de l'appareil, qui correspondralt aux fluctuaUons du bruit de fond, est &environ 30 mR. 5.3. REPRODUCTIBLITE DES MESURES Pour d6terminer le degr6 de reproductibilit6 des mesures, nous avons proc6d6 aux deux exp6riences suivantes. a. N o u s avons log~ dans le support une s6rie de 12 lumidosim~tres correspondant ~. une gamme de l'amplificateur, et nous avons fatt tourner le disque de plusieurs tours. Le pourcentage d'erreur est compris entre 2.25 et 6.4°~, et ceci quelle que soit la g a m m e de l'amplificateur. b Nous avons plac6 19 lumidommbtres qui ont recu une marne irradiation de 10 R. Le pourcentage d'erreur est de 6.33°o.

LECTU~,E

//

//

200 LECTVR¢5

/

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/

+40+

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I / / I

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I I

lo 40

F~g 5 Courbe

400

d'6talonnage du prototype pour sup6neures /t 5 R.

4000

les doses

0

F]g 6 Courbe d'dtalonnage du prototype pour [es doses mf6rleures h 5 R

UN P R O T O T Y P E

DE L E C T E U R DE L U M I D O S I M E T R E S

N o u s a t t r i b u o n s ces causes d ' e r r e u r aux fluctuations de la lampe ultraviolette, p o u r t a n t r6gul6e en tension, et nous esp6rons o b t e n i r une nette a m 6 h o r a t i o n en a s s u r a n t 5. la lampe une temp6rature de f o n c t i o n n e m e n t parfaitement stable.

99

s6rie de 24 verres. Ses dimensions ne sont pas excessives. Enfin, son prix de revient d6pend surtout de celui de la lampe ultraviolette et son dispositif d'excitat~on. O n notera que le photomult~plicateur peut fonct~onner 5. une tension fixe; son a l i m e n t a t i o n en c o u r a n t c o n t i n u peut ~tre tr6s simplifi6e.

6. Conclusion Avec le prototype que nous avons r6alis6, les lumldosimbtres franqais prdsentent des doses apparentes inf6rieures 5. 400 mR. Les performances du lecteur F G D I T o s h i b a sont m o i n s bonnes, 5. ce point de vue. II est vral qu'il est destin6 aux verres j a p o n a l s qul ont de grandes dJmensions. Le faisceau l u m i n e u x est plus ouvert: l o r s q u ' o n emplole les lumidosimbtres frangais, la fluorescence parasite du support est vraisemblab l e m e n t ~mportante. P o u r l ' i n s t a n t , nous n ' a v o n s pas pu effectuer des essais avec le dernier les lecteurs T o s h i b a ( F G D 4 ) . IF faut c e p e n d a n t souligner sa complexlt6 qui rend son m a n i e m e n t peu c o m m o d e . Le prototype permet de mesurer les doses 5. 6°o prbs, dans les plus mauvalses conditions. I1 est tr6s simple de c o n c e p t i o n et permet la lecture d ' u n e

R~f6rences 1) 2) 3) 4)

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