Dispositif indicateur ou de commande sensible aux radiations émises
par une source radioactive
La présente invention a pour objet un dispositif indicateur ou de commande sensible aux radiations émises par une source radioactive, pouvant servir par exemple à amorcer ou à commander une opération d'un processus ou un appareil en fonction de la présence ou de l'absence d'un objet ou d'une matière.
Pour cela, on utilise un moyen sensible aux radiations émises par la source radioactive, lequel peut être placé de manière que les radiations qui atteignent ce moyen soient interceptées par l'objet ou la matière, afin de faire fonctionner un organe de commande ou un indicateur.
Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif indicateur ou de commande très sensible et d'une construction simple.
Le dispositif faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen sensible auxdites radiations et agencé de manière à produire des impulsions dépendant du taux des radiations qu'il reçoit, un circuit à transistor agencé de manière à être déclenché par ces impulsions, et un relais élec- tromagnétique monté à la sortie dudit circuit et agencé de manière à exciter, lorsqu'il est excité par le déclenchement de ce circuit, un circuit indicateur ou de commande en réponse au courant de sortie du circuit à transistor.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution du dispositif objet de l'invention.
Les fig. 1, 2 et 3 sont les schémas de ces formes d'exécution, respectivement.
Les circuits qui seront décrits fonctionnent avec une source de courant alternatif de 240 V. Il va toutefois de soi que ces circuits peuvent être aisément agencés pour fonctionner sous d'autres tensions alternatives ou en courant continu fourni par des batteries.
La première forme d'exécution (fig. 1) comprend un détecteur de radiations 2 constitué par un tube de Geiger-Miiller du type à halogène dont la tension de seuil est de 370 V à 200 C, le palier de tension étant de 90 V à cette température. Une tension de 415 V est nécessaire pour faire fonctionner le tube 2 au centre du palier, cette tension étant fournie par un réseau normal 3 à courant alternatif de 240 V et un doubleur de tension comprenant des redresseurs 4 et 5, ainsi que des condensateurs 6 et 7. La tension de sortie peut être modifiée à l'aide d'un diviseur de tension comprenant des résistances fixes 8 et 9, ainsi qu'une résistance variable 10.
La haute tension du doubleur de tension est appliquée au tube 2 par l'intermédiaire de résistances 11 et 12, de valeurs élevées.
De petites impulsions de courant produites par le tube 2 sous l'influence de radiations provenant d'une source radioactive donnent lieu à des impulsions à basse tension dans les résistances 11 et 12. Partant de la jonction de ces résistances et passant par un condensateur 13, ces impulsions parviennent à un circuit oscillant de blocage monostable, chargé en série.
Les impulsions partant du tube 2 ont des formes et des amplitudes variables et le circuit oscillant de blocage est agencé pour être actionné par n'importe quelle impulsion et produire à sa sortie une impulsion d'une forme et d'une amplitude uniformes.
Un transformateur 14 monté dans le circuit oscil- lant de blocage sert à la fois à mesurer le temps sépa- rant deux impulsions et à fournir l'amplification né- cessaire du courant circulant dans le circuit.
Un transistor 15 est du type PNP de faible puissance, à basse fréquence, avec un gain de courant moyen de 60. I1 est à montage à émetteur commun.
Son courant de base est fourni par l'enroulement primaire du transformateur 14 et son courant de collecteur est limité, notamment, par la résistance de la bobine d'un relais 16.
Des résistances 17, 18 et 19 forment un réseau polarisant et stabilisant. La résistance 17 est variable, ce qui permet de modifier les conditions de polarisation du transistor et d'obtenir ainsi un réglage de la sensibilité. Le transistor 15 n'est pas complètement saturé, car la résistance 18 de faible valeur empêche une saturation complète. Un fusible 20 est inséré dans le circuit du collecteur, afin de prévenir tout endommagement du transistor 15 par suite de surcharges.
La charge est principalement inductive et comprend la bobine du relais 16, qui possède deux jeux indépendants de contacts de commutation actionnés simultanément par le courant traversant la bobine.
Chacun de ces jeux de contacts comporte une paire de contacts normalement ouverts 21 et une paire de contacts 21a qui peuvent être normalement ouverts ou normalement fermés, selon les exigences.
Le jeu de contacts 21a est relié à un circuit indicateur ou de commande, par exemple pour la production d'un signal optique ou acoustique, le fonctionnement d'un moteur électrique, d'un interrupteur à solénoïde ou autre, etc. Simplement à titre d'exemple, les contacts 21a de la fig. 1 sont reliés à une lampe de signalisation 21b.
Les autres contacts normalement ouverts 21 sont ceux utilisés dans le circuit à transistor.
Les contacts normalement ouverts 21 du relais 16 se ferment lorsque le courant atteint 10 mA et s'écartent pour un courant d'environ 3 mA. Lorsque la valeur moyenne de l'impulsion de courant de sortie, filtrée et intégrée jusqu'à un certain point par un condenseur 23, atteint 10 mA, les contacts 21 se ferment et shuntent une résistance 22, qui est en série avec la bobine du relais 16 et dont la valeur est égale au dixième de la résistance de la bobine.
Ce shuntage donne lieu à une augmentation de dix pour cent du courant traversant la bobine du relais, ce qui évite un cliquetage du relais provoqué par des fluctuations du taux des impulsions.
Lorsque les contacts 21 se ferment, les contacts associés 21a dans le circuit de commande se ferment ou s'écartent de même, selon le cas, de sorte que le circuit de commande est excité ou désexcité, comme il convient.
L'alimentation en basse tension du transistor 15 est fournie par le secondaire d'un transformateur de réseau 24, par l'intermédiaire d'un redresseur en pont 25, et filtrée par des condensateurs 26, 27 et une bobine d'inductance 28.
Le dispositif décrit peut servir à détecter des conditions de fonctionnement dans un grand nombre d'applications diverses, telles que la présence ou l'absence de matières entre le tube 2 et une source radioactive qui peut, par exemple, fournir un faisceau parallèle de rayons gamma ou autres.
Dans une utilisation du dispositif décrit, une source radioactive, qui peut être un isotope radioactif renfermé dans une boîte à blindage en plomb, est fixée à un récipient ou dans la trajectoire de celuici, de façon qu'un faisceau parallèle de rayons émis par cette source à travers une ouverture du blindage se trouve au niveau d'une matière contenue dans le récipient, tandis que le dispositif décrit est placé de l'autre côté du récipient ou de sa trajectoire, de telle sorte que le faisceau de rayons atteigne le tube 2. Le niveau du faisceau peut être, tel que lorsque le récipient est rempli à un niveau déterminé, le faisceau passe à travers la masse supérieure de la matière et que son intensité est ainsi réduite.
Si le niveau de la matière baisse en-dessous dudit niveau, c'est-à-dire en-dessous du niveau du faisceau, celui-ci atteint le tube 2 avec une plus forte intensité, ce qui y augmente le taux des impulsions et, comme cela vient d'être décrit, ferme les contacts 21 normalement ouverts et ferme ou ouvre les contacts associés 21a de l'autre jeu du relais 16. Il y a lieu de noter que, bien qu'il soit préférable de monter les contacts 21 et la résistance 22 dans le circuit de la bobine du relais, pour éviter tout cliquetage de celui-ci, cela n'est toutefois pas essentiel pour le fonctionnement du dispositif qui peut tout aussi bien fonctionner lorsque la bobine du relais 16 est reliée directement au transformateur 14.
Toutefois, dans ce cas, il peut se produire un cliquetage du relais par suite de fluctuations des impulsions, de sorte qu'il est donc préférable de prévoir les contacts 21 et la résistance 22.
Les contacts 21a insérés dans le circuit de commande demeurent fermés ou ouverts, tant que le taux des impulsions dans le tube 2 demeure élevé, c'est-à-dire tant que le faisceau demeure ininter- rompu, et ces contacts sont reliés à un circuit de commande servant à actionner un mécanisme de commande ou d'indication qui peut être une vanne d'admission de matière dans le récipient, un signal acoustique ou optique (21b) ou un dispositif d'enlè- vement du récipient d'un transporteur, par exemple.
Dès que le faisceau est de nouveau intercepté, le taux des impulsions dans le tube 2 diminue, de sorte que les contacts 21 s'écartent et que les contacts associés 21c insérés dans le circuit de commande s'écartent ou se ferment pour faire fonctionner le circuit de commande, jusqu'à ce que l'intensité du faisceau augmente à nouveau.
Dans la seconde forme d'exécution représentée à la fig. 2, le détecteur de radiations 2 est également constitué par un tube de Geiger-Miiller du type à halogène présentant les mêmes caractéristiques que celui décrit en se référant à la fig. 1 et fonctionnant à la même tension.
La tension de sortie du réseau 3 peut être modifiée à l'aide d'un diviseur de tension comprenant les résistances fixes 8 et 9 ainsi qu'une résistance varia ble 10. La haute tension fournie par le doubleur de tension est appliquée au tube 2 par l'intermédiaire des résistances 11 et 12 de valeurs élevées.
De petites impulsions de courants produites par le tube 2 sous l'influence de radiations provenant d'une source radioactive donnent lieu à des impulsions à basse tension dans les résistances 11 et 12.
Partant de la jonction de ces résistances et passant par un condensateur 13, ces impulsions parviennent à un circuit monostable asymétrique qui comprend des transistors 30 et 31 du type PNP à basse tension et leurs composants associés, définis plus loin.
Après avoir traversé le condensateur 13, les impulsions parviennent à l'émetteur du transistor 31, qui est normalement non conducteur et présente une entrée à haute impédance. Une impulsion dans l'émetteur rend le transistor 31 conducteur. L'éléva- tion de la tension du collecteur du transistor 31 est communiquée, par un condensateur 32, à la base du transistor 30 qui est polarisé par une résistance 33 et une batterie 34 et est normalement conducteur.
Du fait de l'arrivée de cette impulsion, par le condensateur 32, à la base du transistor 30, celui-ci cesse d'être conducteur durant un temps proportionnel à la capacité du condensateur 32 et à la résistance 33.
Lorsque la tension de base du transistor 30 se rapproche de zéro, l'action régénératrice s'inverse et le transistor 30 redevient conducteur, ce qui rend le transistor 31 non conducteur.
Le circuit est ainsi prêt à recevoir l'impulsion suivante. La charge du transistor 30 est constituée par une résistance 35. Les impulsions qui atteignent le circuit du collecteur du transistor 31 sont de forme rectangulaire et intégrées par un condensateur 23 en parallèle avec la charge, qui est la bobine du relais
16. Environ six impulsions par seconde provoquent t dans le condensateur 23 un courant suffisant pour r actionner le relais 16 dont les contacts 21a sont reliés au circuit à commander, dans le cas particulier au circuit d'un indicateur optique 21b.
L'alimentation en basse tension des transistors 30 et 31 est fournie par le secondaire d'un transformateur de réseau 24, par l'intermédiaire d'un redresseur en pont 25, et filtrée par des condensateurs 26 et 27 ainsi que par une résistance 36 à laquelle on pourrait substituer la bobine d'inductance 28 de la fig. 1.
Un redresseur 37 est utilisé pour laisser passer les impulsions négatives du tube 2 au transistor 31 et faire dévier le courant positif à la terre.
Comme dans le cas décrit en se référant à la fig. 1, le relais 16 est relié en série avec une résistance 22 et avec des contacts 21, la résistance 22
ayant une valeur égale au dixième de celle de la
résistance de la bobine du relais 16, de sorte que lorsque le courant atteint la valeur d'excitation du
relais, les contacts 21 se joignent et shuntent la ré
sistance 22, ce qui prévient un cliquetage des con
tacts 21a du relais du circuit d'indication ou de commande, par suite des fluctuations du taux des impulsions. Bien qu'ils soient désirables, les contacts 21 et la résistance 22 ne sont pas essentiels.
Comme dans le cas précédent, le dispositif décrit peut servir à détecter des conditions de fonctionnement dans un grand nombre d'applications diverses, par exemple pour indiquer la présence ou l'absence de matières entre le tube 2 et une source radioactive, qui peut être un faisceau parallèle de rayons gamma émis par un isotope radioactif, le dispositif d'indication ou de commande étant relié aux contacts 21a du relais 16, de sorte que des variations du taux des impulsions provenant du tube 2 et dues à des variations d'intensité du faisceau provoquent l'ouverture ou la fermeture des contacts du relais afin de donner le signal voulu dans le circuit du dispositif d'indication ou de commande 21b.
Dans la troisième forme d'exécution représentée à la fig. 3, un compteur à scintillations 42 est substitué au tube de Geiger-Miiller 2.
Le compteur à scintillations 42 comprend une substance fluorescente 43 et un tube photomultipli- cateur 44. Diverses substances fluorescentes peuvent être utilisées ; on suppose toutefois que la substance fluorescente 43 est, dans l'exemple envisagé, un cristal d'iodure de sodium activé avec du thallium. Des rayons gamma venant frapper ce cristal produisent dans celui-ci une scintillation dont la luminosité est proportionnelle à l'énergie des rayons gamma qui l'ont provoquée.
Le photomultiplicateur 44 comprend une cathode 45 sensible à la lumière, par exemple en antimoniure de césium, suivie par une série de cathodes secondaires 46 en matériau permettant une extraction facile d'électrons. Bien que de nombreux types de photomultiplicateurs 44 puissent être envisagés, le type illustré est celui dit à stores vénitiens , les cathodes secondaires 46 comprenant chacune plusieurs lames disposées angulairement en directions opposées dans chaque cathode secondaire successive.
Une tension d'environ 1000 V est appliquée par un enroulement secondaire 47 d'un transformateur de réseau 24, par l'intermédiaire d'une série de redresseurs 48, d'une résistance de filtrage ou bobine d'inductance 49, de condensateurs de filtrage 50 et 51 et une résistance 11 entre la cathode 45 et l'anode 52 du photomultiplicateur 44. Des prises additionnelles sont constituées par des résistances 12 et 53 et fournissent des tensions intermédiaires pour les cathodes secondaires 46.
La résistance de charge d'anode 11 est reliée entre l'anode collectrice 52 du photomultiplicateur 44 et l'alimentation à haute tension, de sorte que l'ar- rivée à l'anode 52 d'un jet d'électrons des cathodes secondaires 46 provoque une brusque baisse du potentiel.
Les impulsions négatives produites par le comp
teur à scintillations 42 ont une amplitude beaucoup plus faible que celle des impulsions produites par un tube de Geiger-Miiller et doivent donc être amplifiées suffisamment pour actionner le circuit oscillant de blocage, qui est sensiblement le même que celui de la fig. 1.
Les faibles impulsions de sortie du photomultipli- cateur 44 sont amplifiées par un amplificateur à trois étages comprenant trois transistors PNP au ger manium, à basse tension, 54, 55 et 56. Le transistor 54 du premier étage joue le rôle d'une impédance élevée pour le photomultiplicateur 44 et est relié en couplage d'émetteur, les impulsions provenant du photomultiplicateur 44 étant amenées à la base du transistor 54 par un condensateur 57. La résistance 58 est une résistance de polarisation et la tension de sortie prise aux bornes de la résistance de charge 59 de l'émetteur est appliquée à la base du deuxième transistor 55 par un condensateur 60.
La polarisation est obtenue à l'aide d'une résistance 61, et cet étage constitue un amplificateur avec émetteur à la masse, avec une résistance 62 représentant la charge.
Le signal amplifié provenant du transistor 55 passe de son collecteur, par un condensateur 63, à la base du transistor 56 dont l'émetteur est également mis à la masse, la polarisation étant fournie par une résistance 64. Une autre résistance 65 représente la charge et la tension de sortie est fournie par le collecteur du transistor 56, les impulsions étant suffisantes pour actionner le circuit oscillant de blocage, comme décrit en se référant à la fig. 1.
Les impulsions amplifiées provenant du transistor 56 sont conduites par un condensateur 66 au circuit oscillant de blocage monostable, chargé en série, et sont de formes et d'amplitudes variables. Ce circuit est agencé pour être actionné par n'importe quelle impulsion et produire à sa sortie une impul- sion d'une forme et d'une amplitude uniformes.
Le transformateur 24 monté dans le circuit oscillant sert à la fois à mesurer le temps séparant deux impulsions et à fournir l'amplification nécessaire du courant circulant dans le circuit.
Un transistor 15 est du type PNP de faible puissance, à basse fréquence, avec un gain de courant moyen de 60, à montage à émetteur commun. Son courant de base est fourni par l'enroulement primaire du transformateur 24 et son courant de collecteur est limité, notamment, par la résistance de la bobine du relais 16.
Des résistances 17, 18 et 19 forment un réseau polarisant et stabilisant. La résistance 17 est variable, ce qui permet de modifier les conditions de polarisation du transistor et d'obtenir ainsi un réglage de la sensibilité. Le transistor 15 n'est pas complètement saturé, car la résistance 18 de faible valeur empêche une saturation complète. Un fusible peut être inséré dans le circuit du collecteur du transistor 15, afin de prévenir tout endommagement du transistor 15 par suite de surcharges.
La charge est principalement inductive et comprend la bobine du relais 16, qui possède au moins un jeu de contacts 21a reliés au circuit à commander ou à celui d'une lampe de signalisation 21b. Selon le genre de commande à effectuer, ces contacts sont soit normalement ouverts, soit normalement fermes.
Le relais 16 comporte également une deuxième paire de contacts 21 normalement ouverts, qui sont dans ce cas disposés en série avec la bobine du relais 16.
Les contacts 21 se ferment lorsque le courant atteint 10 mA et s'écartent pour un courant d'environ 3 mA.
Lorsque la valeur moyenne des impulsions de courant de sortie, filtrées ou intégrées jusqu'à un certain point par un condensateur 23, atteint 10 mA, les contacts 21 se ferment par suite de l'actionne- ment du relais 16 et shuntent la résistance 22, dont la valeur est égale au dixième de la résistance de la bobine du relais. Ce shuntage donne lieu à une augmentation de dix pour cent du courant traversant la bobine du relais, ce qui évite un cliquetage du relais provoqué par des fluctuations du taux des impulsions.
Les contacts 21 et la résistance 22 ne sont pas essentiels et peuvent être supprimés au besoin.
Du fait de l'excitation du relais 16, les contacts 21a dans le circuit d'indication ou de commande sont fermés ou ouverts, selon le cas, et le circuit de commande ou d'indication est ainsi excité ou désexcité.
L'alimentation en basse tension des transistors 54, 55, 56 et 15 est fournie par un enroulement secondaire du transformateur de réseau 24, par l'intermé- diaire d'un redresseur en pont 25, et filtrée par des condensateurs 26 et 27, ainsi que par une résistance 36 à laquelle on pourrait substituer la bobine d'inductance 28 de la fig. 1.
L'alimentation en très haute tension d'environ 1000V nécessaire pour actionner le photomultipli- cateur 44 est fournie par un réseau normal 3, à 250 V, par l'enroulement secondaire 47 du transformateur 24 et le doubleur de tension comprenant la série de redresseurs 48, la résistance de filtrage ou une bobine d'inductance 49, ainsi que les condensateurs de filtrage 50 et 51. La tension de sortie peut être modifiée à l'aide d'un diviseur de tension comprenant des résistances fixes 8, 9 et 67, ainsi qu'une résistance variable 10, et est appliquée aux cathodes secondaires 46 et à la cathode 45 du photomultiplicateur par les résistances 11 et 12, ainsi que par une autre série de résistances 53,
de façon que la tension appliquée aux cathodes secondaires 46 successives, de la plus proche de la cathode 45 à la plus proche de l'anode 52, augmente de 80 V par cathode en partant de la tension de 100 V.
Comme cela a été mentionné, le dispositif fonctionne déjà simplement par des radiations de fond.
Dans ces conditions de sensibilité, le dispositif ne pourrait pas être utilisé commercialement. Toutefois, par un calibrage et un ajustage convenables de la résistance variable 17, cette sensibilité peut être réduite au niveau voulu.
Pour le fonctionnement du dispositif, une source radioactive appropriée (qui peut être d'un type quelconque convenant au but proposé et peut aller d'une tache de peinture lumineuse à un isotope radioactif
renfermé dans une boîte blindée, d'où les rayons s
sortent par une fente ou en faisceau parallèle) est
fixée de l'un des côtés du parcours d'un récipient, de manière que lorsque le récipient passe devant cette
source il intercepte les rayons qui sont dirigés contre la substance fluorescente 43 du compteur à scintillations 42.
Des variations d'intensité des rayons atteignant la substance fluorescente 43 provoquent ainsi une variation du flux des photoéleotrons partant de la cathode 45 et, par conséquent, une variation des s impulsions amplifiées passant de l'anode 52 au tran
sistor 54 et aux étages d'amplification comprenant les transistors 55 et 56.
Si le niveau de la matière renfermée dans le réci- pient baisse en dessous du niveau désiré, c'est-à-dire en dessous du niveau des rayons provenant de la source radioactive, le taux des impulsions provenant du photomultiplicateur augmente.
De faibles impulsions de courant produites dans le photomultiplicateur 44 donnent lieu à des impulsions à basse tension dans les résistances 11 et 12.
Partant de la jonction de ces résistances et passant par les transistors 54, 55 et 56, ces impulsions parviennent au circuit oscillant de blocage à charge en série.
Lorsque la valeur moyenne des impulsions de courant de sortie, qui sont intégrées jusqu'à un certain point par le condensateur 57, atteint la valeur du courant d'actionnement du relais 16, les contacts 21 se ferment et shuntent la résistance 22 en série avec la bobine du relais et dont la valeur est égale au dixième de celle de la résistance de la bobine du relais. Il en résulte une augmentation de dix pour cent du courant traversant la bobine du relais, ce qui empêche un cliquetage du relais dû à des fluctuations du taux des impulsions.
Par suite de l'excitation du relais 16, les contacts s associés 21a du circuit d'indication ou de commande sont simultanément fermés ou ouverts, selon le cas, et le circuit d'indication ou de commande est ainsi excité ou désexcité, ce qui provoque l'indication ou la commande de l'opération considérée. Il peut s'agir de la commande d'une vanne d'admission de matière dans un récipient, d'un signal optique ou acoustique 21b, d'un dispositif servant à enlever un récipient d'un transporteur, d'un dispositif servant à positionner et à arrêter un transporteur à un endroit voulu, ou de tout autre mécanisme de commande ou d'indication.
La caractéristique essentielle du dispositif est que, tant que le photomultiplicateur 44 présente un taux minimal d'impulsions, le relais 16 est excité et les contacts 21 (s'il y en a) se ferment, tandis que les contacts de commande associés 21a s'ouvrent ou se ferment, selon le cas.
Toute interruption ou réduction du taux des impulsions provoque la désexcitation du relais 16 et l'écartement des contacts 21, avec un actionnement correspondant des contacts associés 21a dans le circuit d'indication ou de commande.
Du fait que les tubes photomultiplicateurs actuels sont en verre, la dernière forme d'exécution décrite n'est pas aussi robuste que les deux premières comportant un tube de Geiger-Muller, malgré la présence de transistors au lieu de tubes électroniques. Elle permet toutefois d'enregistrer un taux d'impulsions beaucoup plus élevé provenant d'une source de même grandeur.
Par suite de l'affaiblissement du faisceau par augmentation du niveau d'une matière, par exemple, la diminution du taux d'impulsions enregistrée par un tube à scintillations est bien plus forte qu'avec un tube de Geiger-Muller, pour un même pourcentage de diminution, de sorte que l'on obtient ainsi un dispositif détecteur plus précis, c'est-à-dire qu'un compteur à scintillations réagit à des variations de niveau, de densité ou d'épaisseur beaucoup plus faibles qu'un tube de Geiger-Müller.
L'une ou l'autre des formes d'exécution décrites peut également servir à détecter un niveau de sépa- ration entre deux matières de densités différentes, en fonctionnant de la même façon, sauf que l'actionne- ment du relais 16 a lieu alors pour de plus faibles différences d'intensité du faisceau.
Le dispositif décrit permet également de régler les niveaux minimum et maximum d'une matière lorsque les écarts sont plus grands que pour l'exem- ple décrit ci-dessus. Dans ce cas, il y a lieu d'utiliser une source et un dispositif pour chacun des deux niveaux extrêmes.
Les circuits décrits fonctionnent à des taux de comptage extrêmement faibles.