Le rayonnement gamma
Les corps radioactifs, ou radio-isotopes, émettent des radiations sous forme de particules et d'ondes électromagnétiques pendant leur cycle de vie en se désintégrant petit à petit.
Les trois types de radiations émises les plus connus sont:
- les rayons a (alpha). Ce sont des particules composées de 3 protons et de 2 neutrons (noyaux d'hélium)
- les rayons b (béta). Ce sont des électrons.
- les rayons g (gamma). Ces rayons sont des ondes électromagnétiques de fréquence beaucoup plus élevée que celle des ondes lumineuses (supérieure à 1019 Hz, soit une longueur d'onde inférieure à 10-2 nanomètre). Ils se propagent donc sans support matériel. Ils sont porteurs d'une énergie beaucoup plus intense et destructrice que celle transportée par les ondes lumineuses (qui vont des rayons infrarouges aux rayons ultraviolets en passant par les couleurs de l'arc en ciel).
Ces particules et ondes électromagnétiques sont émises avec une très grande vitesse. Elles ont une force de pénétration plus ou moins élevée, donc sont plus ou moins absorbées par les corps qu'elles rencontrent selon l'épaisseur et la densité de ces derniers. Les rayons a et b sont beaucoup plus facilement arrêtés que les rayons g très pénétrants. Ce sont donc ces derniers que l'on utilisera pour traverser les parois métalliques des réservoirs, parfois épaisses, afin de mesurer sans contact le niveau du produit contenu.
Le dispositif de mesure continue du niveau par rayonnement gamma
L'émetteur est une source radioactive, de faible énergie par sécurité, mais suffisante pour traverser les parois du réservoir. Le radio-isotope est en général un petit solide radioactif de cobalt (Co 60) ou de césium (Cs 137) dont le rayonnement est divergent
grâce à une fente angulaire usinée dans le blindage de plusieurs centimètres de plomb entourant la source. Ainsi, le faisceau de radiation couvre la plage de mesure du niveau. L'inverse existe aussi avec une source allongée et un détecteur ponctuel.
Au cours du temps, la source radioactive vieillit, son activité (c'est à dire le nombre de désintégrations par unité de temps) diminuant. La période est le temps que met la source pour voir son activité réduite de moitié. Cette période est de 33 ans pour le Cs137 et 5,5 ans pour le Co60.
Le détecteur de radiation situé de l'autre côté du réservoir est un tube (ou plusieurs) de hauteur égale à l'étendue de mesure du niveau. Il traduit l'intensité du rayonnement reçu, d'autant plus faible que le niveau de produit est haut, en un signal électrique. Ce signal est ensuite traité, en particulier pour avoir une relation globale linéaire car l'absorption du rayonnement g n'est pas proportionnelle au niveau H.
Ce détecteur peut être un tube Geiger-Müller, un scintillateur associé à un tube photomultiplicateur, ou une chambre à ionisation.
Dans un détecteur à scintillation (le plus utilisé actuellement), les impacts du rayonnement g excitent les atomes du produit détecteur avec création de petites étincelles (émission de photons, particules élémentaires d'énergie lumineuse), d'où le terme de scintillateur. Ces photons sont reçus par la photocathode du photomultiplicateur associé à ce détecteur. Celle-ci émet des électrons (e-) dont le nombre est amplifié par le photomultiplicateur. On obtient donc un signal électrique fonction de l'intensité du rayonnement g reçu.
Avantages et inconvénients de la mesure de niveau par rayonnement gamma
| - l'avantage essentiel est le montage totalement extérieur au réservoir, pouvant se faire sans arrêter ni perturber la fabrication et sans modifier le réservoir. | - risque d'irradiation du personnel ou du produit |
| - Mesure utilisable avec tous les liquides même très corrosifs, moussants, fortement agités, et tous les solides de petite comme de grande granulométrie (ex: ferraille, cailloux, produits pâteux colmatants, ...) | - mauvaise précision, d'incertitude globale supérieure à ±2% (mesure non linéaire, compensation automatique ou réétalonnage périodique nécessaire à cause du vieillissement de la source dont l'activité diminue, mesure influencée par la masse volumique du produit, l'intensité instantanée du rayonnement fluctue de manière aléatoire car les désintégrations ne sont pas régulières, ...) |
| - Mesure très peu influencée par la pression ou la température de la phase gazeuse au dessus du liquide | - nombreuses mesures de sécurité nécessaires (protections, contrôle périodique nécessaire et coûteux de la source radioactive par un organisme agréé) |
| - coût élevé à l'achat et moins économique à l'exploitation qu'il n'y paraît à cause des contrôles périodiques de la source radioactive |
Cette mesure présentant un risque important et de nombreuses contraintes du fait de la source radioactive n'est à envisager que lorsqu'aucune autre solution ne convient.
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