FR2806807A1 - Detecteur de rayonnement a jonction semi-conductrice pour la mesure de forts debits de dose de rayonnement x ou gamma - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un détecteur de rayonnement comprenant au moins une jonction semi-conductrice apte à générer des paires électron-trou sous l'action du rayonnement détecté et connectée en mode photopile. Le détecteur comprend des moyens (8, 9, 10, 11, 12) pour placer et maintenir la jonction à une température (TA) sensiblement constante.L'invention s'applique plus particulièrement dans le domaine de la mesure de débits de rayonnement gamma ou X pouvant atteindre des valeurs élevées.
Description
DETECTEUR DE RAYONNEMENT A JONCTION SEMI-CONDUCTRICE
POUR LA MESURE DE FORTS DEBITS DE DOSE DE RAYONNEMENT X
ou Y Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un détecteur de rayonnement à jonction semi-conductrice pour la mesure
de forts débits de dose de rayonnement X ou y.
Plus particulièrement, l'invention concerne un détecteur de rayonnement à jonction semi-conductrice apte à mesurer des flux de rayonnement élevés (par exemple 50 kGy) et à fonctionner à des doses cumulées
très importantes.
L'invention trouve une application avantageuse
dans les cellules chaudes de l'industrie nucléaire.
Dans le domaine de la mesure de débits de dose de rayonnement gamma à flux élevé, les technologies employées doivent être suffisamment robustes pour assurer un fonctionnement optimal le plus longtemps possible. Les doses élevées appliquées aux matériaux détecteurs exposés sont souvent rapidement atteintes et les performances des détecteurs s'en trouvent dégradées.
Un détecteur connu est la chambre d'ionisation.
Une chambre d'ionisation nécessite la présence d'une tension de plusieurs centaines de volts afin de créer le champ électrique requis pour collecter les particules (électrons et trous) issus du phénomène d'ionisation créé par le flux de photons. Le courant ainsi créé est mesuré par un étage préamplificateur réalisant une conversion courant/tension. Les débits de dose élevés autorisent l'utilisation de chambres de petites dimensions, par exemple de l'ordre de quelques cm3. Pour couvrir une gamme de mesures de débits allant de 10 Gy/h à 10 kGy/h, il est par exemple nécessaire d'utiliser une première chambre d'un volume de détection de 0,125 cm3 pour couvrir une gamme allant de Gy/h à lkGy/h et une seconde chambre de 1 cm3 pour couvrir une gamme de quelques 100 Gy/h à 5 kGy/h ou
plus.
Un tel détecteur présente de nombreux inconvénients: il requiert la présence d'une tension de polarisation élevée et ne délivre qu'un signal très
faible (dans la gamme des picoampères).
Cette faiblesse du signal impose l'utilisation de câbles à hautes performances (souvent à base d'isolants minéraux, et mécaniquement très délicats à manipuler) et de préamplificateurs à haute performances. Ses différents constituants conduisent
ainsi à mettre en oeuvre une technologie onéreuse.
Une autre technologie, la technologie des semi-
conducteurs, est également employée pour réaliser des
détecteurs de rayonnement. La technologie des semi-
conducteurs possède de nombreux avantages: une absence de haute tension, un volume très faible, un signal plus important (dans la gamme des nanoampères) et les conséquences qui en découlent pour le câble et le préamplificateur. Cela conduit ainsi à réaliser une
très grande diversité de dispositifs à un faible coût.
Un détecteur de rayonnement réalisé en technologie semi-conducteur met également en oeuvre le phénomène d'ionisation. Un phénomène d'ionisation se produit alors à l'intérieur du matériau et non plus
dans un gaz comme pour la chambre d'ionisation.
Il y a création de paires électron-trou avec une intensité proportionnelle, entre autres, au flux des particules détectées. Quand les particules pénètrent le matériau, elles transfèrent leur énergie dans celui-ci. Les paires électron-trou ainsi créées sont séparées sous l'action d'un champ électrique appliqué au matériau semi-conducteur par des électrodes métalliques. Les électrons migrent vers une électrode portée à un potentiel positif et les trous vers une électrode portée à un potentiel négatif. La fermeture électrique du circuit permet la circulation d'un
courant.
L'énergie nécessaire pour produire une paire électron-trou est fonction de la bande interdite du semi-conducteur, soit environ 3,6 eV pour le silicium, alors que l'énergie d'ionisation est de l'ordre de 30 eV dans un gaz. Le nombre de charges libres créées par photon détecté est plus important dans un matériau semi-conducteur que dans un gaz. Le numéro atomique et la densité élevée des matériaux semi-conducteurs
permettent ainsi de concevoir des détecteurs à semi-
conducteur dont le volume est très inférieur au volume
des détecteurs à gaz.
Considérons le cas d'un détecteur de rayonnement à semi-conducteur constitué d'une jonction semi-conductrice. Si on applique une tension de polarisation inverse suffisamment élevée, on crée un champ électrique qui est à l'origine de la séparation des charges. La tension de polarisation est également à l'origine d'un courant de fuite qui croît avec la
température et avec le vieillissement du matériau semi-
conducteur sous l'effet de la dose cumulée de rayonnement. Dans le cas o de fortes doses sont à considérer (par exemple au-delà de 100 kGy) le courant de fuite peut devenir rapidement supérieur au signal utile. Toutefois, bien avant l'obtention d'une telle dégradation des performances, le rapport signal sur
bruit est altéré de façon très pénalisante.
Selon l'art connu, ce courant de fuite est diminué en refroidissant le détecteur à des températures très basses, ce qui complexifie le système
de détection.
Une solution pour supprimer ces problèmes consiste à utiliser la jonction semi-conductrice en mode photopile. Par mode photopile, on entend l'utilisation de la jonction refermée sur une résistance de très faible valeur ou refermée sur un circuit électronique apte à maintenir entre les bornes
de la jonction une différence de potentiel quasi-nulle.
Aucune tension de polarisation extérieure n'est alors appliquée à la jonction semi-conductrice. La tension qui apparaît aux bornes de la jonction résulte de la création des paires électron-trou sous l'effet des photons incidents. Les effets liés au courant de fuite
sont alors extrêmement réduits.
Le cas le plus général d'un détecteur en mode photopile est schématisé en figure 1. La figure 1 représente un schéma équivalent 5 de jonction refermé
par une résistance de charge très faible 4.
Le schéma équivalent 5 de la jonction en mode photopile comprend un générateur 1 de photocourant Iph, une résistance interne 2, une jonction théorique 3 parcourue par un courant direct If. La charge résistive 4 recueille un courant I tel que: I=Iph-If. Une tension V, proportionnelle au courant I, est alors créée aux bornes de la charge résistive 4. La tension V impose à la jonction 3 une polarisation directe Vf, ce qui crée le courant direct If de sens
opposé au sens du photocourant Iph.
Dans le cas o non seulement la charge résistive est très faible mais, en outre, la résistance
interne 2 peut être négligée, le courant de court-
circuit mesuré peut être égal à Iph. Ce cas particulier est représenté en figure 2, o la charge résistive de très faible valeur peut être constituée par un ampèremètre pour très faibles courants, qui permet alors de mesurer le courant Iph. La charge résistive peut également être remplacée par un circuit électronique d'impédance d'entrée faible, ou apte à
maintenir entre ses bornes une tension quasi nulle.
Un montage utilisant le mode photopile de la figure 2 est décrit dans le brevet US-4 243 885. Un détecteur à diode semi-conductrice en matériau CdTe est utilisé comme détecteur de faibles débits de doses de rayonnement. Dans ce document, la charge résistive est constituée par un circuit amplificateur de très faible
impédance d'entrée.
Les mesures effectuées ne dépassent pas quelques dizaines de mGy/h. La température d'utilisation du détecteur est de l'ordre de grandeur de la température ambiante usuelle (20 C). Une caractérisation du détecteur en température est décrite pour une variation de température comprise entre 20 C et +60 C. Une dépendance de la réponse en courant du détecteur en fonction de la température est évaluée à
moins de 0,25% par degré Celsius.
En fait, malgré l'étendue de la plage thermique utilisée pour évaluer ce coefficient avec précision, l'utilisation effective du dispositif divulgué se fait toujours à température ambiante. Ainsi, les fluctuations thermiques influant sur le dispositif ne sont que de quelques degrés, et il est alors possible de négliger l'influence de la température sur le signal
du détecteur.
Un article intitulé "A Simplified Instrument for Solid-State High-Gamma Dosimetry" de R. Tanaka et S. Tajima (International Journal of Applied Radiation and Isotopes, 1976, vol. 27, pp. 73-77) divulgue des résultats de caractérisation de cellules solaires sous rayonnement gamma. Ce document présente une jonction PN non polarisée utilisée comme détecteur de rayonnement gamma à haut débit. L'influence de la température sur la réponse du détecteur est étudiée. La dépendance de la réponse en courant du détecteur en fonction de la
température est évaluée à 0,3% par degré Celsius.
Comme dans le cas précédent, une large plage de variations thermiques est utilisée pour caractériser le détecteur. Mais l'utilisation pratique se fait à la température ambiante, qui ne varie guère que de
quelques degrés.
A l'opposé, le dispositif selon l'invention doit pouvoir fonctionner à n'importe quelle température comprise entre +10 et +80 C. Or, lorsque la température parcourt toute cette plage, le signal de sortie dû à la jonction seule varie d'un facteur très élevé (typiquement égal à 21%). Une telle variation est trop
importante pour être acceptable.
Le signal détecté varie quasi-linéairement en fonction de la température. Par ailleurs, la variation du signal en fonction de la température évolue de manière non linéaire en fonction du débit de dose. Une compensation en température de la dérive du signal est alors difficile à mettre en oeuvre. Une telle compensation implique un étalonnage et une calibration du détecteur. L'opération de compensation est alors une
opération complexe et onéreuse.
L'invention ne présente pas ces inconvénients.
Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un détecteur de
rayonnement comprenant au moins une jonction semi-
conductrice apte à générer des paires électron-trou sous l'action du rayonnement détecté et connectée en mode photopile. Le détecteur comprend en outre des
moyens pour placer et maintenir la jonction semi-
conductrice à une température sensiblement constante.
Par connexion en mode photopile, il faut entendre non seulement le cas o la jonction est refermée sur une résistance ohmique de très faible valeur mais aussi le cas o la jonction est refermée sur un circuit électronique apte à maintenir entre ses
bornes une différence de potentiel quasi-nulle.
L'invention concerne également un procédé pour augmenter la sensibilité de détection d'au moins une jonction semi-conductrice générant des paires électron- trou sous l'action d'un rayonnement. Le procédé
comprend une étape de chauffage de la jonction.
Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, la température sensiblement constante à laquelle est maintenue la jonction est supérieure ou égale à la température ambiante du milieu environnant la jonction dans sa position de travail. Il se peut que la position de travail du composant soit dans un rack ou dans un boîtier électronique o règne une température ambiante supérieure à celle du local o est
placé le rack ou le boîtier.
Préférentiellement, la température constante plus élevée que la température ambiante de la jonction est la température la plus élevée que cette jonction est susceptible de supporter sans dégradation
préjudiciable à l'application envisagée.
Selon un perfectionnement avantageux de l'invention, plusieurs jonctions semi-conductrices peuvent être mises en parallèle. Les diodes ont alors, d'une part, leurs anodes reliées entre elles et, d'autre part, leurs cathodes reliées entre elles. Le courant total mesuré est alors la somme du courant
détecté par chaque jonction.
Il a été constaté que le fait de placer la ou les jonctions à une température plus élevée que la température ambiante augmente la sensibilité du détecteur. Outre le fait d'augmenter la sensibilité du détecteur, les moyens qui placent et qui maintiennent la (les) jonction(s) à une température constante plus élevée que la température ambiante sont utilisés pour stabiliser le signal vis-à-vis des variations de la température ambiante. Ces moyens permettent avantageusement, à sensibilité équivalente, de minimiser le volume de détection par rapport au volume
de détection d'un détecteur de l'art antérieur.
Ces moyens comportent des moyens de chauffage de la (des) jonction(s), des moyens de mesure de la température de la (des) jonction(s) et, éventuellement, des moyens d'isolation thermique vis-à-vis de l'environnement. En outre, ils comportent des moyens de régulation pouvant être déportés qui permettent de déclencher les moyens de chauffage lorsque la température de la (des) jonction(s) tombe en-dessous de
la température constante prévue pour le fonctionnement.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures ci-annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente un détecteur en mode photopile selon l'art connu, - la figure 2 représente un cas particulier de détecteur en mode photopile tel que représenté en figure 1, - la figure 3 représente un schéma électrique de détecteur de rayonnement selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, - la figure 4 représente une coupe en vue de dessus d'un exemple de réalisation de détecteur de rayonnement selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, - la figure 5 représente une coupe en vue transversale de l'exemple de réalisation de détecteur
de rayonnement de la figure 4.
Description détaillée de modes de mise en oeuvre de
l'invention Les figures 1 et 2 ont été décrites
précédemment, il est donc inutile d'y revenir.
La figure 3 représente un schéma électrique de détecteur de rayonnement selon le mode de réalisation
préférentiel de l'invention.
Le détecteur de rayonnement comprend une partie semi-conductrice 6 et des moyens électroniques de
régulation de chauffage 7.
La partie semi-conductrice 6 comprend n jonctions semi-conductrices en parallèle Dl, D2, D3, Dn. Les jonctions semi-conductrices sont, préférentiellement, des jonctions PN. Elles sont refermée par un circuit électronique qui maintient une tension quasi-nulle à ses brnes, lesquelles sont les entrées d'un amplificateur opérationnel. Ce circuit, donné à titre d'exemple non limitatif, possède en régime statique une impédance d'entrée très élevée. Son fonctionnement en régime dynamique assure cependant une différence de potentiel quasi-nulle à ses bornes, lui permettant ainsi de remplir le même rôle qu'une résistance de très faible valeur. Cet amplificateur possède une résistance de contre- réaction R, préférentiellement de valeur élevée, pour obtenir un grand gain. La sortie de l'amplificateur délivre le signal de sortie du détecteur Vout soit, Vout=R.Iph. Deux résistances de chauffage en série 8 et 9 sont placées à proximité des jonctions Dl,..., Dn. Le chauffage est obtenu en faisant circuler un courant Ic
dans les résistances 8 et 9.
Une thermistance 10, placée à proximité des jonctions Dl,...,. Dn assure la mesure de la température des jonctions. La thermistance 10 fournit une mesure de la température des jonctions, afin de
commander le fonctionnement des moyens de régulation.
Les moyens électroniques de régulation de chauffage 7 comprennent des moyens pour couper l'alimentation des résistances 8 et 9 lorsque la température TB mesurée par la thermistance 10 est supérieure à une température de consigne TA. La température de consigne TA est supérieure ou égale à la température ambiante du milieu environnant la jonction semiconductrice. A titre d'exemple non limitatif, la partie semi-conductrice 6 peut être maintenue à une température de 80 Celsius pour une température
ambiante de 70 Celsius.
Selon le mode de réalisation illustré par la figure 3, les moyens électroniques de régulation fonctionnent en mode tout ou rien. Toutefois, tout autre type de régulation peut être mis en oeuvre sans sortir du cadre de l'invention. Il peut s'agir, par exemple, d'une régulation de type
Proportionnel/Intégral/Dérivé communément notée PID.
Selon l'exemple illustré par la figure 3, le circuit de régulation en mode tout ou rien comprend un comparateur 11 dont une première entrée reçoit un signal S(TA) représentant la température de consigne TA et dont une seconde entrée reçoit un signal S(TB) représentant la température TB mesurée par la thermistance 10. La sortie du comparateur 11 commande un transistor 12 pour délivrer le courant Ic qui
parcourt les résistances 8 et 9.
Le transistor 12 est, par exemple, un transistor bipolaire dont le collecteur est relié à une première borne de l'ensemble constitué par les résistances 8 et 9 en série et dont l'émetteur est relié à la masse du dispositif de régulation 7. La deuxième borne de l'ensemble constitué par les résistances 8 et 9 en série est reliée à une tension d'alimentation V. Les deux résistances de chauffage 8 et 9 sont parcourues par le courant Ic lorsque la température TB est inférieure à la température de consigne TA. L'alimentation des résistances 8 et 9 est coupée lorsque la température mesurée par la thermistance est supérieure à la température de
consigne.
Les éléments 11 et 12 qui constituent les moyens électroniques de commande 7 sont constitués de transistors en technologie bipolaire ou en technologie JFET. Il est alors possible, par exemple, d'assurer une régulation de température avec une précision de + 0,5%
pour une dose cumulée supérieure à 100 kGy.
Grâce à la tension de polarisation quasi-nulle aux bornes des jonctions D1, Dl,..., Dn, le courant de fuite reste négligeable devant le photocourant Iph qui
parcourt les jonctions.
La figure 4 représente une coupe, selon une vue de dessus, d'un exemple de réalisation de détecteur de rayonnement selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. La coupe selon la figure 4 est une
coupe suivant l'axe IV-IV de la figure 5.
Sur la figure 4, seule est représentée la partie semi-conductrice 6 du détecteur selon l'invention. A titre d'exemple non limitatif, le
détecteur de rayonnement comprend 12 diodes (n=12).
Chaque jonction PN est une diode de redressement comprenant une anode et une cathode. Les anodes des diodes Dl,..., D12 sont toutes reliées à une même borne électrique 13 et les cathodes des diodes D1,..., D12 sont toutes reliées à une même borne
électrique 14.
Les diodes Dl,..., D12 sont situées dans un même plan, en surface d'une première résistance, par
exemple la résistance 8 sur la figure 4.
Les diodes Dl,... D12 sont agencées de part et d'autre d'une ligne conductrice électriquement reliée à la borne électrique 13 et électriquement isolée de la résistance 8. Ainsi, six premières diodes Dl,. .., D6 se trouvent-elles d'un premier côté de la ligne conductrice et six autres diodes d'un deuxième
côté de la ligne conductrice.
Des connexions électriques 15 et 16 sont reliées à la résistance 8 et constituent une borne électrique commune pour la résistance 8. La thermistance 10 est située à proximité des diodes Dl, tD12 pour donner l'information de température S(TB) mentionnée précédemment. La résistance 8 est posée sur un matériau thermiquement isolant 17, par exemple un
isolant de type mousse polyuréthanne.
La figure 5 représente une vue en coupe transversale de l'exemple de réalisation de détecteur
de rayonnement de la figure 4.
Les diodes Di (i=l, 2,..., 12) sont prises en sandwich entre les deux résistances planes 8 et 9. Les diodes sont conditionnées dans une pâte thermoconductrice 18 afin d'assurer une homogénéité de la température du détecteur. La thermistance 10 est noyée dans la pâte thermoconductrice 18. Une première connexion électrique, par exemple la connexion 16, constitue une borne de la résistance 8. Une deuxième connexion électrique 19 constitue une borne de la résistance 9.Les connexions électriques 16 et 19 sont reliées entre elles afin d'assurer la mise en série des
résistances 8 et 9.
Selon le mode de réalisation de la figure 5, la liaison électrique entre les connexions 16 et 19 est
établie à l'intérieur du matériau isolant 17.
L'invention concerne également le cas o la liaison électrique est établie à l'extérieur du matériau isolant. Les diodes Di (i=l, 2,..., 12), les résistances 8 et 9 et la thermistance 10 sont conditionnées dans le matériau isolant 17. Le matériau isolant 17 contribue avantageusement à diminuer la puissance nécessaire au chauffage du détecteur et, particulièrement, dans les cas o la température ambiante est relativement faible, par exemple de
l'ordre de 10 Celsius ou inférieure à 10 Celsius.
L'isolation thermique que procure le matériau 17 permet également de minimiser l'échauffement des moyens électroniques de régulation 7 situés à proximité de la
partie semi-conductrice 6.
Claims (15)
1. Détecteur de rayonnement X ou y comprenant
au moins une jonction semi-conductrice (D1, D2,....
Dn) apte à générer des paires électron-trou sous l'action du rayonnement détecté et connectée en mode photopile, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour placer et maintenir la jonction semi-conductrice à
une température sensiblement constante (TA).
2. Détecteur de rayonnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température sensiblement constante (TA) à laquelle est placée et maintenue la jonction est supérieure à une température ambiante.
3. Détecteur de rayonnement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour placer et maintenir la jonction semi-conductrice (Dl, D2,... Dn) à une température sensiblement constante (TA) comprennent des moyens de mesure (10) de la température de la jonction (D1, D2,...., Dn), des moyens de chauffage (8, 9) de la jonction et des moyens de régulation (7) de la température de la jonction pour déclencher ou arrêter les moyens de chauffage (8, 9) en
fonction de la température mesurée.
4. Détecteur de rayonnement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de
chauffage comprennent au moins une résistance (8, 9).
5. Détecteur de rayonnement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure (10) de la température de la jonction
comprennent une thermistance (10).
6. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce
que les moyens de régulation (7) fonctionnent en tout
ou rien.
7. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce
que les moyens de régulation (7) fonctionnent en mode proportionnel/intégral/dérivé.
8. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce qu'il comprend au moins deux jonctions semi-
conductrices en parallèle.
9. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que la jonction semi-conductrice est une jonction PN.
10. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce
que la jonction, les moyens de chauffage (8, 9) et les moyens de mesure (10) de la température de la jonction
sont thermiquement isolés d'une température ambiante.
11. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que la jonction semi-conductrice est refermée sur
une résistance ohmique de très faible valeur.
12. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce
que la jonction semi-conductrice est refermée sur un circuit électronique apte à maintenir entre ses bornes
une différence de potentiel quasi-nulle.
13. Détecteur de rayonnement selon l'une
quelconque des revendications 5 à 12, caractérisé en ce
qu'il comprend deux résistances planes (8, 9) montées en série, en ce que la jonction semi-conductrice est prise en sandwich entre les deux résistances planes (8, 9) et conditionnée dans une pâte thermoconductrice (18) située entre les deux résistances planes (8, 9), la thermistance (10) étant noyée dans la pâte
thermoconductrice (18).
14. Détecteur de rayonnement selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par les deux résistances planes (8, 9), la
jonction, la thermistance (10) et la pâte semi-
conductrice est conditionné dans un matériau isolant
(17).
15. Procédé pour augmenter la sensibilité de détection d'au moins une jonction semi-conductrice générant des paires électron-trou sous l'action d'un rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend un
chauffage de la jonction.
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