EP0732705A1 - Particle microcollimation device, particle detector and detection method, manufacturing method and use of said microcollimation device - Google Patents

Particle microcollimation device, particle detector and detection method, manufacturing method and use of said microcollimation device Download PDF

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EP0732705A1
EP0732705A1 EP96400506A EP96400506A EP0732705A1 EP 0732705 A1 EP0732705 A1 EP 0732705A1 EP 96400506 A EP96400506 A EP 96400506A EP 96400506 A EP96400506 A EP 96400506A EP 0732705 A1 EP0732705 A1 EP 0732705A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
detector
particles
particle
microcollimation
charged
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96400506A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Ngo
Thierry Pochet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP0732705A1 publication Critical patent/EP0732705A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/025Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using multiple collimators, e.g. Bucky screens; other devices for eliminating undesired or dispersed radiation

Definitions

  • the present invention relates to a particle microcollimation device, a detector and a method for detecting particles, a method of manufacturing and using said collimation device.
  • Neutrons are neutral particles. They cannot be detected directly with conventional detectors because they operate by collection of charges created during the passage of the particle to be detected. The detection of neutrons requires a converter which will sign the presence of a neutron by the formation of one or more charged particles. In detectors operating on the principle of a charge collection, it is these charged particles which will make it possible to detect the presence of a neutron.
  • the present invention relates to pulse-by-pulse detection of thermal neutrons using semiconductor or gas detectors.
  • the detection of thermal neutrons is an important problem, particularly for monitoring the operation of nuclear reactors.
  • This pulse-by-pulse detection results in difficulties related to energy losses in the converter and the angle of arrival of charged particles in the detector.
  • thermal neutron The conversion of a thermal neutron into charged particles can be done by several nuclear reactions having a large cross section. In the following description, the most used reactions will be cited, but the invention relates to any nuclear reaction creating charged particles from, for example, a thermal neutron or the like: 10 B + not ⁇ 4 Hey + 7 Li + 2310 keV
  • the device shown diagrammatically in FIG. 1, is a semiconductor detector 10, in crystalline silicon or in amorphous silicon for example, on which a thin layer of boron 10 B has been deposited (converter 11).
  • the large cross section of thermal neutron capture by boron 10 B makes it possible to convert a neutron flux into two charged fragments: a 4 He of 1.47 MeV and a 7 Li of 0.84 MeV emitted at 180 ° on the other (fragment F1 and fragment F2 in the figure).
  • the path of 4 He (helium) and 7 Li (lithium) in 10 B does not exceed 3.6 ⁇ m. Consequently, there is no point in increasing the thickness of the layer beyond 3.6 ⁇ m because the fragments can no longer arrive in the detector and remain in the boron deposit.
  • the capture of a thermal neutron is a random process governed by a large cross section.
  • the two fragments F1 and F2 are emitted at 180 ° from each other, which means that only one of them is emitted in the half-space containing the semiconductor detector. Therefore, at best, the detector can detect only one of the two fragments emitted.
  • the angular distribution of emission of the two fragments is isotropic in the reference frame of the center of mass of the system made up of 10 B and the neutron. Given the low kinetic energy of the thermal neutron (1/40 eV) this frame of reference coincides with that of the laboratory and this is the reason for which the two fragments are emitted 180 ° from each other.
  • the angle of emission of the fragment arriving in the detector can be arbitrary (from 0 to 180 °, where 90 ° corresponds to a normal incidence on the detector).
  • the position of the emission of the fragment in the converter can also be arbitrary. This is schematically shown in Figure 2.
  • a thermal neutron gives, in the semiconductor detector, a signal whose amplitude varies from a very small value (emission of the fragment close to 0 or 180 °) up to a maximum value corresponding to a 90 ° emission close to the input face of the detector.
  • This variation of the pulse height is continuous and it is difficult, for low values, to separate the signals due to the neutrons from those due to the background noise of the detector. This can also be important if this detector consists of a thin layer such as amorphous silicon, for example.
  • the object of the present invention is to overcome these various drawbacks.
  • the invention relates to a device for microcollimation of incident particles, consisting of a set of micro-holes, of size on the order of a micrometer, randomly drilled, but oriented in parallel, in an insulating sheet of thickness between a few micrometers and several millimeters.
  • the insulating sheet is made of plastic, for example polycarbonate, kapton, or polyimide. It can also be made of cleaved mica. More generally, it can be made of a material in which latent traces can be created by bombardment of heavy ions. The density of the holes is less than 10 8 / cm 2 .
  • the effective capture or conversion section in the converter is much greater than that of the sheet.
  • the converter comprises, in the illustrative example, a layer of boron.
  • the charged particle detector is a crystalline, polycrystalline or amorphous semiconductor, or a gas detector.
  • the particles can be thermal neutrons, neutrons or photons.
  • the invention also relates to a particle detection method which consists in placing the device in a particle detector, between a layer for converting the particle into electrically charged fragments and a charged particle detector.
  • the particles to be detected can be thermal neutrons, neutrons or photons.
  • the invention can also be used for other neutral particles, atoms or aggregates for example.
  • This method in a pulse-by-pulse counting mode, consists of the implementation of the aforementioned microcollimation device, without processing the signals collected in the charged particle detector.
  • the proposed invention can also be used to detect other particles if these are emitted in a large solid angle of space. For this, their kinetic energy must be such that they can be stopped by the microcollimation assembly if they do not pass through one of the holes.
  • the device of the invention acts as a directional filter: it lets through only the particles which arrive almost perpendicular to the surface of the device. This filtering is also accompanied by a significant reduction in the counting rate since only a small proportion of particles are "filtered". In this sense, this device can also serve as a counting rate attenuator.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a microcollimation device which comprises a step of bombarding a plastic sheet with a beam of heavy ions.
  • the heavy ions are projectiles having at least the mass of krypton.
  • the particle flux is approximately 5 ⁇ 10 7 particles / cm 2 .
  • this manufacturing process comprises a manufacturing step by lithographic technique.
  • This collimation device therefore plays the role of a direction selector for the incident charged particles. As a result, the number of particles passing through the microholes is a small proportion of the incident particles. The device therefore also plays the role of counting rate attenuator.
  • a collimator or collimators to select the direction of an incident particle is of course not new.
  • a collimator is usually produced by drilling or machining. This process is perfect for making collimators with macroscopic dimensions. On the other hand, it cannot be extrapolated to dimensions on the order of a micron.
  • the invention proposes the production of these collimators by a process which is not usually not used in the detection field. It is a question of realizing them thanks to a beam of heavy ions of suitable kinetic energy. Each heavy ion plays the role of a drill and creates a defect in the material which can be transformed into a hole of micronic dimensions by chemical development.
  • the simplest method is to irradiate it with a beam of heavy ions coming from an accelerator or from a source of fission fragments such as 252 Cf.
  • the slowdown of a heavy ion in matter begins with an electronic slowdown which generates charges, followed by a nuclear slowdown when the kinetic energy of the ion incident is less than about 0.1 MeV per nucleon.
  • the ion creates a latent trace whose diameter is of the order of 10 nanometers.
  • This latent trace is surrounded by a halo coming from the ejection of electrons torn off during the deceleration of the heavy ion (so-called delta electrons).
  • the diameter of the halo is of the order of a micrometer.
  • the advantage of heavy ions is that each of them creates a latent trace. This is well defined geometrically and allows, after revelation, to obtain holes of the order of a micrometer. The heavier the ion, the more the trajectory of the ion in the matter is straight and well defined. In practice, it is necessary to create holes with projectiles having at least the mass of krypton.
  • the use of heavy ions in etching is very different from that of photons or electrons. Indeed, for the latter, the formation of a latent trace requires the participation of several electrons or particles. A mask is therefore necessary in the case of photons (visible, ultraviolet, X or ⁇ rays). For electrons, we can consider controlling them because they are charged. For small thicknesses, conventional lithography makes it possible to make ordered holes. However, as soon as large thicknesses are desired and the distribution of the holes can be random, heavy ions are best suited.
  • the number of holes that can be created in the sheet depends on the incident flow. Typically, a density of 10 8 holes / cm 2 represents a maximum not to be exceeded. This is well below the capabilities of a particle accelerator. With such a density of holes, the porosity, defined as the number of holes multiplied by the surface of one of them, is 0.785. This large value implies that the probability of having overlapping holes is not zero. This is however only a minor drawback since even if several holes overlap, they still define an angle for the fragments which is close to the vertical. A lower flux, such as 5 x 10 7 particles / cm 2 , greatly reduces this probability of overlapping while keeping a porosity of 0.4.
  • the depth of the hole depends on the energy and the size of the incident ion. For kinetic energies of the order of 1 MeV per nucleon, the depth is of the order of 10 micrometers.
  • the advantage of using heavy ions is the possibility of having a large energy dynamic allowing thus to control the depth of the hole while remaining within reasonable costs.

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Abstract

A device for micro-collimation of incident particles consists of a random arrangement of micro-holes in an insulating sheet of thickness between a few microns and several millimetres. Also claimed are (i) a particle detector including the above device; (ii) a particle detection method employing the above device; and (iii) a method of fabricating the above device. Pref. the sheet consists of a material in which latent tracks can be created by heavy ion bombardment, pref. a plastics such as polycarbonate, kapton or polyimide, or consists of cleaved mica and the hole density is <10<8>/cm<2>.

Description

Domaine techniqueTechnical area

La présente invention concerne un dispositif de microcollimation de particules, un détecteur et un procédé de détection de particules, un procédé de fabrication et d'utilisation dudit dispositif de collimation.The present invention relates to a particle microcollimation device, a detector and a method for detecting particles, a method of manufacturing and using said collimation device.

Etat de la technique antérieureState of the art

Les neutrons sont des particules neutres. On ne peut les détecter directement avec des détecteurs usuels car ceux-ci fonctionnent par collection de charges créées lors du passage de la particule à détecter. La détection de neutrons nécessite un convertisseur qui va signer la présence d'un neutron par la formation d'une ou de plusieurs particules chargées. Dans les détecteurs fonctionnant sur le principe d'une collection de charge, ce sont ces particules chargées qui vont permettre de détecter la présence d'un neutron.Neutrons are neutral particles. They cannot be detected directly with conventional detectors because they operate by collection of charges created during the passage of the particle to be detected. The detection of neutrons requires a converter which will sign the presence of a neutron by the formation of one or more charged particles. In detectors operating on the principle of a charge collection, it is these charged particles which will make it possible to detect the presence of a neutron.

La présente invention se rapporte à la détection impulsion par impulsion de neutrons thermiques à l'aide de détecteurs semi-conducteurs où à gaz. La détection de neutrons thermiques est un problème important, notamment pour la surveillance du fonctionnement des réacteurs nucléaires. Cette détection impulsion par impulsion entraîne des difficultés liées aux pertes d'énergie dans le convertisseur et à l'angle d'arrivée des particules chargées dans le détecteur.The present invention relates to pulse-by-pulse detection of thermal neutrons using semiconductor or gas detectors. The detection of thermal neutrons is an important problem, particularly for monitoring the operation of nuclear reactors. This pulse-by-pulse detection results in difficulties related to energy losses in the converter and the angle of arrival of charged particles in the detector.

La conversion d'un neutron thermique en particules chargées peut être faite grâce à plusieurs réactions nucléaires ayant une grande section efficace. On va citer, dans la description qui suit, les réactions plus utilisées, mais l'invention concerne toute réaction nucléaire créant des particules chargées à partir, par exemple, d'un neutron thermique ou autre : 10 B + n 4 He + 7 Li    + 2310 keV

Figure imgb0001
The conversion of a thermal neutron into charged particles can be done by several nuclear reactions having a large cross section. In the following description, the most used reactions will be cited, but the invention relates to any nuclear reaction creating charged particles from, for example, a thermal neutron or the like: 10 B + not 4 Hey + 7 Li + 2310 keV
Figure imgb0001

La section efficace de cette réaction pour les neutrons thermiques est de 3900 barns. 3 He + n → 1 H + 3 H    + 764 keV

Figure imgb0002
The cross section of this reaction for thermal neutrons is 3900 barns. 3 Hey + n → 1 H + 3 H + 764 keV
Figure imgb0002

La section efficace de cette réaction pour les neutrons thermiques est élevée : 5400 barns. L'hélium étant un gaz, le convertisseur doit être confiné entre deux feuilles minces soutenues par des fils si la pression est importante. L'hélium doit être enrichi en 3 He, car la proportion de cet isotope dans la composition isotopique naturelle n'est que de un pour mille. 235 U + n→F 1 + F 2 + xn     + ≈194 MeV

Figure imgb0003
The cross section of this reaction for thermal neutrons is high: 5400 barns. Since helium is a gas, the converter must be confined between two thin sheets supported by wires if the pressure is high. Helium must be enriched in 3 He, because the proportion of this isotope in the natural isotopic composition is only one per thousand. 235 U + n → F 1 + F 2 + xn + ≈194 MeV
Figure imgb0003

La section efficace vis-à-vis des neutrons thermiques est plus faible (580 barns) mais l'énergie libérée est très importante et les fragments sont lourds. Ceci signifie qu'ils peuvent être facilement arrêtés dans 10 à 20 µm de plastique. On peut rappeler que l'uranium naturel ne contient que 0,7 % d' 235 U .The cross section with respect to thermal neutrons is smaller (580 barns) but the energy released is very large and the fragments are heavy. This means that they can be easily stopped in 10 to 20 µm of plastic. It may be recalled that natural uranium contains only 0.7% of 235 U.

Dans la suite de la description, on considère la première réaction ( 10 B + n → 4 he + 7 Li) pour illustrer l'invention, mais l'invention s'applique bien sûr à toutes les réactions autres, non indiquées explicitement ici.In the following description, we consider the first reaction ( 10 B + n → 4 he + 7 Li) to illustrate the invention, but the invention of course applies to all other reactions, not explicitly indicated here.

Le dispositif, schématisé dans la figure 1, est un détecteur semi-conducteur 10, en silicium cristallin ou en silicium amorphe par exemple, sur lequel on a déposé une couche mince de bore 10 B (convertisseur 11). La grande section efficace de capture des neutrons thermiques par le bore 10 B permet de convertir un flux de neutrons en deux fragments chargés : un 4 He de 1,47 MeV et un 7 Li de 0,84 MeV émis à 180° l'un de l'autre (fragment F1 et fragment F2 sur la figure). Le parcours du 4 He (hélium) et du 7 Li (lithium) dans le 10 B ne dépasse pas 3,6 µm. Par conséquent, il ne sert à rien d'augmenter l'épaisseur de la couche au-delà de 3,6 µm car les fragments ne peuvent plus arriver dans le détecteur et restent dans le dépôt de bore.The device, shown diagrammatically in FIG. 1, is a semiconductor detector 10, in crystalline silicon or in amorphous silicon for example, on which a thin layer of boron 10 B has been deposited (converter 11). The large cross section of thermal neutron capture by boron 10 B makes it possible to convert a neutron flux into two charged fragments: a 4 He of 1.47 MeV and a 7 Li of 0.84 MeV emitted at 180 ° on the other (fragment F1 and fragment F2 in the figure). The path of 4 He (helium) and 7 Li (lithium) in 10 B does not exceed 3.6 µm. Consequently, there is no point in increasing the thickness of the layer beyond 3.6 μm because the fragments can no longer arrive in the detector and remain in the boron deposit.

La capture d'un neutron thermique est un processus aléatoire gouverné par une section efficace importante. Les deux fragments F1 et F2 sont émis à 180° l'un de l'autre, ce qui signifie qu'un seul d'entre eux est émis dans le demi-espace contenant le détecteur semi-conducteur. Par conséquent, au mieux, le détecteur ne peut détecter qu'un seul des deux fragments émis. La distribution angulaire d'émission des deux fragments est isotrope dans le référentiel du centre de masse du système constitué du 10 B et du neutron. Etant donné la faible énergie cinétique du neutron thermique (1/40 eV) ce référentiel coïncide avec celui du laboratoire et c'est la raison pour laquelle les deux fragments sont émis à 180° l'un de l'autre. L'angle d'émission du fragment arrivant dans le détecteur peut être quelconque (de 0 à 180°, où 90° correspond à une incidence normale sur le détecteur). La position de l'émission du fragment dans le convertisseur peut aussi être quelconque. Ceci est schématiquement montré sur la figure 2.The capture of a thermal neutron is a random process governed by a large cross section. The two fragments F1 and F2 are emitted at 180 ° from each other, which means that only one of them is emitted in the half-space containing the semiconductor detector. Therefore, at best, the detector can detect only one of the two fragments emitted. The angular distribution of emission of the two fragments is isotropic in the reference frame of the center of mass of the system made up of 10 B and the neutron. Given the low kinetic energy of the thermal neutron (1/40 eV) this frame of reference coincides with that of the laboratory and this is the reason for which the two fragments are emitted 180 ° from each other. The angle of emission of the fragment arriving in the detector can be arbitrary (from 0 to 180 °, where 90 ° corresponds to a normal incidence on the detector). The position of the emission of the fragment in the converter can also be arbitrary. This is schematically shown in Figure 2.

Dans le cas d'un fonctionnement en impulsions, un neutron thermique donne, dans le détecteur semi-conducteur, un signal dont l'amplitude varie d'une très faible valeur (émission du fragment proche de 0 ou de 180°) jusqu'à une valeur maximale correspondant à une émission à 90° proche de la face d'entrée du détecteur. Cette variation de la hauteur d'impulsion est continue et il est difficile, pour les faibles valeurs, de séparer les signaux dus aux neutrons de ceux dus au bruit de fond du détecteur. Celui-ci peut d'ailleurs être important si ce détecteur est constitué d'une couche mince comme le silicium amorphe, par exemple.In the case of operation in pulses, a thermal neutron gives, in the semiconductor detector, a signal whose amplitude varies from a very small value (emission of the fragment close to 0 or 180 °) up to a maximum value corresponding to a 90 ° emission close to the input face of the detector. This variation of the pulse height is continuous and it is difficult, for low values, to separate the signals due to the neutrons from those due to the background noise of the detector. This can also be important if this detector consists of a thin layer such as amorphous silicon, for example.

Pour illustrer quantitativement ce qui vient d'être dit sur l'angle d'émission du fragment émis dans le demi espace (on néglige pour ce faire les problèmes de perte d'énergie), on montre sur la figure 3 la proportion des fragments émis avec un angle θ par rapport à la verticale au détecteur (θ = 0 correspond à une émission perpendiculairement à la face d'entrée du détecteur, alors que θ = 90° correspond à une émission parallèle à cette face d'entrée). On voit, sur cette figure, que peu de fragments émis dans le convertisseur donnent un signal suffisant dans le détecteur. D'autre part, le spectre en énergie résultant varie de 0 jusqu'à une valeur maximale définie plus haut. Si l'on tient compte de la perte d'énergie dans le convertisseur, cet effet est amplifié et le spectre observé a la forme schématique indiquée sur la figure 4. Toute mesure quantitative est donc fortement gênée par les effets décrits ci-dessus. En particulier, pour la partie à basse énergie, il est difficile de séparer la contribution au spectre provenant de fragments de faible énergie de celle provenant du bruit de fond du détecteur ou de l'électronique. Lorsque l'on fonctionne en courant, i.e. pour de hauts flux de neutrons, on peut en moyenne tenir compte de cet effet après un étalonnage soigneux du détecteur. Dans ce cas, on peut mesurer un flux moyen de neutrons. Pour un fonctionnement en impulsions ce n'est plus possible. En effet, comme le montre la figure 4, le taux de comptage (dn/dE) diminue fortement et de manière continue lorsque l'énergie cinétique du produit détectée augmente. Un seuil électronique conduit alors à une forte erreur car celui-ci dépend des conditions extérieures : une faible variation du seuil conduit à une grande variation du taux de comptage. D'autre part, il est difficile d'envisager une séparation des signaux par une méthode évoluée de traitement de signal car ils sont tous du même type.To illustrate quantitatively what has just been said on the angle of emission of the fragment emitted in the half space (we neglect to do this the problems of energy loss), we show in Figure 3 the proportion of the fragments emitted with an angle θ relative to the vertical to the detector (θ = 0 corresponds to an emission perpendicular to the entry face of the detector, while θ = 90 ° corresponds to an emission parallel to this entry face). It can be seen in this figure that few fragments emitted in the converter give a sufficient signal in the detector. On the other hand, the resulting energy spectrum varies from 0 to a maximum value defined above. If we take into account the energy loss in the converter, this effect is amplified and the spectrum observed in the schematic form indicated in FIG. 4. Any quantitative measurement is therefore greatly hampered by the effects described above. In particular, for the low energy part, it is difficult to separate the contribution to the spectrum coming from fragments of low energy from that coming from the background noise of the detector or of the electronics. When operating with current, ie for high neutron fluxes, this effect can on average be taken into account after careful calibration of the detector. In this case, we can measure an average neutron flux. For pulse operation this is no longer possible. Indeed, as shown in Figure 4, the counting rate (dn / dE) decreases sharply and continuously when the kinetic energy of the detected product increases. An electronic threshold then leads to a strong error because it depends on external conditions: a small variation of the threshold leads to a large variation of the counting rate. On the other hand, it is difficult to envisage a separation of the signals by an advanced method of signal processing because they are all of the same type.

La présente invention a pour objet de pallier ces différents inconvénients.The object of the present invention is to overcome these various drawbacks.

Exposé de l'inventionStatement of the invention

L'invention concerne un dispositif de microcollimation de particules incidentes, constitué par un ensemble de microtrous, de taille de l'ordre du micromètre, percés aléatoirement, mais orientés parallèlement, dans une feuille isolante d'épaisseur comprise entre quelques micromètres et plusieurs millimètres.The invention relates to a device for microcollimation of incident particles, consisting of a set of micro-holes, of size on the order of a micrometer, randomly drilled, but oriented in parallel, in an insulating sheet of thickness between a few micrometers and several millimeters.

Avantageusement la feuille isolante est en plastique, par exemple en polycarbonate, en kapton, ou en polyimide. Elle peut, également, être en mica clivé. Plus généralement elle peut être en un matériau dans lequel on peut créer des traces latentes par bombardement d'ions lourds. La densité des trous est inférieure à 108/cm2.Advantageously, the insulating sheet is made of plastic, for example polycarbonate, kapton, or polyimide. It can also be made of cleaved mica. More generally, it can be made of a material in which latent traces can be created by bombardment of heavy ions. The density of the holes is less than 10 8 / cm 2 .

L'invention concerne également un détecteur de particules comprenant :

  • un convertisseur de particules permettant de générer des particules chargées ;
  • un ensemble de microcollimateurs ayant chacun une taille de l'ordre du micromètre percés aléatoirement, mais orientés, dans une feuille isolante d'épaisseur comprise entre quelques micromètres et plusieurs millimètres ;
  • un détecteur de particules chargées.
The invention also relates to a particle detector comprising:
  • a particle converter for generating charged particles;
  • a set of microcollimators each having a size of the order of a micrometer pierced randomly, but oriented, in an insulating sheet of thickness between a few micrometers and several millimeters;
  • a charged particle detector.

Avantageusement la section efficace de capture ou de conversion dans le convertisseur est bien supérieure à celle de la feuille. Le convertisseur comprend, dans l'exemple illustratif, une couche de bore. Le détecteur de particules chargées est un semi-conducteur cristallin, polycristallin ou amorphe, ou un détecteur à gaz. Les particules peuvent être des neutrons thermiques, des neutrons ou des photons.Advantageously, the effective capture or conversion section in the converter is much greater than that of the sheet. The converter comprises, in the illustrative example, a layer of boron. The charged particle detector is a crystalline, polycrystalline or amorphous semiconductor, or a gas detector. The particles can be thermal neutrons, neutrons or photons.

L'invention concerne également un procédé de détection de particules qui consiste à disposer le dispositif dans un détecteur de particules, entre une couche de conversion de la particule en fragments électriquement chargés et un détecteur de particules chargées. Les particules à détecter peuvent être des neutrons thermiques, des neutrons ou des photons. L'invention peut aussi être utilisée pour d'autres particules neutres, atomes ou aggrégats par exemple. Ce procédé, dans un mode de comptage impulsion par impulsion, est constitué par la mise en oeuvre du dispositif de microcollimation précité, sans traitement des signaux recueillis dans le détecteur de particules chargées.The invention also relates to a particle detection method which consists in placing the device in a particle detector, between a layer for converting the particle into electrically charged fragments and a charged particle detector. The particles to be detected can be thermal neutrons, neutrons or photons. The invention can also be used for other neutral particles, atoms or aggregates for example. This method, in a pulse-by-pulse counting mode, consists of the implementation of the aforementioned microcollimation device, without processing the signals collected in the charged particle detector.

L'invention proposée peut aussi servir pour détecter d'autres particules si celles-ci sont émises dans un grand angle solide de l'espace. Pour cela, il faut que leur énergie cinétique soit telle qu'elles puissent être arrêtées par l'ensemble de microcollimation si elles ne passent pas par l'un des trous. En ce sens, le dispositif de l'invention agit comme un filtre en direction : il ne laisse passer que les particules qui arrivent presque perpendiculairement à la surface du dispositif. Ce filtrage s'accompagne aussi d'une diminution importante du taux de comptage puisque seule une petite proportion de particules sont "filtrées". En ce sens, ce dispositif peut aussi servir d'atténuateur de taux de comptage.The proposed invention can also be used to detect other particles if these are emitted in a large solid angle of space. For this, their kinetic energy must be such that they can be stopped by the microcollimation assembly if they do not pass through one of the holes. In this sense, the device of the invention acts as a directional filter: it lets through only the particles which arrive almost perpendicular to the surface of the device. This filtering is also accompanied by a significant reduction in the counting rate since only a small proportion of particles are "filtered". In this sense, this device can also serve as a counting rate attenuator.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif de microcollimation qui comprend une étape de bombardement d'une feuille de plastique par un faisceau d'ions lourds. Avantageusement les ions lourds sont des projectiles ayant au moins la masse du krypton. Le flux de particules est d'environ 5 x107 particules/cm2. Dans une variante, ce procédé de fabrication comprend une étape de fabrication par technique lithographique.The invention also relates to a method of manufacturing a microcollimation device which comprises a step of bombarding a plastic sheet with a beam of heavy ions. Advantageously, the heavy ions are projectiles having at least the mass of krypton. The particle flux is approximately 5 × 10 7 particles / cm 2 . In a variant, this manufacturing process comprises a manufacturing step by lithographic technique.

Avantageusement on réalise la fabrication collective (par bombardement d'ions lourds ou par lithographie) d'un ensemble de microcollimateurs permettant de collimater des particules qu'elles soient chargées ou non (ions, atomes, etc...).Advantageously, collective production is carried out (by bombardment of heavy ions or by lithography) of a set of microcollimators making it possible to collimate particles whether or not they are charged (ions, atoms, etc.).

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

  • La figure 1 illustre un détecteur semi-conducteur de l'art antérieur ;Figure 1 illustrates a semiconductor detector of the prior art;
  • la figure 2 illustre la position de l'émission d'un fragment dans le convertisseur illustré sur la figure 1 ;FIG. 2 illustrates the position of the emission of a fragment in the converter illustrated in FIG. 1;
  • la figure 3 illustre la proportion de fragments émis avec un angle θ par rapport à la verticale au détecteur de la figure 1 ;FIG. 3 illustrates the proportion of fragments emitted with an angle θ relative to the vertical to the detector of FIG. 1;
  • la figure 4 illustre schématiquement le spectre observé avec le détecteur illustré sur la figure 1 ;FIG. 4 schematically illustrates the spectrum observed with the detector illustrated in FIG. 1;
  • la figure 5 illustre une vue éclatée d'un détecteur selon l'invention.FIG. 5 illustrates an exploded view of a detector according to the invention.
Exposé détaillé de modes de réalisationDetailed description of embodiments

L'invention propose d'utiliser des trous, percés aléatoirement mais orientés selon la même direction, dans une feuille isolante 15, en plastique ou mica clivé par exemple, pour collimater les fragments issus du convertisseur de neutrons 16. Pour ce faire, cette feuille est placée entre le dépôt convertisseur 16 et la face d'entrée du détecteur 17, comme représenté sur la figure 5 pour une vue éclatée. Les trous 18 percés dans cette feuille ont une dimension de l'ordre du micromètre (µm). La feuille a une épaisseur qui peut varier de quelques micromètres à plusieurs millimètres selon la nature et l'énergie du fragment émis par le convertisseur. En effet, le procédé, proposé notamment pour les neutrons thermiques, peut avoir aussi des applications pour tout convertisseur de particules pour autant que la section efficace de capture ou de conversion dans le convertisseur soit bien supérieure à celle de la feuille de plastique. Le rôle de la feuille de plastique percée de trous à l'échelle du micron est double :

  • . les microtrous permettent de collimater des particules incidentes. Ne passent à travers des trous que les particules qui sont émises presque perpendiculairement au détecteur. La profondeur du trou permet de faire varier, dans une certaine gamme, cette ouverture angulaire ;
  • . le second rôle de la feuille percée de trous est d'absorber les particules qui ne passent pas exactement dans les microtrous. Cela permet d'éliminer les fragments émis avec un angle d'incidence supérieur à celui défini par les microtrous. Le résultat de l'interposition de la feuille est d'extraire du spectre en énergie continu de la figure 5 la partie de grande énergie et donc de mesurer et d'identifier précisément le flux de neutrons thermiques.
The invention proposes to use holes, drilled randomly but oriented in the same direction, in an insulating sheet 15, made of plastic or cleaved mica for example, to collimate the fragments from the neutron converter 16. To do this, this sheet is placed between the converter depot 16 and the input face of the detector 17, as shown in FIG. 5 for an exploded view. The holes 18 drilled in this sheet have a dimension of the order of a micrometer (μm). The sheet has a thickness which can vary from a few micrometers to several millimeters depending on the nature and the energy of the fragment emitted by the converter. Indeed, the process, proposed in particular for thermal neutrons, can also have applications for any particle converter provided that the cross section of capture or conversion in the converter is much higher than that of the plastic sheet. The role of the plastic sheet pierced with holes on the micron scale is twofold:
  • . micro holes allow collimating incident particles. Only particles which are emitted almost perpendicular to the detector pass through holes. The depth of the hole makes it possible to vary, within a certain range, this angular opening;
  • . the second role of the sheet pierced with holes is to absorb particles which do not pass exactly through the microholes. This eliminates the fragments emitted with an angle of incidence greater than that defined by the microholes. The result of the interposition of the sheet is to extract from the continuous energy spectrum of FIG. 5 the high energy part and therefore to measure and identify precisely the flux of thermal neutrons.

Ce dispositif de collimation joue donc le rôle d'un sélecteur de direction des particules chargées incidentes. Par suite, le nombre de particules passant par les microtrous est une faible proportion des particules incidentes. Le dispositif joue donc également le rôle d'atténuateur de taux de comptage.This collimation device therefore plays the role of a direction selector for the incident charged particles. As a result, the number of particles passing through the microholes is a small proportion of the incident particles. The device therefore also plays the role of counting rate attenuator.

L'utilisation d'un collimateur ou de collimateurs pour sélectionner la direction d'une particule incidente n'est bien entendu pas nouvelle. Un collimateur est habituellement réalisé par perçage ou usinage. Ce procédé est parfait pour fabriquer des collimateurs ayant des dimensions macroscopiques. Par contre, on ne peut l'extrapoler à des dimensions de l'ordre du micron. L'invention propose la réalisation de ces collimateurs par un procédé qui n'est habituellement pas utilisé dans le domaine de la détection. Il s'agit de les réaliser grâce à un faisceau d'ions lourds d'énergie cinétique convenable. Chaque ion lourd joue le rôle d'un foret et crée un défaut dans le matériau qui peut être transformé en un trou de dimensions micronique par révélation chimique.The use of a collimator or collimators to select the direction of an incident particle is of course not new. A collimator is usually produced by drilling or machining. This process is perfect for making collimators with macroscopic dimensions. On the other hand, it cannot be extrapolated to dimensions on the order of a micron. The invention proposes the production of these collimators by a process which is not usually not used in the detection field. It is a question of realizing them thanks to a beam of heavy ions of suitable kinetic energy. Each heavy ion plays the role of a drill and creates a defect in the material which can be transformed into a hole of micronic dimensions by chemical development.

Pour fabriquer les microtrous disposés de manière aléatoire dans une feuille de plastique (polycarbonate, kapton, polyimides, etc..), le procédé le plus simple est d'irradier celle-ci avec un faisceau d'ions lourds provenant d'un accélérateur ou d'une source de fragments de fission comme le 252 Cf. Le ralentissement d'un ion lourd dans la matière débute par un ralentissement électronique qui génère des charges, suivi d'un ralentissement de nature nucléaire lorsque l'énergie cinétique de l'ion incident est inférieure à environ 0,1 MeV par nucléon. Lors du ralentissement dans un matériau isolant, et éventuellement semi-conducteur, l'ion crée une trace latente dont le diamètre est de l'ordre de 10 nanomètres. Cette trace latente est entourée d'un halo provenant de l'éjection d'électrons arrachés lors du ralentissement de l'ion lourd (électron dits delta). Le diamètre du halo est de l'ordre du micromètre. Par révélation chimique de la trace latente, on obtient des trous ayant un diamètre de l'ordre du micromètre.To make the microholes randomly placed in a plastic sheet (polycarbonate, kapton, polyimides, etc.), the simplest method is to irradiate it with a beam of heavy ions coming from an accelerator or from a source of fission fragments such as 252 Cf. The slowdown of a heavy ion in matter begins with an electronic slowdown which generates charges, followed by a nuclear slowdown when the kinetic energy of the ion incident is less than about 0.1 MeV per nucleon. When slowing in an insulating material, and possibly a semiconductor, the ion creates a latent trace whose diameter is of the order of 10 nanometers. This latent trace is surrounded by a halo coming from the ejection of electrons torn off during the deceleration of the heavy ion (so-called delta electrons). The diameter of the halo is of the order of a micrometer. By chemical revelation of the latent trace, holes are obtained having a diameter of the order of a micrometer.

Par rapport aux techniques de lithographie conventionnelle, l'intérêt des ions lourds est que chacun d'entre eux crée une trace latente. Celle-ci est bien définie géométriquement et permet, après révélation, d'obtenir des trous de l'ordre du micromètre. Plus l'ion est lourd, plus la trajectoire de l'ion dans la matière est droite et bien définie. Dans la pratique, il faut créer des trous avec des projectiles ayant au moins la masse du krypton. L'utilisation d'ions lourds en gravure est très différente de celle des photons ou des électrons. En effet, pour ces derniers, la formation d'une trace latente nécessite la participation de plusieurs électrons ou particules. Un masque est donc nécessaire dans le cas des photons (visible, ultraviolet, rayons X ou γ). Pour les électrons, on peut envisager de les contrôler car ils sont chargés. Pour de faibles épaisseurs, la lithographie classique permet de faire des trous ordonnés. Néanmoins, dès que l'on souhaite des épaisseurs importantes et que la répartition des trous peut être aléatoire, les ions lourds sont les mieux adaptés.Compared to conventional lithography techniques, the advantage of heavy ions is that each of them creates a latent trace. This is well defined geometrically and allows, after revelation, to obtain holes of the order of a micrometer. The heavier the ion, the more the trajectory of the ion in the matter is straight and well defined. In practice, it is necessary to create holes with projectiles having at least the mass of krypton. The use of heavy ions in etching is very different from that of photons or electrons. Indeed, for the latter, the formation of a latent trace requires the participation of several electrons or particles. A mask is therefore necessary in the case of photons (visible, ultraviolet, X or γ rays). For electrons, we can consider controlling them because they are charged. For small thicknesses, conventional lithography makes it possible to make ordered holes. However, as soon as large thicknesses are desired and the distribution of the holes can be random, heavy ions are best suited.

Le nombre de trous que l'on peut créer dans la feuille dépend du flux incident. Typiquement, une densité de 108 trous/cm2 représente un maximum à ne pas dépasser. Ceci est bien en dessous des capacités d'un accélérateur de particules. Avec une telle densité de trous, la porosité, définie comme le nombre de trous multiplié par la surface de l'un d'entre eux vaut 0,785. Cette grande valeur implique que la probabilité d'avoir des trous se chevauchant n'est pas nulle. Ce n'est néanmoins qu'un inconvénient mineur puisque même si plusieurs trous se chevauchent, ils définissent quand même un angle pour les fragments qui est proche de la verticale. Un flux plus faible, comme de 5 x 107 particules/cm2, diminue fortement cette probabilité de chevauchement tout en gardant une porosité de 0,4.The number of holes that can be created in the sheet depends on the incident flow. Typically, a density of 10 8 holes / cm 2 represents a maximum not to be exceeded. This is well below the capabilities of a particle accelerator. With such a density of holes, the porosity, defined as the number of holes multiplied by the surface of one of them, is 0.785. This large value implies that the probability of having overlapping holes is not zero. This is however only a minor drawback since even if several holes overlap, they still define an angle for the fragments which is close to the vertical. A lower flux, such as 5 x 10 7 particles / cm 2 , greatly reduces this probability of overlapping while keeping a porosity of 0.4.

La profondeur du trou dépend de l'énergie et de la taille de l'ion incident. Pour des énergies cinétiques de l'ordre de 1 MeV par nucléon, la profondeur est de l'ordre de 10 micromètres. L'intérêt d'utiliser des ions lourds est la possibilité de disposer d'une grande dynamique d'énergie permettant ainsi de maîtriser la profondeur du trou tout en restant dans des coûts raisonnables.The depth of the hole depends on the energy and the size of the incident ion. For kinetic energies of the order of 1 MeV per nucleon, the depth is of the order of 10 micrometers. The advantage of using heavy ions is the possibility of having a large energy dynamic allowing thus to control the depth of the hole while remaining within reasonable costs.

Si l'on considère alors l'ouverture angulaire de ces microcollimateurs et leur efficacité en terme de détection. On peut prendre, pour fixer les idées un trou de 1 micromètre de diamètre et de 10 micromètres de profondeur. L'ouverture angulaire est de 5,7°. Ceci représente un angle solide de 0,03 sr, soit 0,25 % de l'espace total. Cette petite ouverture va fortement réduire le taux de comptage par rapport au cas où le convertisseur n'est pas séparé du détecteur par les microcollimateurs. Toutefois, les particules détectées sont maintenant parfaitement identifiées et séparées du bruit de fond. D'autre part, cette faible ouverture angulaire a aussi l'avantage de permettre de mesurer, en mode d'impulsions, des flux beaucoup plus importants qu'en l'absence de microcollimateurs. Ceci peut présenter un avantage pour le mesure des flux de neutrons en régime intermédiaire (10-6 - 109 neutrons/cm2/s). Dans ce cas, le dispositif de collimation joue aussi le rôle d'atténuateur.If we then consider the angular opening of these microcollimators and their effectiveness in terms of detection. We can take, to fix ideas, a hole of 1 micrometer in diameter and 10 micrometers deep. The angular opening is 5.7 °. This represents a solid angle of 0.03 sr, or 0.25% of the total space. This small opening will greatly reduce the counting rate compared to the case where the converter is not separated from the detector by the microcollimators. However, the particles detected are now perfectly identified and separated from the background noise. On the other hand, this low angular opening also has the advantage of making it possible to measure, in pulse mode, much larger fluxes than in the absence of microcollimators. This can be an advantage for the measurement of neutron fluxes in intermediate regime (10 -6 - 10 9 neutrons / cm 2 / s). In this case, the collimation device also plays the role of attenuator.

Claims (21)

Dispositif de microcollimation de particules incidentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble de microtrous, de taille de l'ordre du micromètre, percés aléatoirement, mais orientés parallèlement, dans une feuille isolante d'épaisseur comprise entre quelques micromètres et plusieurs millimètres.Device for microcollimation of incident particles, characterized in that it consists of a set of micro-holes, of size on the order of a micrometer, randomly drilled, but oriented in parallel, in an insulating sheet of thickness between a few micrometers and several millimeters. Dispositif de microcollimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille isolante est en un matériau dans lequel on peut créer des traces latentes par bombardement d'ions lourds.Microcollimation device according to claim 1, characterized in that the insulating sheet is made of a material in which latent traces can be created by bombardment of heavy ions. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille isolante est en plastique.Device according to claim 2, characterized in that the insulating sheet is made of plastic. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la feuille est en polycarbonate, en kapton, ou en polyimide.Device according to claim 3, characterized in that the sheet is made of polycarbonate, kapton, or polyimide. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille isolante est en mica clivé.Device according to claim 1, characterized in that the insulating sheet is made of cleaved mica. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité des trous est inférieure à 108/cm2.Device according to claim 1, characterized in that the density of the holes is less than 10 8 / cm 2 . Détecteur de particules, caractérisé en ce qu'il comprend : - un convertisseur de particules (16) permettant de générer des particules chargées ; - un ensemble de microcollimateurs (15) ayant chacun une taille de l'ordre du micromètre, percés aléatoirement, mais orientés parallèlement, dans une feuille isolante d'épaisseur comprise entre quelques micromètres et plusieurs millimètres ; - un détecteur (17) de particules chargées. Particle detector, characterized in that it comprises: - a particle converter (16) for generating charged particles; - A set of microcollimators (15) each having a size of the order of a micrometer, pierced randomly, but oriented parallel, in an insulating sheet of thickness between a few micrometers and several millimeters; - a detector (17) of charged particles. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la section efficace de capture ou de conversion dans le convertisseur est bien supérieure à celle de la feuille isolante.Detector according to claim 7, characterized in that the effective cross-section of capture or conversion in the converter is much greater than that of the insulating sheet. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le convertisseur comprend une couche de bore.Detector according to claim 7, characterized in that the converter comprises a layer of boron. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le détecteur de particules chargées est un semi-conducteur cristallin, polycristallin ou amorphe, ou un détecteur à gaz.Detector according to claim 7, characterized in that the charged particle detector is a crystalline, polycrystalline or amorphous semiconductor, or a gas detector. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules sont des neutrons thermiques, des neutrons ou des photons.Detector according to claim 7, characterized in that the particles are thermal neutrons, neutrons or photons. Procédé de détection de particules, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer le dispositif de microcollimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, entre une couche de conversion de la particule en fragments électriquement chargés et un détecteur de particules chargées.Particle detection method, characterized in that it consists in placing the microcollimation device according to any one of Claims 1 to 6, between a layer for converting the particle into electrically charged fragments and a detector of charged particles. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les particules sont des neutrons thermiques, des neutrons ou des photons.Method according to claim 12, characterized in that the particles are thermal neutrons, neutrons or photons. Procédé selon la revendication 12, dans un mode de comptage impulsion par impulsion, caractérisé en ce qu'il est constitué par la mise en oeuvre du dispositif de microcollimation, sans traitement des signaux recueillis dans le détecteur de particules chargées.Method according to claim 12, in a pulse-by-pulse counting mode, characterized in that it consists of the use of the microcollimation device, without processing the signals collected in the charged particle detector. Procédé de fabrication d'un dispositif de microcollimation de particules incidentes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de bombardement d'une feuille de plastique par un faisceau d'ions lourds.Method of manufacturing an incident particle microcollimation device according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that it comprises a step of bombarding a plastic sheet with a beam of heavy ions. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les ions lourds sont des projectiles ayant au moins la masse du krypton.Method according to claim 15, characterized in that the heavy ions are projectiles having at least the mass of krypton. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le flux de particules est d'environ 5 x 107 particules/cm2.Method according to claim 15, characterized in that the particle flux is approximately 5 x 10 7 particles / cm 2 . Procédé de fabrication d'un dispositif de microcollimation de particules incidentes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fabrication par technique lithographique.A method of manufacturing a device for microcollimation of incident particles according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises a manufacturing step by lithographic technique. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce qu'on réalise la fabrication collective, par bombardement d'ions lourds ou par lithographie, d'un ensemble de microcollimateurs permettant de collimater des particules qu'elles soient chargées ou non.Process according to any one of Claims 15 to 18, characterized in that the collective production is carried out, by bombardment of heavy ions or by lithography, of a set of microcollimators making it possible to collimate particles whether they are charged or no. Utilisation d'un ensemble de microcollimateurs tels que définis selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour séparer des particules ayant des incidences différentes (filtre de direction).Use of a set of microcollimators as defined according to any one of Claims 1 to 6 for separating particles having different incidences (direction filter). Utilisation d'un ensemble de microcollimateurs tels que définis selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour atténuer un faisceau incident.Use of a set of microcollimators as defined according to any one of claims 1 to 6 for attenuating an incident beam.
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