EP0732705A1

EP0732705A1 - Dispositif de microcollimation de particules, détecteur et procédé de détection de particules, procédé de fabrication et utilisation dudit dispositif de microcollimation

Info

Publication number: EP0732705A1
Application number: EP96400506A
Authority: EP
Inventors: Christian Ngo; Thierry Pochet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1996-09-18
Also published as: JPH08271639A; US5629523A; FR2731832A1; FR2731832B1

Abstract

La présente invention concerne notamment un dispositif de microcollimation de particules incidentes constitué d'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. La présente invention concerne également un détecteur et un procédé de détection de particules, et un procédé de fabrication et l'utilisation dudit dispositif de microcollimation. <IMAGE>

Description

Domaine technique

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.

Etat de la technique antérieure

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.
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.
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 : $^{10} B + n →^{4} He +^{7} Li + 2310 keV$
La section efficace de cette réaction pour les neutrons thermiques est de 3900 barns. $^{3} He + n →^{1} H +^{3} H + 764 keV$
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. $^{235} U + {n→F}_{1} + F_{2} + xn + ≈194 MeV$
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 .
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.
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.
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.
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.
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.
La présente invention a pour objet de pallier ces différents inconvénients.

Exposé de l'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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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...).

Brève description des dessins

La figure 1 illustre un détecteur semi-conducteur de l'art antérieur ;
la figure 2 illustre la position de l'émission d'un fragment dans le convertisseur illustré sur la figure 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 ;
la figure 4 illustre schématiquement le spectre observé avec le détecteur illustré sur la figure 1 ;
la figure 5 illustre une vue éclatée d'un détecteur selon l'invention.

Exposé détaillé de modes de réalisation

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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

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.
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.
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille isolante est en plastique.
Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la feuille est en polycarbonate, en kapton, ou en polyimide.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille isolante est en mica clivé.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité des trous est inférieure à 10⁸/cm².
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.
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.
Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le convertisseur comprend une couche de bore.
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.
Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules sont des neutrons thermiques, des neutrons ou des 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.
Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les particules sont des neutrons thermiques, des neutrons ou des 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.
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.
Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les ions lourds sont des projectiles ayant au moins la masse du krypton.
Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le flux de particules est d'environ 5 x 10⁷ particules/cm².
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.
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.
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).
Utilisation d'un ensemble de microcollimateurs tels que définis selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour atténuer un faisceau incident.