EP1344089A1 - Convertisseur courant/tension pour la mesure de faibles courants apte a fonctionner sous forte irradation x ou gamma - Google Patents

Convertisseur courant/tension pour la mesure de faibles courants apte a fonctionner sous forte irradation x ou gamma

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Publication number
EP1344089A1
EP1344089A1 EP01998847A EP01998847A EP1344089A1 EP 1344089 A1 EP1344089 A1 EP 1344089A1 EP 01998847 A EP01998847 A EP 01998847A EP 01998847 A EP01998847 A EP 01998847A EP 1344089 A1 EP1344089 A1 EP 1344089A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
voltage
converter
input
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01998847A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pascal Chambaud
Francis Joffre
Mika[L Kais
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Orano Demantelement SAS
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1344089A1 publication Critical patent/EP1344089A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/17—Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0023—Measuring currents or voltages from sources with high internal resistance by means of measuring circuits with high input impedance, e.g. OP-amplifiers

Definitions

  • the present invention relates to a current / voltage converter.
  • a current / voltage converter for measuring low currents such as, for example, currents in the range of nanoamps.
  • 15 assemblies can be used, for example, for the measurement of currents from radiation detectors.
  • a radiation detector delivers currents of low values.
  • a preamplifier is then associated with the detector so as to transform the current
  • the preamplifier must then maintain a good signal-to-noise ratio.
  • a first solution consists in deporting the preamplifier assembly outside the irradiating medium in order to guarantee its performance. The difficulty then lies in the need to transport the weak current along a screened cable against ambient electromagnetic disturbances.
  • the shielding is generally carried out by mineral insulators which do not allow bending of the wires easily. Mineral insulators are difficult to install, because too strong a curvature or a simple shock generate internal cracks detrimental to mechanical and electrical performance. Furthermore, these mineral insulators have a relatively large diameter.
  • a third known solution consists in using integrated commercial components. Subject to electromagnetic radiation, the components see their performance deteriorate very quickly. It is therefore necessary to replace them regularly. This results in costly maintenance of the converter circuit (regular purchase of new components and immobilization of the circuits for the installation of the new components).
  • the invention does not have the drawbacks mentioned above.
  • the invention relates to a current / voltage converter comprising electronic means for delivering a voltage from a current.
  • the current / voltage converter comprises: - first means for applying or not applying the current at the input of the converter, second means for taking and storing the voltage at the output of the converter when the current is applied at the input of the converter, - third means for taking and storing the voltage at the output of the converter when the current is not applied at the input of the converter, and fourth means for subtracting the voltage taken and stored by the third means from the voltage taken and stored by the second means.
  • the current / voltage converter comprises means for delivering an output voltage which is substantially independent of the variations in current due to disturbances caused by irradiation of X or gamma radiation and / or by an increase in the ambient temperature. .
  • the current / voltage converter according to the invention produces the same effects as those of hardening insofar as reliable operation and in accordance with the specifications can be ensured even after reception of cumulative doses greater, for example, than 100 kGy.
  • the “hardening” according to the invention results from the arrangement of components and functionalities attributed to these components and not from the manufacturing technology of these components. It is thus possible to say, by abuse of language, that the whole of the converter is “hardened” whereas each of its components taken separately is not produced according to a hardened technology.
  • Such hardening allows the implantation of the current / voltage converter as close as possible to the system or the sensor to be measured. The problems associated with transporting a very weak current are thus advantageously eliminated.
  • the correction electronics associated with the operational amplifier makes it possible to eliminate the drifts generated by the degradations of the operational amplifier.
  • the amplified measurement signal obtained at the output. of the voltage / current converter is then free from the drifts produced by ionizing radiation and / or the rise in temperature.
  • the current / voltage converter is produced using operational amplifiers.
  • the invention advantageously allows the use of such components for cumulative doses greater than 100 kGy.
  • the preamplifier itself compensates for the drifts generated by the aging of the operational amplifier and directly delivers a valid measurement without resorting to means of correction located outside the irradiated area where the equipment operates.
  • FIG. 2 shows the establishment of currents and voltages in a current / voltage converter. real connected to a real current source, according to the prior art
  • FIG. 4 represents response curves relating to a current / voltage converter according to the invention.
  • Figure “ 1 represents the establishment " of " currents and voltages in an ideal current / voltage converter connected to an ideal voltage source, according to the prior art.
  • the converter 1 comprises an operational amplifier 3 and a feedback resistance R.
  • the operational amplifier 3 has a non-inverting input (+) connected to ground and an inverting input (-) connected to the current source 2 I pll .
  • Resistor R is mounted between the inverting input (-) and the output of the operational amplifier 3.
  • Such a current / voltage circuit is capable of accurately measuring very low currents (for example currents of the order of 10 "9 amps).
  • the operational amplifier 3 is preferably in bipolar technology, in particular with an input stage JFET.
  • the current source I ph symbolizes the current coming from a detector, for example one or more semiconductor junctions likely to be subjected to X or gamma irradiation.
  • a quasi-zero voltage is maintained at the input of amplifier 3 when the circuit is adequately supplied and polarized. Assuming that the potential difference between the inverting and non-inverting inputs is equal to 0 volts (ideal case), the voltage drawn at the output of the operational amplifier 3 is V or t such that:
  • V or t R x I ph
  • FIG. 2 represents the establishment of currents and voltages in a real current / voltage converter connected to a real current source, according to the prior art.
  • a bias current i- is present on the inverting input (-) and a bias current i b + is present on the non-inverting input (+).
  • an offset voltage V off is present between the inverting input (-) and the circuit earth.
  • FIG. 2 makes it possible to explain the transfer function of a real current / voltage converter according to the prior art and, consequently, the effect of disturbances
  • FIG. 3 represents a current / voltage converter according to the invention.
  • the current / voltage converter according to the invention comprises electronic correction means made up of non-intrinsically hardened components which make it possible to ensure a stable measurement with respect to the cumulative dose.
  • a stable measure consists in keeping the output voltage V s of the current / voltage converter substantially constant whatever the variations generated by the operational amplifier circuit 3.
  • the electronic correction means include a contact K, a relay 4, a sequencer circuit 5, two sampler-blockers ECHl, ECH2 and a subtractor S. It should be noted here that it would not be departing from the scope of the invention to replace the relay 4 by a semiconductor device fulfilling the same switching function, the semiconductor device having very low leakage currents.
  • the operation of the compensation circuit is based on the switching of relay 4.
  • the control of relay 4 is ensured by the sequencer circuit 5.
  • the sequencer circuit 5 controls the coil of relay 4 with an open / close cycle of a duration equal, for example, within seconds.
  • the contact K of the relay 4 allows the inverting input of the operational amplifier 3 to be connected or not to the current source 2. When the inverting input is not connected to the current source, it is either in l air is connected to a load resistor r c , the value of which is preferably substantially equal to the value of the resistance r.
  • the output voltage of the amplifier 3 is:
  • V out3 R xi b -
  • the output voltage after correction is obtained by subtracting the voltage V out3 from the voltage V outl .
  • the output voltage after correction is obtained by subtracting the voltage V out2 from the voltage V or t ⁇ -
  • the voltages V outl and V out2 are then successively sampled and stored by the respective sample and hold units ECH1 and ECH2.
  • the two sampler-blockers ECH1 and ECH2 are controlled by the sequencer 5.
  • the control of the relay 4 is preferably synchronous with the control of the sampler-blockers ECH1 and ECH2. It should be noted here that it would not be departing from the scope of the present invention by adding to the voltage / current converter means for shifting the sampling instants of the samplers ECHl and ECH2 from the switching instants of contact K, so as not to generate a measurement noise.
  • the sampler ECHl samples and stores the voltage at the output of the operational amplifier 3 when the contact K of the relay 5 is closed on the current source 2.
  • the sampler ECH2 samples and stores the voltage at the output of the operational amplifier 3 when the contact K of the relay 5 is closed on the resistor r c .
  • a subtraction function then makes it possible to find the significant value of the current I Ph at the output of the current / voltage converter. He comes :
  • Vs R x Iph
  • the subtraction of the voltages V or t ⁇ and V out2 is carried out by a subtractor S, for example an operational amplifier.
  • the resistors R and r c are resistors whose values are independent of the irradiation conditions and, where appropriate, such that R depends little on the temperature and that r c has a thermal behavior close to that of r.
  • the voltage V s is therefore well proportional to the current l ph .
  • the current / voltage converter according to the invention makes it possible to be free from any drift linked to variations in the bias currents and the offset voltages at the input of the amplifier. It is thus possible, in particular, to overcome the drifts associated with temperature variations.
  • the subtractor S is preferably made in JFET bipolar technology.
  • a characterization under gamma radiation of the current / voltage conversion circuit according to the invention was carried out.
  • the radiation source used is a source S0 Co.
  • Measurements of the polarization current drift of the current / voltage circuit were carried out.
  • the curves C1, C2, C3 shown in FIG. 4 respectively illustrate, for a constant dose rate of IKGy / h, the voltage measurements as a function of the cumulative dose carried out at the output of the sampler ECHl, at the output of the sampler ECH2 and at the output of the subtractor S.
  • the measured current I ph is equal to 90 nA.
  • the maximum cumulative dose reached is close to 100 kGy.
  • the measurements are carried out at an ambient temperature of 25 ° C.
  • Curve C1 represents the measurement of the voltage carried out at the output of the sample-and-hold circuit ECHl. It is therefore the measurement made with the current / voltage circuit when it is connected to the current source 2.
  • Curve C2 represents the measurement of the voltage carried out at the output of the ECH2 sample-and-hold circuit. It is therefore the measurement made with the current / voltage circuit when it is not connected to the current source 2. It appears on this curve that the sum of the currents i b - and i r changes strongly from the first kGy of cumulative dose.
  • the curve C3 represents the measurement of the voltage carried out at the output of the subtractor S. It clearly appears "that -" the voltage measured at the output of the subtractor is the difference between the voltage at the output of the sampler ECHl and the voltage at the output of the ECH2 sampler.
  • the principle of memorizing and correcting offsets according to the invention can be applied in the difficult thermal stresses.
  • the compensation arrangement according to the invention then advantageously guarantees a constant output voltage independent of the thermal environment provided that R has a low thermal coefficient and that r and r c have thermal behaviors close to one another.
  • the current / voltage converter assembly according to the invention is particularly suitable, for example, for measuring continuous or low frequency signals.
  • the bandwidth is limited by the switching speed of the relay which can be, for example, a few seconds. This duration defines the sampling and blocking frequency of the samplers ECH1 and ECH2.
  • the hardened 100 kGy current / voltage converter can be used in an irradiated environment. It can be associated with a detection circuit as a sensor preamplifier. The detector / sensor link can advantageously be reduced to a minimum.
  • the sensor converter assembly can be integrated in the same housing, thereby improving performance against electrical disturbances.
  • the current / voltage converter according to the invention is particularly suitable for processing very low currents generated by at least one semiconductor junction " capable " of generating electron-hole pairs under the action of a radiation to be detected, connected in photopile mode and maintained at a substantially constant temperature by known means.
  • Such a junction then behaves like a detector of X or ⁇ radiation, and all Detector / converter junction according to the invention becomes an X or ⁇ radiation sensor.
  • the resistance of the junction (or junctions) to ionizing radiation and its measurement sensitivity are greatly improved when this substantially constant temperature is above ambient temperature and below its maximum operating temperature. It is advantageous to make this temperature as constant as possible by known regulating means which can be placed outside the zone where the radiation object of the measurement exists.

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur courant/tension comprenant des moyens électroniques (3, R) pour délivrer une tension (Vout) à partir d'un courant (Iph). Le convertisseur comprend des premiers moyens (4, K) pour appliquer ou ne pas appliquer le courant en entrée du convertisseur, des deuxièmes moyens (ECH1) pour prélever et mémoriser une tension (Vout1) en sortie du convertisseur lorsque le courant est appliqué en entrée du convertisseur, des troisièmes moyens (ECH2) pour prélever et mémoriser une tension (Vout2 , Vout3) en sortie du convertisseur lorsque le courant n'est pas appliqué en entrée du convertisseur, et des quatrièmes moyens (S) pour soustraire la tension prélevée et mémorisée par les troisièmes moyens (ECH2) de la tension prélevée et mémorisée par les deuxièmes moyens (ECH1).

Description

CONVERTISSEUR COURANT/TENSION POUR LA MESURE DE FAIBLES COURANTS APTE A FONCTIONNER SOUS FORTE IRRADATION X OU GAMMA
5 Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne un convertisseur courant/tension.
Plus particulièrement, la présente invention
10 concerne un convertisseur courant/tension pour la mesure de faibles courants tels que, par exemple, des courants dans la gamme des nanoampères.
Il existe de nombreux montages permettant de réaliser la fonction de conversion courant/tension. Ces
15 montages peuvent être utilisés, par exemple, pour la mesure de courants issus de détecteurs de rayonnement.
Un détecteur de rayonnement délivre des courants de faibles valeurs. Un préamplificateur est alors associé au détecteur de façon à transformer le courant
20 détecté en une tension d'amplitude suffisante pour transmettre ou traiter le signal sans risque de dégradation. Le préamplificateur doit alors maintenir un bon rapport signal sur bruit.
Dans les cas où le préamplificateur subit une dose
25 importante de rayonnement X ou gamma et/ou subit une élévation importante de la -température ambiante, des phénomènes de dégradation apparaissent. Ces phénomènes de dégradation se traduisent par une apparition de tensions d'offset en entrée et en sortie du
30 préamplificateur et par une augmentation des courants de polarisation en entrée du préamplificateur. En outre, le gain peut également être altéré. Plusieurs solutions sont actuellement connues pour éviter une trop forte dégradation des mesures de faibles courants effectuées, par exemple, dans des environnements nucléaires sévères. Une première solution consiste à déporter le montage préamplificateur à l'extérieur du milieu irradiant afin de garantir ses performances. La difficulté réside alors dans la nécessité qu'il y a à effectuer le transport du courant faible le long d'un câble blindé contre les perturbations électromagnétiques ambiantes. Lorsque le courant est très faible et l'environnement soumis à une forte irradiation X ou gamma, le blindage est généralement réalisé par des isolants minéraux qui ne permettent pas de courber les fils aisément. Les isolants minéraux sont difficiles, à mettre en place, car une courbure trop forte ou un simple choc génèrent des fissures internes préjudiciables aux performances mécaniques et électriques. Par ailleurs, ces isolants minéraux présentent un diamètre relativement important.
Une autre solution consiste à utiliser des technologies intrinsèquement durcies comme les montages à base de transistors et de tubes à vide. Un tel montage adapté pour les forts débits de dose est divulgué dans le brevet US N°05 847 391 intitulé "Real Time Radiation Résistant Meter" (Sep ton et al.). Le préamplificateur est constitué d'un montage durci à base de transistors bipolaires et de tubes à vide. Un système de radio-transmission est associé au montage. L'ensemble présente un durcissement poussé et supporte jusqu'à 5 Gy de dose cumulée. Cependant, les performances d'un tel système ne sont pas connues en ce qui concerne la sensibilité de la mesure. Le montage amplificateur soumis à la dose cumulée voit ses performances se dégrader. Une correction de la réponse du circuit est nécessaire. On réalise alors, selon ce document, à intervalles réguliers, des mesures de tension de référence et des mesures de température. Ces mesures sont utilisées pour compenser les dérives du montage amplificateur vis-à-vis de la dose cumulée et de la température. La correction est réalisée par un système placé en dehors du milieu irradiant. Le procédé de correction nécessite l'envoi de plusieurs informations et le traitement de celles-ci par une unité de calcul externe. Indépendamment de cela, le recours à des tubes à vide est très contraignant et relativement coûteux. Leur durée de vie peut se trouver réduite accidentellement en raison de la sensibilité aux vibrations mécaniques de certains constituants (notamment les filaments) . Il en résulte des problèmes de fiabilité. Enfin, les tubes sont plus onéreux que des composants intégrés du commerce en silicium et présentent un problème de pérennité.
Une troisième solution connue consiste à utiliser des composants intégrés du commerce. Soumis au rayonnement électromagnétique, les composants voient leur performances se dégrader très rapidement. Il est alors nécessaire de les remplacer régulièrement. Il s'ensuit une maintenance coûteuse du circuit convertisseur (achat régulier de nouveaux composants et immobilisation des circuits pour la mise en place des nouveaux composants) . L'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Exposé de l'invention
En effet, l'invention concerne un convertisseur courant/tension comprenant des moyens électroniques pour délivrer une tension à partir d'un courant. Le convertisseur courant/tension comprend : - des premiers moyens pour appliquer ou ne pas appliquer le courant en entrée du convertisseur, des deuxièmes moyens pour prélever et mémoriser la tension en sortie du convertisseur lorsque le courant est appliqué en entrée du convertisseur, - des troisièmes moyens pour prélever et mémoriser la tension en sortie du convertisseur lorsque le courant n'est pas appliqué en entrée du convertisseur, et des quatrièmes moyens pour soustraire la tension prélevée et mémorisée par les troisièmes moyens de la tension prélevée et mémorisée par les deuxièmes moyens .
Ainsi, le convertisseur courant/tension selon l'invention comprend-il des moyens pour délivrer une tension de sortie sensiblement indépendante des variations de courant dues aux perturbations engendrées par une irradiation de rayonnement X ou gamma et/ou par une élévation de la température ambiante.
Le convertisseur courant/tension selon l'invention produit les mêmes effets que ceux d'un durcissement dans la mesure où un fonctionnement fiable et conforme au cahier des charges peut être assuré même après réception de doses cumulées supérieures, par exemple, à 100 kGy. Le « durcissement » selon l'invention résulte de l'agencement de composants et de fonctionnalités attribuées à ces composants et non de la technologie de fabrication de ces composants. Il est ainsi possible de dire, par abus de langage, que l'ensemble du convertisseur est « durci » alors que chacun de ses composants pris séparément n'est pas réalisé selon une technologie durcie. Un tel durcissement autorise l'implantation du convertisseur courant/tension au plus près du système ou du capteur à mesurer. Les problèmes liés au transport d'un très faible courant sont ainsi avantageusement supprimés.
L'électronique de correction associée à l'amplificateur opérationnel permet de supprimer les dérives générées par les dégradations de l'amplificateur opérationnel. Le signal de mesure amplifié obtenu en sortie . du convertisseur tension/courant est alors exempt des dérives produites par les rayonnements ionisants et/ou l'élévation de température .
Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le convertisseur courant/tension est réalisé à l'aide d'amplificateurs opérationnels. L'invention permet avantageusement l'utilisation de tels composants pour des doses cumulées supérieures à 100 kGy. Le préamplificateur assure lui-même la compensation des dérives générées par le vieillissement de l'amplificateur opérationnel et délivre directement une mesure valide sans recourir à des moyens de correction situés en dehors de la zone irradiée où fonctionne l'équipement.
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 décrit en référence aux figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 représente l'établissement des courants et des tensions dans un convertisseur courant/tension idéal connecté à une source de tension idéale, selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente l'établissement des courants et des tensions dans un convertisseur courant/tension . réel connecté à une source de courant réelle, selon l'art antérieur ;
- la figure 3 représente un convertisseur courant/tension selon l'invention ; - la figure 4 représente des courbes de réponse relative à un convertisseur courant/tension selon 1' invention.
Description détaillée de modes de mise en oeuyre de 1 ' invention
La figure " 1 représente l'établissement "des" courants et des tensions dans un convertisseur courant/tension idéal connecté à une source de tension idéale, selon l'art antérieur. Le convertisseur 1 comprend un amplificateur opérationnel 3 et une résistance de contre réaction R. L'amplificateur opérationnel 3 possède une entrée non inverseuse (+) reliée à la masse et une entrée inverseuse (-) reliée à la source 2 de courant Ipll. La résistance R est montée entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur opérationnel 3.
Un tel montage courant/tension est apte à mesurer avec précision de très faibles courants (par exemple des courants de l'ordre de 10"9 ampères). L'amplificateur opérationnel 3 est de préférence en technologie bipolaire notamment avec un étage d'entrée JFET. La source de courant Iph symbolise le courant issu d'un détecteur, par exemple une ou plusieurs jonctions semi-conductrices susceptible (s) d'être soumise (s) à une irradiation X ou gamma. Une tension quasi-nulle est maintenue en entrée de l'amplificateur 3 lorsque le montage est alimenté et polarisé de façon adéquate. Dans l'hypothèse où la différence de potentiel entre les entrées inverseuse et non inverseuse est égale à 0 volt (cas idéal) , la tension prélevée en sortie de l'amplificateur opérationnel 3 est Vout telle que :
Vout = R x Iph
La figure 2 représente l'établissement des courants et des tensions dans un convertisseur courant/tension réel connecté à une source de courant réelle, selon l'art antérieur.
Un courant de polarisation i- est présent sur l'entrée inverseuse (-) et un courant de polarisation ib+ est présent sur l'entrée non inverseuse (+) . Par ailleurs, une tension d'offset Voff est présente entre l'entrée inverseuse (-) et la masse du circuit.
La figure 2 permet d'expliciter la fonction de transfert d'un convertisseur courant/tension réel selon l'art antérieur et, partant, l'effet de perturbations
(irradiation, forte élévation de température) sur cette fonction de transfert.
La tension en sortie de l'amplificateur 3 s'écrit:
Vout = R x (IPh + ir + it>-) / où ir = V0ff / r, avec r la résistance interne de la source de courant 2. Dans la plupart des cas, ir et ib- sont négligeables devant IPh/ même lorsque ce dernier a une valeur faible, par exemple de l'ordre de 10~9 A.
En revanche, l'effet perturbateur induit, par exemple, par un rayonnement ionisant et/ou par une élévation de la température ambiante, aboutit à ce que ir et/ou ib- ne soit plus négligeable devant Iph . Il apparaît alors une dérive importante de la tension de sortie Vout. Cette dérive est essentiellement liée à l'augmentation des courants de polarisation ib_ et ib+ de l'étage d'entrée de l'amplificateur opérationnel 3 et/ou du courant de fuite ir du à la tension d'offset Voff appliquée aux bornes de r.
Dans le cas où seul le phénomène d'irradiation est en jeu, au bout de quelques kGy de dose cumulée, la valeur du courant ib- devient significative devant celle du courant IPh- De la même façon, la tension d'offset Voff augmente, générant un courant ir qui n'est plus négligeable. Les courants ib- et ir s'ajoutent au courant Ipll. La tension de sortie Vout dérive alors selon la formule indiquée ci-dessus.
Sous l'effet d'une perturbation thermique, des dérives analogues sont observées. Les perturbations engendrées soit par irradiation soit du fait de dérives thermiques sont, pour la plupart des amplificateurs, de même signe et s'additionnent.
La figure 3 représente un convertisseur courant/tension selon l'invention. Le convertisseur courant/tension selon l'invention comprend des moyens électroniques de correction constitués de composants non intrinsèquement durcis qui permettent d'assurer une mesure stable vis-à-vis de la dose cumulée. Une mesure stable consiste à maintenir la tension de sortie Vs du convertisseur courant/tension sensiblement constante quelles que soient les variations engendrées par le circuit amplificateur opérationnel 3.
Les moyens électroniques de correction comprennent un contact K, un relais 4, un circuit séquenceur 5, deux échantillonneurs-bloqueurs ECHl, ECH2 et un soustracteur S. Il faut ici noter qu'on ne sortirait pas du cadre de 1 ' invention en remplaçant le relais 4 par un dispositif à semi-conducteur remplissant la même fonction de commutation, le dispositif à semiconducteur ayant de très faibles courants de fuite .
Le fonctionnement du circuit de compensation est basé sur la commutation du relais 4. Le pilotage du relais 4 est assuré par le circuit séquenceur 5. Le circuit séquenceur 5 commande la bobine du relais 4 avec un cycle d'ouverture/fermeture d'une durée égale, par exemple, à quelques secondes. Le contact K du relais 4 permet que l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3 soit connectée ou non à la source de courant 2. Lorsque l'entrée inverseuse n'est pas connectée à la source de courant, elle est soit en l'air, soit connectée à une résistance de charge rc dont la valeur est, préférentiellement , sensiblement égale à la valeur de la résistance r.
Lors de la phase où le contact K est fermé sur la source 2, la tension en sortie de l'amplificateur 3 est Vouti telle que :
Vouti = R x ( IPh + ib-+ir) , où ir = Voff / r
Lors de la phase où le contact K n'est pas fermé sur la source 2, la tension de sortie de l'amplificateur 3 est :
- soit , Vout2 = R x ( ib-+ic) , où ic = VQff / rc ,
dans le cas où le contact K est fermé sur la résistance rc ,
- soit, Vout3 = R x ib-,
dans le cas où le contact K est en l'air.
Selon l'invention, lorsque le courant ir est négligeable devant les courants lph et ib-, la tension de sortie après correction est obtenue en retranchant la tension Vout3 de la tension Voutl. De même, lorsque le courant ir n'est pas négligeable devant les courants Iph et ib-, la tension de sortie après correction est obtenue en retranchant la tension Vout2 de la tension Voutι- A titre d'exemple non limitatif, la suite de la description sera faite dans le cas où le courant ir n'est pas considéré comme négligeable devant les courants Iph et ib- - Selon l'invention, les tensions Voutl et Vout2 sont alors successivement prélevées et mémorisées par les échantillonneurs-bloqueurs respectifs ECHl et ECH2.
Les deux échantillonneurs-bloqueurs ECHl et ECH2 sont pilotés par le séquenceur 5. La commande du relais 4 est préférentiellement synchrone avec la commande des échantillonneurs-bloqueurs ECHl et ECH2. Il faut ici noter qu'on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en adjoignant au convertisseur tension/courant des moyens pour décaler les instants d'échantillonnage des échantillonneurs ECHl et ECH2 des instants de basculement du contact K, afin de ne pas générer un bruit de mesure .
L' échantillonneur ECHl échantillonne et mémorise la tension en sortie de l'amplificateur opérationnel 3 lorsque le contact K du relais 5 est fermé sur la source de courant 2.
L' échantillonneur ECH2 échantillonne et mémorise la tension en sortie de l'amplificateur opérationnel 3 lorsque le contact K du relais 5 est fermé sur la résistance rc. Une fonction de soustraction permet alors de retrouver la valeur significative du courant IPh en sortie du convertisseur courant/tension. Il vient :
Vs = VoUtι - Vout2 = [R x (IPh+ib-+ir)]-[R x (ib-+ ic )]/
soit, dans l'hypothèse où ir = ic (c'est-à-dire r = rc) :
Vs = R x Iph
Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, la soustraction des tensions Voutι et Vout2 est effectuée par un soustracteur S, par exemple un amplificateur opérationnel. Les résistances R et rc sont des résistances dont les valeurs -sont indépendantes des conditions d'irradiation et, le cas échéant, telles que R dépende peu de la température et que rc ait un comportement thermique proche de celui de r. La tension Vs est donc bien proportionnelle au courant lph. Avantageusement, le convertisseur courant/tension selon l'invention permet de s'affranchir de toute dérive liée aux variations des courants de polarisation et des tensions d'offset à l'entrée de l'amplificateur. Il est ainsi possible, en particulier, de s'affranchir des dérives liées aux variations de température.
Le soustracteur S est préférentiellement réalisé en technologie bipolaire JFET.
Une caractérisation sous rayonnement gamma du circuit de conversion courant/tension selon l'invention a été menée. La source de rayonnement utilisée est une source S0Co. Des mesures de la dérive des courants de polarisation du montage courant/tension ont été réalisées. Les courbes Cl, C2 , C3 représentées en figure 4 illustrent respectivement, pour un débit de dose constant de IKGy/h, les mesures de tension en fonction de la dose cumulée effectuées en sortie de 1' échantillonneur ECHl, en sortie de l' échantillonneur ECH2 et en sortie du soustracteur S . Le courant mesuré Iph est égal à 90 nA. La dose cumulée maximale atteinte est proche de 100 kGy. Les mesures sont réalisées à une température ambiante de 25°C.
La courbe Cl représente la mesure de la tension effectuée en sortie du montage échantillonneur-bloqueur ECHl. C'est donc la mesure effectuée avec le montage courant/tension lorsque celui-ci est connecté à la source de courant 2.
La courbe C2 représente la mesure de la tension effectuée en sortie du montage échantillonneur-bloqueur ECH2. C'est donc la mesure effectuée avec le montage courant/tension lorsque celui-ci n'est pas connecté à la source de courant 2. Il apparaît sur cette courbe que la somme des courants ib- et ir évolue fortement dès les premiers kGy de dose cumulée.
La courbe C3 représente la mesure de la tension effectuée en sortie du soustracteur S. Il apparaît clairement "que-" la tension mesurée en sortie du soustracteur est la différence entre la tension en sortie de l' échantillonneur ECHl et la tension en sortie de l' échantillonneur ECH2. Le principe de mémorisation et de correction des offsets selon l'invention peut être appliqué dans le cas de contraintes thermiques difficiles. Le montage de compensation selon l'invention garantit alors avantageusement une tension de sortie constante indépendante de l'environnement thermique sous réserve que R ait un faible coefficient thermique et que r et rc aient des comportements thermiques proches l'un de 1 ' autre.
Le montage convertisseur courant/tension selon l'invention est particulièrement adapté, par exemple, à la mesure de signaux continus ou basse fréquence. La bande passante est limitée par la vitesse de commutation du relais qui peut être, par exemple, de quelques secondes . Cette durée définit la fréquence d'échantillonnage et de blocage des échantillonneurs ECHl et de ECH2. Le convertisseur courant/tension durci à 100 kGy peut être utilisé dans un environnement irradié. Il peut être associé à un circuit de détection en tant que préamplificateur capteur. La liaison détecteur/capteur peut avantageusement être réduite au minimum. Le montage convertisseur capteur peut être intégré dans un même boîtier améliorant ainsi les performances vis-à-vis des perturbations électriques.
Le convertisseur courant/tension selon l'invention est particulièrement apte à traiter les très faibles courants générés par au moins une jonction semi-conductrice "apte" à générer des paires électron- trou sous l'action d'un rayonnement à détecter, connectée en mode photopile et maintenue à une température sensiblement constante par des moyens connus. Une telle jonction se comporte alors comme un détecteur de rayonnements X ou γ, et l'ensemble jonction détectrice/convertisseur selon l'invention devient un capteur de rayonnement X ou γ. La résistance de la jonction (ou des jonctions) aux rayonnements ionisants et sa sensibilité de mesure sont grandement améliorés lorsque cette température sensiblement constante est supérieure à la température ambiante et inférieure à sa température maximale de fonctionnement. Il est avantageux de rendre cette température la plus constante possible par des moyens de régulation connus qui peuvent être placés en dehors de la zone où existent les rayonnement objets de la mesure.
Par connexion en mode photopile, il faut entendre non seulement le cas où la jonction est refermée sur une résistance ohmique de très faible valeur mais aussi le cas où la jonction est refermée sur un circuit électronique apte à maintenir entre ses bornes une différence de potentiel quasi-nulle comme le convertisseur objet de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur courant/tension comprenant des moyens électroniques (3, R) pour délivrer une tension (Vou) à partir d'un courant (IPh) , caractérisé en ce qu'il comprend : des premiers moyens (4, K) pour appliquer ou ne pas appliquer le courant en entrée du convertisseur, des deuxièmes moyens (ECHl) pour prélever et mémoriser une tension (Voutι) en sortie du convertisseur lorsque le courant (IPh) est appliqué en entrée du convertisseur, des troisièmes moyens (ECH2) pour prélever et mémoriser une tension (Vout2 , Vout3) en sortie du convertisseur lorsque le courant (IPh) n'est pas appliqué en entrée du convertisseur, et des quatrièmes moyens (S) pour soustraire la tension prélevée et mémorisée par les troisièmes moyens
(ECH2) de la tension prélevée et mémorisée par les deuxièmes moyens (ECHl) .
2. Convertisseur courant/tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens (4, K) sont constitués d'un contact (K) de relais (4) , en ce que les deuxièmes moyens sont constitués d'un premier échantillonneur-bloqueur (ECHl) ayant une entrée et une sortie, en ce que les troisièmes moyens sont constitués d'un second échantillonneur-bloqueur (ECH2) ayant une entrée et une sortie, l'entrée du premier échantillonneur-bloqueur étant reliée à l'entrée du second échantillonneur- bloqueur, et en ce que les quatrièmes moyens sont constitués d'un soustracteur (S) ayant une première entrée reliée à la sortie du premier échantillonneur- bloqueur (ECHl) et une deuxième entrée reliée à la sortie du second échantillonneur-bloqueur (ECH2) .
3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un séquenceur (5) qui synchronise la commande du contact (K) avec la commande des échantillonneurs-bloqueurs (ECHl, ECH2) .
4. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens électroniques (3, R) pour délivrer une tension à partir d'un courant sont constitués d'un amplificateur opérationnel (3) ayant une entrée inverseuse et une sortie et d'une résistance (R) montée entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur opérationnel
(3) .
5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le soustracteur (S) comprend un amplificateur opérationnel .
6. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée du convertisseur est en l'air lorsque le courant n'est pas appliqué en entrée du convertisseur.
7. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'entrée du convertisseur est reliée à une résistance de charge (rc) lorsque le courant n'est pas appliqué en entrée du convertisseur.
8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la résistance de charge (rc) a une valeur sensiblement égale à l'impédance interne (r) d'un générateur de courant (2) qui délivre le courant à convertir.
9. Capteur de rayonnement X ou γ comprenant au moins une jonction semi-conductrice apte à générer des paires électron-trou sous l'action d'un rayonnement détecté, connectée en mode photopile et maintenue à une température sensiblement constante, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur courant/tension selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Capteur de rayonnement X ou γ selon la revendication 9, caractérisé en ce que la température sensiblement constante est supérieure à la température ambiante .
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