FR2817353A1 - Convertisseur courant/tension pour la mesure de faibles courants apte a fonctionner sous forte irradiation x ou y - Google Patents

Convertisseur courant/tension pour la mesure de faibles courants apte a fonctionner sous forte irradiation x ou y Download PDF

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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).L'invention s'applique plus particulièrement à la mesure de faibles courants dans des environnements nucléaires sévères.

Description

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CONVERTISSEUR COURANT/TENSION POUR LA MESURE DE FAIBLES COURANTS APTE A FONCTIONNER SOUS FORTE
IRRADIATION X ou y Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne un convertisseur courant/tension.
Plus particulièrement, la présente invention 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 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 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 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 préamplificateur et par une augmentation des courants de polarisation en entrée du préamplificateur. En outre, le gain peut également être altéré.
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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 NO05 847 391 intitulé"Real Time Radiation Resistant Meter" (Sephton 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 MGy de dose cumulée. Cependant, les
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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).
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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,
Figure img00040001

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
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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
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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 l'invention.
Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'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.
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Figure img00070001

L'amplificateur opérationnel 3 possède une entrée non inverseuse (+) reliée à la masse et une entrée inverseuse (-) reliée à la source 2 de courant Iph. 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 Veut telle que :
Figure img00070002
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 ib-est présent sur l'entrée inverseuse (-) et un courant de polarisation ib+ est présent sur l'entrée non inverseuse (+). Par
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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.
Figure img00080001
La tension en sortie de l'amplificateur 3 s'écrit :
Figure img00080002

Vout = R x (Iph + ir + ib-), où ir = Voff/r,
Figure img00080003

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 Veut. 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
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courant Iph. La tension de sortie Veut 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 ECH1, ECH2 et un soustracteur S. Il faut ici noter qu'on ne sortirait pas du cadre de l'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,
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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 Vomi telle que :
Figure img00100001

Vouti = R x (Iph + lb-+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
Figure img00100002

l'amplificateur 3 est :
Figure img00100003

- soit, Vout2 = R x (ib-+ic), où le = Voff/r
Figure img00100004

dans le cas où le contact K est fermé sur la résistance rc,
Figure img00100005

- soit, Vout3 = R x ib-,
Figure img00100006

dans le cas où le contact K est en l'air.
Selon l'invention, lorsque le courant ir est négligeable devant les courants Iph et ib-, la tension de sortie après correction est obtenue en retranchant la tension Vout3 de la tension Vouti.
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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 Veut2 de la tension Voutl.
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 Vouai et Veut2 sont alors successivement prélevées et mémorisées par les échantillonneurs-bloqueurs respectifs ECH1 et ECH2.
Les deux échantillonneurs-bloqueurs ECH1 et ECH2 sont pilotés par le séquenceur 5. La commande du relais 4 est préférentiellement synchrone avec la commande des échantillonneurs-bloqueurs ECH1 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 ECH1 et ECH2 des instants de basculement du contact K, afin de ne pas générer un bruit de mesure.
L'échantillonneur ECH1 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 re.
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Figure img00120001
Une fonction de soustraction permet alors de retrouver la valeur significative du courant Iph en sortie du convertisseur courant/tension. Il vient :
Figure img00120002
Figure img00120003

soit, dans l'hypothèse où ir = le (c'est-à-dire r = rc) :
Figure img00120004
Figure img00120005

Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, la soustraction des tensions Voutl et Veut2 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 Iph. 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
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Figure img00130001

source 60po. 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 1KGy/h, les mesures de tension en fonction de la dose cumulée effectuées en sortie de l'échantillonneur ECH1, 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 25OC.
La courbe Cl représente la mesure de la tension effectuée en sortie du montage échantillonneur-bloqueur ECH1. 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 ECH1 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
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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 l'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 ECH1 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 électrontrou 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 y, et l'ensemble
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jonction détectrice/convertisseur selon l'invention devient un capteur de rayonnement X ou y. 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 (10)

  1. des deuxièmes moyens (ECH1) pour prélever et mémoriser une tension (Voutl) 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 (ECH1).
    Figure img00160001
    REVENDICATIONS 1. Convertisseur courant/tension comprenant des moyens électroniques (3, R) pour délivrer une tension (Veut) 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,
  2. 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 (ECH1) 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-
    <Desc/Clms Page number 17>
    bloqueur, et en ce que les quatrièmes moyens sont constitués d'un soustracteur (S) ayant une première entrée reliée à la sortie du premier échantillonneurbloqueur (ECH1) et une deuxième entrée reliée à la sortie du second échantillonneur-bloqueur (ECH2).
    Figure img00170001
  3. 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 (ECH1, ECH2).
  4. 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. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le soustracteur (S) comprend un amplificateur opérationnel.
  6. 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.
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  7. 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. 8. Convertisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la résistance de charge (ric) a une valeur sensiblement égale à l'impédance interne (r) d'un générateur de courant (2) qui délivre le courant à convertir.
  9. 9. Capteur de rayonnement X ou y 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. 10. Capteur de rayonnement X ou y selon la revendication 9, caractérisé en ce que la température sensiblement constante est supérieure à la température ambiante.
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