FR3046254B1 - Dispositif de detection de particules d'un environnement radiatif - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de détection (10 ; 50 ; 60) de particules comprenant : - au moins deux capteurs matriciels (11 ; 52 ; 61) plans agencées dans des plans différents, lesdits capteurs matriciels comportant chacun une matrice (13 ; 54) à au moins deux dimensions de cellules dont l'état est susceptible d'être modifié lorsqu'il est traversé par une particule ; - et des moyens de traitement (18 ; 58 ; 64) des données délivrées par lesdits capteurs matriciels. Lesdits moyens de traitement effectuant des opérations d'analyse (80) des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type, une trajectoire et un niveau d'énergie d'une particule (21 ; 31 ; 57) incidente ayant traversée au moins deux desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins un capteur matriciel.

Description

DISPOSITIF DE DÉTECTION DE PARTICULES D’UN ENVIRONNEMENT RADIATIF

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine de l’invention est celui de la métrologie.

Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de détection de particules d’un environnement radiatif. L’invention trouve notamment des applications dans le domaine de l’aéronautique, du spatial et de l’industrie nucléaire.

Les environnements radiatifs, constituées de nombreuses particules telles que les neutrons, les protons, les ions lourds ou les muons, sont notamment responsables de plus de 30 % des défaillances de composants électroniques ou de leurs fonctionnements observées dans le domaine du spatial. Les dispositifs électroniques étant de plus en plus sensibles aux particules comme les muons ou les protons de basse énergie, il est donc important de bien connaître les flux de particules incidentes auxquels les équipements, en particulier les équipements embarqués et fonctionnant en haute altitude, sont soumis.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Il est connu de l’état de l’art un dispositif de détection de particules, pour les neutrons principalement, s’appuyant sur l’utilisation couplée de modérateurs fortement hydrogéné ayant un fort pouvoir de ralentissement des neutrons et de cibles pour lesquelles les neutrons de basses énergies ont un grande section efficace d’interaction. Après avoir traversé le modérateur, les neutrons se retrouvent avec une faible énergie (neutrons thermiques) ce qui favorise leur interaction avec le cœur du dispositif qui est réalisé sur la base d’atomes d’hélium et de lithium pour lesquels la section efficace d’interaction est élevée. D’autres dispositifs de détection de particules, notamment utilisés pour la détection de muons, reposent aussi sur l’utilisation combinée de scintillateurs émettant de la lumière lors du passage de la particule et de photomultiplicateurs amplifiant ce signal. Des mesures en coïncidence temporelle des signaux émis par les couples scintillateur/photomultiplicateur permettent de mesurer les flux de particules tout en filtrant les événements parasites n’intervenant que sur un seul couple scintillateur/photomultiplicateur.

Un des inconvénients de ces dispositifs de détection est qu’ils ne sont efficaces que pour détecter un seul type de particules, respectivement des neutrons ou des muons. Ces techniques et dispositifs de détection ne sont pas adaptés pour détecter plusieurs types de particules incidentes.

Il existe également un dispositif de détection de particules reposant sur l’utilisation de composants semi-conducteurs. Le passage de la particule génère de manière directe ou indirecte des charges pouvant être ensuite mesurées et reliées aux caractéristiques de la particule incidente. Afin de quantifier les particules dans une direction donnée, le dispositif de détection est doté d’un collimateur restreignant l’angle solide d’incidence des particules.

Un des inconvénients de cette technique est que les particules traversant le dispositif avec une trajectoire d'orientation différente de celle de l'axe du collimateur ne sont pas détectées.

Afin de détecter des particules provenant de n’importe quelle direction, il existe un dispositif de détection de particules comprenant une multitude de collimateur et de semi-conducteurs.

Un des inconvénients de cette technique est qu’elle est complexe à mettre à oeuvre pour prendre en compte toutes les directions possibles sans laisser de zones d’ombres.

Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous les besoins requis, à savoir de proposer une technique de détection de particules qui puissent détecter des particules d’un environnement radiatif en caractérisant le type de particules, leur direction, leur niveau d’énergie et le dépôt d’énergie par unité de longueur, et qui soit notamment compacte, fiable et de faible coût de réalisation et de mise en oeuvre.

OBJET DE L’INVENTION

La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités ci-dessus. A cet effet, la présente invention vise un dispositif de détection de particules comprenant au moins deux capteurs matriciels plans agencées dans des plans différents. Les capteurs matriciels comportent chacun une matrice à au moins deux dimensions de cellules dont l’état est susceptible d’être modifié lorsqu’il est traversé par une particule. Les capteurs matriciels délivrent des données d’état de chacune des cellules de ladite matrice, lesdites données d’état étant représentatives pour chaque cellule d’un niveau de dépôt de charges dans ladite cellule. Le dispositif de détection comprend également des moyens de traitement des données délivrées par les capteurs matriciels.

Le dispositif de détection de particules, plus communément appelé détecteur de particules, est basé sur le principe physique qu’une particule chargée traversant un matériau dépose une partie de sa charge dans ce matériau. La particule va ainsi perdre de l’énergie, et par conséquent ralentir, en traversant des couches successives de matériau compris dans le dispositif. A partir du dépôt de charges mesurées dans des cellules des capteurs matriciels, le dispositif peut détecter des particules incidentes. On appelle par dépôt de charges, la quantité de charges déposée par une particule dans un matériau traversé par ladite particule.

Le dispositif de détection de particules est destiné à caractériser des particules ionisantes comme les ions lourds ou les muons et des particules telles que les neutrons provoquant par réaction nucléaire une ionisation indirecte. Il est à noter que les protons interagissent selon les deux modes. Le passage d’un proton à travers un semi-conducteur se traduit par une ionisation directe se caractérisant par un faible dépôt de charges, en l’occurrence ici d’électrons, dans la matière du semi-conducteur. Le passage du proton peut également se traduire par une ionisation indirecte par un ion émis lors de la réaction nucléaire provoquée par la collision du proton avec un atome du semi-conducteur. L’ordre de grandeur des énergies des particules incidentes pouvant être détectées par le dispositif est compris entre 10 keV et plusieurs centaines de MeV.

Selon l’invention, lesdits moyens de traitement de données effectuent des opérations d’analyse des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, par coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d’au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type et un niveau d’énergie d’une particule incidente ayant traversé au moins un capteur matriciel et ayant été à l’origine d’un dépôt de charges dans au moins une cellule d’au moins un capteur matriciel.

Ainsi, une particule interagissant avec plusieurs capteurs se traduit par un évènement localisé sur la matrice de cellules photoconductrices de ces capteurs, aboutissant à la création d’un courant parasite au niveau d’une des cellules. L’analyse des données des capteurs est effectuée par les moyens de traitement en rapprochant les évènements coïncidant temporellement et spatialement. En considérant que la référence des coordonnées soit définie de manière similaire sur chacun des capteurs, les évènements coïncidant spatialement auront des coordonnées proches. Dans le cas où plus de deux capteurs sont superposés, un passage d’une particule ayant suffisamment d’énergie pour traverser plusieurs capteurs se traduit par une trajectoire rectiligne.

Il convient de souligner que la trajectoire d’une particule peut être déviée par la collision de ladite particule sur un noyau d’un atome. Cependant dans la plupart de ces cas, les particules secondaires générées à cette occasion ont des parcours faibles dans la matière et s’arrêtent généralement dans le capteur dans lequel a lieu l’interaction. Un évènement est ainsi au moins généré uniquement au niveau de ce capteur. La génération de plusieurs particules secondaires peut ainsi entraîner des évènements dans des cellules matricielles en étoile autour de la cellule matricielle dans laquelle a lieu la réaction nucléaire.

Deux évènements sont considérés coïncidents temporellement lors ces évènements ont lieu dans un intervalle de temps prédéfini, correspondant à la période de lecture du dispositif, fonction du flux maximum de particules à détecter. A titre d’exemple non limitatif de l’invention, le dispositif de détection peut comprendre une pile de capteurs CCD fonctionnant à 60 images par seconde pour détecter des neutrons et des protons au niveau atmosphérique. Le flux de neutrons au niveau du sol est d’environ 20 neutrons/cm2/h.

Pour des environnements radiatifs auxquels sont soumis les lanceurs ou pour des environnements radiatifs spatiaux à l’intérieur des ceintures de Van Allen, les flux à considérer sont de l’ordre de 10 000 particules/cm2/s. Les dispositifs choisis sont alors des détecteurs capables de fonctionner à de très hautes fréquences. Ces détecteurs sont par exemple à base de mémoires RAM (pour l’acronyme anglais « Random Access Memory ») ou de mémoire Flash.

Il est également possible d’adapter la taille du capteur en fonction des flux incidents, le nombre d’évènements étant fonction de la taille du capteur.

Suivant la nature de la particule incidente, il est possible d’obtenir des évènements ayant à la fois une coïncidence spatiale et temporelle, des évènements ayant uniquement une coïncidence temporelle, voire aucune coïncidence. L’analyse des types de coïncidence permet de discriminer les différents types de particules détectées. Les particules chargées provoquent notamment des évènements ayant à la fois une coïncidence spatiale et temporelle, alors que les particules provoquant une ionisation indirecte par l’intermédiaire d’une réaction nucléaire provoquent des évènements ayant uniquement une coïncidence temporelle.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, lesdits moyens de traitement de données effectuent des opérations d’analyse des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d’au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type, une trajectoire et un niveau d’énergie d’une particule incidente ayant traversée au moins deux desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d’un dépôt de charges dans au moins une cellule d’au moins deux desdits capteurs matriciels.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, lesdits moyens de traitement de données effectuent des opérations d’analyse des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d’au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type, une trajectoire et un niveau d’énergie d’une particule ionisante incidente ayant traversée au moins deux desdits capteurs matriciels et ayant été à l’origine d’un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins un capteur matriciel.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les cellules desdits capteurs matriciels comprennent un photodétecteur ou au moins un transistor.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels sont agencés en couches successives parallèlement les uns par rapport aux autres pour former une pile.

Ainsi, une particule incidente au dispositif de détection peut traverser plusieurs capteurs. Il est à souligner que la précision de l’analyse des données en coïncidence spatiale et temporelle augmente avec le nombre d’évènements d’interaction provoqués par la particule incidente.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs de détection sont alignés selon un axe perpendiculaire à la base de ladite pile.

Ainsi, l’analyse des données en coïncidence spatiale et temporelle permet d’obtenir plus facilement les caractéristiques d’une particule incidente, en particulier au niveau de la direction.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, au moins un capteur matriciel comprend une couche d’atténuation de l’énergie d’une particule.

Ainsi, la couche d’atténuation de nature et d’épaisseur connues permet de favoriser la détection de particules dans des gammes d’énergie, en provoquant un dépôt d’énergie contrôlé. Ces couches d’atténuation peuvent également limiter les perturbations électromagnétiques au niveau des capteurs de détection.

Il est à noter que le choix du matériau à utiliser pour l’atténuation ainsi que de son épaisseur dépend très fortement de la particule à détecter et de ses caractéristiques. Des outils informatiques bien connus de l’homme de l’art, comme par exemple SRIM, GEANT4 ou EXFOR, peuvent être utilisés pour caractériser ces couches d’atténuation en calculant le dépôt d’énergie des particules dans le matériau choisi.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ladite pile comprend une alternance de N capteurs matriciels et de N-1 couches d’atténuation, N étant au moins égal à 2.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels sont disposés selon les faces d’un parallélépipède.

Ainsi, une particule incidente traverse plusieurs faces du parallélépipède formé par les capteurs. Il est à noter que le parallélépipède peut être avantageusement un parallélépipède rectangle ou un cube. Le dispositif de détection couvre alors avantageusement toutes les directions des particules incidentes avec une même précision de détection.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, une couche d’atténuation est solidarisée sur chaque face extérieure de ladite pile de capteurs matriciels ou dudit parallélépipède.

Ainsi, les particules de faible énergie sont arrêtées par la couche d’atténuation entourant les capteurs matriciels. Le dispositif de détection est alors adapté pour détecter des particules de fortes énergies. La couche d’atténuation entourant le dispositif peut être formée par exemple par un blindage métallique de faible épaisseur.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels comprennent des semi-conducteurs.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels comprennent des semi-conducteurs formés dans une technologie comprise dans Sa liste : - technologie silicium ; - technologie nitrure de gallium (GaN) ; - technologie arséniure de gallium (AsGa) ; - technologie arséniure d’indium-gallium (InGaAs) ; - technologie carbure de silicium (SiC) ; - technologie silicium germanium (SiGe) ; - technologie nanotubes de carbone.

Ainsi, les capteurs comprennent des éléments standards en électronique.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs de détection comprennent un capteur photographique de type CCD (pour l’anglais « Charge-Coupled Device ») ou un capteur photographique de type CMOS (pour l’anglais « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »).

Ainsi, les évènements liés à l’interaction d’une particule incidente provoquent la modification du niveau de gris du ou des pixels impactés.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels comprennent une mémoire informatique.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels comprennent une mémoire informatique dont le type est compris dans la liste : - SRAM (« Static Random Access Memory ») ; - DRAM (« Dynamic Random Access Memory ») ; - ReRAM (« Résistive Random Access Memory ») ; - FeRAM (« Ferroelectric Random Access Memory ») ; - PCRAM (« Phase Change Random Access Memory ») ; - Bascule (« Flip Flop ») ; - Registre.

Ainsi, les évènements liés à l’interaction d’une particule incidente provoquent une inversion logique de l’état d’une ou plusieurs cellules de la mémoire. La mémoire vive peut être incluse par exemple sur une barrette de mémoire ou sur un composant FPGA (pour l’acronyme anglais « Field-Programmable Gâte Array ») ou un composant microprocesseur à un ou plusieurs coeurs.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, lesdits capteurs matriciels sont des mémoires informatiques non volatiles telles qu’une mémoire flash MLC (« Multiple-Layer Cell »), une mémoire flash SLC (« Single-Layer Cell ») ou une mémoire flash TLC (« Triple-Layer Cell »).

Ainsi, un dispositif comprenant des mémoires non volatiles est économe en énergie car les mémoires non volatiles ne sont alimentées que lors de la lecture de l’état des cellules.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, tous les capteurs matriciels mis en œuvre dans ledit dispositif de détection sont identiques. L’invention concerne également un procédé de détection d’une particule ayant été à l’origine d’un dépôt de charges dans au moins une cellule d’au moins un capteur matriciel d’un dispositif de détection de particules, caractérisé en ce qu’il comprend : - une étape de lecture des données d’état des cellules des capteurs matriciels du dispositif de détection ; - une étape d’analyse desdites données d’état en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d’au moins deux capteurs pour déterminer le type et le niveau d’énergie de la particule détectée.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la particule à l’origine d’un dépôt de charge dans au moins une cellule d’un seul capteur, est une particule ayant une interaction nucléaire avec une cellule dudit capteur.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la particule détectée traverse au moins deux desdits capteurs matriciels.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la particule à l’origine d’un dépôt de charge dans au moins une cellule d’au moins deux capteurs, est une particule ionisante.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, l’étape d’analyse des données d’état compare les énergies déposées dans chacune des cellules avec des courbes de transfert linéaire d’énergie LET (« Linear Energy Transfer») préalablement calculées pour différents types de particules et pour différentes énergies incidentes.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, l’étape d’analyse des données d’état détermine la trajectoire de la particule détectée.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la particule à l’origine d’un dépôt de charge dans au moins une cellule d’au moins deux capteurs sans interagir avec d’autres capteurs situés selon la trajectoire de la particule est une particule ionisante ayant une interaction nucléaire avec une cellule du dernier capteur impacté.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit de modes de réalisation particuliers des dispositifs objets de la présente invention, en regard des dessins annexés qui représentent de manière schématique : - la figure 1 une vue en perspective d’un dispositif de détection de particules selon l’invention ; - la figure 2a une vue en perspective du dispositif de détection en référence à la figure 1, traversé par un ion lourd à basse énergie ; - les figures 2b, 2c et 2d représentent l’image obtenue par les trois capteurs du dispositif de détection traversés par l’ion lourd, en référence à la figure 2a ; - la figure 2e la quantité de charges déposée par unité de longueur par l’ion lourd dans du silicium en fonction de l’énergie de lion lourd ; - la figure 3a une vue en perspective du dispositif de détection en référence à la figure 1, traversé par un neutron de forte énergie ; - les figures 3b, 3c et 3d l’image obtenue par les trois capteurs du dispositif de détection traversés par le neutron, en référence à la figure 3a ; - la figure 4 un dispositif de protection d’un dispositif électronique selon l’invention ; - la figure 5 un autre mode de réalisation particulier d’un dispositif de détection de particules selon l’invention ; - la figure 6 un autre mode de réalisation particulier d’un dispositif de détection de particules selon l’invention ; - la figure 7 un autre mode de réalisation particulier d’un dispositif de détection de particules selon l’invention ; - la figure 8 un schéma synoptique du procédé d’analyse en coïncidence spatiale et temporelle.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

En particulier, les capteurs matriciels décrits dans chaque exemple de mode de réalisation de l’invention peuvent être remplacés par tout autre capteur matriciel compris parmi la liste non exhaustive suivante : - capteur CCD (pour l’acronyme anglais « Charge-Coupled Device >>) ; - capteur CMOS (« Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ») ; - mémoire informatique SRAM (« Static Random Access Memory ») ; - bascule (« Flip Flop ») ; - Registre ; - mémoire informatique DRAM (« Dynamic Random Access Memory ») ; - mémoire flash de type MLC (« Multi-Level Cell »), SLC (« Single-Level Cell ») ou TLC (« Triple-Level Cell ») ; - mémoire informatique ReRAM (« Résistive Random Access Memory ») ; - mémoire informatique FeRAM (« Ferroelectric Random Access Memory ») ; - mémoire informatique PCRAM (« Phase Change Random Access Memory ») ; - mémoire informatique MRAM (« Magnetic Random Access Memory ») ; - composant FPGA (« Field-Programmable Gâte Array ») ; - composant microprocesseur.

Par ailleurs, les semi-conducteurs décrits sont formés dans une technologie incluse dans la liste non exhaustive suivante : - technologie silicium (Si) ; - technologie nitrure de gallium (GaN) ; - technologie arséniure de gallium (AsGa) ; - technologie arséniure d’indium-gallium (InGaAs) ; - technologie carbure de silicium (SiC) ; - technologie silicium germanium (SiGe) ; - technologie nanotubes de carbone.

On note, dès à présent, que les figures sont des représentations schématiques et que les différentes figures entre elles et les différentes parties ou éléments d'une même figure ne sont pas nécessairement représentés à une même échelle.

Exemple d’un mode de réalisation de l’invention

La figure 1 représente une vue en perspective d’un dispositif de détection 10 de particules selon l’invention.

Le dispositif de détection 10 de la figure 1 comprend six capteurs matriciels à deux dimensions 11 de type CCD. Les six capteurs matriciels 11 identiques sont superposés les uns au-dessus des autres, et forment une pile 16 de capteurs fixés sur un circuit imprimé PCB 12 (pour l’anglais « Printed Circuit Board »).

Chacun des capteurs matriciels 11 comporte une matrice carrée 13 de soixante quatre cellules formées dans le présent exemple par des photodétecteurs en silicium. Chaque capteur matriciel 11 est relié au circuit imprimé 12 par l’intermédiaire de connecteurs 15 qui assure l'alimentation des capteurs matriciels 11 et la transmissions des données entre le circuit imprimé 12 et les capteurs matriciels 11.

La pile 16 de capteurs matriciels 11 est maintenue au circuit imprimé 12 par l’intermédiaire de quatre peignes 17 orientés avec un axe longitudinal de chaque capteur sensiblement perpendiculaire à un plan du circuit imprimé 12, et situé à proximité d’arêtes de la pile 16. Ainsi, les capteurs matriciels 11 sont régulièrement espacés d’une distance d’environ 100 pm. Par ailleurs, l'agencement des cellules photosensibles étant identique, pour le moins géométriquement similaire, pour les différents capteurs matriciels 11, les photodétecteurs sont également alignés suivant l’axe perpendiculaire au plan du circuit imprimé.

Les capteurs matriciels 11 sont avantageusement des capteurs du domaine de l'imagerie, par exemple capteurs CCD à large diffusion et à bas prix. Dans l'agencement du dispositif de détection de l'invention, les capteurs matriciels 11 forment, tels qu'agencés sur le circuit imprimé 12 dans l'exemple décrit, un capteur en trois dimensions formant une matrice de 8x8x6 photodétecteurs.

Il convient de noter qu’il est avantageux de retirer la vitre des capteurs CCD afin d’améliorer la détection en évitant ainsi que des rayonnements alpha soient générés par la vitre et perturbent la mesure avec des faux positifs..

Dans une variante de ce mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels 11 sont collés les uns aux autres, le cas échéant avec des séparateurs d'épaisseur calibrée et formés dans un matériau neutre ou à faible interaction avec les rayonnements devant être étudiés. Ces séparateurs peuvent être remplacés par des couches d’atténuation comportant un matériau ayant une forte interaction avec les particules considérées pour modifier leur caractéristique de manière contrôlée.

Dans une autre variante de ce mode de réalisation particulier de l’invention, les capteurs matriciels 11 sont maintenus entre quatre profilés en L se dressant perpendiculairement au circuit 12 dans chaque coin de la pile 16, en remplacement des peignes.

Le circuit imprimé 12 comprend également une unité de calcul 18 de traitement des signaux émis par les capteurs matriciels 11 et une série de connecteurs 19 d'entrée et de sortie d’un signaux de contrôle et de mesure. Cette unité de calcul 18 comprend au moins un processeur 181 et au moins une mémoire 182 destinée à stocker un programme informatique de traitement et d’analyse de données transmises par les capteurs matriciels.

Le circuit imprimé 12 est alimenté par une source d'énergie électrique (non représentée sur la figure 1) délivrant les tensions et courants nécessaires au fonctionnement du dispositif de détection 10. Cette source d'énergie électrique peut être intégrée dans le dispositif de détection 10, rendant ainsi le dispositif de détection 10 autonome. La source d'énergie électrique peut également être externe au dispositif de détection 10, en particulier lorsque le dispositif de détection 10 doit fonctionner avec une durée importante et ou lorsque le dispositif de détection 10 est connecté à d'autres équipements pouvant délivrer l'énergie électrique nécessaire. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description des phénomènes physiques se produisant dans le dispositif et de la manière dont leur matérialisation est utilisée pour déterminer les caractéristiques recherchées du rayonnement.

La figure 2a représente une vue en perspective du dispositif de détection 10 traversé par un ion lourd 21 suivant une trajectoire 21a à basse énergie avec un angle d’incidence a, dans le cas illustré d’environ 30°, rapport à la normale à la surface du circuit imprimé et définit ici comme la normale au capteur à trois dimensions formé par les capteurs matriciels. L’ion lourd 21 lors de son déplacement sur la trajectoire suivie traverse successivement les trois capteurs matriciels 111, 112 et 113 du dessus de la pile 16.

Les figures 2b, 2c et 2d représentent les images résultantes 22 du passage de l’ion lourd 21 respectivement au travers des capteurs matriciels 111, 112 et 113. L’ion lourd 21 traverse le capteur matriciel 111 et interagit par interaction coulombienne avec les électrons du cortège électronique des atomes d’un photodétecteur 23 de la matrice 13Ί. Le photodétecteur 23 traversé par l’ion lourd 21 est situé dans l'exemple illustré sensiblement au centre de la matrice 13i. Le passage de cette particule ionisante se traduit par la création d’un courant parasite au niveau du photodétecteur 23, et ainsi par une élévation d'un niveau de gris d’un point image (pixel) sur l’image 221; correspondant à la position du photodétecteur 23 traversé.

Il doit être noté que l’élévation du niveau de gris est fonction de la quantité de charges déposée par l’interaction de l’ion lourd 21 dans le photodétecteur 23. Le dépôt d’énergie dépend de l’énergie incidente de la particule, de sa nature et de la nature du photodétecteur.

La courbe 210 illustrée en figure 2e est une courbe de transfert linéaire d’énergie LET (pour l’acronyme anglais « Linear Transfer Energy ») calculée dans le cas présent pour un ion lourd traversant du silicium. La courbe 210 représente en ordonnée la quantité de charges déposée par unité de longueur dans une couche de silicium en fonction de l’énergie d’un ion lourd en abscisse. Le pic 211 de la courbe 210, correspond au pic de Bragg traduisant un maximum de dépôt de charges de l’ion lourd dans le silicium. Ce maximum de dépôt apparaît lorsque l’énergie et par conséquent la vitesse, de l’ion lourd, est faible. L’image 22i présente ainsi un pixel 230 gris clair au niveau de la position du photodétecteur 23 dans la matrice carrée. Le niveau de gris du pixel 230 correspond à l'énergie de l’ion lourd à l'abscisse 231 sur la courbe 210. L’ion lourd 21 cédant une partie de son énergie au photodétecteur 23 traverse le capteur matriciel 112 avec une énergie moindre. Une interaction similaire se produit avec un photodétecteur 24 du capteur matriciel 112, et se traduit par un pixel 240 blanc excentré sur l’image 222 compte tenu de l'incidence de l’ion lourd 21. Le niveau de gris du pixel 240 est plus clair que le niveau de gris du pixel 230 car l’énergie de l’ion lourd 21 étant plus faible au moment de l’impact sur le capteur matriciel 112, et compte-tenu de la position en énergie sur la courbe de LET, l’ion lourd 21 dépose plus de charges dans la cellule 24. Le niveau de gris du pixel 240 correspond à l'énergie de l’ion lourd à l'abscisse 241 sur la courbe 210.

De même, l’ion lourd 21 traverse un photodétecteur 25 au bord du capteur matriciel 113. Compte-tenu de l'énergie de l’ion lourd 21, encore affaiblie par rapport à la traversée du capteur 112, l’image 223 présente un pixel 250 gris foncé à la position correspondante du photodétecteur 25. Le niveau de gris du pixel 250 correspond à l'énergie de l’ion lourd 21 à l'abscisse 251 sur la courbe 210.

Il est à noter que la vitesse de l’ion lourd 21 étant importante dans le domaine des énergies considérées, la réponse sur les trois capteurs matriciels 111, 112 et 113 est quasiment simultanée pour l’électronique de contrôle des capteurs.

Une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des réponses des capteurs matriciels 11 est effectuée par l’unité de traitement 18. Le procédé d’analyse 80 est représentée sous forme synoptique en figure 8.

Dans une première étape 81, l’unité de traitement 18 détermine une direction de la trajectoire 21a et l’angle a à partir de la position connue des photodétecteurs 23, 24 et 25 dans la pile 16. La précision avec laquelle est déterminée la direction dépend des dimensions des cellules et des distances de séparation des capteurs. Une valeur approximative de la direction est en pratique suffisante pour déterminer une origine probable de l’ion lourd, par exemple son appartenance au rayonnement cosmique.

La distance parcourue par l’ion lourd 21 dans chacun des photodétecteurs 23, 24 et 25 est calculée ainsi que la distance parcourue dans chacune des éventuelles couches d’atténuation comprises dans la pile 16, dans une deuxième étape 82, à partir de l’angle a et de l’épaisseur de silicium de chaque photodétecteur et, le cas échéant, de l’épaisseur des couches d’atténuation. La distance parcourue dépend en effet de l’angle d’incidence de la particule.

Lors de la troisième étape 83, l’unité de traitement 18 compare les quantités de charges déposées par unité de longueur dans les photodétecteurs 23, 24 et 25 avec celles définies par des courbes de LET enregistrées dans la mémoire 182, préalablement calculées pour différents types de particules, comme par exemple des ions, traversant les matériaux constitutifs des capteurs et des couches d’atténuation. Pour chaque type de particule, les courbes de LET sont également calculées pour différentes énergies incidentes. Pour chaque type de particule et pour chaque énergie incidente, la perte d’énergie résultant d’un parcours dans un matériau donné peut être calculée à l’aide d’un logiciel de calcul, comme par exemple le logiciel SRIM bien connu de l’homme du métier. La connaissance de l’angle, de la nature et de l’épaisseur de chacun des matériaux traversés permet ainsi d’estimer, pour chaque type de particules et pour chaque type d’énergie, l’énergie déposée dans chaque photodétecteur.

Par exemple pour calculer les courbes de LET pour les ions, un balayage sur l’ensemble de la gamme des numéros atomiques est effectué. Pour chaque nature d’ion, un balayage est effectué sur une gamme d’énergie incidente très large, comprise entre quelques keV et plusieurs GeV. Les courbes de LET sont ensuite calculées pour chaque type d’ion et pour chaque énergie incidente, en calculant les énergies attendues dans chaque photodétecteur, en connaissant l’angle, la nature et l’épaisseur de chacun des matériaux traversés. L’unité de traitement 18 détermine le type et l’énergie de la particule incidente lors de la quatrième étape 84 en sélectionnant la courbe de LET la plus représentative des quantités de charges déposées selon les différentes courbes préalablement calculées lors de l’étape 83.

En résumé, le traitement des données permet d’en déduire le type de particule, en l’occurrence ici de confirmer que la particule 21 est un ion lourd ainsi que ses principales caractéristiques: l’énergie de l’ion lourd 21, la direction l’ion lourd 21 et le dépôt d’énergie de la particule 21 par unité de longueur de silicium.

Il convient de noter que la précision de l’analyse augmente d’une part avec le nombre de capteurs matriciels 11 impactés par une même particule, et d’autre part avec la densité de photodétecteurs sur chacun des capteurs matriciels. La précision sur la détermination de la trajectoire est certes améliorée avec des capteurs comportant une forte densité de photodétecteurs de faible dimension. Cette précision augmente cependant au détriment de la sensibilité globale du dispositif de détection. D’autre part, il convient également de souligner que la probabilité que deux particules impactent simultanément le dispositif est très faible. Dans ce cas précis, les évènements multiples générés simultanément ne sont pas considérés par le dispositif de détection.

La figure 3a représente une vue en perspective du dispositif de détection 10 où les trois capteurs matriciels 111, 112 et 113 sont traversés par un neutron 31 de forte énergie, comme dans l'exemple précédent avec un angle d’incidence β d’environ 30° par rapport à la normale au capteur.

Les figures 3b, 3c et 3d représentent quant à elle l’image résultante 32 du passage du neutron 31 respectivement au travers des capteurs matriciels 111, H2 et 113.

Le neutron 31 traverse le capteur matriciel 11i sans aucune interaction physique avec un photodétecteur de ce capteur, ce qui se traduit par une image 32-i entièrement noire.

Le neutron 31 entre en collision avec un noyau d’un atome de silicium d’un photodétecteur 33 du capteur matriciel 112. Cette réaction nucléaire conduit à l’émission d’ions générant des charges dans plusieurs photodétecteurs adjacents. Dans le cas présent, les huit photodétecteurs adjacents du photodétecteur 33 sont impactés. Ce phénomène physique se traduit, sur l’image 322 résultante du capteur matriciel 112, par un pixel 34 ayant un niveau de gris clair entouré par huit pixels 35 ayant un niveau de gris moyen.

La probabilité que le neutron 31 génère une nouvelle interaction sur un capteur matriciel après une première interaction nucléaire est quasiment nulle. L’image 323 résultante du capteur matriciel 113 est noire ainsi que celles des capteurs 114,115 et 116.

Il est à noter que l’énergie des ions produits lors de la réaction nucléaire dans les photodétecteurs 33 et 36 n’est généralement pas suffisamment importante pour impacter le capteur matriciel adjacent 112. L’unité de traitement 18 effectue une analyse en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les capteurs matriciels 11 afin d’en déduire le type, ici de confirmer que la particule incidente est un neutron, l’énergie du neutron 31 et la quantité d’énergie déposée par le neutron 31 par unité de longueur.

Il convient de souligner qu’un seul capteur génère un évènement dans le cas d’un neutron. L’absence d’évènements coïncidents entre deux capteurs est caractéristique de ce type d’interaction nucléaire produit par un neutron ou par un proton. Cependant, il convient également de remarquer que dans certains cas d’ions de faibles énergies, le parcours de l’ion incident peut être limité à un seul capteur matriciel situé en surface du dispositif de détection. Ce cas particulier se traduit par un faux positif d’une détection d’une interaction nucléaire. A cet effet, le photodétecteur utilisé comme référence pour chaque capteur matriciel 11 lors de l’analyse correspond au photodétecteur dudit capteur matriciel ayant le signal le plus fort.

En résumé, le dispositif de détection 10 permet aussi bien de détecter toutes les particules ionisantes comme les protons, les ions lourds ou les muons, dès lors que ces particules génèrent un dépôt de charge dans les cellules traversées, ainsi que des particules comme des neutrons ou des protons qui provoquent des réactions nucléaires lorsqu’elles rentrent en collision avec un atome d’une cellule traversée.

Il est à souligner que les protons interagissent selon les deux modes. Dans ce cas, le proton interagit dans un premier temps comme une particule ionisante avant de provoquer une réaction nucléaire dans une cellule d’un capteur matriciel. Les capteurs matriciels sur la trajectoire du proton en aval de la cellule où a lieu la réaction nucléaire ont une image résultante noire, traduisant qu’il n’y a aucune interaction entre le proton et une des cellules desdits capteurs matriciels.

La figure 4 représente un dispositif de protection 40 selon l’invention d’un équipement électronique 41.

Le dispositif de protection 40 comprend le dispositif de détection 10 relié à un contrôleur de l'alimentation électrique de l'équipement électronique 41, par un commutateur à transistor 42, par l’intermédiaire du connecteur 19. Le dispositif de protection 40 coupe l'alimentation électrique du dispositif électronique 41 lorsqu’un important flux de particules est détecté, supérieur à un seuil fixé préalablement pour la mise en sécurité de l'équipement.

Le seuil peut être défini en fonction du type de particules détectées et évidemment de l'énergie des particules.

Autre exemple de mode de réalisation de l’invention

La figure 5 représente un dispositif de détection de particules 50 selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention.

Le dispositif de détection 50 comprend une pile 51 de trois capteurs matriciels formés par des cartes mémoires informatiques 52 de type SRAM (pour l’acronyme anglais « Static Random Access Memory»). Chaque carte mémoire 52 comprend une matrice à deux dimensions 54 de cellules mémoires 540 comportant chacune des transistors en technologie silicium. Il convient de noter que l’agencement physique des cellules mémoires sur les cartes mémoires 52 est avantageusement connu et que la position de chaque cellule mémoire correspond à un digit d’un mot binaire, par exemple un octet, d’une adresse logique de la mémoire.

Il convient de souligner que la résolution du capteur matriciel est définie par la taille des cellules mémoires.

Une couche d’atténuation 53 en aluminium d’épaisseur 300 pm est collées sur chaque carte mémoires 52 du côté présentant la matrice 54 de composants semi-conducteurs en silicium.

Les couches d’atténuation 53 permettent de ralentir des particules incidentes au dispositif de détection 50. En effet, une particule incidente peut perdre de l’énergie en traversant les couches d’atténuation 53 car ladite particule interagit avec les couches d’atténuation 53 en déposant des charges et/ou en produisant une réaction nucléaire lorsque ladite particule impacte un noyau d’un atome d’une des couches d’atténuation 53.

Les cartes mémoires 52 comprenant chacune une couche d’atténuation 53 sont collés les unes aux autres pour former la pile 51. Ainsi, la pile 51 comprend une alternance de capteurs matriciels et de couches d’atténuation.

La pile 51 est maintenue sur un circuit imprimé 55 entre quatre profilés 56 en L dressés perpendiculairement à une face du circuit imprimé 55.

Les cartes mémoires 52 sont reliées au circuit imprimé 55 par l’intermédiaire de connecteurs 56.

Lorsqu’une particule ionisante 57 traverse la pile 51 de cartes mémoires 52, la particule 57 dépose une charge au niveau d’un composant semi-conducteur de la matrice 54. Ce dépôt de charge provoque une inversion logique de l’état des cellules mémoires traversées qui sont identifiées par les adresses logiques des digits ayant changé de valeur traduisant le mécanisme connu sous le nom de SEU (pour l’acronyme anglais « Single Event Upset»). Le dépôt de charges modifie en effet transitoirement l’état d’un ou plusieurs transistors des cellules mémoires traversées, ce qui peut entraîner le basculement de l’état logique de la cellule mémoire vers un état complémentaire.

Il convient de souligner que la position de ce changement d’état est connue grâce à l’agencement connu des cellules mémoires sur les cartes mémoires 52.

Une unité informatique 58 de traitement avantageusement implantée sur le circuit imprimé 55 effectue une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les cartes mémoires 52. Ce traitement des données permet d’en déduire le type de particule incidente, la direction, le niveau d’énergie et le dépôt d’énergie par unité de longueur.

Le circuit imprimé 55 comprend en outre un connecteur de sortie 59.

Autre exemple de mode de réalisation de l’invention

La figure 6 représente un dispositif de détection 60 de particules selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention.

Le dispositif de détection 60 de particules comprend six capteurs matriciels plans 61 de type CMOS agencés pour former chacun une des faces d’un cube 62.

Chaque capteur matriciel 61 comprend dans le présent exemple une matrice carrée soixante quatre cellules comportant chacune trois photodiodes empilées perpendiculairement au plan du capteur 61.

Une face du cube 62 est fixée, par exemple par collage, à un circuit imprimé 63 comprenant une unité informatique 64 de traitement et un connecteur de sortie 65. Les capteurs matriciels 61 sont reliés au circuit imprimé 63 par des connecteurs 66. L’unité informatique 64 de traitement effectue une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les capteurs matriciels 61. Ce traitement des données permet d’en déduire, par la mise en oeuvre de méthodes similaires à celles décrites pour le premier mode de réalisation, le type d’une particule incidente, la direction de la particule incidente, le niveau d’énergie de la particule incidente ainsi que le dépôt d’énergie par unité de longueur induite par la particule incidente.

Autre exemple de mode de réalisation de l’invention

La figure 7 représente un dispositif de détection 70 de particules selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention.

Le dispositif de détection 70 comprend une pile 71 de six capteurs photographiques matriciels 72 fixés empilés les uns sur les autres. Une couche d’atténuation 73 est collée sur chaque face extérieure de la pile 71. Ainsi les particules incidentes de faible énergie, arrêtées par les couches d’atténuation 73, n’impactent pas le dispositif de détection 70.

Les capteurs matriciels 72 sont reliés à un circuit imprimé 74 comprenant une unité informatique 75 de traitement et un connecteur de sortie 76. L’unité informatique 75 de traitement effectue une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les capteurs matriciels 72. Ce traitement des données permet d’en déduire le type d’une particule incidente, la direction de la particule incidente, le niveau d’énergie de la particule incidente ainsi que le dépôt d’énergie par unité de longueur induite par la particule incidente.

Autres caractéristiques optionnelles et avantages de l’invention

Dans des variantes des modes de réalisation de l’invention détaillées ci-dessus, il peut être prévu que les capteurs matriciels sont formés par des mémoires flash de type MLC, TLC ou SLC. Ces mémoires flash n’étant pas volatiles ne nécessitent pas une alimentation continue pour fonctionner. Les mémoires sont donc alimentées uniquement au moment de la lecture des états des cellules des mémoires flash. Un dispositif de détection comprenant ce type de capteur matriciel est donc avantageusement économe en énergie.

Dans le cas présent d’une cellule de mémoire non volatile, il convient de noter qu’une seule cellule mémoire stocke plusieurs bits logiques. Selon le niveau du dépôt de charge, un ou plusieurs bits de la cellule peuvent être perturbés par le passage d’une particule, ce qui permet de remonter à une information de niveau de dépôt de charge de la particule dans le matériau. La quantité d’énergie déposée par la particule dans une cellule de la mémoire flash est alors proportionnelle au nombre de bits logiques perturbés de cette cellule mémoire.

Dans des variantes des modes de réalisation de l’invention détaillées ci-dessus, il peut être prévu qu’un filtre optique est placé au-dessus du dispositif de détection. Ce filtre permet d’atténuer, de préférence d’arrêter, les rayonnements lumineux des longueurs d’ondes auxquels les photodétecteurs sont sensibles. Les lumières parasites arrêtés par le filtre optique, n’atteignant pas les capteurs matriciels, en particulier le premier capteur matriciel impacté par les rayonnements, les évènements recherchés restent identifiables dans les signaux reçus des photodétecteurs des capteurs matriciels.

Dans des variantes des modes de réalisation de l’invention détaillées ci-dessus, il peut être prévu que le dispositif de détection comprenne un agencement de capteurs matriciels identiques ou de différents types.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de détection (10 ; 50 ; 60) de particules comprenant : - au moins deux capteurs matriciels (11 ; 52 ; 61) plans agencées dans des plans différents, lesdits capteurs matriciels comportant chacun une matrice (13 ; 54) à au moins deux dimensions de cellules dont l’état est susceptible d’être modifié lorsqu’il est traversé par une particule, lesdits capteurs matriciels délivrant des données d'état de chacune des cellules de ladite matrice, lesdites données d'état étant représentatives pour chaque cellule d'un niveau de dépôt de charges dans ladite cellule ; - des moyens de traitement (18 ; 58 ; 64) des données délivrées par lesdits capteurs matriciels ; caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement de données déterminent un type, une trajectoire et un niveau d’énergie d’une particule (21 ; 31 ; 57)‘ incidente ayant traversée au moins un desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d’un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins deux desdits capteurs matriciels, à partir de l’analyse (80) des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d’au moins deux capteurs matriciels.
2. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules desdits capteurs matriciels comprennent un photodétecteur ou au moins un transistor.
3. 3. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels sont agencés en couches successives parallèlement les uns par rapport aux autres pour former une pile (16; 51 ;71).
4. 4. Dispositif de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels sont alignés selon un axe perpendiculaire à la base de ladite pile.
5. 5. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu’au moins un capteur matriciel comprend une couche d’atténuation (53) de l’énergie d’une particule incidente.
6. 6. Dispositif de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pile comprend une alternance de N capteurs matriciels et de N-1 couches d’atténuation, N étant au moins égal à 2.
7. 7. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels sont disposés selon les faces d’un parallélépipède (62).
8. 8. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu’une couche d’atténuation (73) est solidarisée sur chaque face extérieure de ladite pile de capteurs matriciels ou dudit parallélépipède.
9. 9. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels comprennent des semi-conducteurs.
10. 10. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les cellules des capteurs matriciels sont de type CCD (« Charge-Coupled Device ») ou de type CMOS (« Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »).
11. 11. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels comprennent des éléments mémoires informatiques (54).
12. 12. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels comprennent des éléments mémoires informatiques non volatiles telles qu’une mémoire flash MLC (« Multiple-Layer Cell »), une mémoire flash SLC (« Single-Layer Cell ») ou une mémoire flash TLC (« Triple-Layer Cell »).
13. 13. Dispositif de détection selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que tous les capteurs matriciels mis en œuvre dans ledit dispositif de détection sont identiques.
14. 14. Procédé de détection d’une particule ayant été à l’origine d’un dépôt de charges dans au moins une cellule d’au moins un capteur matriciel d’un dispositif de détection de particules selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il comprend : - une étape de lecture des données d’état des cellules des capteurs matriciels du dispositif de détection ; - une étape d’analyse desdites données d’état en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d’au moins deux capteurs pour déterminer le type et le niveau d’énergie de la particule détectée.
15. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la particule à l’origine d’un dépôt de charge dans au moins une cellule d’un seul capteur, est une particule ayant une interaction nucléaire avec une cellule dudit capteur.
16. 16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la particule détectée traverse au moins deux desdits capteurs matriciels.
17. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la particule à l’origine d’un dépôt de charge dans au moins une cellule d’au moins deux capteurs, est une particule ionisante.
18. 19. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l’étape d’analyse des données d’état compare les énergies déposées dans chacune des cellules avec des courbes de transfert linéaire d’énergie LET (« Linear Energy Transfer») préalablement calculées pour différents types de particules et pour différentes énergies incidentes.

    19. Procédé selon l’une quelconque des revendications 17 et 18, caractérisé en ce que l’étape d’analyse des données d’état détermine la trajectoire de la particule détectée.
19. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la particule à l’origine d’un dépôt de charge dans au moins une cellule d’au moins deux capteurs sans interagir avec d’autres capteurs situés selon la trajectoire de la particule est une particule ionisante ayant une interaction nucléaire avec une cellule du dernier capteur impacté.