Développement d un dispositif électronique à pixels actifs intégré pour la dosimétrie du radon et des neutrons

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1 Développement d un dispositif électronique à pixels actifs intégré pour la dosimétrie du radon et des neutrons S. Higueret, D. Husson, T.D Le A. Nourreddine, M.Trocmé 1, A.Bozier 2 Institut de Recherches Subatomiques, Strasbourg Cedex 2, France 1 arrivé dans le groupe 10/2005, 2 conception de l Alpharad, Lepsi. - Activités Ramsès - Problématique Radon - Dosimétrie active par CMOS (radon) : Mimosa 1 + Mimosa 5 - Dosimétrie active par CMOS (neutrons) : Mimosa 5 - L Alpharad - Perspectives

2 Institut de Recherches Subatomiques UMR 7500 CNRS/IN2P3-ULP Activités de recherches : Physique des Particules et des Astro-particules Physique Nucléaire et Chimie Nucléaire Pluridisciplinaires : Aval du cycle électronucléaire Applications Bio-médicales Radioprotection et Mesures Environnementales (RaMsEs) Radioprotection & dosimétrie Analyses & expertises R & D : Métrologie Rayonnements Ionisants

3 Activités RaMsEs Mesures Radioactivité (α, β, γ) Expertises Radiologiques Agréments Habilitations COFRAC ISO Dosimétrie Radioprotection Formation PCR Qualification : Sept 2005 Analyses Elémentaires (PIXE, XRF, ICP-MS) R & D Dosimétrie (γ, α, n) Métrologie du radon

4 Le Radon dans les habitations Concentration : Endroits clos et peu ventilés (cave, vide sanitaire ). Seuil : 400 Bq/m 3

5 Radon : gaz radioactif d origine naturelle Désintégration : U et Ra présents dans la croûte terrestre. Présent à la surface de la planète, provient surtout des soussols granitiques et volcaniques ainsi que de certains matériaux de construction. se fixent sur les aérosols et peuvent être inhalés

6 Dosimétrie passive dans le laboratoire Ramsès DSTN : LR115, CR39 Chambre d ionisation Electret : Disque en Téflon chargé positivement A Rn (VI V F) = CF t B γ

7 La dosimétrie active pour le radon à base de capteur CMOS

8 MIMOSA (Minimun Ionizing MOS Active pixel) Couche épitaxiale : 15 µm 4 plages : 64 x 64 pixels Surface du pixel : 20 x 20 µm 2 Alimentation : 5V Transistor de mise à zéro Transistor chargé de la collection du signal Principe de détection: Couche de SiO 2 (5 µm) P well N well P well Couche sensible de Si (15 µm) Substrat type P Transistor d adressage

9 1,2 mm Retour

10 Tests préliminaires Rayonnements α très ionisants Signal/bruit très important 96 Am Po Exemple d un signal alpha Efficiency (%) ε = 0,0611E 3-1,6333E ,33E + 43,606 R 2 = 0, E α (MeV) Simulation de l efficacité de détection

11 Linéarité et reproductibilité Exposition à une source 241 Am (E α = 5,48 MeV) Nombre de traces relevées N = = 21,159 21,159t t - 0,155 0,1548 R² R 2 = = 0,9984 0, Temps d'exposition (min) Aucune limite de linéarité

12 Expérience en enceinte close Expérience

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15 Chambre à ionisation (AlphaGUARD) Chambre à ionisation impulsionnelle Mesure en temps réel Volume actif : 0,56 L Haute tension : 750 V 3 filtres: Passe bas Passe bande mesure du courant de référence mesure du BDF Passe haut analyse de l impulsion rejection si ne correspond pas à celle du radon Retour

16 Expérience Mesure de concentration radon Résultats (87 heures d acquisition) AlphaGUARD MIMOSA 1300 ± 130 Bq.m -3 ~ 27 traces Calcul de simulation 1000 Bq.m -3 10,4 ± 1,3 tr/plage Mesures 27 ± 5,2 tr A CMOS 3 x A alphaguard

17 Récapitulatif Comparaison des résultats (75 heures d acquisition) Détecteurs Activité volumique (Bq.m -3 ) Détection 214 Po et 218 Po AlphaGUARD Electret LR115 CR ± ± ± ± 208 NON NON OUI OUI Densité de traces/plage CMOS Simulation 27,5 ± 5,2 30 ± 3,8 OUI _

18 Tests de dosimétrie active du Radon Vers un dosimètre actif A base de capteur CMOS : MIMOSA 5, Alpharad 1 puis 2 Idée d un dosimètre actif, portable, de volume réduit et à bas coût. Le capteur permettant une numérisation immédiate du signal Tests après simulation dans une enceinte de 260 cm 3 volume trop petit (important attachement à la surface) Problème Complexe (attachement) Tests effectués à l aide d une microcathode (champ local élevé, 1kV/cm ) résultats peu significatifs Tests à faire : filtrage de l air Optimisation du volume (3 litres?) Le coût doit rester faible

19 Dosimètre Alpha - Validation Electrode Procédures : Fig.1b Fig.1a - Alignement du capteur (fig.1a) / électrode (fig.1b) - Tests en source Américium (fig.2a, 2b) - Tests en enceinte close (radon) électrode sous tension, (fig.3) Electrode + capteur Enceinte close Source Fig.2a Matrice 1 Matrice 2 Largeur de fente (filtre, 6um ép.) Fig.2b Fig.3

20 La dosimétrie active pour les neutrons à base de capteur CMOS

21 z MIMOSA 5 Source de Neutrons 6.5cm x 2.9cm 0 1.8cm 2.6cm 2cm Distance variable 0.1cm 15µm 512²*4 ~ 1M pixels 0.3cm y Source Am/Be - neutrons rapides 2 MeV-10MeV - 2.2e+06 neutrons/s sous 4π - encapsulation Convertisseur n-p en (CH2)n Capteur CMOS - 1 matrice sur 4 est lue - 1 matrice : 512² pixels de 20µm de côté soit 1cm² - taille d'une trame : 512² * 2octets * 2 détecteurs = 1Mo - seuil : réduction de la taille (1.2 Go) - algorithme de corrélation : réduction du bruit

22 Source Am/Be Américium 241 (5.5MeV) Production de neutrons rapides par conversion : α + 9Βe 12C + n Activité : 2.2e+06 neutrons/s sous 4π Encapsulation de la source Spectre en énergie

23 LE CONVERTISSEUR Optimisation Equilibre protonique : MCNPX + Programme en Fortran épaisseur optimale du convertisseur : 1mm

24 Distribution des événements Mesure de la charge Q collectée sur chaque pixel Amplification, Codage (ADC) Seuil Q # Nb d'électrons arrachés au Si par le proton ~ Energie déposée par le p+ ( modulo les effets angulaires et de recombinaison e-h)

25 Trace perpendiculaire Trace inclinée 60 µm TRACES Cluster de 3*3 pixels Recherche de maxima sur 5*5 pixels

26 IMPACTS MESURÉS Isotropie de la source? Distribution des gains?

27 Conclusion Mimosa 5 (Neutrons) Travail préliminaire : - 1er test de M5 avec des neutrons rapides - 1ère utilisation de MCNPX pour le suivi des protons Perspectives : - Calibration de la source de neutrons Collaboration avec l Université de Barcelone (Pr F.Fernandez) - Approfondir l'utilisation de MCNPX pour le suivi des protons But : dosimètre de neutrons rapides tout électronique : Alpharad

28 Le circuit Alpharad Le capteur -Capteur type CMOS -Technologie AMS 0.6 µm -2 Matrices de 32x64 pixels -Sortie numérique après discrimination à seuil -Le capteur est sensible à une source d Américium (α) -Insensibilité aux γ qui accompagnent les neutrons

29 Schéma du circuit Alpharad VDD/2 buffer Buf_ampli10 Rst_analogique Matrice de photodiodes 32 X 64 X70 X10 Compensation d offset Seuil Discriminateur Clk Bit_fin Rst_analogique buffer Buf_compoffset

30 Layout complet du circuit 6.72 mm 5.62 mm

31 Clk Rst_analogique Discriminateur Bit_fin Horloge Commande le transistor de reset du pixel Sortie événement Sortie compensation d offset Signaux Input Input Output Output numériques 0-5V 1MHz 0-5V 10kHz t r, t f > 1ns Impulsion de largeur de 2 µs à la fréquence 100 Hz Seuil Buf_ampli10 Buf_compoffset Fixe la valeur du discriminateur Input Sortie bufferisée en sortie de l amplificateur de gain 10 Output Sortie bufferisée en sortie du compensateur Output Signaux Analogiques Valeur réglable entre 0 et 5V. Précision moyenne

32 L alpharad en fonctionnement Signal analogique de sortie Compensation d offset Gate compensant le défaut d hystérésis Discriminateur

33 La dosimétrie passive pour les neutrons à base de détecteur type PN3

34 Al Al Al XXII èmes journées LARD 10/2005, Montbéliard Développement d une chaîne de mesure de détecteurs type PN3 (convertisseur inutile) Dosimétrie Neutron : passive Appareillage Dosimètre neutrons Cellulose PE PN3 PE Cellulose Développement chimique électrochimique Résultats 3x10 3 Track density (cm -2 ) 2x10 3 1x10 3 ECE Dose equivalent (msv)

35 Radon + Neutrons Capteur CMOS : Mimosa 5 + Alpharad - Tests en sources calibrées - Tests sous faisceaux - Comparaison avec les PN3 PERSPECTIVES Capteur CMOS : Alpharad 2 (fin 2006) -Capteur type CMOS -Technologie 0.35 µm -4 Matrices -2 seuils réglables par matrice (absorption sélective par plage) -Sortie numérique après discrimination à seuil (hystérésis) -Partie numérique plus étoffée