CAMÉRA GAMMA PORTABLE F. CARREL, V. SCHOEPFF, E. BARAT, K. BOUDERGUI, T. DAUTREMER, C. FORCE, M. GMAR, F. LAINE, H. LEMAIRE, T.

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1 CAMÉRA GAMMA PORTABLE F. CARREL, V. SCHOEPFF, E. BARAT, K. BOUDERGUI, T. DAUTREMER, C. FORCE, M. GMAR, F. LAINE, H. LEMAIRE, T. MONTAGU Contacts : frederick.carrel@cea.fr vincent.schoepff@cea.fr

2 Plan de la présentation Contexte et enjeux GAMPIX : développement du prototype et validation en laboratoire GAMPIX : mesures in-situ et transfert industriel Evolutions de GAMPIX à court/moyen terme Vers des caméras gamma de nouvelle génération Conclusions et perspectives

3 Contexte et enjeux Localisation de points chauds radioactifs Un enjeu majeur pour l industrie nucléaire Démantèlement Post-accidentel Centrale Sécurité Quels objectifs? Etat zéro d un site / Définition des scénarios d intervention Suivi en temps réel du processus d assainissement Minimisation de la dose reçue par les intervenants (ALARA) Transport illicite de matière radioactive/nucléaire Imagerie gamma : une technique d intérêt pour répondre à cette problématique

4 Imagerie gamma : le principe Principe de l imagerie gamma Objectif : localisation de sources radioactives Image visible Image gamma Superposition des deux images

5 Etat de l art industriel CARTOGAM: un standard industriel Développé par le CEA (1), industrialisé par CANBERRA France Une technologie performante mais perfectible Amélioration de la sensibilité à basse énergie Réduction du poids (>15 kg) Simplification de la connectique Simplification de l utilisation (1) O. Gal et al., Nucl. Instr. and Meth A 460 (2001) 138

6 Cahier des charges Optimisation des paramètres d une caméra gamma Source «Optique» Détecteur Connectique Quelles attentes des utilisateurs finaux? Pu Plus sensible Plus léger Pu Moins cher

7 GAMPIX : principales caractéristiques Détecteur Timepix Masque codé Corps de caméra Interface USB

8 Le détecteur de GAMPIX (1) Medipix 1 Matrice de 64 х 64 pixels (côté 170 µm) Hybridation à un substrat de Si (300 µm d épaisseur) ou AsGa (200 µm d épaisseur) Thèse CEA de Marc Million (soutenue en 1999) Medipix 2 Matrice de 256 х 256 pixels (côté 55 µm) Hybridation à un substrat de Si, AsGa ou CdTe (1 mm d épaisseur) Thèse CEA d Erwan Manach (soutenue en 2005) Timepix Matrice de 256 х 256 pixels (côté 55 µm) Hybridation à un substrat de Si, AsGa ou CdTe (1 mm d épaisseur) Modes comptage ou dépôt d énergie Thèse d Hermine Lemaire (soutenue en 2015) Participation du LIST à la collaboration Medipix : une étape clé Phase de ressourcement indispensable!

9 Timepix : le cœur de GAMPIX Le détecteur de GAMPIX (2) 500 transistors par pixel Matrice de 256 х 256 pixels (côté 55 µm) Chaque pixel présente une partie analogique et une partie numérique Un pixel = un détecteur indépendant (65536 détecteurs sur ~2 cm 2 ) Conversion directe rayon gamma / signal électrique Gain notable en termes de compacité

10 Les masques codés (1) Première expérience avec masques codés Fruit d une collaboration avec l institut Kurchatov Motif de type HURA (Hexagonal Uniformly Redundant Array) Résolution angulaire et sensibilité améliorées par rapport à un sténopé Masque/anti-masque pour réduction du bruit de fond R(60 ) Performances du système validé sur site (centrale de Mol, Belgique) Comparatif performances CARTOGAM + sténopé / ALADIN + masque codé Sténopé Masque codé Sténopé Masque/Anti-masque (1) M. Gmar et al., IEEE Transactions on Nuclear Science 51 (2004) 1682

11 Choix des masques codés pour GAMPIX Les masques codés (2) Motif de type MURA (Modified Uniformly Redundant Array) Motif spécifique (défini par un rang) Anti-symétrique pour certains motifs par rotation à 90 degrés Besoin d une étape de décodage Image gamma brute Image gamma décodée Image gamma superposée Design d un masque codé : deux paramètres à optimiser

12 Masque codé : résolution angulaire Paramètre résolution angulaire Capacité à séparer des sources proches spatialement Résolution angulaire dépend du motif du masque codé Rang 7 Rang 13 Masque/Source Rang 7 Rang 11 Rang Am 3,81 2,12 1, Cs 3,68 2,06 1,35 60 Co 3,41 2,57 - Résultats expérimentaux, champ de vue de 30 degrés

13 Masque codé : sensibilité (1) Epaisseur : dégradation SNR vs énergie 241 Am 57 Co 137 Cs Nécessaire d optimiser l épaisseur du masque pour les énergies élevées ( 137 Cs/ 60 Co) 60 Co

14 Masque codé : sensibilité (2) Optimisation de l épaisseur du masque codé Augmentation de l épaisseur du masque : amélioration du contraste Impact de l auto-collimation (ou vignetting) : perte de sensibilité pour sources excentrées Performances en sensibilité du prototype GAMPIX Source Débit de dose (µsv.h -1 ) Masque codé Rang 13 e=2 mm Masque codé Rang 7 e=8 mm 241 Am 0,25 ~3 s 1 s 137 Cs 2, s 20 s 60 Co 3,84-60 s Conditions de laboratoire, sans bruit de fond Capable de couvrir une large gamme en énergie (de l 241 Am au 60 Co)

15 CARTOGAM vs GAMPIX Quels avantages offerts par GAMPIX? Diminution de la masse du système (2 kg contre 15 kg) Sensibilité améliorée (plusieurs décades à l 241 Am) Simplicité de déploiement Système plug-and-play Une vraie rupture technologique mais quelles performances sur site?

16 Mesures au Laboratoire de Purification Chimique (LPC) LPC ATPu Situé sur le site de Cadarache, installation voisine de l ATPu Problématique du démantèlement : détection du plutonium

17 Résultats expérimentaux LPC (1) Zones de contamination au niveau des tuyauteries 3 s 6 msv.h s contact 30 s 0,4 msv.h -1 contact 60 s Augmentation de la durée de mesure = amélioration de la qualité des images gamma décodées Pas de limitations en termes de durée maximale de mesure (>30 min)

18 Résultats expérimentaux LPC (2) Impact du rang du masque codé sur la résolution angulaire Rang 7 Rang 13 1 s 6 msv.h -1 contact 3 s 160 s 0,35 msv.h -1 contact 250 s

19 Résultats expérimentaux LPC (3) Autres exemples d applications potentielles Localisation de points chauds dans les colis de déchets radioactifs 1 s Détection de sources étendues Détection de points chauds en temps réel 200 ms 30 s

20 Mesure en centrale nucléaire (1) Validation en centrale nucléaire : collaboration avec EDF Plusieurs campagnes de mesure réalisées sur le site du Tricastin «Pink is beautiful» 41 msv.h -1 contact 10 msv.h -1 contact 4 msv.h -1 contact s s s

21 Mesure en centrale nucléaire (2) Application sur données expérimentales Sans correction Masque/Anti-masque 2 30 s 200 s s 80 msv.h -1 contact 90 Rotation Apport de la procédure masque anti-masque pour les mesures avec bdf

22 Principal objectif Applications sécurité Détection trafic illicite de matériaux radioactifs ou nucléaires Exemples de cas d applications Détection SNM Contrôle bagages Contrôle véhicule 1 s 600 s 20 s Uranium naturel 241 Am, 74 MBq 241 Am, 18 GBq

23 Industrialisation GAMPIX (1) Du prototype GAMPIX au système industriel ipix Prototype CEA Tête de série industrielle Système final

24 Industrialisation GAMPIX (2) Apports du système industriel par rapport à la version prototype Nouveau design (L l P= 90 mm 90 mm 189 mm) / 2,5 kg avec batterie Procédure masque/anti-masque automatisée Blindage optimisé Connectique simplifiée (un seul câble type Ethernet) Un unique logiciel pour les étapes d acquisition et de traitement des images Compatible avec trépied type Pan & Tilt

25 Pendant ce temps, la concurrence Système ASTROCAM 7000 HS Système d imagerie Compton basé sur une combinaison de détecteurs Si/CdTe Système POLARIS Système d imagerie Compton développé par l université du Michigan CZT 6 cm 3 / Imageur, spectromètre et spectro-imageur Besoin de faire évoluer GAMPIX Phase de R&D pour développer la génération suivante d imageurs gamma

26 Fonctionnalités spectrométriques (1) Taille des clusters Mode ToT (Time over Threshold) Caractéristique de l énergie déposée Charge Cluster Time 241 Am (60 kev) 2,8 pixels 60 Co (1,17 et 1,33 MeV) 7,0 pixels Nombre de coups 137 Cs 662 kev ~ 10 canaux ToT canaux

27 Fonctionnalités spectrométriques (2) Définition des fenêtres sur les spectres élémentaires 241 Am (60 kev) 133 Ba (81 kev) 137 Cs (662 kev) Application du fenêtrage à un spectre composite Reconstruction spatiale sélective en énergie = + +

28 Evolutions algorithmiques (1) Méthode de décodage alternative des images GAMPIX Pallier certaines limitations du décodage standard (sources partiellement codées, limitations en résolution angulaire, etc) Point chaud radioactif Voxel j Milieu expérimental Masque codé Détecteur Pixel i Décodage posé sous la forme d un problème inverse Efficacités de détection Comptage dans chaque pixel Activité dans chaque voxel Utilisation d algorithmes itératifs (ML-EM, MAP-EM, )

29 Evolutions algorithmiques (2) Rôle crucial de la simulation Monte Carlo (code MCNPX) Point chaud Simulation 1 Simulation 2 Simulation 3 Milieu expérimental Masque codé Détecteur Images brutes Pixel 1 Pixel 2 Pixel 3 Voxel 1 Voxel 2 Voxel 3

30 Evolutions algorithmiques (3) Application algorithmes itératifs sur données expérimentales LPC Utilisation masque de rang 7, épaisseur 1 mm Décodage standard ML-EM R13 Gain en termes de résolution angulaire avec l approche ML-EM

31 L algorithmie parle à la spectrométrie! Couplage algorithmes itératifs et spectrométrie Application sur données expérimentales 241 Am (60 kev, 73 MBq) 137 Cs (26 MBq) C O M P L E X I T E P R O J E C T E U R Position masque Positions masque + position anti-masque + découpage en bandes d énergie Positions masque + position anti-masque + découpage en bandes d énergie + inversion du motif MURA Bruit Point chaud parasite

32 METRODECOM : GAMPIX et la métrologie Validation métrologique des performances quantitatives de GAMPIX Fabrication d un jeu de sources de référence Variation formes et nature des radionucléides Performances GAMPIX pour quantification débit de dose Collaboration LCAE/LNHB Hauteur α débit de dose S ponctuelle

33 Intégration de GAMPIX sur un drone aérien Objectifs du projet MOBISIC Intégration de capteurs NR sur drones aériens (spectrométrie + imagerie) Limitation sur la masse des capteurs (qques centaines de grammes) Besoin de développer des capteurs miniaturisés Masque codé 241 Am Drone aérien CEA LIST Mini caméra gamma Démo sur site ENSOP Première intégration (réussie) sur un drone aérien Version miniaturisée «prototype» de GAMPIX Autre adaptation envisageable : robot terrestre

34 Size matters! Plus compact que GAMPIX, c est possible! Développement d une version miniaturisée de GAMPIX Basée sur la mini carte développée dans le cadre de la collaboration Medipix Mêmes performances que GAMPIX mais compacité améliorée + Design Développement prototype Validation expérimentale

35 Caméras gamma nouvelle génération Quels objectifs pour le développement d une nouvelle génération de caméras gamma? Amélioration de la sensibilité pour les émetteurs gamma haute énergie ( 137 Cs, 60 Co) Fonctionnalités de spectrométrie fine Fonctionnement en mode hybride (masque codé et/ou imageur Compton) Nouvelle rupture technologique nécessaire au niveau du détecteur Plusieurs solutions technologiques développées ou en cours de développement dans le cadre de collaborations impliquant le LIST

36 Système MYRIAGAMI (1) Carte d alimentation (basses et haute tension) 15x15x25 cm 3 Poids 4kg 50 cm 3 de CZT 128x128 pixels de 0.75mm Plan de 4x4 cristaux Surface 100x100 mm² Carte système embarqué (Linux) et interface Ethernet Cartes de lecture (ASIC) et de traitement numérique (FPGA)

37 Système MYRIAGAMI (2) Développement d un masque codé spécifique pour le système MYRIAGAMI Utilisation des masques HURAs historiques Développement et réalisation d un masque codé MURA rang 11 / épaisseur 4 mm par le LIST 90,3 mm Design par simulation Réalisation mécanique

38 Système MYRIAGAMI (3) Collaboration LETI/LIST/DAM-DIF dans le cadre du programme transverse NRBC-E Sensibilité 241 Am, 15 m, 370 MBq 60 Co, 2 m, 95 MBq 5 s 1,5 s Spectrométrie 241 Am (2 sources) 57 Co (1 source) Compositage couleur

39 Projet ORIGAMIX (1) Projet ANR/RSNR ORIGAMIX (Investissements d Avenir / ) Consortium intégrant plusieurs directions du CEA (DRT, DSM, DEN), des industriels (CANBERRA, 3D PLUS) et des utilisateurs finaux (IRSN, GIE Intra) Intégration du capteur CALISTE-HD (développement CEA IRFU) au sein d une caméra gamma de troisième génération CdTe, 1 cm², 1 mm d épaisseur Anode pixellisée (256 pixels de 625 µm de côté) Bump bonding 8 ASICs front-end IDeF-X Grille de 4 4broches

40 241 Am : 60 kev 133 Ba : 81 kev Projet ORIGAMIX (2) Performances spectrométriques du détecteur CALISTE HD 133 Ba : 356 kev 137 Cs : 662 kev 152 Eu : 343,43 kev 60 Co : 1173 kev 22 Na : 1275 kev 60 Co : 1333 kev 152 Eu : 1408 kev Résolution en énergie de 1 % à l 241 Am (60 kev) (25 % pour Timepix) Pics d absorption totale du 60 Co (~ 1,25 MeV) visibles avec 1 mm de CdTe

41 Projet ORIGAMIX (3) Applications algorithmes ML-EM sur données CALISTE-HD Données expérimentales / Distance sources caméra gamma ~ 1 m Fenêtre 60 kev Fenêtre 81 kev 241 Am/ 133 Ba Fenêtre 40 kev Fenêtre 60 kev 241 Am/ 152 Eu Gain par rapport à Timepix pour la discrimination de radioéléments proches en énergie

42 Conclusions et perspectives Développement et industrialisation de la caméra gamma GAMPIX GAMPIX : une réelle rupture technologique avec l existant industriel (sensibilité, masse, coût, etc) Multiples validations en laboratoire et sur différents sites Un transfert industriel réussi Evolution du système ipix/gampix en cours de développement Fonctionnalités spectrométriques pour doter GAMPIX d un mode spectro-imageur Algorithmes itératifs spécifiques pour optimisation des performances Intégration sur drones aériens Caméra gamma de troisième et quatrième génération Plusieurs familles de détecteurs développées et intégrées (ou en cours d intégration) dans des systèmes d imagerie gamma Nouvelles solutions proposées par la collaboration Medipix (Timepix 3) Fonctionnement en mode hybride (Compton+masque codé) comme objectif à atteindre