Brevet FR2283553A1 — publié le 19760326

La présente invention se rapporte à un détecteur nuclaire sensible aux rayonnements alpha, bêta, gamma et aux neutrons thermiques. Les dispositifs utilisés pour la détection des neutrons se divisent en deux grandes catégories : les détecteurs de neutrons lents et les détecteurs de neutrons rapides. D'une façon générale, les détecteurs sont adaptés à une gamme d'énergie et l'on ne peut les utiliser indifféremment pour la mesure de l'une ou l'autre catégorie. Les détecteurs de neutrons lents comprennent les chambres d'ionisation et les compteurs proportionnels. Ces détec 10 teurs contiennent du bore (10E soit sous forme de dépôts sur les parois ou les électrodes des détecteurs, soit sous forme gazeuse dans le cas de compteurs au trifluorure de bore (EF3). Avec ce type de détecteurs, on compte les particules 4 a (4He) émises au moment de l'interaction d'un neutron thermique avec un atome de bore (10B). En présence d'un fort bruit de fond gamma, il est préférable d'utiliser le phénomène de fission du U235 ou du Pu239 pour profiter du pouvoir ionisant des fragments de fission (su périeur à celui des particules a Des détecteurs à activation pour neutrons lents sont construits à partir d'éléments en forme de feuilles qui possèdent une grande section d'interaction (neutron, gamma). L'intérêt essentiel de ce genre de détecteur réside dans son insensibilité au rayonnement gamma ainsi que dans son faible encombrement. Leur inconvénient majeur est de ne pas permettre une lecture directe et continue. Toujours dans la catégorie des détecteurs de neutrons lents, il faut citer encore les compteurs à scintillations réalisés par l'association de scintillateurs de très grande efficacité et de photomultiplicateurs. La catégorie des détecteurs de neutrons rapides comporte les détecteurs à diffusion élastique, à réactions exoéner- gétiques, à seuil et les détecteurs blindés. Le détecteur à diffusion élastique utilise essentiellement la diffusion (neutron, proton) dans un milieu hydrogéné. Les détecteurs à réactions exoénergétiques utilisent le lithium (6Li) dans des scintillateurs du type LiI(Tl) associés à un photomultiplicateur et sous forme de couches minces disposées entre deux semi-conducteurs au silicium. Avec ce type de réaction, on peut utiliser également le gaz rare (3He) soit dans un compteur proportionnel, soit dans un volume étroit aménagé entre deux détecteurs de particules chargées. Les valeurs relativement élevées du (Q) de ces réactions permettent une bonne discrimination du bruit de fond gamma. Les détecteurs à réactions à seuil ne réagissent qu'aux neutrons ayant une énergie supérieure à une certaine valeur. Ces réactions sont de trois ordres : fission, réactions (n,p) ou (n, a ) ou (n,2n), diffusions non élastiques. Les détecteurs blindés utilisent les détecteurs précédemment décrits pour la détection des neutrons lents ou thermiques, et ils sont complètement entourés d'un matériau modérateur pour la mesure des neutrons rapides. Il faut également souligner que les compteurs de neutrons que nous venons de passer en revue sont généralement spécifiques, en ce sens qu'ils sont assez mal adaptés au comptage des autres rayonnements ( a , p , r ). Par ailleurs, l'examen technologique des détecteurs nucléaires qui ont été exposés plus haut démontre qu'il n'existe pas, à l'heure actuelle, de détecteurs portahles de faibles dimensions ne nécessitant pour leur fonctionnement que des tensions électriques faibles et fournissant une réponse immédiate à ntim- porte quel type de rayonnement. En effet, les dispositifs de radioprotection sont toujours constitués soit d'ensembles volumineux, associés à des sondes à scintillateurs, soit de tubes Geiger Muller, très peu sensibles aux rayonnements gamma et insensibles (sauf avec des tubes spéciaux) aux neutrons. Les premiers nécessitent des tensions élevées de l'ordre de plusieurs centaines de volts ainsi que la mise en oeuvre de scintillateurs différents pour chaque type de particules et les seconds n'ont pas une grande efficacité. La présente invention remédie a ces inconvénients et a pour but de réaliser un dispositif miniature capable de compter avec une grande efficacité et simultanément, les quatre types de rayonnements nucléaires qui existent dans la nature.Elle a également pour but une méthode de traitement du détecteur qui permet de supprimer les phénomènes de polarisation qui, dans les compteurs classiques, se traduisent par une dégradation progressive de leurs performances. A cet effet, l'invention propose un détecteur nu cléaire très robuste, remarquable en ce qutil comporte - un cristal de tellurure de cadmium (CdTe) de haute résistivité et sensible aux rayonnements a, p , y ainsi qu aux neutrons thermiques, - des électrodes disposées sur chacune des faces parallèles dudit cristal, - un élément élastique de contact appuyé entre la première des électrodes et un flasque conducteur qui s'appuie par l'inter- médiaire d'une joue isolante sur un socle conducteur servant de support au détecteur, - un connecteur coaxial monté dans le socle avec un pôle central relié au flasque conducteur, - des moyens isolants pour maintenir et centrer ledit cristal dans un boîtier conducteur qui s'adapte sur le socle, - un joint en matériau élastique et conducteur interposé entre le bord d'une fenêtre enchassée dans le fond du boîtier et le pourtour de la seconde électrode. Le cristal de tellurure de cadmium est un matériau semi-conducteur qui offre de nombreux avantages sur les autres matériaux utilisés dans la réalisation de détecteurs nucléaires à semi-conducteurs. Son numéro atomique élevé lui donne tout d'abord une efficacité de détection photoélectrique importante. Le matériau offre ensuite l'avantage de fonctionner à température ambiante, grâce à une largeur de bande interdite (gap) élevée de 1 ,45 ev, puis celui d'être très efficace aux rayonnements a , p , Y et ensuite d'être très sensible aux neutrons thermiques. En effet, contrairement aux compteurs à semi-conducteurs conventionnels (silicium, germanium) qui sont sensibles aux rayonnements a , P et y seulement, dans les diodes CdTe, les neutrons thermiques pourront également être détectés par réac tion nucléaire II3cd(n Y ) 114Cd. 113 L'isotope II3Cd, qui entre à raison de 12,26 % dans la composition du cadmium naturel donne lieu à cette réaction avec une section efficace très importante de l'ordre- de 20 000 barns. Par conséquent, les neutrons thermiques seront "transformés" avec une très grande probabilité en rayonnements Y au sein même du compteur qui les détectera avec une grande efficacité. De plus, le cristal peut être traité, comme il sera indiqué plus loin, pour réaliser des contacts convenables supprimant les phénomènes de polarisation. Suivant un mode de réalisation intéressant de l'invention, les électrodes ont des surfaces intimement liées aux faces actives respectives dudit cristal et comportent chacune un bord détaché pour reporter les pressions mécaniques de contact soit avec ledit organe élastique, soit avec ledit joint. Des résultats intéressants ont été obtenus avec des électrodes ou matériaux conducteurs appartenant au groupe du silicium, du cuivre, du platine, de l'or, du palladium et à leurs alliages. Suivant un autre mode de réalisation, l'élément élastique est un coussin tressé en fils de bronze doré. Il autorise un montage rigide qui supporte les accélérations importantes. La pénétration du rayonnement dans le détecteur est obtenue dans de bonnes conditions par une fenêtre qui comporte par exemple une feuille d'aluminium mince ou de nylon métallisé encastrée dans le fond du boîtier. L'invention s'étend également à un procédé de fabrication du compteur à partir de matériau CdTe compensé ou non. Il n'aura pas nécessairement une structure monocristalline, mais pourra être formé de plusieurs cristaux. Il aura une résistivité élevée de façon à permettre d'atteindre même sous des tensions faibles des zones sensibles importantes. L'invention est remarquable en ce que l'on effectue un rodage et un polissage fin des deux faces opposées du cristal qui reçoivent des contacts, on attaque chimiquement lesdites surfaces par une concentration de brome-méthanol, on oxyde superficiellement les dites faces, de préférence par de l'eau oxy génée, on dépose sur chacune desdites faces au moins une couche d'un matériau bon conducteur. L'oxydation superficielle des faces du cristal permet de ramener le courant de fuite, prohibitif, existant dans les diodes traitées chimiquement à des valeurs acceptables. Suivant le procédé, le matériau bon conducteur est choisi dans le groupe du silicium, du cuivre, du platine, de ltor, du palladium de façon à constituer des contacts qui adhèrent intimement aux faces du cristal. On utilise à cette fin un procédé connu de métallisation sous vide, dépit chimique, implantation ionique, etc... L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui fait suite d'un exemple de réalisation non limitatif de détecteur nucléaire représenté par le dessin de la figure unique annexée. Sur cette figure, le repère 1 désigne un cristal de tellurure de cadmium (CdTe) comportant deux faces opposées et parallèles la, lb convenablement traitées en contact intime avec des électrodes 2a, 2b. Le matériau de base peut être constitué par un matériau dopé ou non, et ne doit pas nécessairement avoir une structure monocristalline. Le cristal 1 peut être formé de plusieurs cristaux (non figuré). Sa résistivité sera élevée de façon à permettre la réalisation de compteurs de grande efficacité. La périphérie ou bord 2an, 2bn des électrodes 2a, 2b se détache des faces actives la, lb pour reporter les points de contact électriques en dehors du cristal afin de ne pas le soumettre à des contraintes mécaniques anormales. Les électrodes 2a, 2b sont constituées par au moins une couche de matériau métallique très bon conducteur, tel que le silicium, le cuivre, l'argent, 11 or, le platine, le palladium ou par leurs alliages. Les dépôts peuvent être monocouches ou multicouches. Le cristal 1 est posé du coté de sa première électrode 2a sur un coussin tressé 3 en fils de bronze doré dont la base est en contact avec un flasque conducteur 4 qui s'appuie par l'intermédiaire d'une joue isolante 5 sur un socle conducteur 6 servant de support au détecteur. Le flasque 4 est relié au pôle central 7a d'un connecteur coaxial miniature 7 dont le corps 7b (autre pôle ou masse) est solidaire du socle 6. Un chapeau 8 en matière isolante telle que de l'araldite est placé sur le bord de la face Ib opposée à la première électrode 2a, et une ouverture concentrique 8a découvre la seconde électrode 2b dont le bord 2bn est rabattu sur le chapeau 8. L'espace 9 laissé entre le cristal 1, le bord 2bn et le chapeau 8 est rempli par une résine époxy. Un boîtier 10 est disposé sur l'ensemble de ltempi- lage formé par les pièces décrites plus haut et se fixe sur le socle 6, par exemple au moyen d'un filetage 11. Un joint 12 en caoutchouc siliconé ultra-conducteur interposé entre le fond 10a et la seconde électrode 2b permet d'une part un serrage mécanique raisonnable de l'empilage par l'intermédiaire du boîtier 10 fixé sur le socle 6 et, d'autre part, la conduction entre la seconde électrode 2b et la masse même du boîtier 10. Le fond 10a comporte une fenêtre 1Ob enchassée et formée par une feuille d'aluminium mince ou de nylon métallisé adaptée au type de rayonnement que l'onveut détecter. Le circuit électrique du détecteur s'établit entre le pôle central 7a, le flasque 4 (isolé du socle 6 par la joue 5), le coussin 3, la première électrode 2a, le cristal 1, la seconde électrode 2b, le joint conducteur 12, le boîtier 10, le socle 6 et le corps 7b du connecteur 7. L'invention se rapporte également à un procédé depréparation du cristal 1 qui, après découpage, reçoit les traitements de surface les mieux adaptés à réduire le courant de fuite de la diode et les phénomènes de polarisation diélectriques. Le procédé prévoit un rodage et un polissage fin des deux faces actives opposées et parallèles 1a, lb du cristal 1 de tellurure de cadmium (CdTe), suivis d'une attaque chimique des faces la, lb par une concentration de brone-méthanol en concentration convenable. Ensuite, on oxyde superficiellement les faces la, lb par exemple au moyen d'eau oxygénée de façon à ramener le courant de fuite, qui devient prohibitif, après l'attaque chimique, à des valeurs acceptables pour des tensions de plusieurs centaines de volts. Le matériau des électrodes 2a, 2b est déposé sur chacune des faces la, lb du cristal 1 sous forme d'une ou plusieurs couches d'un matériau très bon conducteur. Les couches sont obtenues par un procédé connu demétallisation sous vide, dépôt chimique, implantation ionique, etc... Le détecteur réalisé suivant la figure est donc une jonction P-N ou une chambre d'ionisation solide, préparée dans un cristal de tellurure de cadmium de dimensions convenables et polarisé au moyen de deux électrodes. En tant que détecteur à semi-conducteur,le cristal fournira une réponse aux rayonnements alpha, bêta, gamma en collectant directement les paires d'électron-trou libérés par les rayonnements incidents ainsi que les neutrons thermiques par la réaction nucléaire induite au sein même du compteur. Par conséquent, l'invention permet de réaliser un détecteur sensible aux quatre types de rayonnements. REVENDICATIONS 1. Détecteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comporte - un cristal de tellurure de cadmium (CdTe) de haute résistivité et sensible aux rayonnements a , , ainsi qu'aulx neutrons thermiques, - des électrodes disposées sur chacune des faces parallèles dudit cristal, - un élément élastique de contact appuyé entre la première des électrodes et un flasque conducteur qui s' appuie par l'intermé diaire d'une joue isolante sur un socle conducteur servant de support au détecteur, - un connecteur coaxial monté dans le socle avec un pôle central relié au flasque conducteur, - des moyens isolants pour maintenir et centrer ledit cristal dans un boîtier conducteur qui s'adapte sur le socle, - un joint en matériau élastique et conducteur interposé entre le bord d'une fenêtre enchassée dans le fond du boîtier et le pourtour de la seconde électrode. 2. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes ont des surfaces intimement liées aux faces respectives dudit cristal et comportant chacune un bord détaché pour reporter les contraintes mécaniques de contact, soit avec l'élément élastique, soit avec ledit joint. 3. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en oe que les électrodes sont en matériaux conducteurs appartenant au groupe du silicium, du cuivre, de l'or, du platine, du palladium et à leurs alliages. 4. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément élastique est un coussin tressé en fils de bronze doré. 5. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre est une feuille d'aluminium mince encastrée dans le fond du bottier. 6. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre est une feuille de mylar métallisé encastrée dans le fond du bottier. 7. Procédé de fabrication d'un cristal pour un détecteur nucléaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que - on effectue un rodage et un polissage fin de deux faces de contact opposées et parallèles d'un cristal de tellurure de cadmium (CdTe), - on attaque chimiquement lesdites faces par une concentration de bromo-méthanol, - on oxyde superficiellement lesdites faces, - on dépose sur chacune desdites faces au moins une couche d'un matériau bon conducteur du courant électrique. a. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lton oxyde lesdites faces à l'eau oxygénée. 9. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'on dépose le matériau bon conducteur sur chacune desdites faces par un procédé connu du groupe de la métallisation sous vide, du dépôt chimique, de l'implantation ionique.