Brevet FR2960979A1 — publié le 20111209

La présente invention concerne un dispositif de détection de particules alpha dans l'atmosphère. Le radon est un gaz rare d'origine naturelle qui constitue une source naturelle de radioactivité. I1 est donc important de pouvoir détecter la présence de ce gaz dans l'atmosphère comme par exemple dans un espace confiné comme la pièce d'une habitation. Le radon émet des particules alpha qui peuvent être détectées par un capteur approprié. Différents dispositifs de détection ont déjà été proposés mais aucun d'eux ne 10 donne pleinement satisfaction. Par exemple, il peut s'agir de dispositifs passifs (dosimètres à film à matériaux sensibles ou charbon) ou de dispositifs actifs (chambre d'ionisation). Ces dispositifs sont souvent encombrants et ne sont pas facilement utilisables dans une habitation. D'autres dispositifs de détection utilisent une implémentation électronique qui 15 ne permet pas de détecter l'ensemble des particules alpha et, en particulier, les particules alpha à basse énergie d'interaction ainsi que les particules alpha qui ont eu un parcours dans l'air de plusieurs centimètres et perdu de l'énergie. Un objet de la présente invention est de proposer un dispositif de détection du radon qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur et qui en particulier 20 permet une détection plus fine que celle effectuée par les dispositifs de détection de l'état de la technique. A cet effet, est proposé un dispositif de détection de particules alpha, par exemple issues du radon, comprenant un circuit électronique lui-même comprenant : - au moins une cellule de détection et de conversion, la ou chaque cellule de 25 détection et de conversion comprenant: - une diode en polarisation directe avec sa couche N à la masse, et - un circuit de conversion du type convertisseur charge-tension dont l'entrée est électriquement connectée à la couche P de la diode et qui est prévu pour récupérer la charge émise par la diode et pour convertir cette charge en une tension représentative, 30 - un circuit d'amplification à l'entrée duquel est électriquement connectée en parallèle la sortie du ou de chaque circuit de conversion, - un circuit de comparaison prévu pour comparer la valeur de la tension en sortie du circuit d'amplification avec une valeur seuil, et - un circuit de commande prévu pour commander un dispositif de protection, en réponse à un dépassement de la valeur seuil par la valeur de la tension. Avantageusement, la ou chaque cellule de détection et de conversion comprend en outre un condensateur d'entrée intercalé entre la couche P de la diode et le circuit de conversion associé. Avantageusement, la ou chaque cellule de détection et de conversion comprend en outre un condensateur de sortie intercalé entre le circuit de conversion et le circuit d'amplification. Avantageusement, le ou chaque circuit de conversion comprend: - un transistor à effet de champ en auto polarisation dont la grille est électriquement connectée au condensateur d'entrée et dont le drain est électriquement connecté au condensateur de sortie, - une résistance d'entrée électriquement connectée entre la masse et la grille du transistor, - une résistance de source qui est électriquement connectée entre la masse et la source du transistor, - un condensateur de source branché en parallèle avec la résistance de source, - une résistance de drain électriquement connectée entre une source de tension et le drain du transistor. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : la Fig. 1 représente un circuit électronique d'un dispositif de détection de 25 particules alpha selon un premier mode de réalisation de l'invention, et la Fig. 2 représente un circuit électronique d'un dispositif de détection de particules alpha selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Une particule alpha interagit avec la couche P d'une diode. A cette fin, différents types de diodes peuvent être utilisés, on citera par exemple: les diodes dites "planar 30 diffusion", les diodes dites "low-capacitance planar diffusion", les diodes PN, les diodes PNN+, ou les diodes PIN... La Fig. 1 montre un circuit électronique 100 d'un dispositif de détection qui comporte une cellule de détection et de conversion 102. Le dispositif de détection permet de détecter les particules alpha qui sont par exemple issues du radon. La cellule de détection et de conversion 102 comporte une telle diode D qui est en polarisation directe et qui n'est donc soumise à aucun courant ou tension de polarisation. La couche P de la diode D est orientée vers l'air dans lequel le radon doit être détecté et la couche N est reliée à la masse. La cellule de détection et de conversion 102 comporte également un circuit de conversion 110 du type convertisseur charge-tension qui est prévu pour récupérer la charge émise par la diode D - lors de la captation d'une particule alpha par la diode D - et pour convertir cette charge en une tension représentative. La couche P de la diode D est électriquement connectée à l'entrée du circuit de conversion 110. Cette tension représentative est ensuite amplifiée en une tension V par un circuit d'amplification 150 qui est électriquement connecté à la sortie du circuit de conversion 110. Le circuit électronique 100 comporte également un circuit de comparaison 160 qui compare la valeur de la tension V en sortie du circuit d'amplification 150 avec une valeur seuil. Le dispositif de détection comporte également un circuit de commande 170 qui, en réponse à un dépassement de la valeur seuil par la valeur de la tension V détectée par le circuit de comparaison 160, commande un dispositif de protection qui peut prendre la forme d'une alarme sonore et/ou lumineuse, et/ou d'un système de ventilation destiné à évacuer le radon présent dans l'atmosphère. La zone d'interaction entre les particules alpha et la diode D est placée dans la couche P. Cette zone d'interaction appelée "zone de déplétion" est obtenue en fonction de la polarisation de la diode D. Et comme aucune tension, aucun courant et aucun champ électrique n'est appliqué sur la diode D, seule la couche P est sensible à la présence des particules alpha. La couche P est très fine de l'ordre de 10 µm, et ainsi seules les particules alpha émises par le radon qui ont un libre parcours moyen assez court (environ 8µm dans le silicium) interagissent avec la couche P. En outre, cette zone d'interaction est limitée, ce qui permet de réduire la sensibilité aux éléments radioactifs qui se déposent sur la couche P de la diode D et qui peuvent émettre des particules alpha. Ainsi, les perturbations, créées par la contamination naturelle du détecteur (par les produits de fission du Radon par exemple), sont sensiblement moins importantes que dans le cas des dispositifs de détection de l'état de la technique. En outre, en dépolarisant la diode D, il est possible de la connecter électriquement en direct, c'est-à-dire de connecter électriquement la couche P à l'entrée du circuit de conversion 110. Dans le mode de réalisation de l'invention présenté sur les Figs., le circuit d'amplification 150 comprend: - un amplificateur de tension 152 dont l'entrée non inverseuse (+) est à la masse, et l'entrée inverseuse (-) est électriquement connectée avec la sortie du circuit de conversion 110, et - une résistance RAMP qui est électriquement connectée entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur de tension 152. L'amplificateur de tension 152 est ici connecté en mode inverseur, mais il peut être en mode non-inverseur. De même, le circuit d'amplification 150 peut être réalisé par une succession de transistors d'amplification ou tout autre système d'amplification. Pour séparer électriquement la diode D et le circuit de conversion 110, et ainsi dépolariser complètement la diode D, le circuit électronique 100 comporte un condensateur d'entrée CE intercalé entre la couche P de la diode D et le circuit de conversion 110. Ainsi la première électrode du condensateur d'entrée CE est électriquement connectée à la couche P de la diode D et sa deuxième électrode est électriquement connectée à l'entrée du circuit de conversion 110. Un tel agencement avec la diode D en polarisation directe, le circuit de conversion 110 et le condensateur d'entrée CE permet de détecter des impulsions représentatives d'une interaction diode D / particule alpha qui soit plus faible que ce qui est mesuré avec un amplificateur de charge de l'état de la technique. En effet, un tel agencement permet de réduire fortement le bruit électronique du circuit d'amplification 150 et il est possible de détecter les très faibles impulsions du bruit électronique. De la même manière, pour séparer électriquement le circuit de conversion 110 et le circuit d'amplification 150, le circuit électronique 100 comporte un condensateur de sortie CD intercalé entre le circuit de conversion 110 et le circuit d'amplification 150. Ainsi la première électrode du condensateur de sortie CD est électriquement connectée à la sortie du circuit de conversion 110, et sa deuxième électrode est électriquement connectée à l'entrée du circuit d'amplification 150. Le circuit de conversion 110 comprend: - un transistor à effet de champ ou FET 112 en auto polarisation, - une résistance d'entrée RE qui est électriquement connectée entre la masse et la grille du transistor FET 112, - une résistance de source Rs qui est électriquement connectée entre la masse et la source du transistor FET 112, - un condensateur de source Cs qui est branché en parallèle avec la résistance de source Rs, - une résistance de drain RD qui est électriquement connectée entre une source de tension Vcc et le drain du transistor FET 112. La deuxième électrode du condensateur d'entrée CE est électriquement connectée à la grille du transistor FET 112. La première électrode du condensateur de sortie CD est électriquement connectée au drain du transistor FET 112. L'agencement particulier du circuit de conversion 110 permet, lorsqu'une particule alpha interagit avec la couche P, la création d'un mouvement de charge au niveau de la grille du transistor FET 112, ce qui entraîne une légère modification de la tension entre la grille et la source du transistor FET 112 et engendre une variation de tension sur la résistance de drain RD qui est ensuite amplifiée par le circuit d'amplification 150. La Fig. 2 montre un circuit électrique 200 d'un dispositif de détection qui comporte une pluralité de cellules de détection et de conversion qui sont référencées 2021, 202' et qui sont électriquement connectées en parallèle sur l'entrée d'un circuit d'amplification 250 qui est suivi d'un circuit de comparaison 160 et d'un circuit de commande 170. Le circuit d'amplification 250 reprend la même structure que celle du circuit d'amplification 150 du mode de réalisation de la Fig. 1. Le nombre 'n' représente un entier supérieur à 2 et il représente le nombre de cellules de détection et de conversion 2021, 202' qui sont mises en place. Le cas où 'n' est égal à 1 est représenté par le mode de réalisation de l'invention de la Fig. 1. Seule la cellule de détection et de conversion 2021 va maintenant être décrite, mais chacune des autres cellules de détection et de conversion présente une structure identique. La cellule de détection et de conversion 2021 comporte: - une diode D1 en polarisation directe, et - un circuit de conversion 2101 du type convertisseur charge-tension dont l'entrée est électriquement connectée à la couche P de la diode D1 et qui est prévu pour récupérer la charge émise par la diode D1 et pour convertir cette charge en une tension représentative. Comme pour le mode de réalisation de la Fig. 1, la cellule de détection et de conversion 2021 comporte un condensateur d'entrée CE1 intercalé entre la couche P de la diode D1 et le circuit de conversion 1101 associé, c'est-à-dire que la première électrode est électriquement connectée à la couche P de la diode D1 et que la deuxième électrode est électriquement connectée à l'entrée du circuit de conversion 2101. Comme pour le mode de réalisation de la Fig. 1, la cellule de détection et de conversion 2021 comporte également un condensateur de sortie CD1 intercalé entre le circuit de conversion 1101 et le circuit d'amplification 250, c'est-à-dire que la première électrode est électriquement connectée à la sortie du circuit de conversion 2101, et que la deuxième électrode est électriquement connectée à l'entrée du circuit d'amplification 250. La structure du circuit de conversion 2101 est identique à celle du circuit de conversion 110 de la Fig. 1. C'est-à-dire qu'il comprend - un transistor à effet de champ 1121 en auto polarisation, - une résistance d'entrée RE1 qui est électriquement connectée entre la masse et la grille du transistor 1121, - une résistance de source Rsi qui est électriquement connectée entre la masse et la source du transistor 1121, - un condensateur de source Cs1 qui est branché en parallèle avec la résistance de source Rsi, et - une résistance de drain RD1 qui est électriquement connectée entre une source de tension Vcc et le drain du transistor 1121. La deuxième électrode du condensateur d'entrée CE1 est électriquement connectée à la grille du transistor 1121. La première électrode du condensateur de sortie CD1 est électriquement connectée au drain du transistor 1121. Comme cela est montré dans le cas du mode de réalisation de l'invention de la Fig. 2, l'agencement particulier de chaque cellule de détection et de conversion 2021, 202' permet de multiplier le nombre de ces cellules pour un même circuit d'amplification 250 et ainsi d'augmenter la sensibilité du dispositif de détection 200 sans qu'il soit nécessaire d'augmenter de manière importante son volume et sa consommation électrique. La sensibilité du dispositif de détection 200 ainsi obtenue est similaire à celle de 10 l'appareil de radiamétrie pour un coût moindre. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le transistor 112 est un transistor référencé J113. Les valeurs des résistances RD et Rs sont comprises entre 50 kS et 470 kS et de préférence voisines de 300 kS. Un exemple d'amplificateur de tension 152 pouvant être utilisé est l'amplificateur de tension référencé TL031. 15 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. L'invention a été plus particulièrement décrite dans le cas de particules alpha issues du radon, mais elle s'applique de la même manière pour les particules alpha 20 issues d'autres éléments. REVENDICATIONS1) Dispositif de détection de particules alpha, par exemple issues du radon, comprenant un circuit électronique (100, 200) lui-même comprenant : - au moins une cellule de détection et de conversion (102, 2021, 202'), la ou chaque cellule de détection et de conversion (102, 2021, 202') comprenant: - une diode (D, D1, Dn) en polarisation directe avec sa couche N à la masse, et - un circuit de conversion (110, 2101, 210') du type convertisseur charge-tension dont l'entrée est électriquement connectée à la couche P de la diode (D, D1, Dn) et qui l0 est prévu pour récupérer la charge émise par la diode (D, D1, Dn) et pour convertir cette charge en une tension représentative, - un circuit d'amplification (150, 250) à l'entrée duquel est électriquement connectée en parallèle la sortie du ou de chaque circuit de conversion (110, 2101, 210'), 15 - un circuit de comparaison (160) prévu pour comparer la valeur de la tension (V) en sortie du circuit d'amplification (150, 250) avec une valeur seuil, et - un circuit de commande (170) prévu pour commander un dispositif de protection, en réponse à un dépassement de la valeur seuil par la valeur de la tension (V). 20 2) Dispositif de détection de particules alpha selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou chaque cellule de détection et de conversion (102, 2021, 202') comprend en outre un condensateur d'entrée (CE, CE1, CE2) intercalé entre la couche P de la diode (D, D1, Dn) et le circuit de conversion (110, 2101, 210') associé. 3) Dispositif de détection de particules alpha selon l'une des revendications 1 ou 25 2, caractérisé en ce que la ou chaque cellule de détection et de conversion (102, 2021, 202') comprend en outre un condensateur de sortie (CD, CD1, CDn) intercalé entre le circuit de conversion (110, 1101, 110') et le circuit d'amplification (150, 250). 4) Dispositif de détection de particules alpha selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le ou chaque circuit de conversion (110, 1101, 110') comprend:- un transistor à effet de champ (112, 1121, 112') en auto polarisation dont la grille est électriquement connectée au condensateur d'entrée (CE, CE1, CE2) et dont le drain est électriquement connecté au condensateur de sortie (CD, CD1, CDn), - une résistance d'entrée (RE, RE1, REn) électriquement connectée entre la masse et la grille du transistor (112, 1121, 112'), - une résistance de source (Rs, RS1, Rsn) qui est électriquement connectée entre la masse et la source du transistor (112, 1121, 112'), - un condensateur de source (Cs, Cs1, Csn) branché en parallèle avec la résistance de source (Rs, Rs1, Rsn), - une résistance de drain (RD, RD1, RDn) électriquement connectée entre une source de tension (Vcc) et le drain du transistor (112, 1121, 112n).