Brevet FR3018615A1 — publié le 20150918

La présente invention concerne un dispositif de détection de particules rayonnantes. Elle concerne également un procédé de détection correspondant. Un tel dispositif de détection comporte généralement au moins un capteur de particules rayonnantes, apte à fournir une impulsion électrique lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante génératrice de charges, et au moins un circuit de détection recevant et traitant cette impulsion électrique fournie par le capteur. En effet, l'impulsion électrique fournie par le capteur est généralement si faible qu'elle n'est pas directement exploitable. Il a par exemple été présenté un dispositif de ce type à la conférence ANIMMA 2013, « Advancements un Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications », tenue à Marseille (FR) du 23 au 27 juin 2013, sous l'intitulé « First investigations on the feasibility of integration of a smart sensor in harsh environment ». Dans ce dispositif, un premier étage du circuit de détection comporte un amplificateur à faible bruit remplissant un rôle de conversion de l'impulsion électrique fournie par le capteur de particules rayonnantes en une tension dont l'amplitude maximale est proportionnelle à la quantité de charges détectées par le capteur. Un deuxième étage du circuit de détection comporte un conditionneur analogique pour une mise en forme du signal de tension analogique fourni par le premier étage de manière à le rendre plus facilement convertible en signal numérique. Ce conditionneur analogique est constitué d'un différenciateur et d'intégrateurs de deuxième ordre réalisés à l'aide d'amplificateurs opérationnels. Enfin, un troisième étage du circuit de détection comporte un convertisseur analogique/numérique et un processeur de traitement de signal numérique pour analyser le signal fourni par le deuxième étage et caractériser la ou les particules rayonnantes détectées par traitement numérique. Ce circuit de détection configuré en chaîne d'acquisition est bien connu et utilisé dans une grande majorité de détecteurs de particules rayonnantes utilisant des composants discrets. Mais comme dans toute chaîne d'acquisition, les contraintes en termes de bruit du premier étage sont très importantes afin d'assurer une bonne sensibilité de la chaîne si l'on veut maîtriser la consommation électronique de l'ensemble. Pour des solutions telles que les réseaux de capteurs ou les détecteurs embarqués, l'intégration de tout ou partie de la chaîne d'acquisition est requise tout en maitrisant sa consommation électrique. Dans ce cas, les performances en termes de bruit et de consommation des amplificateurs de la chaîne deviennent tellement contraignantes qu'il n'existe à ce jour que peu de solutions complètement intégrées. Par ailleurs les bruits agissent essentiellement sur l'amplitude des signaux, rendant ensuite difficile le traitement ultérieur de l'information contenue dans ces signaux. Dans l'article de Castellani-Coulié et al, intitulé « Development of a CMOS oscillator concept for particle detection and tracking », publié dans IEEE Transactions on Nuclear Science, volume 60, n °4, pages 2450-2455 août 2013, il est préféré un dispositif dans lequel le circuit de détection comporte un oscillateur contrôlé en tension auquel est fournie l'impulsion électrique issue du capteur en tant que tension de contrôle. L'invention s'applique plus particulièrement à un dispositif de ce type, c'est-à- dire comportant : au moins un capteur de particules rayonnantes, apte à fournir une impulsion électrique lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante, et au moins un circuit de détection comportant un oscillateur contrôlé en tension auquel est fournie ladite impulsion électrique issue du capteur en tant que tension de contrôle. En particulier, l'oscillateur de l'article précité fournit en sortie un signal dont la fréquence instantanée et la phase sont caractéristiques de l'impulsion électrique fournie par le capteur. Mais le dispositif proposé comporte lui aussi des inconvénients. Tout d'abord, l'oscillateur est formé par des amplificateurs opérationnels cascadés dont les composants électroniques restent malgré tout assez complexes. Par ailleurs, le signal fourni en sortie doit être traité numériquement à l'aide d'un modèle polynomial pour lier ses variations de phase et de fréquence à la forme de l'impulsion électrique fournie par le capteur. Ce traitement est lui aussi assez complexe. Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif de détection de particules rayonnantes du type précité qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes évoqués précédemment. Il est donc proposé un dispositif de détection de particules rayonnantes, comportant : - au moins un capteur de particules rayonnantes, apte à fournir une impulsion électrique lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante, - au moins un circuit de détection comportant un oscillateur contrôlé en tension auquel est fournie ladite impulsion électrique issue du capteur en tant que tension de contrôle, dans lequel l'oscillateur contrôlé en tension est un oscillateur en anneau. Un oscillateur en anneau a peu de propriétés communes avec un oscillateur tel que celui décrit dans l'article de Castellani-Coulié et al. Tout d'abord, il est harmonique, alors qu'un oscillateur à base d'amplificateurs opérationnels analogiques présente des propriétés de relaxation. Ensuite, il a été remarqué que, de façon surprenante, lorsqu'un oscillateur en anneau est alimenté en courant électrique par un capteur de particules rayonnantes, il fournit en sortie un signal exploitable dont la forme est fidèle à celle de l'impulsion électrique reçue. Or cette forme est caractéristique de la ou des particules rayonnantes détectées. Le traitement de ce signal de sortie est donc nettement plus immédiat que ceux proposés dans l'état de la technique. Enfin, un oscillateur en anneau est généralement constitué de composants plus simples et plus robustes que ceux d'amplificateurs opérationnels, de sorte qu'il convient tout à fait à des applications selon lesquelles le circuit de détection doit être embarqué avec le capteur de particules, notamment dans des environnements sévères en termes de température et de radiations. Sa simplicité permet en outre d'améliorer les performances relatives au bruit et à la consommation électrique par rapport aux dispositifs existants. De façon optionnelle, l'oscillateur en anneau est paramétré à l'aide d'une tension de consigne de telle sorte que la période correspondant à sa fréquence propre d'oscillation en l'absence de tension de contrôle soit inférieure à une durée minimale de l'impulsion électrique pouvant être fournie par le capteur. De façon optionnelle également, l'oscillateur en anneau comporte un nombre impair d'inverseurs logiques disposés en série et une boucle de rétroaction reliant la sortie du dernier inverseur logique de la série à l'entrée du premier inverseur logique de la série. De façon optionnelle également, chaque inverseur logique est un inverseur CMOS comportant la combinaison d'un transistor à effet de champ P et d'un transistor à effet de champ N, les sources des transistors P de chaque inverseur logique étant raccordées à une tension de consigne et les drains des transistors N de chaque inverseur logique étant raccordés à une tension de polarisation. De façon optionnelle également, un dispositif de détection de particules rayonnantes selon l'invention peut comporter une pluralité de circuits de détection, chaque circuit de détection étant calibré de manière à être sensible à une bande d'énergie prédéterminée de particules rayonnantes. De façon optionnelle également, un dispositif de détection de particules rayonnantes selon l'invention peut comporter une pluralité de capteurs de particules rayonnantes disposés en matrice, chaque capteur étant associé à un circuit de détection calibré sur une bande d'énergie prédéterminée de particules rayonnantes. De façon optionnelle également, le circuit de détection comporte un circuit d'analyse d'un signal de sortie de l'oscillateur en anneau pour la caractérisation de particules rayonnantes. De façon optionnelle également, le capteur de particules rayonnantes est un capteur semi-conducteur comportant une diode PIN. Il est en outre proposé un procédé de détection de particules rayonnantes, comportant : la fourniture, par au moins un capteur de particules rayonnantes, d'une impulsion électrique lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante, la transmission de cette impulsion électrique, en tant que tension de contrôle, à un oscillateur contrôlé en tension d'au moins un circuit de détection, et l'analyse d'un signal de sortie de l'oscillateur contrôlé en tension pour la caractérisation de particules rayonnantes, selon lequel l'oscillateur contrôlé en tension est un oscillateur en anneau et la caractérisation de particules rayonnante est réalisée par une analyse de la forme temporelle du signal de sortie de cet oscillateur en anneau. De façon optionnelle, le signal de sortie analysé est un signal d'indication d'une fréquence instantanée d'oscillation ou de tension moyenne de sortie de l'oscillateur en anneau. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de détection de particules rayonnantes selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 représente schématiquement une implémentation possible d'un oscillateur en anneau du dispositif de la figure 1, la figure 3 illustre, à l'aide de diagrammes temporels, un exemple de signaux d'entrée et de sortie de l'oscillateur en anneau de la figure 1 ou 2, la figure 4 illustre, à l'aide d'un diagramme temporel, une relation de linéarité en amplitude entre l'entrée et la sortie de l'oscillateur en anneau de la figure 1 ou 2, les figures 5 et 6 illustrent, à l'aide de diagrammes temporels, deux autres exemples de signaux d'entrée et de sortie de l'oscillateur en anneau de la figure 1 ou 2, la figure 7 illustre les étapes successives d'un procédé de détection de particules rayonnantes, selon un mode de réalisation de l'invention, et la figure 8 représente schématiquement une pluralité de capteurs d'un dispositif de détection de particules rayonnantes selon un autre mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 10 de détection de particules rayonnantes représenté sur la figure 1 comporte un capteur 12 de particules rayonnantes, apte à fournir une impulsion électrique In lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante, et un circuit de détection apte à traiter cette impulsion électrique In qui n'est pas directement exploitable en tant que telle. Le circuit de détection comporte un oscillateur contrôlé en tension 14, plus précisément un oscillateur en anneau, et un circuit d'analyse 16 d'un signal de sortie S de l'oscillateur en anneau 14. Le capteur 12 est un capteur CMOS, comportant par exemple une diode PIN 18 raccordée à un potentiel VDD à l'aide d'une résistance R. L'oscillateur en anneau 14 comporte un nombre impair d'inverseurs logiques, par exemple trois inverseurs logiques 201, 202 et 203 disposés en série. Il comporte en outre une boucle de rétroaction 22 reliant la sortie du dernier inverseur logique de la série, 203, à l'entrée du premier inverseur logique de la série, 201. Il reçoit l'impulsion électrique In en entrée du premier inverseur logique 201, c'est-à-dire en tant que tension de contrôle. Il fournit en sortie du troisième inverseur logique 203 le signal S exploitable par le circuit d'analyse 16. Ce signal S est par exemple un signal de tension moyenne de sortie ou un signal de fréquence instantanée d'oscillation de l'oscillateur en anneau 14. La figure 2 illustre plus précisément une implémentation possible de l'oscillateur en anneau 14. Chaque inverseur logique 201, 202 et 203 de cet oscillateur en anneau 14 est un simple inverseur CMOS qui comporte une unique entrée et une unique sortie. L'entrée de l'un quelconque des inverseurs logiques alimente les grilles de deux transistors à effet de champ P et N disposés en parallèle, le drain du transistor P et la source du transistor N étant joints pour fournir la sortie de l'inverseur logique. En outre, les sources des transistors P des trois inverseurs logiques 201, 202 et 203 sont raccordées à une tension commune de consigne Vctrl et les drains des transistors N des trois inverseurs logiques sont raccordés à une tension commune de polarisation Vbias. Les trois inverseurs logiques 201, 202 et 203 engendrent respectivement trois retards T1, T2 et T3 dont la somme est égale à une demi-période d'oscillation propre de l'oscillateur en anneau 14. La tension de consigne Vctrl permet de paramétrer ces retards de manière à régler la fréquence propre d'oscillation de l'oscillateur en anneau 14. Comme cela sera illustré par les figures 3, 5 et 6 et détaillé ultérieurement, il est avantageux que la période correspondant à la fréquence propre d'oscillation de l'oscillateur en anneau 14 en l'absence de tension de contrôle soit inférieure à une durée minimale de l'impulsion électrique In pouvant être fournie par le capteur 12. Il est même encore plus avantageux que cette période correspondant à la fréquence propre d'oscillation de l'oscillateur en anneau 14 soit plus de deux fois, voire même plus de trois fois inférieure à la durée minimale de l'impulsion électrique In. La tension de polarisation Vbias permet quant à elle de régler la caractéristique courant-tension de chaque inverseur 201, 202 et 203 dans une zone non saturée de linéarité décroissante. Le diagramme de gauche de la figure 3 illustre un exemple de tension instantanée V't mesurée en sortie de l'oscillateur en anneau 14 (courbe C2) en fonction du courant 'input fourni en entrée (courbe C1). Dans cet exemple, deux particules rayonnantes traversent le capteur 12, générant deux impulsions électriques notées lm et In2. Pour une question de simplicité d'illustration, ces impulsions sont modélisées sous la forme de signaux carrés d'amplitudes différentes. On remarque que, dans cet exemple où la durée des deux impulsions électriques lm et In2 est plus de trois fois supérieure à la période des oscillations de la tension instantanée V't, l'oscillateur reproduit bien en sortie la forme des impulsions électriques, mais inversée. On remarque également, si l'on observe la fréquence instantanée F des oscillations en partie droite de la figure 3 (courbe C3), que ce signal de sortie S = F de l'oscillateur en anneau 14 reproduit également la forme des impulsions. Par ailleurs, si l'on observe la tension moyenne de sortie Vout average en fonction de l'intensité du courant 'input fourni en entrée de l'oscillateur en anneau 14, on observe, comme illustré sur la figure 4, que la tension moyenne de sortie est une fonction linéaire décroissante de cette intensité en entrée. Ceci explique le diagramme de gauche de la figure 3 dans lequel les oscillations en sortie reproduisent de façon inversée les impulsions lm et In2. Ainsi, on peut observer en sortie de l'oscillateur en anneau 14 l'un des deux signaux S suivants : la fréquence instantanée F ou la tension moyenne de sortie Vout average- La largeur des impulsions électriques lm et In2 se lit par exemple sur la courbe de la fréquence instantanée F et leur amplitude peut se lire sur la courbe de la tension moyenne de sortie V't average. Sur la figure 5, un autre exemple de tension instantanée V't et de fréquence instantanée F mesurées en sortie de l'oscillateur en anneau 14 (courbes C'2 et C'3) en fonction du courant 'input fourni en entrée (courbe C'1) est illustré. On y voit que le résultat est convaincant également quand les deux impulsions électriques lm et In2 sont de durées différentes. Sur la figure 6, encore un autre exemple de tension instantanée V't et de fréquence instantanée F mesurées en sortie de l'oscillateur en anneau 14 (courbes C"2 et C"3) en fonction du courant 'input fourni en entrée (courbe C",) est illustré. On y voit que le résultat est convaincant également quand les impulsions électriques, ici trois impulsions lm, In2 et In3, se superposent. A condition de connaître a priori la forme attendue des impulsions, il est aisé de retrouver ces impulsions en lisant les courbes C"2 et C"3. Dans les trois exemples illustrés sur les figures 3, 5 et 6, les impulsions électriques présentent des intensités de quelques unités ou dizaines de pA. Pour changer d'échelle de détection, c'est-à-dire avec des courants plus élevés (à l'échelle des mA par exemple), il suffit de redimensionner en conséquence les inverseurs logiques, comme cela est bien connu de l'homme du métier. Un procédé de détection de particules rayonnantes mis en oeuvre par le dispositif 10 de la figure 1 va maintenant être détaillé en référence à la figure 7. Au cours d'une première étape 100, au moins une particule rayonnante traverse le capteur 12 qui fournit en réponse une impulsion électrique In. Cette impulsion électrique In est fournie en entrée de l'oscillateur en anneau 14 en tant que tension de contrôle au cours d'une étape suivante 102. La sortie S de cet oscillateur en anneau est fournie à l'étape 104 suivante. Cette sortie S est, comme indiqué précédemment, la tension moyenne de sortie Vout average et/ou la fréquence instantanée F de l'oscillateur en anneau 14. Enfin, au cours d'une dernière étape 106, la forme temporelle du signal de sortie S est analysée de façon connue en soi par le circuit d'analyse 16 pour caractériser la ou les particules rayonnantes détectées par le capteur 12. Compte tenu de la forme des impulsions électriques reproduite fidèlement dans le signal de sortie S, cette analyse, incluant par exemple l'étude de l'amplitude ou de la durée des impulsions, est particulièrement simple et immédiate. Par ailleurs, des analyses classiques telles que celle mentionnée dans l'article précité de Castellani-Coulié et al, consistant à rendre le signal de sortie S carré à l'aide d'une chaîne de « bufferisation » (par exemple une chaîne d'inverseurs) et à en déduire la fréquence et la phase du signal de sortie S au cours du temps à l'aide d'une fréquence de référence, peuvent tout à fait être mises en oeuvre dans le circuit d'analyse 16. Le détail de ces analyses bien connues n'est pas repris ici car aisément adaptable de l'article précité de Castellani-Coulié et al. Le dispositif 10 et le procédé décrits précédemment peuvent par ailleurs être adaptés pour des applications de spectroscopie. Le circuit de détection décrit précédemment est en effet adapté, selon son calibrage et son paramétrage, c'est-à-dire selon le réglage de la fréquence propre d'oscillation de son oscillateur en anneau (constituant un seuil en durée d'impulsion détectable) et selon le dimensionnement de ses inverseurs logiques (constituant un seuil en amplitude d'impulsion détectable), à une certaine bande d'énergie de particules rayonnantes, cette bande d'énergie étant définie par les seuils précités. En calibrant plusieurs circuits de détection de façon différente, c'est-à-dire en calibrant plusieurs oscillateurs en anneau de façon différente, de manière à couvrir plusieurs bandes d'énergies successives auxquelles sont sensibles ces circuits de détection en fonction des seuils définis par leur calibrage et paramétrage, et en procédant à des mesures différentielles entre circuits de détection, il est possible de quantifier les particules rayonnantes détectées en fonction de leur énergie E = hv et donc de les discriminer par traitement. Ceci peut se faire de plusieurs manières différentes. Par exemple, en connectant plusieurs circuits de détection en sortie du capteur 12, ou, comme illustré sur la figure 8, en concevant une matrice de capteurs 121,1, - - -, 12m,n, - - -, 12M,N connectés chacun à un circuit de détection spécifique et à un oscillateur en anneau 141,i, ..., 14m,n, - .., 14M,N, on obtient un spectroscope à MxN bandes d'énergie différentes. La détection matricielle comporte l'avantage d'augmenter très nettement la surface de détection par rapport aux détecteurs existants. Il apparaît clairement qu'un dispositif et un procédé de détection de particules rayonnantes tels que ceux décrits précédemment permettent de considérablement simplifier la détection et la caractérisation de particules rayonnantes. Les conséquences directes de cette simplicité sont la robustesse (notamment au bruit) et la faible consommation d'une telle solution, de sorte que les applications embarquées sont particulièrement facilitées. Les applications sont en outre multiples puisqu'il suffit d'adapter le ou les capteurs et le ou les circuits de détection à tel ou tel type de particules rayonnantes pour pouvoir envisager des domaines d'application très différents tels que le spatial, le militaire, l'aéronautique, le médical ou le nucléaire pour : l'analyse de fiabilité de composants électroniques et de l'impact d'un environnement à radioactivité non négligeable sur ces composants en termes de durcissement, robustesse, durée de vie, sécurité (les applications à base de microélectronique sont en effet de plus en plus sensibles au bruit ambiant généré par les particules ionisantes à faible énergie), l'industrie satellitaire ou des transports électriques (train, voiture), la protection contre les rayonnements ionisants (détecteurs pour la radioprotection), le médical (traitement de pathologies ou tumeurs), en termes de dosages et mesures, la sécurité (notamment la sécurité des transactions commerciales et bancaires), la pétrochimie (forage, notamment pour la recherche de gaz de schiste : cartographie des environnements rocheux ionisants souterrains), - etc. On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci- dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en oeuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes, comportant : au moins un capteur (12) de particules rayonnantes, apte à fournir une impulsion électrique (In) lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante, au moins un circuit de détection comportant un oscillateur contrôlé en tension (14) auquel est fournie ladite impulsion électrique (In) issue du capteur (12) en tant que tension de contrôle, caractérisé en ce que l'oscillateur contrôlé en tension (14) est un oscillateur en anneau (201, 202, 203, 22). 2. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon la revendication 1, dans lequel l'oscillateur en anneau (14) est paramétré à l'aide d'une tension de consigne (Vctrl) de telle sorte que la période correspondant à sa fréquence propre d'oscillation en l'absence de tension de contrôle soit inférieure à une durée minimale de l'impulsion électrique (In) pouvant être fournie par le capteur (12). 3. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'oscillateur en anneau (14) comporte un nombre impair d'inverseurs logiques (201, 202, 203) disposés en série et une boucle de rétroaction (22) reliant la sortie du dernier inverseur logique (203) de la série à l'entrée du premier inverseur logique (201) de la série. 4. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon la revendication 3, dans lequel chaque inverseur logique (201, 202, 203) est un inverseur CMOS comportant la combinaison d'un transistor à effet de champ P et d'un transistor à effet de champ N, les sources des transistors P de chaque inverseur logique étant raccordées à une tension de consigne (Vctrl) et les drains des transistors N de chaque inverseur logique étant raccordés à une tension de polarisation (Vbias). 5. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une pluralité de circuits de détection (141,1, - - -, 14m,N), chaque circuit de détection étant calibré de manière à être sensible à une bande d'énergie prédéterminée de particules rayonnantes. 6. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon la revendication 1 à 5, comportant une pluralité de capteurs (121,1, ..., 12m,N) departicules rayonnantes disposés en matrice, chaque capteur (121,1, - - -, 12m,N) étant associé à un circuit de détection (141,1, - - -, 14m,N) calibré sur une bande d'énergie prédéterminée de particules rayonnantes. 7. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit de détection comporte un circuit (16) d'analyse d'un signal de sortie (S) de l'oscillateur en anneau (14) pour la caractérisation de particules rayonnantes. 8. Dispositif (10) de détection de particules rayonnantes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le capteur (12) de particules rayonnantes est un capteur semi-conducteur comportant une diode PIN (18). 9. Procédé de détection de particules rayonnantes, comportant : la fourniture (100), par au moins un capteur (12) de particules rayonnantes, d'une impulsion électrique (In) lorsqu'il est traversé par au moins une particule rayonnante, la transmission (102) de cette impulsion électrique (In), en tant que tension de contrôle, à un oscillateur contrôlé en tension (14) d'au moins un circuit de détection, et l'analyse (106) d'un signal de sortie (S) de l'oscillateur contrôlé en tension (14) pour la caractérisation de particules rayonnantes, caractérisé en ce que l'oscillateur contrôlé en tension (14) est un oscillateur en anneau et en ce que la caractérisation (106) de particules rayonnante est réalisée par une analyse de la forme temporelle du signal de sortie (S) de cet oscillateur en anneau (14). 10. Procédé de détection de particules rayonnantes selon la revendication 9, dans lequel le signal de sortie analysé (S) est un signal d'indication d'une fréquence instantanée d'oscillation (F) ou de tension moyenne de sortie (V't average) de l'oscillateur en anneau (14).