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WO2017115050A1 - Dispositif de détection de particules d'un environnement radiatif - Google Patents

Dispositif de détection de particules d'un environnement radiatif Download PDF

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Publication number
WO2017115050A1
WO2017115050A1 PCT/FR2016/053676 FR2016053676W WO2017115050A1 WO 2017115050 A1 WO2017115050 A1 WO 2017115050A1 FR 2016053676 W FR2016053676 W FR 2016053676W WO 2017115050 A1 WO2017115050 A1 WO 2017115050A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
matrix
sensors
particle
detection device
matrix sensors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2016/053676
Other languages
English (en)
Inventor
Florent Miller
Cécile WEULERSSE
Nicolas GUIBBAUD
Thierry Carriere
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Group SAS
ArianeGroup SAS
Original Assignee
Airbus Group SAS
Airbus Safran Launchers SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Group SAS, Airbus Safran Launchers SAS filed Critical Airbus Group SAS
Publication of WO2017115050A1 publication Critical patent/WO2017115050A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/242—Stacked detectors, e.g. for depth information
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/245—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors using memory cells

Definitions

  • the field of the invention is that of metrology.
  • the invention relates to a device for detecting particles of a radiative environment.
  • the invention finds particular applications in the field of aeronautics, space and the nuclear industry.
  • Radiative environments consisting of many particles such as neutrons, protons, heavy ions or muons, are responsible for more than 30% of electronic component failures or their observed operations in the field of space. Since electronic devices are increasingly sensitive to particles such as muons or low-energy protons, it is therefore important to be aware of the incident particle flows to which equipment, in particular on-board equipment operating at high altitude, is subject. .
  • the detection device is also a particle detection device based on the use of semiconductor components.
  • the passage of the particle directly or indirectly generates charges that can then be measured and related to the characteristics of the incident particle.
  • the detection device is provided with a collimator which restricts the solid angle of incidence of the particles.
  • One of the drawbacks of this technique is that the particles passing through the device with a different orientation path from that of the collimator axis are not detected.
  • a particle detection device comprising a multitude of collimators and semiconductors.
  • None of the current systems can simultaneously meet all the required requirements, namely to propose a particle detection technique that can detect particles of a radiative environment by characterizing the type of particles, their direction, their energy level. and the energy deposit per unit length, and which is particularly compact, reliable and low cost of implementation and implementation.
  • the present invention aims to remedy all or part of the disadvantages of the state of the art mentioned above.
  • the present invention aims at a particle detection device comprising at least two planar matrix sensors arranged in different planes.
  • the matrix sensors each comprise a matrix with at least two dimensions of cells whose state is likely to be modified when traversed by a particle.
  • the matrix sensors deliver state data of each of the cells of said matrix, said state data being representative for each cell of a charge deposition level in said cell.
  • the detection device also comprises data processing means delivered by the matrix sensors.
  • the particle detection device is based on the physical principle that a charged particle passing through a material deposits a portion of its charge in that material. The particle will lose energy, and therefore slow down, through successive layers of material included in the device. From the deposition of charges measured in cells of matrix sensors, the device can detect incident particles. Charge deposition is the amount of charge deposited by a particle in a material traversed by said particle.
  • the particle detection device is intended to characterize ionizing particles such as heavy ions or muons and particles such as neutrons causing indirect ionization by nuclear reaction. It should be noted that protons interact in both modes.
  • the passage of a proton through a semiconductor results in a direct ionization characterized by a low charge deposition, in this case of electrons, in the semiconductor material.
  • the passage of the proton may also result in indirect ionization by an ion emitted during the nuclear reaction caused by the collision of the proton with a semiconductor atom.
  • the order of magnitude of the energies of the incident particles that can be detected by the device is between 10 keV and several hundred MeV.
  • said data processing means perform data analysis operations delivered by said matrix sensors, by spatial and temporal coincidence between the cells of at least two matrix sensors to determine a type and a level of energy. an incident particle having passed through at least one matrix sensor and having caused a charge deposit in at least one cell of at least one matrix sensor.
  • a particle interacting with several sensors results in an event located on the matrix of photoconductive cells of these sensors, resulting in the creation of a parasitic current at one of the cells.
  • the analysis of the data of the sensors is carried out by the processing means by bringing together the events coinciding temporally and spatially. Considering that the coordinate reference is similarly defined on each of the sensors, spatially coincident events will have close coordinates. In the case where more than two sensors are superimposed, a passage of a particle having enough energy to cross several sensors results in a rectilinear trajectory.
  • the trajectory of a particle can be deflected by the collision of said particle on a nucleus of an atom.
  • the secondary particles generated on this occasion have weak paths in the material and generally stop in the sensor in which the interaction takes place. An event is thus at least generated only at this sensor. The generation of several secondary particles can thus cause events in star-shaped matrix cells around the matrix cell in which the nuclear reaction takes place.
  • Two events are considered coincident temporally when these events take place in a predefined time interval, corresponding to the reading period of the device, a function of the maximum particle flow to be detected.
  • the spatial coincidence makes it possible in particular to select among the spatially coincident events those which correspond to the trajectory of an incident particle.
  • the trajectory of an incident particle being generally rectilinear
  • the selected spatially coincident events are those that are substantially aligned along the axis of the trajectory.
  • the coordinates of the events occurring on the various matrix sensors depend in particular on the angle of incidence of the particle, the resolution of the matrix sensors but also the spacing between the matrix sensors.
  • the detection device may comprise a CCD sensor stack operating at 60 images per second for detecting neutrons and protons at the atmospheric level.
  • the neutron flux at ground level is about 20 neutrons / cm 2 / h.
  • the fluxes to be considered are of the order of 10 000 particles / cm 2 / s.
  • the devices chosen are then detectors capable of operating at very high frequencies. These detectors are for example based on RAM memories (for the acronym "Random Access Memory”) or flash memory.
  • the charged particles notably cause events having both a spatial and temporal coincidence, while the particles causing indirect ionization by through a nuclear reaction cause events with only temporal coincidence.
  • the invention provides a particle detection device comprising:
  • said matrix sensors each comprising a matrix with at least two dimensions of cells whose state is likely to be modified when traversed by a particle, said matrix sensors delivering state data of each of the cells of said matrix, said state data being representative for each cell of a charge deposition level in said cell;
  • Said data processing means delivered by said matrix sensors; Said data processing means determining a type, a trajectory and an energy level of an incident particle having passed through at least one of said matrix sensors and having caused a charge deposition in at least one d cell; at least two of said matrix sensors, from the analysis of the data delivered by said matrix sensors, in spatial and temporal coincidence between the cells of at least two matrix sensors.
  • said data processing means perform data analysis operations delivered by said matrix sensors, in spatial and temporal coincidence between the cells of at least two matrix sensors to determine a type. , a path and a level of energy of an incident particle having crossing at least two said matrix sensors and having been originally a charge deposition in at least one cell of at least two of said matrix sensors.
  • said data processing means perform operations of analysis of the data delivered by said matrix sensors, in spatial and temporal coincidence. between the cells of at least two matrix sensors for determining a type, a trajectory and an energy level of an incident ionizing particle having passed through at least two of said matrix sensors and having been the cause of charge deposition in at least one cell of at least one matrix sensor.
  • the cells of said matrix sensors comprise a photodetector or at least one transistor.
  • the matrix sensors are arranged in successive layers parallel to each other to form a stack.
  • a particle incident on the detection device can pass through several sensors. It should be emphasized that the accuracy of spatial and temporal coincidence data analysis increases with the number of interaction events caused by the incident particle.
  • the detection sensors are aligned along an axis perpendicular to the base of said stack.
  • spatial and temporal coincidence data analysis makes it easier to obtain the characteristics of an incident particle, particularly at the directional level.
  • At least one matrix sensor comprises an attenuation layer of the energy of a particle.
  • the attenuation layer of known nature and thickness makes it possible to promote the detection of particles in energy ranges, by causing a controlled energy deposition.
  • These attenuation layers can also limit the electromagnetic disturbances at the detection sensors.
  • said stack comprises alternating N matrix sensors and N-1 layers mitigation, N being at least equal to 2.
  • the matrix sensors are arranged along the faces of a parallelepiped.
  • an incident particle passes through several faces of the parallelepiped formed by the sensors.
  • the parallelepiped may advantageously be a rectangular parallelepiped or a cube.
  • the detection device then advantageously covers all the directions of the incident particles with the same precision of detection.
  • an attenuation layer is secured to each outer face of said stack of matrix sensors or said parallelepiped.
  • the low energy particles are stopped by the attenuation layer surrounding the matrix sensors.
  • the detection device is then adapted to detect particles of high energy.
  • the attenuation layer surrounding the device may be formed for example by a thin metal shield.
  • the matrix sensors comprise semiconductors.
  • the matrix sensors comprise semiconductors formed in a technology included in the list:
  • GaN gallium nitride
  • InGaAs Indium-Gaia arsenide technology
  • SiGe silicon germanium
  • the sensors include standard elements in electronics.
  • the detection sensors comprise a CCD (Charge-Coupled Device) type of photographic sensor or a CMOS type of photographic sensor (for English "Complementary Metal- Oxide-Semiconductor ").
  • CCD Charge-Coupled Device
  • CMOS complementary Metal- Oxide-Semiconductor
  • the events related to the interaction of an incident particle cause the gray level of the impacted pixel (s) to change.
  • the matrix sensors comprise a computer memory.
  • the matrix sensors comprise a computer memory whose type is included in the list:
  • FeRAM FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory
  • the RAM may be included for example on a memory module or on an FPGA (for the acronym "Field Programmable Gate Array”) or a microprocessor component with one or more cores.
  • said matrix sensors are nonvolatile computer memories such as a MLC flash memory ("Multi-Cell-Layer Cell”), a SLC (“Singie-Layer Cell”) flash memory or a TLC flash memory ("Triple-Layer Cell”).
  • MLC flash memory Multi-Cell-Layer Cell
  • SLC Single-Cell-Layer Cell
  • TLC flash memory Triple-Layer Cell
  • all the matrix sensors implemented in said detection device are identical.
  • the invention also relates to a method for detecting a particle having caused charge deposition in at least one cell of at least one matrix sensor of a particle detection device according to any one of previous embodiments, characterized in that it comprises:
  • the particle at the origin of a charge deposition in at least one cell of a single sensor is a particle having a nuclear interaction with a cell of said sensor.
  • the detected particle passes through at least two of said matrix sensors.
  • the particle at the origin of a charge deposition in at least one cell of at least two sensors is an ionizing particle.
  • the stage of analysis of the state data compares the energies deposited in each of the cells with Linear Energy Transfer (LET) linear energy transfer curves previously calculated for different types of particles and for different incident energies.
  • LET Linear Energy Transfer
  • the step of analyzing the data of state determines the trajectory of the detected particle.
  • the particle causing a charge deposit in at least one cell of at least two cells sensors without interacting with other sensors located along the trajectory of the particle is an ionizing particle having a nuclear interaction with a cell of the last impacted sensor.
  • FIG. 1 a perspective view of a particle detection device according to the invention
  • Figure 2a a perspective view of the detection device with reference to Figure 1, crossed by a heavy low energy ion;
  • FIGS. 2b, 2c and 2d show the image obtained by the three sensors of the detection device traversed by the heavy ion, with reference to FIG. 2a;
  • FIG. 2e the quantity of charges deposited per unit length by the heavy ion in silicon as a function of the heavy lion energy
  • FIG. 3a is a perspective view of the detection device with reference to FIG. 1, crossed by a high energy neutron;
  • FIGS. 3b, 3c and 3d the image obtained by the three sensors of the detection device traversed by the neutron, with reference to FIG. 3a;
  • FIG. 4 a device for protecting an electronic device according to the invention
  • FIG. 5 another particular embodiment of a particle detection device according to the invention.
  • FIG. 8 is a block diagram of the spatial and temporal coincidence analysis method.
  • each exemplary embodiment of the invention may be replaced by any other matrix sensor included in the following non-exhaustive list:
  • CMOS sensor Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • the semiconductors described are formed in a technology included in the following non-exhaustive list:
  • GaN gallium nitride
  • AsGa - gallium arsenide
  • InGaAs indium gallium arsenide
  • SiC silicon carbide
  • SiGe silicon germanium
  • Figure 1 shows a perspective view of a particle detecting device according to the invention.
  • the detection device 10 of FIG. 1 comprises six two-dimensional matrix sensors 11 of the CCD type.
  • the six identical matrix sensors 11 are superposed one above the other, and form a stack 16 of sensors fixed on a PCB printed circuit 12 (for the English "Printed Circuit Board").
  • Each of the matrix sensors 11 comprises a square matrix 13 of sixty four cells formed in the present example by silicon photodetectors. Each matrix sensor 11 is connected to the printed circuit 12 via connectors 15 which feeds the matrix sensors 11 and the data transmissions between the printed circuit 12 and the matrix sensors 11.
  • the stack 16 of matrix sensors 11 is held in the printed circuit 12 by means of four combs 17 oriented with a longitudinal axis of each sensor substantially perpendicular to a plane of the printed circuit 12, and located near edges of the stack 16.
  • the matrix sensors 1 1 are regularly spaced by a distance of about 100 ⁇ .
  • the arrangement of the photosensitive cells being identical, at least geometrically similar, for the different matrix sensors 11, the photodetectors are also aligned along the axis perpendicular to the plane of the printed circuit.
  • Matrix sensors 1 1 are advantageously sensors in the field of imaging, for example wide range and low cost CCD sensors.
  • the matrix sensors 1 1 form, as arranged on the printed circuit 12 in the example described, a three-dimensional sensor forming a matrix of 8x8x6 photodetectors.
  • the matrix sensors 1 1 are glued to each other, if necessary with calibrated thickness separators and formed in a neutral material or with weak interaction with the radiation in front of them. to be studied.
  • These separators may be replaced by attenuation layers comprising a material having a strong interaction with the particles in question to modify their characteristic in a controlled manner.
  • the matrix sensors 1 1 are held between four L-shaped profiles standing perpendicular to the circuit 12 in each corner of the stack 16, replacing the combs.
  • the printed circuit 12 also comprises a calculation unit 18 for processing the signals emitted by the matrix sensors 11 and a series of input and output connectors 19 of a control and measurement signal.
  • This calculation unit 18 comprises at least one processor 181 and at least one memory 182 intended to store a computer program for processing and analyzing data transmitted by the matrix sensors.
  • the printed circuit 12 is powered by a source of electrical energy (not shown in FIG. 1) delivering the voltages and currents necessary for the operation of the detection device 10.
  • This source of electrical energy can be integrated into the detection device 10 , thus making the detection device 10 autonomous.
  • the source of electrical energy may also be external to the detection device 10, in particular when the detection device 1 0 must operate with a long duration and or when the detection device 1 0 is connected to other equipment that can deliver the necessary electrical energy.
  • the invention will be better understood in the light of the description of the physical phenomena occurring in the device and the way in which their materialization is used to determine the desired characteristics of the radiation. FIG.
  • FIG 2a shows a perspective view of the detection device 10 traversed by a heavy ion 21 along a path 21a at low energy with an angle of incidence ⁇ , in the illustrated case of about 30 °, compared with the normal on the surface of the printed circuit and defines here as normal to the three-dimensional sensor formed by the matrix sensors.
  • the heavy ion 21 during its displacement on the trajectory followed crosses successively the three matrix sensors 1 1 1, 1 1 2 and 1 1 3 of the top of the stack 16.
  • Figures 2b, 2c and 2d show the resulting images 22 of the passage of the heavy ion 21 respectively through the matrix sensors 1 1 -,, 1 1 2 and 1 1 3 .
  • the heavy ion 21 passes through the matrix sensor 1 1 i and interacts by Coulomb interaction with the electrons of the electronic electron train of the photodetector 23 of the matrix 13-i.
  • the photodetector 23 crossed by the heavy ion 21 is located in the illustrated example substantially in the center of the matrix 1 3-
  • the passage of this ionizing particle results in the creation of a parasitic current at the level of the photodetector 23, and thus by an elevation of a gray level of an image point (pixel) on the image 22-i, corresponding at the position of the photodetector 23 crossed.
  • the rise in the gray level is a function of the quantity of charges deposited by the interaction of the heavy ion 21 in the photodetector 23.
  • the energy deposition depends on the incident energy of the particle, of its nature and the nature of the photodetector.
  • the curve 210 illustrated in FIG. 2e is a linear energy transfer curve LET (Linear Transfer Energy) calculated in the present case for a heavy ion passing through silicon.
  • Curve 210 represents on the ordinate the amount of charges deposited per unit length in a silicon layer as a function of the energy of a heavy ion on the abscissa.
  • the peak 21 1 of the curve 210 corresponds to the Bragg peak reflecting a maximum charge deposition of the heavy ion in the silicon. This maximum deposition occurs when the energy and consequently the speed of the heavy ion is low.
  • the image 22 thus has a light gray pixel 230 at the position of the photodetector 23 in the square matrix.
  • the gray level of the pixel 230 corresponds to the energy of the heavy ion at the abscissa 231 on the curve 210.
  • the heavy ion 21 yielding a portion of its energy to the photodetector 23 passes through the matrix sensor 1 1 2 with less energy.
  • a similar interaction occurs with a photodetector 24 of the matrix sensor 1 1 2 , and results in a white pixel 240 eccentric on the image 22 2 taking into account the incidence of the heavy ion 21.
  • the gray level of the pixel 240 is brighter than the gray level of the pixel 230 because the energy of the heavy ion 21 is lower at the time of the impact on the matrix sensor 1 12, and taking into account the energy position on the LET curve, the heavy ion 21 deposits more charges in the cell 24.
  • the gray level of the pixel 240 corresponds to the energy of the heavy ion at the abscissa 241 on the curve 210.
  • the heavy ion 21 passes through a photodetector 25 at the edge of the matrix sensor 1 1 3 .
  • the image 22 3 has a dark gray pixel 250 at the corresponding position of the photodetector 25.
  • the gray level of the pixel 250 corresponds to the energy of the heavy ion 21 at the abscissa 251 on the curve 210.
  • a processing unit 18 determines a direction of the trajectory 21a and the angle ⁇ from the known position of the photodetectors 23, 24 and 25 in the stack 16.
  • An approximate value of the direction is in practice sufficient to determine a probable origin of the heavy ion, for example its belonging to cosmic radiation.
  • the distance traveled by the heavy ion 21 in each of the photodetectors 23, 24 and 25 is calculated as well as the distance traveled in each of the possible attenuation layers included in the stack 16, in a second step 82, starting from the angle a and the silicon thickness of each photodetector and, if appropriate, the thickness of the attenuation layers.
  • the distance traveled depends on the angle of incidence of the particle.
  • the processing unit 18 compares the quantities of charges deposited per unit length in the photodetectors 23, 24 and 25 with those defined by LET curves recorded in the memory 182, previously calculated for different types. particles, such as ions, passing through the constituent materials of the sensors and attenuation layers. For each type of particle, LET curves are also calculated for different incident energies. For each type of particle and for each incident energy, the loss of energy resulting from a course in a given material can be calculated using a calculation software, such as for example the well-known SRIM software of the skilled person. The knowledge of the angle, the nature and the thickness of each of the materials crossed makes it possible to estimate, for each type of particles and for each type of energy, the energy deposited in each photodetector.
  • LET curves for ions For example, to calculate LET curves for ions, a scan over the entire range of atomic numbers is performed. For each ion type, a scan is performed over a wide range of incident energy, ranging from a few keV to several GeVs. The LET curves are then calculated for each ion type and for each incident energy, calculating the expected energies in each photodetector, knowing the angle, nature and thickness of each of the materials passed through.
  • the processing unit 18 determines the type and the energy of the incident particle during the fourth step 84 by selecting the most representative LET curve of the quantities of charges deposited according to the various curves previously calculated during step 83.
  • the data processing allows to deduce the type of particle, in this case to confirm that the particle 21 is a heavy ion and its main characteristics: the energy of the heavy ion 21, the direction the heavy ion 21 and the energy deposition of the particle 21 per unit length of silicon.
  • the accuracy of the analysis increases on the one hand with the number of matrix sensors 11 impacted by the same particle, and on the other hand with the density of photodetectors on each of the matrix sensors.
  • the accuracy of the trajectory determination is certainly improved with sensors having a high density of small photodetectors. This accuracy increases, however, to the detriment of the overall sensitivity of the detection device.
  • the probability of two particles simultaneously impacting the device is very low. In this case, the multiple events generated simultaneously are not considered by the detection device.
  • FIG. 3a shows a perspective view of the detection device 10 in which the three matrix sensors 1 1 1, 1 1 2 and 1 1 3 are traversed by a high energy neutron 31, as in the preceding example with a incidence ⁇ of about 30 ° compared to normal to the sensor.
  • FIGS. 3b, 3c and 3d represent the resulting image 32 of the passage of the neutron 31 respectively through the matrix sensors
  • the neutron 31 passes through the matrix sensor 11 without any physical interaction with a photodetector of this sensor, which results in an entirely black image 32.
  • the neutron 31 collides with a nucleus of a silicon atom of a photodetector 33 of the matrix sensor 1 1 2 .
  • This nuclear reaction leads to the emission of ions generating charges in several adjacent photodetectors.
  • the eight adjacent photodetectors of the photodetector 33 are impacted.
  • This physical phenomenon results, on the resulting image 32 2 of the matrix sensor 1 1 2 , by a pixel 34 having a light gray level surrounded by eight pixels 35 having a mean gray level.
  • the probability that the neutron 31 generates a new interaction on a matrix sensor after a first nuclear interaction is almost zero.
  • the resulting image 32 3 of the matrix sensor 1 1 3 is black, as are the sensors 1 1 4 , 1 1 5 and 1 1 6 .
  • the energy of the ions produced during the nuclear reaction in the photodetectors 33 and 36 is generally not large enough to impact the adjacent matrix sensor 11 .
  • the processing unit 18 performs an analysis in spatial and temporal coincidence of the data acquired by the matrix sensors 11 in order to deduce the type, here to confirm that the incident particle is a neutron, the energy of the neutron 31 and the amount of energy deposited by the neutron 31 per unit length.
  • a single sensor generates an event in the case of a neutron.
  • the absence of coincident events between two sensors is characteristic of this type of nuclear interaction produced by a neutron or a proton.
  • the path of the incident ion may be limited to a single array sensor located on the surface of the detection device. That case particular results in a false positive detection of a nuclear interaction.
  • the photodetector used as reference for each matrix sensor 11 during the analysis corresponds to the photodetector of said matrix sensor having the strongest signal.
  • the detection device 10 also makes it possible to detect all the ionizing particles such as protons, heavy ions or muons, since these particles generate a charge deposit in the cells crossed, as well as particles such as neutrons. or protons that provoke nuclear reactions when they collide with an atom of a traversed cell.
  • ionizing particles such as protons, heavy ions or muons
  • protons interact in both modes.
  • the proton interacts initially as an ionizing particle before causing a nuclear reaction in a cell of a matrix sensor.
  • the matrix sensors on the proton trajectory downstream of the cell where the nuclear reaction takes place have a black resulting image, indicating that there is no interaction between the proton and one of the cells of said matrix sensors.
  • FIG. 4 represents a protection device 40 according to the invention of an electronic equipment 41.
  • the protection device 40 comprises the detection device 10 connected to a controller of the electrical power supply of the electronic equipment 41, by a transistor switch 42, via the connector 19.
  • the protection device 40 cuts the power supply of the electronic device 41 when a large particle flow is detected, greater than a previously set threshold for the safety of the equipment.
  • the threshold can be defined according to the type of particles detected and obviously the energy of the particles.
  • FIG. 5 represents a particle detection device 50 according to another particular embodiment of the invention.
  • the detection device 50 comprises a stack 51 of three matrix sensors formed by computer memory cards 52 of SRAM type (for the acronym "Static Random Access Memory”).
  • Each memory card 52 comprises a two-dimensional matrix 54 of memory cells 540 each comprising transistors in silicon technology. It should be noted that the physical arrangement of the memory cells on the memory cards 52 is advantageously known and that the position of each memory cell corresponds to a digit of a binary word, for example a byte, of a logical address of the memory.
  • the resolution of the matrix sensor is defined by the size of the memory cells.
  • An attenuation layer 53 of 300 ⁇ thickness aluminum is bonded to each memory card 52 on the side having the matrix 54 of silicon semiconductor components.
  • the attenuation layers 53 make it possible to slow down particles incident on the detection device 50. Indeed, an incident particle can lose energy while passing through the attenuation layers 53 because the said particle interacts with the attenuation layers 53. depositing charges and / or producing a nuclear reaction when said particle impinges a nucleus of an atom of one of attenuation layers 53.
  • the memory cards 52 each comprising an attenuation layer 53 are glued together to form the stack 51.
  • the battery 51 comprises an alternation of matrix sensors and attenuation layers.
  • the battery 51 is held on a printed circuit 55 between four L-shaped sections 56 erected perpendicular to one face of the printed circuit 55.
  • the memory cards 52 are connected to the printed circuit 55 via connectors 56.
  • the particle 57 When an ionizing particle 57 passes through the stack 51 of memory cards 52, the particle 57 deposits a charge at a semiconductor component of the matrix 54.
  • This charge deposition causes a logical inversion of the state of the memory cells traverses which are identified by the logical addresses of the digits having changed in value reflecting the mechanism known as SEU (for the acronym "Single Event Upset").
  • SEU Single Event Upset
  • the charge deposition transiently changes the state of one or more transistors of the passed memory cells, which can cause the logic state of the memory cell to switch to a complementary state.
  • a processing computer unit 58 advantageously implanted on the printed circuit 55 performs an analysis 80 in space and time coincidence of the data acquired by the memory cards 52. This data processing makes it possible to deduce the type of incident particle, the direction, the energy level and energy deposition per unit length.
  • the printed circuit 55 further comprises an output connector 59.
  • FIG. 6 represents a device 60 for detecting particles according to another particular embodiment of the invention.
  • the particle detection device 60 comprises six CMOS type flat matrix sensors 61 arranged to each form one of the faces of a cube 62.
  • Each matrix sensor 61 comprises in the present example a square matrix of sixty four cells each comprising three photodiodes stacked perpendicularly to the plane of the sensor 61.
  • a face of the cube 62 is fixed, for example by gluing, to a printed circuit 63 comprising a processing computer unit 64 and an output connector 65.
  • the matrix sensors 61 are connected to the printed circuit 63 by connectors 66.
  • the processing computer unit 64 performs an analysis 80 in spatial and temporal coincidence of the data acquired by the matrix sensors 61.
  • This data processing makes it possible to deduce, by the implementation of methods similar to those described for the first mode of embodiment, the type of an incident particle, the direction of the incident particle, the energy level of the incident particle as well as the energy deposition per unit length induced by the incident particle.
  • FIG. 7 represents a device 70 for detecting particles according to another particular embodiment of the invention.
  • the detection device 70 comprises a stack 71 of six photographic matrix sensors 72 fixed stacked on each other. An attenuation layer 73 is adhered to each outer face of the stack 71. Thus the incident particles of low energy, stopped by the attenuation layers 73, do not impact the detection device 70.
  • the matrix sensors 72 are connected to a printed circuit 74 comprising a processing computer unit 75 and an output connector 76.
  • the processing computer unit 75 performs an analysis 80 in spatial and temporal coincidence of the data acquired by the matrix sensors 72. This data processing makes it possible to deduce the type of an incident particle, the direction of the incident particle, the energy level of the incident particle as well as energy deposition per unit length induced by the incident particle.
  • the matrix sensors are formed by flash memories of MLC, TLC or SLC type. These flash memories are not volatile and do not require a continuous power supply to operate. The memories are thus fed only when the states of the cells of the flash memories are read. A detection device comprising this type of matrix sensor is therefore advantageously energy efficient.
  • a single memory cell stores a plurality of logical bits. According to charge deposition level, one or more bits of the cell may be disturbed by the passage of a particle, which allows to go back to a charge deposition level information of the particle in the material. The amount of energy deposited by the particle in a cell of the flash memory is then proportional to the number of disturbed logic bits of this memory cell.
  • an optical filter is placed above the detection device. This filter makes it possible to attenuate, preferably to stop, the light rays of the wavelengths at which the photodetectors are sensitive. The parasitic lights stopped by the optical filter, not reaching the matrix sensors, in particular the first matrix sensor impacted by the radiation, the desired events remain identifiable in the signals received from the photodetectors of the matrix sensors.
  • the detection device comprises an arrangement of identical or different types of matrix sensors.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de détection (10; 50; 60) de particules comprenant : - au moins deux capteurs matriciels (11; 52; 61) plans agencées dans des plans différents, lesdits capteurs matriciels comportant chacun une matrice (13; 54) à au moins deux dimensions de cellules dont l'état est susceptible d'être modifié lorsqu'il est traversé par une particule; - et des moyens de traitement (18; 58; 64) des données délivrées par lesdits capteurs matriciels. Lesdits moyens de traitement déterminent un type, une trajectoire et un niveau d'énergie d'une particule (21; 31; 57) incidente ayant traversée au moins un desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins deux desdits capteurs matriciels, à partir de l'analyse (80) des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels.

Description

Dispositif de détection de particules d'un environnement radiatif
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
Le domaine de l'invention est celui de la métrologie.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de détection de particules d'un environnement radiatif.
L'invention trouve notamment des applications dans le domaine de l'aéronautique, du spatial et de l'industrie nucléaire.
Les environnements radiatifs, constituées de nombreuses particules telles que les neutrons, les protons, les ions lourds ou les muons, sont notamment responsables de plus de 30 % des défaillances de composants électroniques ou de leurs fonctionnements observées dans le domaine du spatial. Les dispositifs électroniques étant de plus en plus sensibles aux particules comme les muons ou les protons de basse énergie, il est donc important de bien connaître les flux de particules incidentes auxquels les équipements, en particulier les équipements embarqués et fonctionnant en haute altitude, sont soumis.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Il est connu de l'état de l'art un dispositif de détection de particules, pour les neutrons principalement, s'appuyant sur l'utilisation couplée de modérateurs fortement hydrogéné ayant un fort pouvoir de ralentissement des neutrons et de cibles pour lesquelles les neutrons de basses énergies ont un grande section efficace d'interaction. Après avoir traversé le modérateur, les neutrons se retrouvent avec une faible énergie (neutrons thermiques) ce qui favorise leur interaction avec le cœur du dispositif qui est réalisé sur la base d'atomes d'hélium et de lithium pour lesquels la section efficace d'interaction est élevée.
D'autres dispositifs de détection de particules, notamment utilisés pour la détection de muons, reposent aussi sur l'utilisation combinée de scintillateurs émettant de la lumière lors du passage de la particule et de photomultiplicateurs amplifiant ce signal. Des mesures en coïncidence temporelle des signaux émis par les couples scintillateur/photomultiplicateur permettent de mesurer les flux de particules tout en filtrant les événements parasites n'intervenant que sur un seul couple scintillateur/photomultiplicateur.
Un des inconvénients de ces dispositifs de détection est qu'ils ne sont efficaces que pour détecter un seul type de particules, respectivement des neutrons ou des muons. Ces techniques et dispositifs de détection ne sont pas adaptés pour détecter plusieurs types de particules incidentes.
Il existe également un dispositif de détection de particules reposant sur l'utilisation de composants semi-conducteurs. Le passage de la particule génère de manière directe ou indirecte des charges pouvant être ensuite mesurées et reliées aux caractéristiques de la particule incidente. Afin de quantifier les particules dans une direction donnée, le dispositif de détection est doté d'un collimateur restreignant l'angle solide d'incidence des particules.
Un des inconvénients de cette technique est que les particules traversant le dispositif avec une trajectoire d'orientation différente de celle de l'axe du collimateur ne sont pas détectées.
Afin de détecter des particules provenant de n'importe quelle direction, il existe un dispositif de détection de particules comprenant une multitude de collimateur et de semi-conducteurs.
Un des inconvénients de cette technique est qu'elle est complexe à mettre à œuvre pour prendre en compte toutes les directions possibles sans laisser de zones d'ombres.
Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous les besoins requis, à savoir de proposer une technique de détection de particules qui puissent détecter des particules d'un environnement radiatif en caractérisant le type de particules, leur direction, leur niveau d'énergie et le dépôt d'énergie par unité de longueur, et qui soit notamment compacte, fiable et de faible coût de réalisation et de mise en œuvre. OBJET DE L'INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus.
A cet effet, la présente invention vise un dispositif de détection de particules comprenant au moins deux capteurs matriciels plans agencées dans des plans différents. Les capteurs matriciels comportent chacun une matrice à au moins deux dimensions de cellules dont l'état est susceptible d'être modifié lorsqu'il est traversé par une particule. Les capteurs matriciels délivrent des données d'état de chacune des cellules de ladite matrice, lesdites données d'état étant représentatives pour chaque cellule d'un niveau de dépôt de charges dans ladite cellule. Le dispositif de détection comprend également des moyens de traitement des données délivrées par les capteurs matriciels.
Le dispositif de détection de particules, plus communément appelé détecteur de particules, est basé sur le principe physique qu'une particule chargée traversant un matériau dépose une partie de sa charge dans ce matériau. La particule va ainsi perdre de l'énergie, et par conséquent ralentir, en traversant des couches successives de matériau compris dans le dispositif. A partir du dépôt de charges mesurées dans des cellules des capteurs matriciels, le dispositif peut détecter des particules incidentes. On appelle par dépôt de charges, la quantité de charges déposée par une particule dans un matériau traversé par ladite particule.
Le dispositif de détection de particules est destiné à caractériser des particules ionisantes comme les ions lourds ou les muons et des particules telles que les neutrons provoquant par réaction nucléaire une ionisation indirecte. Il est à noter que les protons interagissent selon les deux modes. Le passage d'un proton à travers un semi-conducteur se traduit par une ionisation directe se caractérisant par un faible dépôt de charges, en l'occurrence ici d'électrons, dans la matière du semi-conducteur. Le passage du proton peut également se traduire par une ionisation indirecte par un ion émis lors de la réaction nucléaire provoquée par la collision du proton avec un atome du semiconducteur. L'ordre de grandeur des énergies des particules incidentes pouvant être détectées par le dispositif est compris entre 10 keV et plusieurs centaines de MeV.
Selon l'invention, lesdits moyens de traitement de données effectuent des opérations d'analyse des données délivrées par lesdits capteurs matriciels, par coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type et un niveau d'énergie d'une particule incidente ayant traversé au moins un capteur matriciel et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins un capteur matriciel.
Ainsi, une particule interagissant avec plusieurs capteurs se traduit par un événement localisé sur la matrice de cellules photoconductrices de ces capteurs, aboutissant à la création d'un courant parasite au niveau d'une des cellules. L'analyse des données des capteurs est effectuée par les moyens de traitement en rapprochant les événements coïncidant temporellement et spatialement. En considérant que la référence des coordonnées soit définie de manière similaire sur chacun des capteurs, les événements coïncidant spatialement auront des coordonnées proches. Dans le cas où plus de deux capteurs sont superposés, un passage d'une particule ayant suffisamment d'énergie pour traverser plusieurs capteurs se traduit par une trajectoire rectiligne.
Il convient de souligner que la trajectoire d'une particule peut être déviée par la collision de ladite particule sur un noyau d'un atome. Cependant dans la plupart de ces cas, les particules secondaires générées à cette occasion ont des parcours faibles dans la matière et s'arrêtent généralement dans le capteur dans lequel a lieu l'interaction. Un événement est ainsi au moins généré uniquement au niveau de ce capteur. La génération de plusieurs particules secondaires peut ainsi entraîner des événements dans des cellules matricielles en étoile autour de la cellule matricielle dans laquelle a lieu la réaction nucléaire.
Deux événements sont considérés coïncidents temporellement lors ces événements ont lieu dans un intervalle de temps prédéfini, correspondant à la période de lecture du dispositif, fonction du flux maximum de particules à détecter.
La coïncidence spatiale permet notamment de sélectionner parmi les événements coïncidents spatialement ceux qui correspondent à la trajectoire d'une particule incidente. Il convient de souligner que la trajectoire d'une particule incidente étant généralement rectiligne, les événements sélectionnés coïncidents spatialement sont ceux qui sont sensiblement alignés selon l'axe de la trajectoire. Il convient ainsi de souligner que les coordonnées des événements survenant sur les différents capteurs matriciels, dépendent notamment de l'angle d'incidence de la particule, de la résolution des capteurs matriciels mais aussi de l'espacement entre les capteurs matriciels.
A titre d'exemple non limitatif de l'invention, le dispositif de détection peut comprendre une pile de capteurs CCD fonctionnant à 60 images par seconde pour détecter des neutrons et des protons au niveau atmosphérique. Le flux de neutrons au niveau du sol est d'environ 20 neutrons/cm2/h.
Pour des environnements radiatifs auxquels sont soumis les lanceurs ou pour des environnements radiatifs spatiaux à l'intérieur des ceintures de Van Allen, les flux à considérer sont de l'ordre de 10 000 particules/cm2/s. Les dispositifs choisis sont alors des détecteurs capables de fonctionner à de très hautes fréquences. Ces détecteurs sont par exemple à base de mémoires RAM (pour l'acronyme anglais « Random Access Memory ») ou de mémoire Flash.
Il est également possible d'adapter la taille du capteur en fonction des flux incidents, le nombre d'événements étant fonction de la taille du capteur.
Suivant la nature de la particule incidente, il est possible d'obtenir des événements ayant à la fois une coïncidence spatiale et temporelle, des événements ayant uniquement une coïncidence temporelle, voire aucune coïncidence. L'analyse des types de coïncidence permet de discriminer les différents types de particules détectées. Les particules chargées provoquent notamment des événements ayant à la fois une coïncidence spatiale et temporelle, alors que les particules provoquant une ionisation indirecte par l'intermédiaire d'une réaction nucléaire provoquent des événements ayant uniquement une coïncidence temporelle.
De préférence, l'invention vise un dispositif de détection de particules comprenant :
- au moins deux capteurs matriciels plans agencées dans des plans différents, Iesdits capteurs matriciels comportant chacun une matrice à au moins deux dimensions de cellules dont l'état est susceptible d'être modifié lorsqu'il est traversé par une particule, Iesdits capteurs matriciels délivrant des données d'état de chacune des cellules de ladite matrice, lesdites données d'état étant représentatives pour chaque cellule d'un niveau de dépôt de charges dans ladite cellule ;
- des moyens de traitement des données délivrées par Iesdits capteurs matriciels ; Iesdits moyens de traitement de données déterminant un type, une trajectoire et un niveau d'énergie d'une particule incidente ayant traversée au moins un desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins deux desdits capteurs matriciels, à partir de l'analyse des données délivrées par Iesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, Iesdits moyens de traitement de données effectuent des opérations d'analyse des données délivrées par Iesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type, une trajectoire et un niveau d'énergie d'une particule incidente ayant traversée au moins deux desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins deux desdits capteurs matriciels.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, iesdits moyens de traitement de données effectuent des opérations d'analyse des données délivrées par Iesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels pour déterminer un type, une trajectoire et un niveau d'énergie d'une particule ionisante incidente ayant traversée au moins deux desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins un capteur matriciel.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les cellules desdits capteurs matriciels comprennent un photodétecteur ou au moins un transistor.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels sont agencés en couches successives parallèlement les uns par rapport aux autres pour former une pile.
Ainsi, une particule incidente au dispositif de détection peut traverser plusieurs capteurs. Il est à souligner que la précision de l'analyse des données en coïncidence spatiale et temporelle augmente avec le nombre d'événements d'interaction provoqués par la particule incidente.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs de détection sont alignés selon un axe perpendiculaire à la base de ladite pile.
Ainsi, l'analyse des données en coïncidence spatiale et temporelle permet d'obtenir plus facilement les caractéristiques d'une particule incidente, en particulier au niveau de la direction.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, au moins un capteur matriciel comprend une couche d'atténuation de l'énergie d'une particule.
Ainsi, la couche d'atténuation de nature et d'épaisseur connues permet de favoriser la détection de particules dans des gammes d'énergie, en provoquant un dépôt d'énergie contrôlé. Ces couches d'atténuation peuvent également limiter les perturbations électromagnétiques au niveau des capteurs de détection.
Il est à noter que le choix du matériau à utiliser pour l'atténuation ainsi que de son épaisseur dépend très fortement de la particule à détecter et de ses caractéristiques. Des outils informatiques bien connus de l'homme de l'art, comme par exemple SRIM, GEANT4 ou EXFOR, peuvent être utilisés pour caractériser ces couches d'atténuation en calculant le dépôt d'énergie des particules dans le matériau choisi.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite pile comprend une alternance de N capteurs matriciels et de N-1 couches d'atténuation, N étant au moins égal à 2.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels sont disposés selon les faces d'un parallélépipède.
Ainsi, une particule incidente traverse plusieurs faces du parallélépipède formé par les capteurs. Il est à noter que le parallélépipède peut être avantageusement un parallélépipède rectangle ou un cube. Le dispositif de détection couvre alors avantageusement toutes les directions des particules incidentes avec une même précision de détection.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, une couche d'atténuation est solidarisée sur chaque face extérieure de ladite pile de capteurs matriciels ou dudit parallélépipède.
Ainsi, les particules de faible énergie sont arrêtées par la couche d'atténuation entourant les capteurs matriciels. Le dispositif de détection est alors adapté pour détecter des particules de fortes énergies. La couche d'atténuation entourant le dispositif peut être formée par exemple par un blindage métallique de faible épaisseur.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels comprennent des semi-conducteurs.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels comprennent des semi-conducteurs formés dans une technologie comprise dans la liste :
- technologie silicium ;
- technologie nitrure de gallium (GaN) ;
- technologie arséniure de gallium (AsGa) ;
- technologie arséniure d'indium-gaiiium (InGaAs) ;
- technologie carbure de silicium (SIC) ;
- technologie silicium germanium (SiGe) ;
- technologie nanotubes de carbone. Ainsi, les capteurs comprennent des éléments standards en électronique.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs de détection comprennent un capteur photographique de type CCD (pour l'anglais « Charge-Coupled Device ») ou un capteur photographique de type CMOS (pour l'anglais « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »).
Ainsi, les événements liés à l'interaction d'une particule incidente provoquent la modification du niveau de gris du ou des pixels impactés.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels comprennent une mémoire informatique.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels comprennent une mémoire informatique dont le type est compris dans la liste :
- SRAM (« Static Random Access Memory ») ;
- DRAM (« Dynamic Random Access Memory ») ;
- ReRAM (« Résistive Random Access Memory ») ;
- FeRAM (« Ferroelectric Random Access Memory ») ;
- PCRAM (« Phase Change Random Access Memory ») ;
- Bascule (« Flip Flop ») ;
- Registre.
Ainsi, les événements liés à l'interaction d'une particule incidente provoquent une inversion logique de l'état d'une ou plusieurs cellules de la mémoire. La mémoire vive peut être incluse par exemple sur une barrette de mémoire ou sur un composant FPGA (pour l'acronyme anglais « Field- Programmable Gâte Array ») ou un composant microprocesseur à un ou plusieurs coeurs.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits capteurs matriciels sont des mémoires informatiques non volatiles telles qu'une mémoire flash MLC (« Mulîiple-Layer Cell »), une mémoire flash SLC (« Singie-Layer Cell ») ou une mémoire flash TLC (« Triple-Layer Cell »). Ainsi, un dispositif comprenant des mémoires non volatiles est économe en énergie car les mémoires non volatiles ne sont alimentées que lors de la lecture de l'état des cellules.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, tous les capteurs matriciels mis en œuvre dans ledit dispositif de détection sont identiques.
L'invention concerne également un procédé de détection d'une particule ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins un capteur matriciel d'un dispositif de détection de particules selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape de lecture des données d'état des cellules des capteurs matriciels du dispositif de détection ;
- une étape d'analyse desdites données d'état en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs pour déterminer le type et le niveau d'énergie de la particule détectée.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la particule à l'origine d'un dépôt de charge dans au moins une cellule d'un seul capteur, est une particule ayant une interaction nucléaire avec une cellule dudit capteur.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la particule détectée traverse au moins deux desdits capteurs matriciels.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la particule à l'origine d'un dépôt de charge dans au moins une cellule d'au moins deux capteurs, est une particule ionisante.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étape d'analyse des données d'état compare les énergies déposées dans chacune des cellules avec des courbes de transfert linéaire d'énergie LET (« Linear Energy Transfer ») préalablement calculées pour différents types de particules et pour différentes énergies incidentes.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étape d'analyse des données d'état détermine la trajectoire de la particule détectée.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la particule à l'origine d'un dépôt de charge dans au moins une cellule d'au moins deux capteurs sans interagir avec d'autres capteurs situés selon la trajectoire de la particule est une particule ionisante ayant une interaction nucléaire avec une cellule du dernier capteur impacté. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit de modes de réalisation particuliers des dispositifs objets de la présente invention, en regard des dessins annexés qui représentent de manière schématique :
- la figure 1 une vue en perspective d'un dispositif de détection de particules selon l'invention ;
- la figure 2a une vue en perspective du dispositif de détection en référence à la figure 1 , traversé par un ion lourd à basse énergie ;
- les figures 2b, 2c et 2d représentent l'image obtenue par les trois capteurs du dispositif de détection traversés par l'ion lourd, en référence à la figure 2a ;
- la figure 2e la quantité de charges déposée par unité de longueur par l'ion lourd dans du silicium en fonction de l'énergie de lion lourd ;
- la figure 3a une vue en perspective du dispositif de détection en référence à la figure 1 , traversé par un neutron de forte énergie ;
- les figures 3b, 3c et 3d l'image obtenue par les trois capteurs du dispositif de détection traversés par le neutron, en référence à la figure 3a ;
- la figure 4 un dispositif de protection d'un dispositif électronique selon l'invention ;
- la figure 5 un autre mode de réalisation particulier d'un dispositif de détection de particules selon l'invention ;
- la figure 6 un autre mode de réalisation particulier d'un dispositif de détection de particules selon l'invention ;
- la figure 7 un autre mode de réalisation particulier d'un dispositif de détection de particules selon l'invention ; - la figure 8 un schéma synoptique du procédé d'analyse en coïncidence spatiale et temporelle.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE
L'INVENTION
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
En particulier, les capteurs matriciels décrits dans chaque exemple de mode de réalisation de l'invention peuvent être remplacés par tout autre capteur matriciel compris parmi la liste non exhaustive suivante :
- capteur CCD (pour l'acronyme anglais « Charge-Coupled Device ») ;
- capteur CMOS (« Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ») ;
- mémoire informatique SRAM (« Static Random Access Memory ») ; - bascule (« Flip Flop ») ;
- Registre ;
- mémoire informatique DRAM (« Dynamic Random Access Memory ») ;
- mémoire flash de type MLC (« Multi-Level Cell »), SLC (« Singie-Level Cell ») ou TLC (« Triple-Leve! Cell ») ;
- mémoire informatique ReRAM (« Résistive Random Access Memory ») ;
- mémoire informatique FeRAM (« Ferroelectric Random Access Memory ») ;
- mémoire informatique PCRAM (« Phase Change Random Access Memory ») ;
- mémoire informatique M RAM (« Magnetic Random Access Memory ») ;
- composant FPGA (« Field-Programmable Gâte Array ») ;
- composant microprocesseur.
Par ailleurs, les semi-conducteurs décrits sont formés dans une technologie incluse dans la liste non exhaustive suivante :
- technologie silicium (Si) ;
- technologie nitrure de gallium (GaN) ;
- technologie arséniure de gallium (AsGa) ; - technologie arséniure d'indium-gallium (InGaAs) ;
- technologie carbure de silicium (SiC) ;
- technologie silicium germanium (SiGe) ;
- technologie nanotubes de carbone.
On note, dès à présent, que les figures sont des représentations schématiques et que les différentes figures entre elles et les différentes parties ou éléments d'une même figure ne sont pas nécessairement représentés à une même échelle. Exemple d'un mode de réalisation de l'invention
La figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif de détection 10 de particules selon l'invention.
Le dispositif de détection 10 de la figure 1 comprend six capteurs matriciels à deux dimensions 1 1 de type CCD. Les six capteurs matriciels 1 1 identiques sont superposés les uns au-dessus des autres, et forment une pile 16 de capteurs fixés sur un circuit imprimé PCB 12 (pour l'anglais « Printed Circuit Board »).
Chacun des capteurs matriciels 1 1 comporte une matrice carrée 13 de soixante quatre cellules formées dans le présent exemple par des photodétecteurs en silicium. Chaque capteur matriciel 1 1 est relié au circuit imprimé 12 par l'intermédiaire de connecteurs 15 qui assure l'alimentation des capteurs matriciels 1 1 et la transmissions des données entre le circuit imprimé 12 et les capteurs matriciels 1 1 .
La pile 16 de capteurs matriciels 1 1 est maintenue au circuit imprimé 12 par l'intermédiaire de quatre peignes 17 orientés avec un axe longitudinal de chaque capteur sensiblement perpendiculaire à un plan du circuit imprimé 12, et situé à proximité d'arêtes de la pile 16. Ainsi, les capteurs matriciels 1 1 sont régulièrement espacés d'une distance d'environ 100 μιτι. Par ailleurs, l'agencement des cellules photosensibles étant identique, pour le moins géométriquement similaire, pour les différents capteurs matriciels 1 1 , les photodétecteurs sont également alignés suivant l'axe perpendiculaire au plan du circuit imprimé. Les capteurs matriciels 1 1 sont avantageusement des capteurs du domaine de l'imagerie, par exemple capteurs CCD à large diffusion et à bas prix. Dans l'agencement du dispositif de détection de l'invention, les capteurs matriciels 1 1 forment, tels qu'agencés sur le circuit imprimé 12 dans l'exemple décrit, un capteur en trois dimensions formant une matrice de 8x8x6 photodétecteurs.
Il convient de noter qu'il est avantageux de retirer la vitre des capteurs CCD afin d'améliorer la détection en évitant ainsi que des rayonnements alpha soient générés par la vitre et perturbent la mesure avec des faux positifs.
Dans une variante de ce mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels 1 1 sont collés les uns aux autres, le cas échéant avec des séparateurs d'épaisseur calibrée et formés dans un matériau neutre ou à faible interaction avec les rayonnements devant être étudiés. Ces séparateurs peuvent être remplacés par des couches d'atténuation comportant un matériau ayant une forte interaction avec les particules considérées pour modifier leur caractéristique de manière contrôlée.
Dans une autre variante de ce mode de réalisation particulier de l'invention, les capteurs matriciels 1 1 sont maintenus entre quatre profilés en L se dressant perpendiculairement au circuit 12 dans chaque coin de la pile 16, en remplacement des peignes.
Le circuit imprimé 12 comprend également une unité de calcul 18 de traitement des signaux émis par les capteurs matriciels 1 1 et une série de connecteurs 19 d'entrée et de sortie d'un signaux de contrôle et de mesure. Cette unité de calcul 18 comprend au moins un processeur 181 et au moins une mémoire 182 destinée à stocker un programme informatique de traitement et d'analyse de données transmises par les capteurs matriciels.
Le circuit imprimé 12 est alimenté par une source d'énergie électrique (non représentée sur la figure 1 ) délivrant les tensions et courants nécessaires au fonctionnement du dispositif de détection 10. Cette source d'énergie électrique peut être intégrée dans le dispositif de détection 10, rendant ainsi le dispositif de détection 10 autonome. La source d'énergie électrique peut également être externe au dispositif de détection 10, en particulier lorsque le dispositif de détection 1 0 doit fonctionner avec une durée importante et ou lorsque le dispositif de détection 1 0 est connecté à d'autres équipements pouvant délivrer l'énergie électrique nécessaire. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description des phénomènes physiques se produisant dans le dispositif et de la manière dont leur matérialisation est utilisée pour déterminer les caractéristiques recherchées du rayonnement. La figure 2a représente une vue en perspective du dispositif de détection 1 0 traversé par un ion lourd 21 suivant une trajectoire 21 a à basse énergie avec un angle d'incidence a, dans le cas illustré d'environ 30 ° , rapport à la normale à la surface du circuit imprimé et définit ici comme la normale au capteur à trois dimensions formé par les capteurs matriciels. L'ion lourd 21 lors de son déplacement sur la trajectoire suivie traverse successivement les trois capteurs matriciels 1 1 1 , 1 12 et 1 1 3 du dessus de la pile 16.
Les figures 2b, 2c et 2d représentent les images résultantes 22 du passage de l'ion lourd 21 respectivement au travers des capteurs matriciels 1 1 -, , 1 12 et 1 1 3.
L'ion lourd 21 traverse le capteur matriciel 1 1 i et interagit par interaction coulombienne avec les électrons du cortège électronique des atomes d'un photodétecteur 23 de la matrice 13-i . Le photodétecteur 23 traversé par l'ion lourd 21 est situé dans l'exemple illustré sensiblement au centre de la matrice 1 3-| . Le passage de cette particule ionisante se traduit par la création d'un courant parasite au niveau du photodétecteur 23, et ainsi par une élévation d'un niveau de gris d'un point image (pixel) sur l'image 22-i , correspondant à la position du photodétecteur 23 traversé.
Il doit être noté que l'élévation du niveau de gris est fonction de la quantité de charges déposée par l'interaction de l'ion lourd 21 dans le photodétecteur 23. Le dépôt d'énergie dépend de l'énergie incidente de la particule, de sa nature et de la nature du photodétecteur. La courbe 210 illustrée en figure 2e est une courbe de transfert linéaire d'énergie LET (pour l'acronyme anglais « Linear Transfer Energy ») calculée dans le cas présent pour un ion lourd traversant du silicium. La courbe 210 représente en ordonnée la quantité de charges déposée par unité de longueur dans une couche de silicium en fonction de l'énergie d'un ion lourd en abscisse. Le pic 21 1 de la courbe 210, correspond au pic de Bragg traduisant un maximum de dépôt de charges de l'ion lourd dans le silicium. Ce maximum de dépôt apparaît lorsque l'énergie et par conséquent la vitesse, de l'ion lourd, est faible.
L'image 22 présente ainsi un pixel 230 gris clair au niveau de la position du photodétecteur 23 dans la matrice carrée. Le niveau de gris du pixel 230 correspond à l'énergie de l'ion lourd à l'abscisse 231 sur la courbe 210.
L'ion lourd 21 cédant une partie de son énergie au photodétecteur 23 traverse le capteur matriciel 1 12 avec une énergie moindre. Une interaction similaire se produit avec un photodétecteur 24 du capteur matriciel 1 12, et se traduit par un pixel 240 blanc excentré sur l'image 222 compte tenu de l'incidence de l'ion lourd 21 . Le niveau de gris du pixel 240 est plus clair que le niveau de gris du pixel 230 car l'énergie de l'ion lourd 21 étant plus faible au moment de l'impact sur le capteur matriciel 1 12, et compte-tenu de la position en énergie sur la courbe de LET, l'ion lourd 21 dépose plus de charges dans la cellule 24. Le niveau de gris du pixel 240 correspond à l'énergie de l'ion lourd à l'abscisse 241 sur la courbe 210.
De même, l'ion lourd 21 traverse un photodétecteur 25 au bord du capteur matriciel 1 13. Compte-tenu de l'énergie de l'ion lourd 21 , encore affaiblie par rapport à la traversée du capteur 1 12, l'image 223 présente un pixel 250 gris foncé à la position correspondante du photodétecteur 25. Le niveau de gris du pixel 250 correspond à l'énergie de l'ion lourd 21 à l'abscisse 251 sur la courbe 210.
Il est à noter que la vitesse de l'ion lourd 21 étant importante dans le domaine des énergies considérées, la réponse sur les trois capteurs matriciels 1 1 -i , 1 12 et 1 13 est quasiment simultanée pour l'électronique de contrôle des capteurs. Une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des réponses des capteurs matriciels 1 1 est effectuée par l'unité de traitement 18. Le procédé d'analyse 80 est représentée sous forme synoptique en figure 8.
Dans une première étape 81 , l'unité de traitement 18 détermine une direction de la trajectoire 21 a et l'angle a à partir de la position connue des photodétecteurs 23, 24 et 25 dans la pile 16. La précision avec laquelle est déterminée la direction dépend des dimensions des cellules et des distances de séparation des capteurs. Une valeur approximative de la direction est en pratique suffisante pour déterminer une origine probable de l'ion lourd, par exemple son appartenance au rayonnement cosmique.
La distance parcourue par l'ion lourd 21 dans chacun des photodétecteurs 23, 24 et 25 est calculée ainsi que la distance parcourue dans chacune des éventuelles couches d'atténuation comprises dans la pile 16, dans une deuxième étape 82, à partir de l'angle a et de l'épaisseur de silicium de chaque photodétecteur et, le cas échéant, de l'épaisseur des couches d'atténuation. La distance parcourue dépend en effet de l'angle d'incidence de la particule.
Lors de la troisième étape 83, l'unité de traitement 18 compare les quantités de charges déposées par unité de longueur dans les photodétecteurs 23, 24 et 25 avec celles définies par des courbes de LET enregistrées dans la mémoire 182, préalablement calculées pour différents types de particules, comme par exemple des ions, traversant les matériaux constitutifs des capteurs et des couches d'atténuation. Pour chaque type de particule, les courbes de LET sont également calculées pour différentes énergies incidentes. Pour chaque type de particule et pour chaque énergie incidente, la perte d'énergie résultant d'un parcours dans un matériau donné peut être calculée à l'aide d'un logiciel de calcul, comme par exemple le logiciel SRIM bien connu de l'homme du métier. La connaissance de l'angle, de la nature et de l'épaisseur de chacun des matériaux traversés permet ainsi d'estimer, pour chaque type de particules et pour chaque type d'énergie, l'énergie déposée dans chaque photodétecteur. Par exemple pour calculer les courbes de LET pour les ions, un balayage sur l'ensemble de la gamme des numéros atomiques est effectué. Pour chaque nature d'ion, un balayage est effectué sur une gamme d'énergie incidente très large, comprise entre quelques keV et plusieurs GeV. Les courbes de LET sont ensuite calculées pour chaque type d'ion et pour chaque énergie incidente, en calculant les énergies attendues dans chaque photodétecteur, en connaissant l'angle, la nature et l'épaisseur de chacun des matériaux traversés.
L'unité de traitement 18 détermine le type et l'énergie de la particule incidente lors de la quatrième étape 84 en sélectionnant la courbe de LET la plus représentative des quantités de charges déposées selon les différentes courbes préalablement calculées lors de l'étape 83.
En résumé, le traitement des données permet d'en déduire le type de particule, en l'occurrence ici de confirmer que la particule 21 est un ion lourd ainsi que ses principales caractéristiques : l'énergie de l'ion lourd 21 , la direction l'ion lourd 21 et le dépôt d'énergie de la particule 21 par unité de longueur de silicium.
Il convient de noter que la précision de l'analyse augmente d'une part avec le nombre de capteurs matriciels 1 1 impactés par une même particule, et d'autre part avec la densité de photodétecteurs sur chacun des capteurs matriciels. La précision sur la détermination de la trajectoire est certes améliorée avec des capteurs comportant une forte densité de photodétecteurs de faible dimension. Cette précision augmente cependant au détriment de la sensibilité globale du dispositif de détection.
D'autre part, il convient également de souligner que la probabilité que deux particules impactent simultanément le dispositif est très faible. Dans ce cas précis, les événements multiples générés simultanément ne sont pas considérés par le dispositif de détection.
La figure 3a représente une vue en perspective du dispositif de détection 10 où les trois capteurs matriciels 1 1 i, 1 12 et 1 13 sont traversés par un neutron 31 de forte énergie, comme dans l'exemple précédent avec un angle d'incidence β d'environ 30° par rapport à la normale au capteur. Les figures 3b, 3c et 3d représentent quant à elle l'image résultante 32 du passage du neutron 31 respectivement au travers des capteurs matriciels
Figure imgf000021_0001
Le neutron 31 traverse le capteur matriciel 1 1 sans aucune interaction physique avec un photodétecteur de ce capteur, ce qui se traduit par une image 32 entièrement noire.
Le neutron 31 entre en collision avec un noyau d'un atome de silicium d'un photodétecteur 33 du capteur matriciel 1 12. Cette réaction nucléaire conduit à l'émission d'ions générant des charges dans plusieurs photodétecteurs adjacents. Dans le cas présent, les huit photodétecteurs adjacents du photodétecteur 33 sont impactés. Ce phénomène physique se traduit, sur l'image 322 résultante du capteur matriciel 1 12, par un pixel 34 ayant un niveau de gris clair entouré par huit pixels 35 ayant un niveau de gris moyen.
La probabilité que le neutron 31 génère une nouvelle interaction sur un capteur matriciel après une première interaction nucléaire est quasiment nulle.
L'image 323 résultante du capteur matriciel 1 13 est noire ainsi que celles des capteurs 1 14, 1 15 et 1 16.
Il est à noter que l'énergie des ions produits lors de la réaction nucléaire dans les photodétecteurs 33 et 36 n'est généralement pas suffisamment importante pour impacter le capteur matriciel adjacent 1 12.
L'unité de traitement 18 effectue une analyse en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les capteurs matriciels 1 1 afin d'en déduire le type, ici de confirmer que la particule incidente est un neutron, l'énergie du neutron 31 et la quantité d'énergie déposée par le neutron 31 par unité de longueur.
Il convient de souligner qu'un seul capteur génère un événement dans le cas d'un neutron. L'absence d'événements coïncidents entre deux capteurs est caractéristique de ce type d'interaction nucléaire produit par un neutron ou par un proton. Cependant, il convient également de remarquer que dans certains cas d'ions de faibles énergies, le parcours de l'ion incident peut être limité à un seul capteur matriciel situé en surface du dispositif de détection. Ce cas particulier se traduit par un faux positif d'une détection d'une interaction nucléaire.
A cet effet, le photodétecteur utilisé comme référence pour chaque capteur matriciel 1 1 lors de l'analyse correspond au photodétecteur dudit capteur matriciel ayant le signal le plus fort.
En résumé, le dispositif de détection 10 permet aussi bien de détecter toutes les particules ionisantes comme les protons, les ions lourds ou les muons, dès lors que ces particules génèrent un dépôt de charge dans les cellules traversées, ainsi que des particules comme des neutrons ou des protons qui provoquent des réactions nucléaires lorsqu'elles rentrent en collision avec un atome d'une cellule traversée.
Il est à souligner que les protons interagissent selon les deux modes. Dans ce cas, le proton interagit dans un premier temps comme une particule ionisante avant de provoquer une réaction nucléaire dans une cellule d'un capteur matriciel. Les capteurs matriciels sur la trajectoire du proton en aval de la cellule où a lieu la réaction nucléaire ont une image résultante noire, traduisant qu'il n'y a aucune interaction entre le proton et une des cellules desdits capteurs matriciels.
La figure 4 représente un dispositif de protection 40 selon l'invention d'un équipement électronique 41 .
Le dispositif de protection 40 comprend le dispositif de détection 10 relié à un contrôleur de l'alimentation électrique de l'équipement électronique 41 , par un commutateur à transistor 42, par l'intermédiaire du connecteur 19. Le dispositif de protection 40 coupe l'alimentation électrique du dispositif électronique 41 lorsqu'un important flux de particules est détecté, supérieur à un seuil fixé préalablement pour la mise en sécurité de l'équipement.
Le seuil peut être défini en fonction du type de particules détectées et évidemment de l'énergie des particules. Autre exemple de mode de réalisation de l'invention
La figure 5 représente un dispositif de détection de particules 50 selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention. Le dispositif de détection 50 comprend une pile 51 de trois capteurs matriciels formés par des cartes mémoires informatiques 52 de type SRAM (pour l'acronyme anglais « Static Random Access Memory »). Chaque carte mémoire 52 comprend une matrice à deux dimensions 54 de cellules mémoires 540 comportant chacune des transistors en technologie silicium. Il convient de noter que l'agencement physique des cellules mémoires sur les cartes mémoires 52 est avantageusement connu et que la position de chaque cellule mémoire correspond à un digit d'un mot binaire, par exemple un octet, d'une adresse logique de la mémoire.
II convient de souligner que la résolution du capteur matriciel est définie par la taille des cellules mémoires.
Une couche d'atténuation 53 en aluminium d'épaisseur 300 μιτι est collées sur chaque carte mémoires 52 du côté présentant la matrice 54 de composants semi-conducteurs en silicium.
Les couches d'atténuation 53 permettent de ralentir des particules incidentes au dispositif de détection 50. En effet, une particule incidente peut perdre de l'énergie en traversant les couches d'atténuation 53 car ladite particule interagit avec les couches d'atténuation 53 en déposant des charges et/ou en produisant une réaction nucléaire lorsque ladite particule impacte un noyau d'un atome d'une des couches d'atténuation 53.
Les cartes mémoires 52 comprenant chacune une couche d'atténuation 53 sont collés les unes aux autres pour former la pile 51 . Ainsi, la pile 51 comprend une alternance de capteurs matriciels et de couches d'atténuation.
La pile 51 est maintenue sur un circuit imprimé 55 entre quatre profilés 56 en L dressés perpendiculairement à une face du circuit imprimé 55.
Les cartes mémoires 52 sont reliées au circuit imprimé 55 par l'intermédiaire de connecteurs 56.
Lorsqu'une particule ionisante 57 traverse la pile 51 de cartes mémoires 52, la particule 57 dépose une charge au niveau d'un composant semi- conducteur de la matrice 54. Ce dépôt de charge provoque une inversion logique de l'état des cellules mémoires traversées qui sont identifiées par les adresses logiques des digits ayant changé de valeur traduisant le mécanisme connu sous le nom de SEU (pour l'acronyme anglais « Single Event Upset »). Le dépôt de charges modifie en effet transitoirement l'état d'un ou plusieurs transistors des cellules mémoires traversées, ce qui peut entraîner le basculement de l'état logique de la cellule mémoire vers un état complémentaire.
Il convient de souligner que la position de ce changement d'état est connue grâce à l'agencement connu des cellules mémoires sur les cartes mémoires 52.
Une unité informatique 58 de traitement avantageusement implantée sur le circuit imprimé 55 effectue une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les cartes mémoires 52. Ce traitement des données permet d'en déduire le type de particule incidente, la direction, le niveau d'énergie et le dépôt d'énergie par unité de longueur.
Le circuit imprimé 55 comprend en outre un connecteur de sortie 59.
Autre exemple de mode de réalisation de l'invention
La figure 6 représente un dispositif de détection 60 de particules selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
Le dispositif de détection 60 de particules comprend six capteurs matriciels plans 61 de type CMOS agencés pour former chacun une des faces d'un cube 62.
Chaque capteur matriciel 61 comprend dans le présent exemple une matrice carrée soixante quatre cellules comportant chacune trois photodiodes empilées perpendiculairement au plan du capteur 61 .
Une face du cube 62 est fixée, par exemple par collage, à un circuit imprimé 63 comprenant une unité informatique 64 de traitement et un connecteur de sortie 65. Les capteurs matriciels 61 sont reliés au circuit imprimé 63 par des connecteurs 66.
L'unité informatique 64 de traitement effectue une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les capteurs matriciels 61 . Ce traitement des données permet d'en déduire, par la mise en œuvre de méthodes similaires à celles décrites pour le premier mode de réalisation, le type d'une particule incidente, la direction de la particule incidente, le niveau d'énergie de la particule incidente ainsi que le dépôt d'énergie par unité de longueur induite par la particule incidente. Autre exemple de mode de réalisation de l'invention
La figure 7 représente un dispositif de détection 70 de particules selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
Le dispositif de détection 70 comprend une pile 71 de six capteurs photographiques matriciels 72 fixés empilés les uns sur les autres. Une couche d'atténuation 73 est collée sur chaque face extérieure de la pile 71 . Ainsi les particules incidentes de faible énergie, arrêtées par les couches d'atténuation 73, n'impactent pas le dispositif de détection 70.
Les capteurs matriciels 72 sont reliés à un circuit imprimé 74 comprenant une unité informatique 75 de traitement et un connecteur de sortie 76.
L'unité informatique 75 de traitement effectue une analyse 80 en coïncidence spatiale et temporelle des données acquises par les capteurs matriciels 72. Ce traitement des données permet d'en déduire le type d'une particule incidente, la direction de la particule incidente, le niveau d'énergie de la particule incidente ainsi que le dépôt d'énergie par unité de longueur induite par la particule incidente.
Autres caractéristiques optionnelles et avantages de l'invention
Dans des variantes des modes de réalisation de l'invention détaillées ci- dessus, il peut être prévu que les capteurs matriciels sont formés par des mémoires flash de type MLC, TLC ou SLC. Ces mémoires flash n'étant pas volatiles ne nécessitent pas une alimentation continue pour fonctionner. Les mémoires sont donc alimentées uniquement au moment de la lecture des états des cellules des mémoires flash. Un dispositif de détection comprenant ce type de capteur matriciel est donc avantageusement économe en énergie.
Dans le cas présent d'une cellule de mémoire non volatile, il convient de noter qu'une seule cellule mémoire stocke plusieurs bits logiques. Selon le niveau du dépôt de charge, un ou plusieurs bits de la cellule peuvent être perturbés par le passage d'une particule, ce qui permet de remonter à une information de niveau de dépôt de charge de la particule dans le matériau. La quantité d'énergie déposée par la particule dans une cellule de la mémoire flash est alors proportionnelle au nombre de bits logiques perturbés de cette cellule mémoire.
Dans des variantes des modes de réalisation de l'invention détaillées ci- dessus, il peut être prévu qu'un filtre optique est placé au-dessus du dispositif de détection. Ce filtre permet d'atténuer, de préférence d'arrêter, les rayonnements lumineux des longueurs d'ondes auxquels les photodétecteurs sont sensibles. Les lumières parasites arrêtés par le filtre optique, n'atteignant pas les capteurs matriciels, en particulier le premier capteur matriciel impacté par les rayonnements, les événements recherchés restent identifiables dans les signaux reçus des photodétecteurs des capteurs matriciels.
Dans des variantes des modes de réalisation de l'invention détaillées ci- dessus, il peut être prévu que le dispositif de détection comprenne un agencement de capteurs matriciels identiques ou de différents types.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif de détection (10 ; 50 ; 60) de particules comprenant :
- au moins deux capteurs matriciels (1 1 ; 52 ; 61 ) plans agencées dans des plans différents, Iesdits capteurs matriciels comportant chacun une matrice (13 ; 54) à au moins deux dimensions de cellules dont l'état est susceptible d'être modifié lorsqu'il est traversé par une particule, Iesdits capteurs matriciels délivrant des données d'état de chacune des cellules de ladite matrice, iesdites données d'état étant représentatives pour chaque cellule d'un niveau de dépôt de charges dans ladite cellule ;
- des moyens de traitement (18 ; 58 ; 64) des données délivrées par Iesdits capteurs matnciels ;
caractérisé en ce que iesdits moyens de traitement de données déterminent un type, une trajectoire et un niveau d'énergie d'une particule (21 ; 31 ; 57) incidente ayant traversée au moins un desdits capteurs matriciels et ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins deux desdits capteurs matriciels, à partir de l'analyse (80) des données délivrées par Iesdits capteurs matriciels, en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs matriciels.
Dispositif de détection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les cellules desdits capteurs matriciels comprennent un photodétecteur ou au moins un transistor.
Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que Iesdits capteurs matriciels sont agencés en couches successives parallèlement les uns par rapport aux autres pour former une pile (16 ; 51 ; 71 ). 4, Dispositif de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que iesdits capteurs matriciels sont alignés selon un axe perpendiculaire à la base de ladite pile. 5. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un capteur matriciel comprend une couche d'atténuation (53) de l'énergie d'une particule incidente.
6. Dispositif de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pile comprend une alternance de N capteurs matriciels et de N-1 couches d'atténuation, N étant au moins égal à 2.
7. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que Iesdits capteurs matriciels sont disposés selon les faces d'un parallélépipède (62).
8. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'une couche d'atténuation (73) est solidarisée sur chaque face extérieure de ladite pile de capteurs matriciels ou dudit parallélépipède.
9. Dispositif de défection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que iesdits capteurs matriciels comprennent des semiconducteurs.
10. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les cellules des capteurs matriciels sont de type CCD (« Charge-Coupled Device ») ou de type CMOS (« Complementary Metal- Oxide-Semiconductor »).
11. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels comprennent des éléments mémoires informatiques (54). 12. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que lesdits capteurs matriciels comprennent des éléments mémoires informatiques non volatiles telles qu'une mémoire flash MLC (« Multiple-Layer Cell »), une mémoire flash SLC (« Single-Layer Celi >») ou une mémoire flash TLC (« Triple-Layer Celi »).
13. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que tous les capteurs matriciels mis en œuvre dans ledit dispositif de détection sont identiques. 14. Procédé de détection d'une particule ayant été à l'origine d'un dépôt de charges dans au moins une cellule d'au moins un capteur matriciel d'un dispositif de détection de particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape de lecture des données d'état des cellules des capteurs matriciels du dispositif de détection ;
- une étape d'analyse desdites données d'état en coïncidence spatiale et temporelle entre les cellules d'au moins deux capteurs pour déterminer le type et le niveau d'énergie de la particule détectée. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la particule à l'origine d'un dépôt de charge dans au moins une cellule d'un seul capteur, est une particule ayant une interaction nucléaire avec une cellule dudit capteur. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 15, caractérisé en ce que la particule détectée traverse au moins deux desdits capteurs matriciels.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la particule à l'origine d'un dépôt de charge dans au moins une cellule d'au moins deux capteurs, est une particule ionisante.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'étape d'analyse des données d'état compare les énergies déposées dans chacune des cellules avec des courbes de transfert linéaire d'énergie LET (« Linear Energy Transfer ») préalablement calculées pour différents types de particules et pour différentes énergies incidentes.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 18, caractérisé en ce que l'étape d'analyse des données d'état détermine la trajectoire de la particule détectée.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la particule à l'origine d'un dépôt de charge dans au moins une cellule d'au moins deux capteurs sans interagir avec d'autres capteurs situés selon la trajectoire de la particule est une particule ionisante ayant une interaction nucléaire avec une cellule du dernier capteur impacté.
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