Électronique associée aux détecteurs de rayonnements

Dans le contrôle-commande des réacteurs nucléaires ou des usines de retraitement, il est indispensable de mesurer les rayonnements. Dans les réacteurs de puissance, le contrôle des fissions nucléaires est réalisé par la mesure des flux de neutrons émis de la chaudière et, dans les usines de retraitement, les quantités de matières nucléaires sont contrôlées tout au long du procédé par la mesure des neutrons ou des photons gamma émis. Les mesures sont des mesures de flux ou des mesures d’énergie. Dans les systèmes expérimentaux associés aux accélérateurs de particules, il est nécessaire en plus de déterminer les trajectoires des particules émises. Toutes ces mesures se réalisent par des ensembles expérimentaux fort différents. Elles ont cependant en commun le fait d’utiliser l’information contenue dans la série d’impulsions de courant délivrée par le détecteur. Cet article s’intéresse uniquement à l’instrumentation des réacteurs nucléaires et des usines de retraitement et aux installations pour la surveillance des sites et des personnes.

Deux classes de mesures peuvent être identifiées : la première est l’ensemble des méthodes permettant d’estimer le nombre d’impulsions pendant un temps donné ou de mesurer un courant puisqu’une mesure de courant est en fait le comptage d’un grand nombre d’impulsions élémentaires ; la seconde est l’ensemble des techniques permettant de mesurer une caractéristique particulière de chaque impulsion. La charge de l’impulsion de courant est un exemple relativement fréquent d’une telle mesure puisqu’elle est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur. Les mesures d’énergie sont largement pratiquées dans le contrôle-commande des réacteurs et des usines de traitement ; ce seront les seules mesures de cette seconde classe à être étudiées dans cet article. Elles sont également appelées mesures spectrométriques.

L’instrumentation nucléaire a nécessité le développement d’un grand nombre de détecteurs spécifiques. Il est légitime de s’interroger sur la spécificité de l’électronique, des méthodes de traitement et des architectures informatiques que l’on peut rencontrer dans l’instrumentation nucléaire des réacteurs et des usines. De nombreuses fonctions électroniques et un certain nombre de méthodes de traitement sont en effet empruntées à l’électronique générale. Pour ne donner que quelques exemples, on peut citer les fonctions d’amplification et de filtrage, les compteurs, les convertisseurs analogique-numérique, les échantillonneurs, les processeurs de traitement, etc. L’instrumentation nucléaire présente cependant deux particularités qui ont conduit à développer des méthodes et des réalisations spécifiques : la nécessité d’assurer un bon rapport signal sur bruit pour des flux d’impulsions aléatoires et l’importance accordée à la sûreté de fonctionnement.

Les chaînes de mesure sont particulièrement sensibles au rapport signal sur bruit, qui est un facteur déterminant pour assurer une grande qualité de la mesure. Les détecteurs délivrent en effet des signaux de faibles valeurs et des charges par impulsion typiquement inférieures au picocoulomb. Les précisions de mesure demandées dans les mesures d’énergie sont élevées : pour les photons gamma, il est par exemple nécessaire de refroidir le détecteur et l’électronique frontale pour réduire le bruit et atteindre les résolutions ultimes exigées pour la détection des faibles quantités de matières nucléaires. Les chaînes de mesure sont optimisées pour traiter des flux aléatoires en sortie des détecteurs. Le caractère aléatoire de la répartition des impulsions dans le temps a conduit les concepteurs à développer des méthodes d’analyse du rapport signal sur bruit originales. Cet article sera principalement consacré à ces méthodes et à la description des réalisations associées. La description temporelle du bruit de fond électronique et du filtrage optimal et la conception des amplificateurs présentant un faible bruit seront largement détaillées. Une attention toute particulière sera également accordée à l’étude des effets des forts flux d’impulsions, appelés effets d’empilement.

Les chaînes de mesure ont un rôle central dans le contrôle-commande, la sûreté de fonctionnement associée est donc une caractéristique fondamentale. Deux aspects seront traités dans cet article : le premier est l’effet des perturbations électromagnétiques, le second est l’effet des radiations sur le fonctionnement des systèmes électroniques. D’autres techniques participent également à la sûreté de fonctionnement des systèmes ; elles ne seront pourtant pas traitées dans cet article dans la mesure où les concepts et méthodes utilisés sont radicalement différents.