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Auteur(s)
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René PAYAT : Ingénieur du Conservatoire national des Arts et Métiers : Électronique-Physique - Ingénieur au DTA / DEIN / Saclay (Commissariat à l’Énergie Atomique), Laboratoire de tests sous rayonnements ionisants
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Lire l’articleINTRODUCTION
Il est de plus en plus fréquent d’introduire des équipements électroniques dans des environnements où l’on se trouve en présence de rayonnements nucléaires divers (photons X ou gamma, électrons, particules lourdes chargées, etc.).
Notons que nous incluons ici, dans le terme « rayonnement », non seulement les émissions strictement photoniques (X ou γ), mais également les émissions de particules nucléaires. Les phénomènes d’interactions nucléaires au sein des matériaux ne sont pas tous perturbants avec la même efficacité, mais tous ont pour résultat de céder de l’énergie aux composants (actifs ou passifs), par interactions complexes (collisions, ionisations…), en modifiant leurs performances, ou en les détruisant.
Les interactions rayonnement-matière sont, du point de vue de la théorie générale, décrites dans l’article [21] des Techniques de l’ingénieur. Nous utiliserons, pour caractériser ces actions de dépôt d’énergie, quelques notions importantes comme la dose, le débit de dose, l’activité, etc. 1.2. Sans prétendre faire une liste exhaustive des types de mesures confrontées aux divers rayonnements, nous évoquerons en premier lieu 1.3 un certain nombre de domaines concernés et apporterons quelques données chiffrées sur les milieux perturbants.
Nous aborderons ensuite 2 les effets principaux des interactions rayonnement-matière en termes de défauts induits plus spécifiquement dans les composants électroniques.
Dans la suite de notre propos, nous tenterons de montrer que la multiplicité des applications et la qualité des performances attendues nécessitent une analyse préalable du milieu nucléaire en jeu, afin de garantir un fonctionnement fiable (performance, mode d’utilisation, niveau de tolérance, action de conception spécifique adaptée et surcoût associé). Il nous faudra réfléchir aux aspects complexité-coût 3 et montrer que toute action indispensable de durcissement 4, conception permettant d’immuniser au mieux un système complet contre l’agressivité du milieu nucléaire, doit être impérativement envisagée en amont au niveau du projet 5, comme pour tout autre paramètre perturbant (température, humidité…).
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Exemples de défaillances
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2. Actions sur les équipements électroniques
Les équipements sont constitués d’éléments discrets, passifs ou actifs (supports, câbles, isolants, résistances, condensateurs, circuits à semiconducteurs, etc.).
Les composants actifs à base de semiconducteurs sont les éléments les plus vulnérables aux rayonnements.
2.1 Les rayonnements et les composants électroniques actifs
Nous orienterons ici nos propos sur les aspects « perturbations électriques » des défauts induits par les rayonnements (signaux électriques, dérives). Les développements théoriques pourront être trouvés dans les articles spécialisés, dont des références récentes seront trouvées en fin de ce document.
HAUT DE PAGE2.1.1 Effets induits par les photons
Dans le cas du silicium (Z = 14), l’effet Compton est prépondérant dans une grande gamme d’énergie (60 keV à 20 MeV).
Quels que soient les phénomènes d’interaction dans les matériaux, cela revient à créer ou à exciter des électrons primaires, qui à leur tour réagissent avec le milieu en l’ionisant et en créant des électrons secondaires [1] [2] [3].
Finalement, les interactions dues aux photons se transforment en interactions électrons-matière dans le volume du matériau.
HAUT DE PAGE2.1.2 Interactions avec les électrons
Les interactions produites par une exposition directe aux électrons (rayonnements β ou électrons accélérés e – ), ont surtout lieu en surface des composants (sauf pour de fortes énergies). Ces particules abondent, par exemple (mais pas uniquement), dans les équipements des missions spatiales. On retrouve, pour ces types de particules, la notion de parcours moyen pour lequel un certain nombre de formules empiriques acceptables, tenant compte de l’énergie, sont proposées dans la littérature. Selon la composition des boîtiers des composants, on peut admettre souvent l’arrêt plus ou moins total des électrons dans l’encapsulage du semiconducteur (spatial).
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CAREL (C.) - Phénomènes généraux liés aux contextes radiatifs. - Nuclétudes S.A. Conférences RADECS (1989).
-
(2) - GAILLARD (R.) - Effets transitoires des rayonnements nucléaires. - Nuclétudes S.A. Conférence RADECS (1989).
-
(3) - LERAY (J.-L.) - Effets physiques de base. - CEA-DAM : Conférence RADECS (1989).
-
(4) - ROUMEGUÈRE (M.) - Interactions neutrons-silicium. - CEA-DAM : Conférence RADECS (1989).
-
(5) - CHENION (J.), GAUSSENS (G.) - Influence du vieillissement des polymères à très bas débit de dose. - Rapport d’essai No 344f, Institut de protection et de sureté nucléaire. Département d’analyse de sureté.
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(6) - PIGNERET (J.) - Tenue des liaisons optiques en ambiance nucléaire. - Nuclétudes...
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