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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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Actions de compensation ; durcissement
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3. Exemples de défaillances
Le tableau 1 résume les anomalies les plus fréquentes que l’on peut associer à des types de composants standards modernes.
On trouvera par l’examen des deux exemples suivants les effets réels des irradiations sur des fonctions, et non plus uniquement sur des composants seuls.
3.1 Considérations technologiques
Prenons un premier exemple, volontairement simplifié, pour illustrer et chiffrer l’apparition de défauts dans une chaîne de mesure (figure 8).
Il s’agit d’une fonction de conversion analogique courant-tension ( I - V ) de précision, dont la pente est programmable par une commande logique, agissant sur un multiplexeur de voies analogiques (MC 1405 1 B de National Semiconductor) en technologie CMOS, disposé en contre-réaction d’un amplificateur opérationnel (HA 4741 en technologie bipolaire de Harris), associés à des résistances à couches métalliques de précision et haute stabilité.
La tension de sortie est appliquée à un convertisseur analogique-numérique (CAN) de 12 bits de résolution (AD 574 AKD de Analog Devices ; technologie bipolaire, ou CMOS en seconde source).
La résistance R c i (fixant la pente de conversion) est attribuée par la voie i activée du multiplexeur. Le capteur est un générateur de courant. Le facteur de conversion est prévu ici pour V s = 10 V avec I capt = 1 mA sur la voie i, soit :
Pour le multiplexeur 8 voies (MC 1405 1 B), la valeur initiale de résistance de conduction de canal Ron est de 64 Ω 2 Ω (valeur moyenne mesurée sur les 8 voies avant irradiation et sur un lot important de composants identiques).
La précision des réglages est réalisée par des résistances d’ajustement.
Les quatre éléments constitutifs,...
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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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