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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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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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Généralités sur les rayonnements et les milieux nucléaires
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5. Limites des possibilités de durcissement
Les limites sont diverses selon les applications, et sont souvent insuffisantes au regard des besoins exprimés. Mais il est des cas où des solutions de rechange sont inexistantes. Nous évoquerons deux cas ; un cas d’actualité, et un autre évoquant une ancienne technologie.
5.1 Exemples
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Interrogeons-nous en premier lieu sur le cas d’une transmission d’images par caméra CCD, dont la technologie du capteur est aujourd’hui très performante du point de vue optique (résolution, sensibilité, consommation), mais très sensible aux radiations (tenue de l’ordre de 200 Gy).
Il n’y a pas aujourd’hui de solution de rechange commerciale du capteur CCD (à transfert de charges), hormis l’utilisation du tube analyseur d’image classique (vidicon, plumbicon, etc.) dont la technologie est amenée probablement à disparaître ou à être pour le moins de disponibilité incertaine (il n’y a plus de fabrication d’origine française) dans les prochaines années.
Ce cas est d’actualité pour les activités de téléopérations en milieu nucléaire, dans la mesure où les études d’aujourd’hui sont en amont des applications réelles de demain [18] [19].
Il n’existe pas, à ce jour, de capteur à transfert de charges tolérant aux rayonnements (sauf quelques cellules en étude pour des besoins spécifiquement militaires, ne convenant pas forcément pour les besoins industriels). Le marché du nucléaire n’est pas suffisamment important pour les fabriquants de CCD, dont le point fort est la vidéo amateur ou professionnelle.
Il y a dans ce domaine un composant manquant, et très important pour les applications nucléaires.
La visionique en milieu nucléaire reste à reconsidérer.
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Évoquons le cas d’une chaîne de contrôle de radioactivité, utilisant un composant spécifique à effet de champ (paire de transistors MEM 501 de fabrication américaine ancienne), à très faible courant d’entrée (1016 Ω d’impédance d’entrée), connecté sur une chambre d’ionisation. Ce composant n’est plus disponible actuellement. Une tentative de remplacement par un composant un peu semblable (ICH 8500 Intersil) n’a pas permis d’obtenir une tolérance équivalente sous irradiation (dérives importantes vers 150 Gy), ce qui implique un remplacement fréquent.
Ce...
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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).
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(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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