Les électroniques de lectures

Les charges et courants liés à la détection des rayonnements ionisants sont faibles, et des dispositifs adaptés doivent être utilisés. Nous allons décrire les électroniques utilisées pour nos travaux en les classant en deux familles. D’une part les commerciales, qui réalisent une mesure intégrée sur une période de temps supérieure à la fréquence des impulsions du faisceau. Et d’autre part celles développées au laboratoire, qui

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permettent un suivi instantané du courant, donnant ainsi accès à l’évolution temporelle du signal en sortie de détecteur.

6.1.3.1 Les systèmes d’acquisitions commerciaux : l’électromètre et le picoampèremètre

Les mesures de précision peuvent être réalisées à l’aide d’un électromètre, instrument équivalent à un multimètre classique mais présentant une sensibilité significativement supérieure découlant du choix de ses composants. Il peut permettre la mesure de tension, de courant, de charge ou de résistance. Des informations détaillées sur ce sujet sont disponibles dans le livre d’Attix Introduction to radiological physics and radiation dosimetry (211), et dans le guide publié par la société Keithley Low level measureùents handbook : precision DC curent, voltage and resistance measurements (212).

En pratique clinique, les électromètres assurent généralement une double fonction : en plus de permettre la mesure de charge ou de courant faible, ils imposent la haute-tension appliquée aux électrodes du détecteur. Le fonctionnement le plus répandu est le système avec montage amplificateur à réaction négative (aussi appelé contre-réaction), tel que celui schématisé sur la figure 6-4. L’électrode de mesure est obligatoirement l’électrode mise à la masse. La boucle de rétrocontrôle, qui relie la sortie de l’amplificateur opérationnel à son entrée négative, peut être constituée d’une résistance ou d’une capacité. Deux fonctionnements sont donc possibles :

- en mode charge, si la boucle est composée d’une capacité C. Pour un intervalle de temps ∆T, la différence de tension de sortie ∆V est proportionnelle à la charge Q collectée : ∆V = Q C⁄ .

- en mode courant, si la boucle est composée d’une résistance R. Cette fois la tension de sortie est proportionnelle au courant induit par le déplacement des charges : V = −i ∗ R. Un électromètre qui ne peut fonctionner qu’en mode courant est un picoampèremètre.

Pour avoir une plage de mesure étendue, plusieurs valeurs de résistances et de capacités peuvent être utilisées au choix : ils définissent les différents calibres disponibles. La tension est ensuite numérisée via un convertisseur analogique-numérique (CAN) pour être affichée en continu sur le panneau de lecture, avec un rafraichissement de l’ordre de la seconde, ou stockée dans une mémoire interne avec une fréquence d’acquisition plus rapide.

Figure 6-4 : Schéma illustrant le principe d’un électromètre avec un montage amplificateur à réaction négative. Si une résistance ou une capacité constitue la boucle de rétrocontrôle, l’électromètre fonctionne respectivement en mode courant

ou charge. Issu de (6, figure 15.4).

La contrepartie d’avoir un amplificateur opérationnel permettant une mesure de précision est qu’il présente un long temps de réponse. C’est le temps pour que, en réponse à un signal d’entrée de la forme d’un échelon, le signal de sortie passe de 10 % à 90 % de la valeur finale. Pour le picoampèremètre qui a principalement été utilisé pour nos travaux (Keithley 6485) il est de 6 millisecondes pour les calibres les plus sensibles. Or, en sortie d’une chambre plane placée dans le faisceau, le courant d’ionisation induit sur les électrodes a la forme d’un triangle décroissant d’une durée d’une centaine de microsecondes répété

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environ toutes les 5 millisecondes. Le picoampèremètre est donc incapable de suivre cette évolution temporelle, et la tension de sortie n’est pas proportionnelle au courant d’ionisation instantané. Pour savoir comment relier la valeur affichée par le picoampèremètre au courant d’ionisation, la mesure a été comparée à celle obtenue avec un électromètre de référence (Unidos, PTW). Cette comparaison a été faite en sortie d’une chambre plane commerciale (ROOS, PTW). Pour 200 UM délivrées avec un débit de 200 UM/min, le picoampèremètre affiche une valeur stable pendant la délivrance du faisceau de 66 ± 1 pA. La charge mesurée avec l’électromètre est de 4,132 ± 0,001 nC, ce qui correspond un courant moyen de 68,87 ± 0,02 pA. Dans la suite, nous considérerons donc que, en sortie d’une chambre plane à air et ayant une épaisseur de volume sensible millimétrique, le picoampèremètre mesure la valeur moyenne du courant d’ionisation.

Pour le détecteur Graal (voir 3.2.2), l’évolution temporelle du courant d’ionisation est différente puisque la géométrie n’est pas celle d’une chambre plane, et que l’attachement est négligeable pour le gaz utilisé. Le courant induit comporte donc une composante électronique présente sur une période temporelle environ mille fois plus courte que celle de la composante ionique. De plus, lors de notre séance de mesure sous faisceau, le modèle de picoampèremètre utilisé (Keithley 485) avait un temps de montée de 60 ms, dix fois plus grand que l’autre modèle. Ainsi, le picoampèremètre était insensible à la contribution rapide et c’est pourquoi la mesure obtenue correspond à la moitié du courant d’ionisation.

Nous venons de décrire les systèmes d’acquisition commerciaux utilisés pour nos travaux, qui réalisent des mesures intégrées temporellement. Nous allons maintenant décrire les systèmes d’acquisitions conçus au laboratoire, qui au contraire permettent le suivi temporel du courant d’ionisation.

6.1.3.2 Les électroniques de lecture instantanée conçues au laboratoire : le convertisseur

courant-tension et le préamplificateur de charges

Le fonctionnement des électroniques de lecture conçues au laboratoire est identique à celui d’un électromètre, mais avec un ampli-opérationnel beaucoup plus rapide qui permet le suivi de l’évolution temporelle du signal. Deux types de montage ont été utilisés :

- un montage avec une résistance dans la boucle de rétrocontrôle, appelé convertisseur courant-tension. La tension de sortie est proportionnelle au courant d’ionisation instantané et non plus moyen comme pour le picoampèremètre.

- un montage intégrateur de courant bas bruit à double étage d’amplification. Dans la suite, ce montage sera appelé PAC pour PréAmplificateur de Charges. Le fonctionnement peut être assimilé à celui d’un amplificateur-opérationnel ayant une résistance et une capacité en parallèle dans la boucle de rétrocontrôle. Nous avons vu que quand la capacité est seule, la tension de sortie est proportionnelle à la charge collectée. Dans ce cas, pour un courant d’entrée pulsé la tension de sortie a une forme en escalier (figure 6-5). L’ajout de la résistance en parallèle de la capacité permet, si la constante de temps qui gouverne la durée de la décroissance est suffisamment rapide, une remise à zéro de la tension entre chaque impulsion. Pour des impulsions de courant de même forme mais d’amplitude variable, la valeur maximale de la tension de sortie est proportionnelle à la charge par impulsion. Si la forme du courant d’ionisation est modifiée et que sa durée augmente, le PAC va commencer à se décharger avant d’avoir intégré toutes les charges de l’impulsion. Cela impacte directement le coefficient de proportionnalité entre la charge injectée et la valeur maximale de la tension de sortie.

Pour réduire le bruit, l’amplification doit être réalisée au plus près de la sortie de la chambre. Ainsi, contrairement à l’électromètre ou au picoampèremètre qui sont placés au pupitre de commande, donc séparés de plusieurs mètres de la sortie de la chambre, nos montages électroniques sont placés dans le bunker.

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Figure 6-5 : Schéma illustrant la réponse d’un montage intégrateur sans et avec la présence d’une résistance de retour à zéro dans la boucle de rétrocontrôle.

Le système d’acquisition n’étant pas intégré, pour les deux montages la tension de sortie est exploitée via un oscilloscope numérique. Dans les premiers temps, un oscilloscope classique a été utilisé. Puis un modèle piloté par ordinateur, un Picoscope, a été employé. La figure 6-6 montre en exemple les tensions acquises sur banc de test au laboratoire pour nos deux montages, l’entrée étant reliée à une résistance connectée à un générateur de tension programmable. Le cas considéré correspond à un courant d’entrée ayant un temps de montée de 5 µs, une amplitude maximale de 5 nA et une décroissance de 100 µs, soit une charge de 250 fC.

Figure 6-6 : Représentation des tensions obtenues sur banc de test au laboratoire en sortie des montages convertisseur et intégrateur (PAC).

Nous venons de décrire le fonctionnement d’une chambre d’ionisation plane parallèle et de différents dispositifs électroniques de lecture disponibles. Nous allons maintenant nous intéresser aux développements réalisés dans le cadre du projet TraDeRa.

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