des volumes nanométriques
Sommaire
5.1 Développement d’une plateforme expérimentale et de simulation117
5.1.1 Mesure de l’environnement radiatif muonique 117
5.1.2 Étude de la sensibilité de la caméra CCD aux éléments
radioactifs 120
5.2 Analyses des mesures expérimentales et des simulations 122
5.2.1 L’identification des muons 122
5.2.2 Validation de la modélisation 127
5.3 Impact du profil de l’ionisation radiale induit par les muons sur
le calcul du SER 129
5.3.1 Structure réaliste de la trace des muons 129
5.3.2 Impact de la structure réaliste sur la modélisation des
SEE induits par les muons 132
5.3.3 Impact des muons sur le calcul du SER pour des
ap-plications terrestres et avioniques 133
5.4 Résumé et conclusion du chapitre 136
5.1 Développement d’une plateforme
expérimentale et de simulation
Le chapitre 4 a permis de présenter l’impact de la distribution radiale dans la prédiction des SEE en combinant des simulations des traces des protons (mo-dule microelectronics de GEANT4) avec une modélisation multi-physique des SEE (MUSCA SEP3). Les résultats produits ont été comparés avec des données expé-rimentales et ont permis de valider la méthode. Nous avons vu au chapitre 3 qu’en dépit du fait que le module microelectronics de GEANT4 permet de modéliser précisément un dépôt d’énergie dans un volume très fin, celui-ci ne prenait pas en compte les muons. Ainsi, c’est le module Low Energy qui permet de simuler le dépôt d’énergie des muons et de produire des électrons secondaires jusqu’à 250 eV. Nous avons aussi vu que pour des dimensions de volume modélisé inférieures au micromètre, la précision du calcul du dépôt d’énergie diminue et il devient néces-saire de contraindre les modèles physiques des simulations. Théoriquement, pour répondre à ce besoin, un détecteur ayant les mêmes dimensions que les volumes nanométriques modélisés, serait nécessaire. Ainsi ce détecteur permettrait de me-surer le dépôt d’énergie réel d’un muon dans un volume nanométrique. Cependant, l’acquisition de ce type de détecteur couplé à la complexité de mettre en place une campagne de mesure avec un faisceau de muons produit par un accélérateur, est très complexe. De plus, aucune mesure expérimentale de ce type était disponible dans la littérature.
Ce sont ces raisons qui ont conduit au développement d’une instrumentation capable à la fois de réaliser des mesures du flux des muons atmosphériques et en même temps de pouvoir mettre en évidence la charge collectée par un composant électronique.
5.1.1 Mesure de l’environnement radiatif muonique
La mesure de l’environnement radiatif muonique consiste à déterminer le flux des muons atmosphériques à un endroit donné. Ces mesures ont pu être réalisées grâce à l’utilisation d’une caméra CCD comme détecteur de rayons cosmiques. En effet, la camera CCD PIXIS 2048 de Princeton Instruments est composé de 4,2 millions de pixels (2048 x 2048) de 13,5 µm2 avec un imageur d’une surface de 7,64 cm2 et une épaisseur de déplétion de 4 µm. Le processus d’imagerie est basé sur le déplacement des charges collectées dans chaque pixel de la matrice CCD. Lorsqu’une particule chargée traverse la surface de l’imageur, un niveau de charge est induit dans chaque pixel touché le long de la trace de la particule incidente. La charge totale déposée par cette dernière peut être restaurée par sommation des fractions de charge dans chaque pixel touché. Les bruits intrinsèques à la caméra tel que le courant d’obscurité, le bruit thermique et le bruit de transfert sont minimisés grâce au refroidissement jusqu’à -60¶C de la matrice CCD par un module Peltier. Les caractéristiques principales de la caméra sont présentées sur la Table.5.1.
Table 5.1 – Caractéristiques de la caméra CCD PIXIS 2048
CCD Image Sensor e2v CCD42-40
CCD format 2048 x 2048 imaging pixels of 13.5 µm2
Depletion depth 4 µm2
Imaging Area 27.65 x 27.65 mm (optically centered) Dark Current e-/p/s @-60¶ C 0.002 (typical) / 0.006 (max)
Full well for single pixel 100 000 e- (typical) ; 80 000 (min)
Vertical shift speed 32.2 µs/row
Plusieurs sites de mesure ont été utilisés pour investiguer l’impact de l’ionisation directe induite par des muons. En effet, la combinaison des sites atmosphériques et souterrains permet d’identifier la nature des particules détectées grâce à l’analyse des niveaux de charge dans les pixels. La Figure5.1illustre les sites de mesures en fonction de leur profondeur, convertie en m.w.e afin de comparer les profondeurs d’atmosphère et de roche.
La première campagne de mesure a été réalisée sur le site de l’ONERA à Tou-louse. Avec une altitude de 150 m, ce lieu correspond au site atmosphérique le plus bas. Les mesures suivantes ont eu lieu au Laboratoire Souterrain Bas Bruit de Rustrel (LSBB). Ce laboratoire permet d’accéder à la fois à un site de mesure en montagne et à deux sites en souterrain. Le site en montagne est localisé à Vestale qui est le sommet de la Grande Montagne culminant à 1067 m. Le premier site de mesure en souterrain du LSBB est localisé dans l’entrée de son tunnel à 60 m de profondeur de roche. Le deuxième site souterrain est localisé dans la capsule Rameau qui atteint 500 m de profondeur de roche et est le lieu de mesure le plus profond du LSBB [1]. Enfin, le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) localisé à la frontière France-Italie dans le tunnel de Fréjus a permit de mesurer le bruit intrinsèque de la caméra CCD. Avec une profondeur de 1700 m, seul quatre rayons cosmiques par m2 et par jour sont détectés au LSM. Le flux de neutron et de muon est respectivement de 1,44 · 10≠2 n.cm≠2.h≠1 et de 1,76 · 10≠5 µ.cm≠2.h≠1 [2]. La radioactivité naturelle de la roche émet du radon qui est créé par la désintégra-tion du radium à travers la chaine de désintégradésintégra-tion de l’uranium et du thorium. Avec un temps de demi-vie de 3,8 jours, le radon est l’élément radioactif le plus abondant à l’intérieur des sites souterrains. Au LSM, le radon a une activité de 15 Bq/m3. C’est pourquoi, la caméra CCD a été placée à l’intérieur d’un château de plomb afin de maximiser à la fois l’élimination des très rares rayons cosmiques et du radon.
La fluence intégrée „intest calculée en sommant le nombre de particules détectées divisé par la surface sensible de l’imageur Spixel comme exprimée par l’Équation
5.1 et présentée sur la Figure 5.2.
⁄ Nexpo
1 „int= qNi=1expodetected particles (i)
Figure 5.1 – Présentation des sites de mesures atmosphérique et souterrain en fonction de leur profondeur convertie en meter water equivalent Chaque exposition enregistre le niveau de charge des pixels touchés pendant 50 secondes avant que la matrice CCD soit remise à zéro. Pour quatre jours de mesures et une surface d’imageur Spixel= 7,64 cm≠2, 2821 particules par cm≠2 ont été détectées. Le flux moyen est calculé en multipliant la fluence intégrée avec le temps d’exposition divisé par le nombre total d’exposition comme exprimée par l’Équation 5.2.
¯f lux
CCD = s1Nexpo„int· Texpo
Le flux résultant correspond au bruit intrinsèque de la caméra CCD et est égal à 3,8 particules.cm≠2.h≠1. Ce flux est soustrait pour toutes les autres mesures.