ATRON
Accélérateur de vos ambitions





Arnaud Chapon (achapon@atron.fr)




Filiale de:
En collaboration avec:


  • Contexte
  • Etalonnage d'instruments de mesure des RI
  • Mise en œuvre
  • Qualification d'équipements et traitement de matières
  • Exemples d'pplications

Pour nos entités, le concept de la prévention, c'est l'implication pour la fiabilité des installations, la santé sécurité et la protection de l'environnement

Contexte

Depuis plus de 30 ans, CERAP Prévention et ses filiales accompagnent les acteurs de l’énergie dans une démarche globale de prévention.

De la construction à l’exploitation, jusqu’au démantèlement, nos collaborateurs s’impliquent au quotidien pour la santé et la sécurité des travailleurs et la sûreté des installations:


  • Radioprotection, Hygiène et Sécurité
  • Instrumentation de mesure radiologique
  • Formation aux risques conventionnels
  • Sûreté de fonctionnement et des installations
  • Support aux projets

Les métiers de ATRON METROLOGY reposent sur:


  • Etalonnage & Vérification d’étalonnage des instruments de mesure des rayonnements ionisants
  • Traitement & Qualification de Matière sous irradiation
  • Mesures et Analyses radiologiques de prélèvements
  • Formation, Conseil, Expertise

2015:

  • Elaboration par CERAP d’une méthode d’étalonnage de radiamètres sans source radioactive,

2016:

  • Création d’ATRON pour mettre en œuvre cette technologie de rupture,

2018:

  • Début d'exploitation de la plateforme et réalisation des premières irradiations.

2021:

  • Accréditation COFRAC des activités d'étalonnage d'instruments de mesure des rayonnements ionisants.

Etalonnage d'instruments de mesure des RI

Vérification Périodique de l'Étalonnage:


  • Arrêté du 23 octobre 2020: mesurer les grandeurs caractéristiques de l'instrument de mesure qui sont fournies par son certificat d'étalonnage (établi par le constructeur avant la première mise en service).

  • Pour les instruments de mesure sans contrôle permanent de bon fonctionnement, la périodicité des vérifications est triennale.

Méthode de vérification de l'étalonnage de radiamètres couramment mise en oeuvre:


  • utilise un irradiateur contenant plusieurs sources radioactives collimatées,

  • consiste à vérifier que l'indication de l'instrument est conforme à celle attendue, pour une activité et à une distance données de la source.
Exemple d'irradiateur (CEA)
  • Coût des sources et renouvellement:
    • trois sources radioactives (137Cs), à renouveler tous les 10 ans.

  • Faible productivité:
    • un seul radiamètre à la fois,
    • déplacement du radiamètre pour sonder les gammes de débit de dose.

  • Gamme en énergie limitée:
    • une seule énergie sondée (662 keV),
    • non représentative d'un environnement radiologique réel.
  • Métrologie:
    • la réponse des instruments est inhomogène en énergie,
    • leur réponse est normalisée à 662 keV.

Objectifs d'ATRON:

  • Proposer une méthode de vérification de l'étalonnage d'instruments de mesure des rayonnements ionisants sur de larges gammes d'énergies et de débits de dose,
  • S'affranchir de sources radioactives.

Moyen envisagé:

  • Utiliser le rayonnement de freinage d'électrons accélérés à quelques MeV comme source de vérification de l'étalonnage.

Singletron 3.5 MeV HVE:


  • Electrons accélérés jusqu'à 3.5 MeV,

  • Cible de conversion
    ⇒ rayonnement de freinage,

  • Variation du courant de faisceau pour sonder les différents débits de dose,

  • Instruments à positions fixes.

Automatisation des séquences d'irradiation:


  • fiabilité ⇒ réduction du risque d'erreur,

  • gain de temps ⇒ réduction du temps d'immobilisation du matériel.

Avantage environnemental: absence de source radioactive.

Avantages métrologiques:


  • spectre en énergie étendu et adapté à l'étendue de mesure des instruments (1.25 MeV, 2.00 MeV, 3.00 MeV),

  • adaptation des débits de dose (20%, 50%, 80%) à chaque gamme de H*(10) des instruments.

Méthode validée:


  • traçabilité du raccordement des qualités de faisceau aux références internationales, assurance qualité,
  • +3000 instruments étalonnés ou vérifiés par an.

Maintenance des instruments:


  • réparation / ajustements,
  • y compris instruments contaminés.

Emission de constats:


QR codes associés à l'état d'avancement des instruments
Exemple d'étiquette de métrologie
Exemple de constat

Accréditation COFRAC n° 2-6778:


  • Débit de kerma dans l'air (K)
    de 20 µGy/h à 440 mGy/h,
  • Débit d'équivalent de dose ambiant (H*(10))
    de 25 µSv/h à 530 mSv/h,
  • Incertitude relative élargie de 4.2 %.

Portée disponible sur www.cofrac.fr

Plan d'implantation:

  • Bâtiment de ∼700 m2,
  • Salle d'irradiation/salle accélérateur,
  • Atelier de maintenance, zone de stockage/réception/expédition,
  • Laboratoire de mesure et analyse de prélèvements radiologiques,
  • Bureaux, salle de réunion.

Mise en œuvre

Avantages:

  • Large gamme en énergie,
  • Débit de dose
    ∝ intensité du faisceau,
  • Pas de source radioactive,
  • Possibilité d'automatisation.

Mise en œuvre:

  • Contrôle de l'accélérateur:
    • justesse et stabilité,
    • homogénéité.
  • Fiabilisation du procédé:
    • reproductibilité,
    • automatisation.
  • Traçabilité des champs de référence:
    • raccordement, en termes d'équivalent de dose, à la référence nationale.

Développement d'une chambre d'ionisation de monitorage


  • Objectif: réguler l'accélérateur aux faibles débits de dose

  • Cahier des charges:

    • mesure précise aux faibles niveaux d'irradiation
      de 1 µSv/h à 15 mSv/h à 3 mètres de la cible
    • résistance aux fortes irradiations
      > 500 Gy/h
    • temps de réponse rapide
      de l'ordre de la seconde

Uniformisation du champ d'irradiation

Définition d'une fonction de balayage de la cible

  • Dimensions de la cible: 40x220 mm2
  • Balayage vertical: 1 kHz
  • Balayage horizontal: 25 Hz

Homogénéité du champ d'irradiation: jusqu'à 99,8% sur +/-15°


Reproductibilité du positionnement des instruments

Conception d'un passeur d'échantillons adapté:

  • Dispositif rotatif,
  • Gabarits sur-mesure pour chaque type d'appareils,
  • Caméra fixée à l'endroit des appareils,
  • Chambres d'ionisation de référence positionnées dans le champ.
Passeur d'échantillons
Dolphy Minitrace
6150AD FH-40

Fiabilisation du procédé d'étalonnage


  • Objectif: automatisation des séquences d'irradiation et l'établissement des constats d'étalonnage afin de réduire le risque d'erreur

kerma dans l'air, K, énergie cinétique transférée aux particules chargées (Gy ou J/kg): K=KC+KR
KC: A l'équilibre électronique (compensation de l'énergie des particules chargées entrant et quittant le volume), KC=D
KR: Contribution du rayonnement de freinage

Mesure du kerma dans l'air et incertitude associée:

  • Chambre de transfert développée par le CEA-LIST/LNHB

Passage de K vers H*(10):

  • Mesure spectrométrique des champs d'irradiation,
  • Détermination des coefficients de conversion hK tels que H*(10)=hK.K

Vérification de l'étalonnage de radiamètres:

Comparaison de l'indication du radiamètre
à l'indication de la chambre étalonnée

Qualification d'équipements et traitement de matières

Accélérateur FELIX

  • Accélérateur électrostatique:
    faisceau continu

  • Cible X amovible:
    irradiation possible en X ou en e-

  • Dimensions de la salle d'irradiation:
    3 x 6 m2

  • Conditions d'irradiation:
    pas d'activation des échantillons

  • Gamme d'énergie:
    0.2 - 3.5 MeV

  • Courant:
    ~1 pA - 1 mA


  • Débit de dose X à 1 m:
    0.1 µGy/h - 500 Gy/h

  • Balayage du faisceau:
    champ uniforme +/- 15°

  • Fluence:
    jusqu'à 6x1015 e-/s

  • Surface balayée:
    jusqu'à 40 x 220 mm2

Emittance faisceau

Cible X amovible:

Irradiation possible en X ou e-
LAETICIA

Chambre d'irradiation permettant de simuler des conditions environnementales extrêmes:


  • Contrôle de la température:
    • de 80 K à 600 K,

  • Contrôle de l'atmosphère:
    • Irradiation sous vide,
    • Irradiation sous N2, Ar, Air, etc.

  • Échantillons jusqu'à 40 x 220 mm2.

Exemples d'applications

Traitement de matière sous irradiation:

  • Conditions environnementales extrêmes
  • Capacités d'innovation, collaborations scientifiques

Vieillissement accéléré de matériaux sous irradiation:

  • Applications diverses dans le domaine spatial ou nucléaire
  • Du revêtement (ebeam) au système complet (rayons X)

Qualification d'équipements sous irradiation:

  • Effets de dose ionisante totale sur les composants et les systèmes
  • Continuité de service pendant la durée de vie des équipements
Développement de détecteurs
Étalonnage au moyen d'une source de référence
Tests de vieillissement
Dopage de semi-conducteurs
Mesure de défauts
Qualification de composants pour l'aérospatial
Réticulation, greffage de polymères
Traitement de surface des films minces
Ignifugation de câbles et tubes
Formation professionnelle
Elaboration de dossiers d'agrément
Stérilisation de matériels médicaux
Recherche en radiobiologie
Traitement phytosanitaire des eaux
Amélioration de conservation des aliments

Les Effets des radiations sur les systèmes et composants électroniques dépendent de:

  • Type de radiation (photon, électron, proton, etc.)
  • Taux d'interaction
  • Type de matériau (Silcium, GaAs)
  • Caractéristiques des composants (mémoire, puissance, etc.)

Consequences:

  • Effets singuliers: Single Events Effects (SEE)
  • Dommages de déplacements: Displacement Damages (DD or TNID)
  • Effets de dose totale ionisante: Total Ionizing Dose (TID)

Les SEEs sont des événements aléatoires

  1. Génération de charges (ionisation directe ou indirecte)
  2. Collection des charges et recombinaison
  3. Réponse du circuit

Il existe différents types de SEEs: SET, SEU, MCU, SEFI, ISB, SEL, SEB, SEGR/SEDR, etc.

Les effets singuliers (SEE) dépendent du transfert linéique d'énergie (LET, en MeV.cm²/mg)

  • Ions lourds

La dégradation des capteurs est une contrainte forte pour les instruments d'observation en vol (CCDs):

  • Augmentation du courant d'obscurité (global)
  • Pixels chauds (= réduction à basse température)
  • Dégradation de l'efficacité de transfert de charge (CTE)

Les dommages de déplacement (TNID) dépendent de la perte d'énergie non ionisante (NIEL, en MeV.cm²/g)

  • Protons (le plus souvent d'énergie de 40 à 60 MeV)
  • Flux généralement de l'ordre de 107 à 108 p/cm²/s

La dégradation des composants est très dépendante de la technologie du composant, de sa polarisation et de sa fonction

La dose totale ionisante TID a particulièrement des effets sur les oxydes des semiconducteurs:

  • EEH(SiO2) = ~17 eV

Les effets de dose totale ionisate (TID) dépendent de la dose (D, en Gy)

  • Débits de dose souvent supérieus à ceux en opération
  • Raies gamma du Co-60
  • Rayonnements X de freinage (ebeam)

Exemples d'application en irradiation de matériaux


  • Essais de revêtements
    • Faisceau e- de 400 keV balayé sur une surface de 40 × 150 mm2 pendant 1 h à 1 µA
    • Qualification pour des applications spatiales

  • Qualification d'alliages métalliques d'intérêt industriel
    • Faisceau e- de 2 MeV balayé sur une surface de 16 × 20 mm2 pendant 17 jours à 420 µA
    • Reproduction de 0.04 dpa - 30 échantillons maintenus à 300 °C pendant l'irradiation

Exemples d'applications en qualification d'équipements


  • Qualification de luminaires
    • Champ d'irradiation X à 100 Gy/h pendant 90 h avec un objectif de dose de 9 kGy
    • Sélection de luminaires pour environnement nucléaire (bâtiment réacteur, zone rouge)

  • Caractérisation de détecteurs de rayonnements
    • Champ d'irradiation X jusqu'à 3.5 MeV à 50 krad/h (500 Gy/h) pendant 20 h
    • Essais de linéarité de RADFETs pour des applications spatiales

Détermination d'équivalences X/60-Co


ATRON est membre contributeur du programme RADNEXT (H2020), WP7-JRA3 "cumulative radiation effects on electronics" (TID)

  • mécanismes à l'origine de l'endommagement,
  • méthodologies de test adaptées (composants et systèmes électroniques).

Dépôt d'une demande de modification du code RCC-E (AFCEN) visant à consolider cette équivalence:

  • Règles de Conception et de Construction des Systèmes et Matériels Electriques et de Contrôle Commande.

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www.atron.fr/presentation