Total ionizing dose monitoring for mixed field environments

par Matteo Brucoli

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Laurent Dusseau et de Frédéric Wrobel.

Soutenue le 30-11-2018

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Lionel Torres.

Le jury était composé de Laurent Dusseau, Frédéric Wrobel, Lionel Torres, Lodovico Ratti, Sylvain Girard, Salvatore Danzeca.

Les rapporteurs étaient Lodovico Ratti, Sylvain Girard.

  • Titre traduit

    Mesure de dose ionisante en champs de rayonnement mixte


  • Résumé

    La mesure de la dose ionisante est aujourd'hui une tâche cruciale pour une large gamme d'applications fonctionnant dans des environnements de rayonnement sévères. Dans le contexte de l'amélioration de la luminosité du grand collisionneur de hadrons (LHC), la mesure des niveaux de rayonnement le long du complexe d'accélérateurs du CERN va devenir encore plus difficile. A cet effet, une connaissance plus détaillée du champ de rayonnement dans le tunnel de l'accélérateur et ses zones adjacentes devient nécessaire pour définir les exigences d'installation, de déplacement ou de blindage de l'électronique sensible au rayonnement. Dans l’objectif d’améliorer la mesure de la dose absorbée par les systèmes exposés au champ de rayonnement mixte généré par l’accélérateur, des investigations sur des nouveaux dosimètres ont été menées.Dans le cadre de cette recherche, deux dispositifs ont été étudiés et caractérisés pour être utilisés comme dosimètres et éventuellement pour compléter l'utilisation du dosimètre au silicium actuellement utilisé au CERN, à savoir le RADFET (RADiation-sensitive Field Effect Transistor) : un NMOS commercial et un ASIC (Application-specific Integrated Circuit) nommé FGDOS. Les dispositifs ont été sélectionnés selon deux approches opposées : d'une part, la réduction des coûts permettrait d'augmenter la densité des capteurs déployés. En conséquence directe, une carte des doses plus détaillée serait obtenue pour les grands systèmes distribués comme le LHC. D'autre part, la dosimétrie peut être améliorée en déployant des détecteurs plus sensibles, ce qui permettrait de mesurer la dose lorsque les niveaux sont trop faibles pour le RADFET. De plus, des capteurs à plus haute résolution permettraient de caractériser le champ de rayonnement dans un temps plus court, c'est-à-dire avec une luminosité intégrée plus faible.La première approche a été réalisée en recherchant des solutions alternatives basées sur des dispositifs COTS (Commercial Off-The-Shelf), qui réduiraient considérablement les coûts et garantiraient une disponibilité illimitée sur le marché. À cette fin, des recherches ont été menées sur un transistor NMOS discret commercial, qui s'est révélé très sensible au rayonnement.La nécessité d'améliorer la résolution de la mesure de dose a conduit à étudier le FGDOS, un dosimètre en silicium innovant à très haute sensibilité qui permet de détecter des doses extrêmement faibles.La calibration du transistor NMOS et du FGDOS a été effectuées en exposant les dosimètres à des rayons gamma. Leur réponse au rayonnement a été caractérisée en termes de linéarité, de variabilité d'un lot à l'autre et d'effet du débit de dose. L'influence de la température a été étudiée et une méthode pour compenser l'effet de la température a été développée et mise en œuvre.Le FGDOS étant un système sur puce (SoC) avec plusieurs caractéristiques qui font du dosimètre un système extrêmement flexible, la caractérisation de ses différents modes de fonctionnement (actif, passif et autonome) a été effectuée. Suite à la première caractérisation, des questions se sont posées concernant les mécanismes de dégradation de la sensibilité affectant le dosimètre. Pour étudier ce phénomène, des campagnes d’irradiations ont été effectuées avec une puce d'essai incorporant seulement le circuit sensible au rayonnement du FGDOS. L'analyse des expériences a permis de comprendre les processus responsables de la dégradation de la sensibilité, en séparant la contribution du transistor de lecture de celle du condensateur à grille flottante. Les résultats de cette étude nous ont amenés à envisager de nouvelles solutions de conception et des méthodes de compensation.L’aptitude du transistor NMOS et du FGDOS à mesurer la dose ionisante dans les champs de rayonnement mixtes produits par le complexe d’accélérateurs du CERN a été vérifiée à l’aide de test radiatifs accélérés effectués dans le centre de tests en champs mixte à haute énergie du CERN (CHARM).


  • Résumé

    The Total Ionizing Dose (TID) monitoring is nowadays a crucial task for a wide range of applications running in harsh radiation environments. In view of the High-Luminosity upgrade for the Large Hadron Collider, the monitoring of radiation levels along the CERN’s accelerator complex will become even more challenging. To this extent, a more detailed knowledge of the radiation field in the accelerator tunnel and its adjacent areas becomes necessary to design installation, relocation or shielding requirements of electronics sensitive to radiation. Aiming to improve the monitoring of the TID delivered by the mixed radiation field generated within the accelerator system, investigations on new suitable dosimeters have been carried out.With this research, two devices have been studied and characterized to be employed as dosimeter and possibly to complete the use of the silicon sensor currently employed at CERN for TID monitoring, i.e. the RADiation-sensitive Field Effect Transistor (RADFET): a commercial NMOS, and an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) named FGDOS. The devices have been selected following two opposite approaches: on the one hand, reducing the costs would allow the density of the deployed sensors to increase. As a direct consequence, a more detailed dose map would be obtained for large distributed systems like the LHC. On the other hand, the radiation monitoring can be further improved by deploying more sensitive detectors, which would allow to measure the dose where the levels are too low for the RADFET. Moreover, sensors with higher resolution would permit the characterization of the radiation field in a shorter time, which means within a lower integrated luminosity.The first approach has been accomplished by searching for alternative solutions based on COTS (Commercial Off-The-Shelf) devices, which would significantly reduce the costs and guarantee unlimited availability on the market. For this aim, investigations on a commercial discrete NMOS transistor, which was found to be very sensitive to the radiation, has been carried out.The need for improving the resolution of TID monitoring led to investigate the FGDOS, which is an innovative silicon dosimeter with a very high sensitivity that permits to detect extremely low doses.The calibration of the NMOS and the FGDOS have been performed by exposing the dosimeters to γ-ray. Their radiation response has been characterized in terms of linearity, batch-to-batch variability, and dose rate effect. The influence of the temperature has been studied and a method to compensate the temperature effect has been developed and implemented.Being the FGDOS is a System-On-Chip with several features that make the dosimeter an extremely flexible system, the characterization of its operational modes (Active, Passive and Autonomous) have been performed. Following the first characterization, some questions arose concerning the sensitivity degradation mechanisms affecting the dosimeter. To investigate this phenomenon, radiation experiments were performed with a test chip embedding only the radiation sensitive circuit of the FGDOS. The analysis of the experiments allowed the understating of the processes responsible for the sensitivity degradation, by separating the contribution of the reading transistor and the floating gate capacitor. The results of this investigation led us to considerer new design solution and compensation methods.The suitability of the NMOS and the FGDOS for TID measurement in the mixed radiation field produced by the CERN’s accelerator complex has been verified by performing accelerated radiation tests at the Cern High energy AcceleRator Mixed field facility (CHARM). The consistency of both sensors with the RADFET measurement has been demonstrated. The high sensitivity of the FGDOS leads to a significant improvement in terms of TID measurement in mixed radiation fields with respect to the RadFET, especially for low radiation intensities.


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