EVOLUTION DE L’INSTRUMENTATION UTILISÉE EN SPECTROMETRIE NUCLEAIRE

EVOLUTION DE L’INSTRUMENTATION UTILISÉE EN SPECTROMETRIE NUCLEAIRE

La période, dite des Trente Glorieuses (1945-1975), a façonné l’industrie mondiale avec l’apparition du mode de consommation de masse [1]. La recherche sur la miniaturisation des composants a été un des critères pour améliorer la rentabilité économique (performance/coût) de toute industrie liée à l’électronique, en se basant sur le bénéfice (sur le coût) qu’on acquerrait en réduisant la quantité de silicone utilisée L’évolution de la technologie utilisée en instrumentation scientifique en général, et pour la spectrométrie nucléaire en particulier, est associée étroitement à celle de la micro-électronique (« Top-Down »).. Moore Gordon avait ainsi prédit (en 1965) que le nombre de transistors par circuit de même taille allait doubler, à prix constants, tous les ans [2] (période rectifiée en 1975 à dix-huit mois, puis à deux ans aujourd’hui [3]). Figure 1: Le doublement des transistors tous les deux ans (la Loi de Moore) est maintenu chez INTEL au moins jusqu’à la fin de cette décennie grâce aux avancées technologiques 

EVOLUTION DE L’INSTRUMENTATION UTILISÉE EN SPECTROMETRIE NUCLEAIRE 

Depuis une dizaine d’année, la technologie de l’électronique se heurte à deux principaux obstacles :  Apparition des phénomènes quantiques Figure 2 : Prédiction d’INTEL sur la taille des motifs de gravure des transistors CMOS [5]  L’augmentation de la puissance consommée serait limitée par le problème de dissipation du flux thermique qui augmente exponentiellement et serait déjà sur la limite physique de la technologie MOS Figure 3 : Evolution de la puissance consommée suivant le rythme de la loi de Moore [6] Les contraintes sont tellement pressantes (marché de concurrence, limitation technologique à l’échelle nanométrique) que la notion de performance a été nuancée pour considérer d’autres critères que l’échelle de miniaturisation : « More than Moore » (MtM) [7][8]. Introduction 3 (a) (b) Figure 4 : a)Principe du concept « More than Moore » et b) exemple montrant l’implantation d’un système à l’intérieur d’un système numérique de mémoires Seules les industries, à forte capacité de débouchés (domaines des ordinateurs, de la téléphonie) arrivent à s’investir sur des infrastructures de R&D et de leur rentabiliser. On peut ainsi distinguer deux catégories d’industriels qui évoluent différemment l’une par rapport à l’autre :  D’une part, les fabricants de puces électroniques (INTEL, ARM, XILINX, ALTERA), qui continuent à s’investir lourdement dans les infrastructures de R&D de haute technologie, mais coopèrent entre eux pour faire face au contrainte temps pour la mise sur marché des nouveaux produits [9].  D’autre part, il y a les développeurs d’applications (Logiciels, équipements scientifiques, etc..), qui utilisent et dépendent des solutions électroniques déjà toutes faites, pour proposer des solutions technologiques dans des domaines spécifiques (comme la spectrométrie nucléaire, par exemple)

LA SPECTROMETRIE NUCLEAIRE A L’INSTN-MADAGASCAR

Dans les années 1980, l’INSTN effectuait des campagnes de mesures pour évaluer les niveaux de radioactivité naturelle que la population malgache serait exposée. A cette époque, Le laboratoire LPNPA du Département de Physique de l’Université d’Antananarivo (qui est devenu INSTN-Madagascar en 1996) possédait déjà les instruments de base nécessaires pour accomplir ses missions. Les instrumentations que l’INSTN-Madagascar possède et utilise peuvent être classées suivant deux modes de fonctionnement distincts :  Fonctionnement en mode d’impulsion (comptage d’impulsion par unité de temps)  Fonctionnement en mode intégrateur (mesure de quantité de charge ou énergie transportée par unité de temps) Figure 6 : Bloc diagramme d’un système de mesure fonctionnant a) en Mode d’impulsion et b) en Mode Intégrateur La tendance de l’évolution de l’instrumentation en spectrométrie nucléaire en salle serait l’utilisation d’un ordinateur hôte pour la visualisation et l’analyse post-acquisition des spectres de haute résolution. Cependant les circuits de traitement des signaux en temps réel sont toujours nécessaires en amont pour améliorer le rapport signal/Bruit pour un meilleur décryptage de l’information véhiculée par les signaux. . Figure 7 : Schéma Bloc d’un système d’acquisition pilotée par PC Introduction 6 Le type traitement à apporter sur les signaux dépend principalement du module de détection et de l’électronique associé. Le circuit intégrateur nécessaire pour la collecte des charges générées par le détecteur est le premier étage de mise en forme présent sur la chaîne. Figure 8 : Circuit de détection d’un système fonctionnant en mode Intégrateur Il met en profile le signal dans sa forme initiale en exponentielle, dont la nécessité d’implanter d’autres types de traitement est fonction des besoins pour le décryptage des informations que l’on s’intéresse et qui sont véhiculées par les signaux collectés. La qualité du système dépend fortement de la performance de cette partie de la chaîne de traitement. La réponse est optimum pour une valeur maximum, du rapport Signal/Bruit possible. La quantification du bruit généré par les composants électroniques (ENC) et leur traitement par des circuits analogiques seront discutée au Chapitre 3. Tandis que le concept pour un système de traitement numérique sera traité dans le Chapitre 4.