Programmes détecteurs semi-conducteurs

Objectif et travaux

Le carbure de silicium : un nouveau semi-conducteur pour la réalisation d’un système complet de détection à haute température et sous fortes irradiations

Le projet I_SMART a pour principal objectif le développement et la mise en œuvre d’un dispositif avancé et innovant de détection de rayonnement dans des conditions extrêmes de température (> 500 °C) et sous un niveau de radiation neutronique élevé. Le système repose sur l’utilisation du carbure de silicium (SiC) comme milieu détecteur associé à une électronique d’acquisition, également en SiC. Le tout est combiné à des méthodologies avancées de traitement et d’analyse du signal. Cela répond à un besoin actuel et crucial d’instrumentation et de mesure en milieux extrêmes pour des applications liées à la sureté nucléaire et à la prospection géophysique.

Ce projet d’innovation comporte principalement des volets de recherche technologique visant le déploiement d’un prototype pré-industriel.

Cinq manières convergentes d’aboutir à la réalisation et à la valorisation du système innovant, basées sur la technologie et la compétence

Considérant les exigences de l’instrumentation nucléaire, nous proposons cinq méthodes différentes pour réaliser et valoriser le système, relatives à cinq points clés distincts.

  • Le premier point consiste à réaliser un détecteur en SiC capable de mesurer des radiations à l’intérieur d’un cœur de réacteur.
  • De plus, grâce à la maturité de la technologie du transistor en SiC, nous proposons d’améliorer la fonctionnalité du détecteur en l’intégrant à une électronique de traitement spécifique, résistante aux radiations et pouvant opérer à des températures élevées.
  • Le troisième point consiste à assurer le traitement de l’information. Pour cela, nous proposons de développer des outils spécifiques pour l’analyse et la reconnaissance du signal. La détection simultanée des flux de neutrons rapides et thermiques et des flux de rayons gamma requiert des outils de développement pour caractériser les mesures spectroscopiques.
  • La formation de jeunes chercheurs aux activités R&D, aussi bien en terme scientifique que pour l’exploitation industrielle des résultats de leur travail, est un autre point-clé de notre projet.
  • Enfin, le dernier point concerne le transfert de notre système innovant de détection I_SMART vers une commercialisation efficace du produit.Ismart1

Faits marquants

I_SMART a permis la réalisation d’un système hybride mono-pixel en SiC,  capable de détecter des neutrons thermiques et rapides jusqu’à 500°C en laboratoire et sous des fluences neutroniques élevées (4E13 n/cm2).

Les détecteurs I_SMART ont été testés à Schlumberger (Clamart, juillet 2014), dans des conditions quasi-réelles de prospection géophysique avec une source de neutrons à 14 MeV neutrons. Les mesures de neutrons rapides sont très stables en température jusqu’à 150°C, ce qui laisse envisager leur utilisation en milieu industriel.

Ismart2

Equipements

Le système de détection I_SMART a été testé au sein des équipements suivants :

  • Linac-Mini-Linatron (CEA- Cadarache)
  • Générateur de neutrons 14 MeV Deuterium-Tritium (Neutron Laboratory of Technical University Dresden / Karlsruhe Institute of Technology, Allemagne).
  • Réacteur nucléaire BR1 (SCK.CEN, Belgique)
  • Générateur de neutrons 14 MeV pour prospection géophysique (Schlumberger, France)

Production scientifique

ACL

  • Szalkai, R. Ferone, F. Issa, A. Klix, M. Lazar, A. Lyoussi, L. Ottaviani, P. Tutto, V. Vervisch, “Fast Neutron Detection with 4H-SiC Based Diode Detector up to 500°C Ambient Temperature”. IEEE Transactions on Nuclear Science 63(3):1491-1498 June 2016.
  • Issa, L. Ottaviani, D. Szalkai, L. Vermeeren, V. Vervisch, A. Lyoussi, R. Ferone, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Klix, O.Palais, “4H-SiC Neutron Sensors Based on Ion Implanted 10B Neutron Converter Layer”. IEEE Transactions on Nuclear Science Vol. 63 (3) : 1976-1980 June 2016.
  • Issa, V. Vervisch, L. Ottaviani, D. Szalkai, L. Vermeeren, A. Lyoussi, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Klix, O. Palais, A. Hallen, “Radiation Silicon Carbide Detectors based on Ion Implantation of Boron”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 61, n°4 August 2014.

Brevet

Brevet (FR.14/63019, 19 Décembre 14. Ref : B2944-HD15654)

« Procédé de réalisation d’un détecteur de neutrons et détecteur de neutrons »

Décembre 15 : Extension PCT (18 mois international) : « Method for carrying out a neutron detector and neutron detector ».

Co-inventeurs : Laurent Ottaviani (AMU), Abdallah Lyoussi (CEA Cadarache), Vanessa Vervisch (AMU), Fatima Issa (AMU).

Son objectif est d’améliorer l’efficacité de la détection et la détectabilité des neutrons thermiques en environnement sévère. Les co-inventeurs sont membres de l’AMU et du CEA Cadarache.

COM orales avec actes

  • AMNT 2016 - Annual Meeting on Nuclear Technology (16-17 Mai, Berlin, Allemagne)
  1. Klix, M. Angelone, U. Fischer, D. Gehre, B. Ghidersa, A. Lyoussi, L. Ottaviani, P. Raj, T. Reimann, D. Szalkai, K. Tian, « Neutronics Instrumentation for the EU ITER TBM ».
  • ANIMMA 2015 Fourth International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications (20-24 Avril 2015, Lisbonne, Portugal)

1) D.Szalkai, R. Ferone, D. Gehre, F. Issa, A. Klix, A. Lyoussi, L. Ottaviani, T. Rücker, P. Tütto, V. Vervisch, “Detection of 14 MeV neutrons in high temperature environment up to 500 oC using 4H-SiC based diode detector.” Published in IEEE Conference Publications, DOI: 10.1109/ANIMMA.2015.7465610

2) I. Krolikowski, J. Cetnar, F. Issa, R. Ferone, L. Ottaviani, D. Szalkai, A. Klix, L. Vermeeren, A. Lyoussi, R. Saenger, “Optimization of thermal neutron converter in SiC sensors for spectral measurements of thermal and fast neutron flux”. Published in IEEE Conference Publications, DOI: 10.1109/ANIMMA.2015.7465604.

  • 15th ISRD International Symposium on Reactor Dosimetry (18-23 mai 2014, Aix-en-Provence)
  1. Issa, V. Vervisch, L. Ottaviani, D. Szalkai, L. Vermeeren, A. Lyoussi, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Klix, O. Palais, A. Hallen “Improvements in realizing 4H-SiC Thermal Neutron Detectors”. Published in EPJ Web of Conferences 106, 05004 (2016).
  • 2014 MRS Spring Meeting, 21-25 avril 2014, San Francisco (USA)
  1. Vervisch, F. Issa, S. Biondo, L. Ottaviani, W. Vervisch, D. Szalkai, L. Vermeeren, A. Klix, A. Hallen, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Lyoussi, “Thermal neutron detection enhancement by 10B implantation in silicon carbide sensor”. Published in MRS Proceedings, Vol. 1693 (2014).

COM orales sans actes

  • R2SRT 2016 - International Workshop on Radiation Resistant Sensors and Related Technologies for Nuclear Power Plant Decommissioning (19-20 avril 2016, Iwaki, Japon)
  1. Ottaviani, “Silicon-Carbide based Thermal and Fast Neutron Detectors for Nuclear Reactor Monitoring”.
  • IEEE NSS – Nuclear Science Symposium (31 octobre – 7 novembre 2015, San Diego, USA)
  1. Ottaviani, D. Szalkai, R. Ferone, F. Issa, W. Vervisch, A. Klix, M. Lazar, L. Vermeeren, A. Kuznetsov, A. Hallén, A. Lyoussi, « Silicon-Carbide based Thermal Neutron Detectors for Nuclear Reactor Monitoring».
  • RADECS 2015 International Conference on Radiation Effects on Components and Systems (14-18 septembre 2015, Moscou, Russie)
  1. Ben Krit, K. Coulié-Castellani, W. Rahajandraibe, L. Ottaviani, G. Micolau, H. Aziza, J.-M. Portal, « Comparison of a Readout Chain Dedicated to the Signal Conditioning of a Particle Detector and an Innovative Chain Based on a VCO Concept ».
  • 46th Annual Meeting on Nuclear Technology (5-7 mai 2015, Berlin, Allemagne)
  1. Szalkai, A. Klix, F. Issa, L. Ottaviani, V. Vervisch , L. Vermeeren, A. Lyoussi, “Fast neutron detection with SiC semiconductor detector on elevated temperatures”.
  • ANIMMA 2015 Fourth International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications (20-24 Avril 2015, Lisbonne, Portugal)
  1. Ottaviani, V. Vervisch, F. Issa, R. Ferone, S. Biondo, W. Vervisch, D. Szalkai, A. Klix, M. Lazar, L. Vermeeren, A. Kuznetsov, A. Hallén, A. Lyoussi, « Silicon-Carbide based Thermal Neutron Detectors and their Applications ».
  • IEEE NSS – Nuclear Science Symposium (8 – 15 novembre 2014, Seattle, Etats-Unis)
  1. Ottaviani, V. Vervisch, F. Issa, R. Ferone, S. Biondo, W. Vervisch, D. Szalkai, A. Klix, M. Lazar, L. Vermeeren, A. Kuznetsov, A. Hallén, A. Lyoussi, « Silicon-Carbide based Thermal Neutron Detectors ».

COM par affiches avec actes

  • ECSCRM 2014 (21-25 septembre 2014, Grenoble, France)

1) B. Berenguier, L. Ottaviani, S. Biondo, M. Lazar, F. Milesi, O. Palais, F. Torregrosa, A. Lyoussi, E. Kalinina, A. Lebedev, “4H-SiC P+N UV Photodiodes for Space Applications”. Published in Materials Science Forum Vols 821-823 (2015), pp 644-647.

2) F. Issa, L. Ottaviani, V. Vervisch, D. Szalkai, L. Vermeeren, A. Lyoussi, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Klix, O. Palais, R. Ferone, A. Hallen, "Study of the stability of 4H-SiC detectors by thermal neutron irradiation". Published in Materials Science Forum Vols 821-823 (2015), pp 875-878.

3) S. Biondo, W. Vervisch, L. Ottaviani, V. Vervisch, R. Ferone, A. Lyoussi, “Simulations of interactions between fast neutrons and 4H-SiC detectors”. Published in Materials Science Forum Vols 821-823 (2015), pp 863-866.

4) E. Kalinina, A. Lebedev, B. Berenguier, L. Ottaviani, V. Skuratov, “SiC UV Detectors under Heavy Ions Irradiation”. Published in Materials Science Forum Vols 821-823 (2015), pp 867-870.

  • 2014 MRS Spring Meeting, 21-25 avril 2014, San Francisco (USA)
  1. Ferone, F. Issa, I. Krolikowski, L. Ottaviani, V. Vervisch, O. Palais, M. Lazar, A. Kuznetsov, D. Szalkai, A. Klix, L. Vermeeren, S. Biondo, W. Vervisch, J. Cetnar, A. Lyoussi, “Enhancing the Efficiency of a SiC-Based Thermal Neutrons Detector: Monte Carlo Simulations and Experimental Results”. Published in MRS Proceedings, Vol. 1693 (2014).
  • ICSCRM 2013 (29 septembre - 4 octobre 2013, Miyazaki, Japon)
  1. Issa, V. Vervisch, L. Ottaviani, D.Szalkai, L.Vermeeren, A. Lyoussi, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Klix, O.Palais, A. Hallen, « Nuclear radiation detectors based on 4H-SiC p+-n junction”. Published in Materials Science Forum Vols 778-780 (2014), pp 1046-1049.

COM par affiches sans actes

  • ECSCRM’16 (25-29 septembre, Halkidiki, Grèce)
  1. Szalkai, L. Ottaviani, U. Fischer, F. Issa, A. Klix, V. Vervisch, M. Lazar, A. Lyoussi, “Fast neutron detection up to 500°C with SiC-based sensors”. Poster.
  • IEEE NSS – Nuclear Science Symposium (31 octobre – 7 novembre 2015, San Diego, USA)
  1. Lyoussi, R. Ferone, L. Ottaviani, F. Issa, D. Szalkai, O. Obraztsova, A. Klix, V. Vervisch, L. Vermeeren, R. Saenger, “SiC-Based Neutron Detector for Harsh Media : Performances and Qualification in Quasi-Realistic Working Conditions”.
  • SENSO 2014 (22-24 octobre 2014, Gardanne)
  1. Ottaviani, W. Vervisch, W. Rahajandraibe, K. Castellani, G. Micolau, F. Issa, V. Vervisch, R. Ferone, S. Biondo, S. Ben-Krit, A. Lyoussi, “Innovative Radiation Detection System for selective measurement in harsh media”.
  • ANIMMA 2013 Third International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications (23-27 juin 2013, Marseille)

1) V. Vervisch, F. Issa, L Ottaviani, D. Szalkai, L. Vermeeren, A. Klix, A. Hallen, A. Kuznetsov, M. Lazar, A. Lyoussi, “Nuclear radiation detector based on ion implanted p-n junction in 4H-SiC”.

2) D. Szalkai, F. Issa, A. Klix, A. Lyoussi, L. Ottaviani, E. Payan, T. Rücker, L. Vermeeren, V. Vervisch, A. Kuznetsov, “First tests of Silicon-Carbide Semiconductors as candidate Neutron Detector for the ITER Test Blanket Modules”

3) W. Vervisch, S. Biondo, R. Ferone, I. Krolikowksi, L. Ottaviani, A. Lyoussi, “Modeling and Simulation of the 4H-SiC Nuclear Detector Behavior under Harsh Environment”