Electronic dosimetry and neutron metrology by CMOS active pixel sensor
Dosimétrie électronique et métrologie neutrons par capteur CMOS a pixels actifs
Résumé
This work aims at demonstrating the possibility to use active pixel sensors as operational neutron dosemeters. To do so, the sensor that has been used has to be γ-transparent and to be able to detect neutrons on a wide energy range with a high detection efficiency. The response of the device, made of the CMOS sensor MIMOSA-5 and a converter in front of the sen-sor (polyethylen for fast neutron detection and 10B for thermal neutron detection), has been compared with Monte Carlo simulations carried out with MCNPX and GEANT4. These codes have been before-hand validated to check they can be used properly for our application. Experiments to characterize the sensor have been performed at IPHC and at IRSN/LMDN (Cadarache). The results of the sensor irradiation to photon sources and mixed field (241AmBe source) show the γ-transparency of the sensor by applying an appropriate threshold on the deposited energy (around 100 keV). The associated detection efficiency is satisfactory with a value of 10-3, in good agreement with MCNPX and GEANT4. Other features of the device have been tested with the same source, like the an-gular response. The last part of this work deals with the detection of thermal neutrons (eV-neutrons). Assays have been done in Cadarache (IRSN) with a 252Cf source moderated with heavy water (with and without cadmium shell). Results asserted a very high detection efficiency (up to 6×10-3 for a pure 10B converter) in good agreement with GEANT4.
Ce travail vise à démontrer la faisabilité d'un dosimètre opérationnel neutrons basé sur la technologie CMOS. Le capteur utilisé (MIMOSA-5) doit pour cela être transparent aux γ et pouvoir détecter les neutrons sur une large gamme d'énergie en gardant évidemment une bonne efficacité de détection. La réponse du système de détection, constitué du capteur CMOS adjoint d'un matériau convertisseur (polyéthylène pour les neutrons rapides, 10B pour les neutrons thermiques), a été confrontée à des si-mulations Monte Carlo effectuées avec MCNPX et GEANT4. Un travail de validation de ces codes a préalablement été effectué pour justifier leur utilisation dans le cadre de notre application. Les expériences nous permettant de caractériser le capteur ont été menées au sein de l'IPHC ainsi qu'à l'IRSN/LMDN (Cadarache). Les résultats de l'exposition du capteur à des sources de photon pures et à un champ mixte n/γ (source 241AmBe) montrent la possibilité d'obtenir un système transparent aux γ par application d'une coupure appropriée sur le dépôt d'énergie (aux alentours de 100 keV). L'efficacité de détection associée est très satisfaisante avec une valeur de 10-3, en très bon accord avec MCNPX et GEANT4. La réponse angulaire du capteur a été étudiée par la suite à l'aide de la même source. La dernière partie de cette étude traite de la détection des neutrons thermiques (de l'ordre de l'eV). Les expériences ont été menées à l'IRSN sur une source de 252Cf modérée à l'eau lourde. Les résultats ob-tenus ont montré une très bonne efficacité de détection (allant jusqu'à 6×10-3 pour un convertisseur do-pé au 10B) en très bon accord avec GEANT4.