Vers une électronique embarquée pour la localisation et l’identification des particules à partir d’une surface pixellisée de scintillateurs par des photomultiplicateurs de silicium

par Julien Portanguen (Equipe PRISMA)

mercredi 17 déc. 2025, 14:00 → 16:00 Europe/Paris

bâtiment 565, DIGITEO (CEA, site de Saclay)

Dans le domaine de l’instrumentation nucléaire lié en particulier à la scintillation plastique, différents types de mesures peuvent être réalisées comme le comptage, la spectrométrie, l’imagerie et la discrimination de particules. Les systèmes les plus récents préfèrent l’utilisation de SiPM (Silicon PhotoMultiplier) pour leur compacité et leur résistance mécanique. Toutefois, les SiPM ne permettent qu’une discrimination de particules dégradée par rapport aux PMT (PhotoMultiplier Tube), traditionnellement utilisés pour cette mesure. Certaines architectures électroniques pour SiPM permettent de les utiliser pour ces applications, toutefois, aucun système ne réunit toutes les applications mentionnées en un seul système embarqué. Cette thèse consiste, à terme, à développer une architecture électronique embarquée et portable pour des mesures de scintillation avec SiPM, pour à la fois dénombrer, localiser, mesurer l’énergie et discriminer les rayonnements ionisants avec des performances se rapprochant de celles des PMT. Trois axes de recherche ont été abordés dans ces travaux. Tout d'abord, les capacités intrinsèques des PMT et des SiPM pour la discrimination de particules ont été étudiées par le biais de modèles de simulation, de façon à connaître leur réponse indépendamment de l’électronique de traitement utilisée. Des modèles Python et SPICE ont été développés de manière à s'adapter aux contraintes de la discrimination de particules. Des impulsions de scintillation ont aussi été numérisées et enregistrées afin de déterminer la contribution lumineuse du scintillateur plastique en fonction du temps. Ces données d’entrée ont permis d'évaluer la capacité de discrimination théorique des modèles SiPM et PMT. Le second axe s'est focalisé sur l'étude de l’impact de la préamplification sur les capacités de discrimination des SiPM à travers différentes simulations et expériences. Pour cela, des cartes électroniques pour chacune des architectures ont été conçues ainsi qu'un banc d’essais. Le troisième axe a consisté à améliorer le taux de comptage atteignable avec des SiPM par l'utilisation de la sortie découplée de certains modèles de SiPM, réduisant la probabilité d'empilement. Des mesures de spectrométrie et de discrimination ont aussi été menées hors-ligne. Des réflexions sur une architecture FPGA sont aussi présentées, pour, à terme, discriminer les signaux SiPM découplés en ligne. Ces travaux pourront être étendus par l’addition de mesures de localisation car la différence entre mesures sommées et individuelles n’a pas été prise en compte en parallèle de la discrimination. Différents modèles de SiPM et configurations de tests pourront aussi être étudiés pour évaluer les écarts de performances. Enfin, des réflexions sur l’intégration des différents éléments sont à prévoir pour la conception d’un système portable complet.

Mots-clés : instrumentation nucléaire, électronique front-end, scintillateurs plastiques, photomultiplicateurs silicium, discrimination neutron-gamma, modèles de simulation

                                            

 

Le jury est composé de :

 

M. Vincent METIVIER                 - Professeur                                      - IMT Atlantique
Mme Sara MARCATILI                - Ingénieur de Recherche CNRS    - CNRS, Grenoble
M. Nicolas GAC                           - Professeur des universités           - Université Paris-Saclay
Mme Nicoleta DINU-JAEGER    - Ingénieur de Recherche CNRS    - CNRS, Observatoire de la côte d’Azur, Nice
M. Ziad EL BITAR                         - Directeur de Recherche CNRS    - CNRS, Strasbourg


Invités : 

M. Gwenolé CORRE                 - Ingénieur chercheur                       - CEA - Université Paris-Saclay
M. Yoann MOLINE                    - Ingénieur chercheur                       - Université Paris-Saclay, CEA