Study of the effects of radiation on materials and electronic systems

La société TMI-Orion, spécialisée dans les systèmes d’acquisition de paramètres physiques (pression, température, humidité, etc…) pour environnements difficiles, souhaite se diversifier notamment sur les marchés du nucléaire civil voire du spatial (New Space). La spécificité de ces deux marchés est la présence d’une contrainte radiative forte. La société, qui est à l’origine de la thèse, souhaite développer ses compétences vis-à-vis de la contrainte radiative pour pouvoir proposer des applications dans ces marchés. Cette thèse a donc été conduite avec comme objectif principale de fournir un maximum d’information sur la contrainte radiative à la société TMI-Orion. Nous avons donc identifié quatre axes de travail permettant de répondre à cette problématique. Dans le cadre de cette thèse nous avons commencé par décrire les environnements radiatifs rencontrés dans le domaine du spatial et dans le domaine du nucléaire civil. Puis les mécanismes d’interaction rayonnement-matière ont été définis. Enfin les effets des radiations sur l’électronique ont été décrits.Le deuxième axe de travail consiste en une étude des mécanismes de dégradation de composants électroniques élémentaires (transistors MOS et bipolaires) en fonction de la température à laquelle ils sont soumis pendant l’irradiation. L’effet des basses (jusqu’à 100 K) et hautes (jusqu’à 400 K) températures d’irradiation sur la dégradation de composants élémentaires a été étudié. Lors de cette étude nous avons aussi pu comparer la dégradation obtenue entre une irradiation au cobalt 60 et une irradiation aux rayons X.Le troisième axe de travail consiste en une étude par simulation portant sur le blindage face à la contrainte radiative. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé deux codes de calcul sur GEANT4. Le premier permet d’étudier la dose déposée par une source de cobalt 60 pour différentes conditions de blindage. Le second permet de modéliser le générateur à rayons X présent au laboratoire IES afin d’obtenir son spectre en énergies. L’effet de différents filtres sur l’allure du spectre est aussi étudié.Le dernier axe de ce travail de thèse consiste en une étude de fiabilité complète sur les enregistreurs de donnés autonome développé par la société TMI-Orion. Un enregistreur en particulier, le PicoVACQ est utilisé comme exemple. La fiabilité de cet enregistreur a été calculée par une méthode analytique, étudiée grâce aux retours d’expériences disponibles au sein de la société, mesurée vis-à-vis de la contrainte thermique et mesurée vis-à-vis de la contrainte radiative. Pour finir la recherche d’un microcontrôleur, composant central d’un système d’acquisition de données, tolérant aux radiations a été effectuée. Un microcontrôleur en particulier semble présenter une bonne résistance à l’effet de dose et sera probablement un bon candidat pour les futurs projets de la société.TMI-Orion, a company specialising in systems for acquiring physical parameters (pressure, temperature, humidity, etc.) for harsh environments, wishes to diversify, particularly in the civilian nuclear markets or the new space. These two markets are subject to strong radiative stress. The company, which is at the origin of the thesis, wishes to develop its skills with regard to radiative stress in order to be able to propose applications in these sectors. This thesis was therefore conducted with the main objective of providing as much information as possible on radiative stress to TMI-Orion. We have therefore identified four areas of work to address this issue.In the context of this thesis, we began by describing the radiative environments encountered in the space and civilian nuclear fields. Then the mechanisms of radiation-matter interaction were defined. Finally, the effects of radiation on electronics have been given.The second area of work consists of a study of the degradation mechanisms of elementary electronic components (MOS and bipolar transistors) as a function of the temperature to which they are subjected during irradiation. The effect of low (up to 100 K) and high (up to 400 K) irradiation temperatures on the degradation of elementary components was studied. During this study we were also able to compare the degradation obtained between a cobalt-60 irradiation and an X-ray irradiation.The third area of work consists of a simulation study on shielding against radiative stress. As part of this work, we have developed two calculation codes on GEANT4. The first one allows to study the dose deposited by a cobalt-60 source for different shielding conditions. The second one allows to model the X-ray generator of the IES laboratory and gives its energy spectrum. The effect of different filters on the spectrum is also studied.The last axis of this thesis work consists of a complete reliability study on autonomous data loggers developed by TMI-Orion. One particular recorder, the PicoVACQ, is used as an example. The reliability of this recorder was calculated by an analytical method, studied using the feedback available within the company, measured against thermal stress and measured against radiative stress. Finally, the search for a microcontroller, a central component of a radiation-tolerant data acquisition system, was carried out. One microcontroller in particular appears to have good resistance to dose effect and will probably be used by the company in its future projects