Domaine de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine des circuits électroniques.

Plus précisément, elle se rapporte à un dispositif de stabilisation d'une tension de polarisation d'un com posant électronique. La présente invention trouve notamment application dans la stabilisation de la tension de polarisation d'un détecteur d'ionisation.

Contexte de l'invention Certains composants électroniques nécessitant une polarisation ont besoin que cette polarisation soit stabilisée, c'est-à-dire que cette po l arisation do it être conservée en dép it de changem ent des caractéristiques électriques du composant. C'est notamment le cas des détecteurs d'ionisation.

Les détecteurs d'ionisation sont des dispositifs utilisés pour détecter des particules ionisantes. On les retrouve ainsi notamment dans la recherche subatomique, dans le domaine de la radioprotection et de façon générale dans l'industrie nucléaire puisque l'émission de particules ionisantes est une forme de radioactivité. D'autres domaines tels que la recherche spatiale ou la caractérisation de matériaux, les utilisent également.

Ces détecteurs d'ionisation comprennent le plus souvent un élément semiconducteur dans lequel un champ électrique permet la séparation et la collecte, au niveau d'électrodes, de porteurs de charge (par exemple ions et électrons arrachés) produits par un rayonnement ionisant. Ces porteurs de charge induisent des courants sur les électrodes par leur déplacement, et ce sont ces courants dits d'ionisation que l'on pourra détecter. Ces détecteurs d' ionisation doivent donc être soum is à une tension de polarisation, en particulier pour l'établissement du champ électrique. Celle- ci est appliquée à un détecteur par l' intermédiaire d'un circuit de polarisation.

Dans pratiquement tous ces cas, les détecteurs d'ionisation sont en outre branchés sur des préamplificateurs de charge qui servent à l'amplification et à la mise sous forme d'un signal exploitable des courants d'ionisation issus du détecteur. Les préamplificateurs de charge représentent l'outil électronique presque exclusif pour gérer les signaux des détecteurs d'ionisation. Etat de la technique

En se référant maintenant à la figure 1 , on a représenté schématiquement un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation et du préamplificateur qui lui est associé, selon un dispositif connu de l'art antérieur. La tension de polarisation d'un détecteur d'ionisation D est appliquée à un point HV par une alimentation en tension externe et transmise au détecteur d'ionisation D par l'intermédiaire de résistances Ri et R ₂ placées en série entre le point HV et le détecteur d'ionisation D. Un condensateur C est placé entre d'une part le nœud commun aux résistances Ri et R ₂ et d'autre part la masse, afin de former avec la résistance Ri un filtre passe- bas propre à supprimer le bruit à haute fréquence venant de l'alimentation. Un condensateur Ce est placé entre d'une part le nœud commun à la résistance R ₂ et au détecteur, et d'autre part l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel AO. La préamplification se fait ici par l'intermédiaire d'un préamplificateur à contre réaction, lequel comporte une boucle de rétroaction, composée d'une capacité C _f en parallèle avec une résistance R _f , entre l'entrée inverseuse et la sortie dudit amplificateur opérationnel AO. L'entrée non- inverseuse de l'amplificateur opérationnel AO est reliée à la masse.

La disposition de la résistance R ₂ sert à découpler l'entrée de l'amplificateur opérationnel AO de la capacité C, tout en laissant passer le courant de polarisation. Le condensateur Ce bloque la composante continue du signal issue de la polarisation en ne conduisant vers l'entrée de l'amplificateur opérationnel AO que les signaux de fréquences plus élevées correspondant aux signaux issus de la détection de particules ionisantes par le détecteur d'ionisation D. La valeur de résistance de la résistance Ri et la valeur de la capacité du condensateur C sont choisies pour que la constante de temps Ri ^* C associée au fi ltre soit adaptée à la gam me de fréquence du bruit d'alimentation à éliminer. Il en est de même pour le choix de la valeur de la capacité du condensateur Ce.

Les caractéristiques du préamplificateur, ainsi que celles du circuit de polarisation doivent être ajustées soigneusement aux caractéristiques du détecteur d'ionisation D et aux conditions d'opération de la mesure. Les valeurs des résistances Ri et R ₂ sont parmi les paramètres les plus critiques. Par exemple, quand la valeur de R ₂ est trop basse, la résolution du dispositif n'est pas optimale. Mais si la valeur de Ri+R ₂ est trop grande, les conditions d'opération du détecteur d'ionisation D ne sont pas stables, parce que seulement une petite fraction de la tension de l'alimentation est appliquée au détecteur. Problème technique

Dans un détecteur d'ionisation, le courant moyen dépend comme expliqué précédemment du taux d'ionisation créé dans le détecteur. Le courant d'ionisation, en fonction de l' intensité de la détection des particules ionisantes, peut varier soudainement de quelques nanoam pères à quelques dizaines de microampères, voire plus. Il est donc nécessaire d'adapter rapidement la tension de polarisation aux variations du courant d'ionisation.

De plus, les détecteurs d'ionisation à semi-conducteurs souffrent de défauts dits d'irradiation quand ils sont bombardés par des particules lourdes ionisantes ou par des neutrons. Le courant de fuite, c'est-à-dire le courant électrique circulant à travers un milieu semi-conducteur tel que celui qui compose le détecteur, par exemple une jonction P-N polarisée à l'inverse, varie graduellement en fonction des défauts d'irradiation et de la température. Par conséquent, les valeurs des résistances Ri et R ₂ , qui avaient été choisies optimales au début de la mesure, deviennent graduellement de plus en plus défavorables.

Plusieurs facteurs interviennent dans le choix des résistances Ri et R ₂ .

Il est tout d'abord important de limiter au maximum le bruit, pour la qualité de la mesure. Les sources de bruit statistiques les plus importantes, qui sont pertinentes pour le choix de la valeur de la résistance de découplage R ₂ , sont le bruit thermique et le bruit de grenaille. Le bruit de grenaille est généré par la somme du courant d'ionisation et du courant de fuite qui passent à travers la résistance de découplage R ₂ et le détecteur D. Ce bruit est proportionnel à la racine carrée du courant. Le bruit thermique est lié au mouvement thermique des électrons dans les résistances connectées à l'entrée de l'amplificateur opérationnel. Le bruit therm ique croît en proportion de l' inverse de la racine carrée de la résistance effective vers la masse, vue par l'entrée de l'amplificateur opérationnel AO. Cette résistance effective se compose de la valeur des résistances R ₂ , R _f et de la résistance effective du détecteur D en parallèle. La résistance R ₂ introduit donc un bruit thermique, à l'entrée de l'amplificateur opérationnel, et ce bruit thermique est inversement proportionnel à la racine carrée de la valeur de la résistance R ₂ . A chaque instant, il faudrait s'assurer que la valeur de la résistance R ₂ soit suffisamment élevée pour que le bruit thermique reste faible par rapport au bruit de grenaille qui est lui inévitable.

Cependant la valeur de la résistance R ₂ est limitée par le fait que la tension à ses bornes ne doit pas empêcher la polarisation du détecteur D.

En effet, quand la tension de polarisation devient trop basse, le champ électrique diminue et l'épaisseur de la zone déplétée du détecteur diminue, causant une réduction brutale du courant d'ionisation fourni par le détecteur. L'amplitude du signal du préamplificateur connecté se réduit alors drastiquement. Or, cette diminution de la tension de polarisation peut être en particulier générée par le passage dans la résistance R ₂ du courant de fuite : si le courant augmente, la tension aux bornes de la résistance augmente proportionnellement à la valeur de R ₂ d'après la loi d'Ohm, et la tension de polarisation diminue d'autant. Il faut donc éviter une tension aux bornes de la résistance de découplage R ₂ qui soit considérablement plus importante que quelques centaines de millivolts afin de s'assurer que la tension de polarisation appliquée au détecteur reste globalement constante. Le moyen le plus efficace pour éviter ces problèmes consiste à ajuster les résistances par lesquelles la tension de polarisation est appliquée au détecteur. Un réglage manuel en continu est contraignant, nécessitant beaucoup de temps et une interruption de la mesure et est bien souvent impossible à faire en cours de mesure. Dans le cas d'une mesure utilisant un grand nombre de détecteurs, un tel ajustage est d'autant plus long et pénalisant.

L'invention vise à résoudre ce problème par un auto-ajustement de la tension aux bornes des résistances Ri et R ₂ , permettant ainsi une durée d'utilisation des détecteurs plus longue et donc des durées d'expériences plus longues sans interruption. En outre, l'invention vise également à proposer un dispositif robuste et fiable pour ledit ajustement.

Les problèmes mentionnés ci-dessus dans le cas de la polarisation d'un détecteur d'ionisation peuvent intervenir pour la polarisation d'autres types de composants dont l'utilisation est caractérisée par un courant variable et la nécessité d'une polarisation stabilisée.

A cet effet, l'invention prévoit un dispositif de stabilisation de la tension d'un composant électronique, dans lequel la tension de polarisation est transmise au composant électronique par au m oins deux séries de résistances comportant chacune au moins une résistance, avec entre au moins deux de ces séries de résistances une branche reliée à la masse et portant un élément de capacité destiné à former un filtre passe-bas, caractérisé en ce qu'au moins une résistance d'une série de résistances est dotée en parallèle d'au moins une diode. On décrira ci-après trois exemples de réalisation d'un dispositif conforme à la présente invention, en référence aux figures jointes; la description et les figures faisant également apparaître des caractéristiques supplémentaires qui font également partie de l'invention, parmi lesquelles:

- le composant électronique est un détecteur d'ionisation;

- au moins une résistance de chaque série de résistance ne comporte pas de diode en parallèle;

- à l'intérieur de chaque série de résistances, des résistances de différentes valeurs de résistance sont présentes;

- à l'intérieur de chaque série de résistances, des résistances dotées en parallèles de diodes ont des valeurs de résistance différentes;

- à l'intérieur de chaque série de résistances, des résistances dotées en parallèles de diodes ont des valeurs de résistance éloignées d'au moins un facteur 10;

- les diodes en parallèle d'une résistance sont réparties sur au moins deux branches parallèles à la résistance, et la cathode d'une diode terminale d'une branche est reliée à l'anode d'une diode terminale d'au moins une autre branche;

- les résistances des séries de résistances sont dotées en parallèle de branches comportant au moins deux diodes de même sens en série;

- l'élément de capacité entre deux séries de résistances est constitué de deux condensateurs en parallèle;

- les deux condensateurs en parallèles ont des valeurs de capacité éloignées d'au moins un facteur 10.

On propose également un détecteur d' ionisation dont la tension de polarisation est stabilisée par un dispositif selon l'invention. Description des dessins

D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de trois modes de réalisation de l'invention en tant qu'exemples non limitatifs appliqués à un détecteur d'ionisation, faite en références aux dessins annexés sur lesquels:

• La figure 1 représente un schéma de principe du circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation et du préamplificateur qui lui est associé, connus de l'art antérieur.

• La figure 2 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un premier mode de réalisation de l'invention.

• La figure 3 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

• La figure 4 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un troisième mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée de trois modes de réalisation de l'invention

La figure 2 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un prem ier mode de réalisation de l'invention. La tension de polarisation d'un détecteur d'ionisation D est appliquée à un point HV par une alimentation en tension externe et transmise au détecteur D par l'intermédiaire de deux séries de résistances SR1 et SR2 placées en série entre le point HV et le détecteur D. Un élément de capacité C est placé entre d'une part le nœud commun aux deux séries de résistances SR1 et SR2 et d'autre part la masse, afin de former avec la première série de résistances SR1 un filtre passe-bas propre à supprimer le bruit à haute fréquence venant de l'alimentation. Un préamplificateur peut être relié au nœud commun à la série de résistances SR2 et au détecteur D, de façon similaire à la disposition du préamplificateur connu de l'état de la technique et illustré dans la figure 1 .

Dans ce premier mode de réalisation, les deux séries de résistances SR1 et SR2 sont constituées chacune d'une chaîne de résistances, et au moins une résistance d'une série est dotée en parallèle d'une diode.

En référence à la figure 2, deux séries de trois résistances seront utilisées pour l'exemple: les résistances Ri _A , RI B et Rie pour la série SR1 et les résistances R ₂ A, R2B et R _2C pour la série SR2. Les diodes Di _A , Di _B , D _2A et D _2B sont disposées en parallèle avec, respectivement, les résistances Ri _A , RI B, R2A et R _2B . L'orientation des diodes est faite pour que celles-ci soient en polarisation directe lorsque le point HV est alimenté en tension. Une diode en parallèle d'une résistance a pour fonction de limiter la tension aux bornes de la résistance. En polarisation directe, la diode devient passante lorsque sa tension de seuil est atteinte. Les diodes deviennent passantes avec un retard négligeable, permettant une adaptation du circuit de polarisation même face à de brusques variations du courant d'ionisation.

La tension de seuil de la diode dépend du type de diode utilisée ou de sa configuration, et le type de diode sera notamment choisi selon l'utilisation qui veut en être faite. Les diodes silicium sont couramment utilisées et ont habituellement une tension de seuil d'environ 0,7V. D'autres tensions de seuil peuvent être obtenues en utilisant d'autres diodes, par exemple des diodes au germanium. Cependant, afin d'illustrer la présente invention, les diodes dont il sera fait mention ici seront des diodes silicium d'une valeur de seuil de 0, 7V. Ainsi, une tel le diode sil icium en parallèle d'une résistance permet, en polarisation directe, de limiter à 0,7V la tension aux bornes de la résistance.

Le choix des diodes concernant le courant n'est pas critique, par rapport à la charge thermique, parce que les courants sont normalement faibles. Cependant, la résistance effective des diodes en dessous du seuil en sens direct et en direction inverse doit être grande comparée à la valeur de la résistance ohm ique en parallèle. Il est en outre préférable que la capacité des diodes soit faible par rapport à la capacité du détecteur D, et que la fréquence l im ite soit com parable à celle de l'amplificateur opérationnel. E n outre, i l est nécessa ire que les d iodes choisies n'introduisent pas de bruits susceptibles d'entraîner des problèmes au niveau de la polarisation ou au niveau des signaux issus du détecteur D. Tout type de diode présentant des caractéristiques propres à la mise en œuvre de l'invention peut cependant être utilisé afin d'adapter le dispositif décrit à l'utilisation qui veut en être faite. Ainsi des tubes à vide peuvent être utilisés afin de permettre une utilisation dans des conditions d'exposition à des rayonnements. Cependant, en cas de courants excessifs, toutes ces diodes deviennent passantes du fait de la tension induite aux bornes des résistances en parallèle. Si toutes les résistances des séries de résistances SR1 et SR2 sont dotées de diodes en parallèle, les signaux du détecteur peuvent alors être fortement perturbés et la détection des particu les ne plus être possible quand le détecteur D est connecté avec la capacité C par une série de diodes saturées et donc passantes. Cette série de diodes agit comme un court-circuit pour les signaux issus du détecteur.

Un dispositif où toutes les résistances sont dotées en parallèle de diodes a donc une plage d'utilisation lim itée aux courants n'induisant pas une tension suffisante pour que toutes les diodes soient passantes. Il est par conséquent avantageux de garder dans chaque série au moins une résistance sans diode en parallèle.

Le dispositif proposé et illustré par la figure 2 évite cette limitation de la plage d'utilisation. Com me la tension aux bornes des séries de SR1 et SR2 n'est pas plafonnée grâce à la présence des résistances Rie et R ₂ c qui ne sont pas dotées de diodes en parallèle, une montée progressive du courant aboutit à une réduction de la polarisation, ce qui n'induit qu'une dégradation progressive du fonctionnement du détecteur.

Dans tous les cas, les valeurs de résistances ainsi que leur nom bre do ivent être cho is is notam m ent de façon à ce q u' une ch ute trop importante de la polarisation n'intervienne pas dans la plage d'utilisation désirée. Il est à noter que si dans la figure 2, lesdites séries de résistances SR1 et SR2 sont chacune constituées de trois résistances Ri _A , RI B, Rie, R2A, R2B et R _2C , il ne s'agit que d'un mode de réalisation non limitatif. Les deux chaînes SR1 et SR2 constituant les séries de résistances peuvent être à loisir étendues ou réduites, l'une indépendamment de l'autre. Les résistances constituant chaque série de résistances peuvent prendre des valeurs de résistance d ifférentes. De man ière préférentiel le, à l'intérieur de chaque série de résistances, les résistances Ri _A , RI B, F¾Aet R ₂ B dotées en parallèle de diodes Di _A , Di _B , D _2A et D _2B ont des valeurs de résistance différentes.

A tire d'exemple numérique non limitatif, les valeurs des résistances peuvent être : RI _A =R2A=10 ΜΩ, RI _B =R2B=1 ΜΩ, Ri _C =R2c=100 kQ. Chaque diode limite la chute de potentiel, aux bornes de la résistance qui lui est parallèle, à 700 mV. La valeur de la résistance équivalente entre l'élément de capacité C et le détecteur D, c'est-à-dire de la série de résistance SR2, est décisive pour le bruit thermique.

• Elle vaut 1 1 , 1 ΜΩ quand le courant est inférieur à 0,07 μΑ.

· Pour un courant compris entre 0,07 μΑ et 0,7 μΑ, la résistance totale se réduit à 1 , 1 ΜΩ. En effet, la diode D _2A en parallèle de R _2A est alors passante.

• Pour un courant supérieur à 0,7 μΑ, les diodes D _2A et D _2B sont passantes et la résistance équivalente totale n'est plus que de 100 kQ.

Un troisième mode de réalisation de l'invention est illustré par la figure 3. Ce mode de réalisation est similaire au deuxième. Il en diffère cependant en ce qu'il présente, aux bornes de chaque résistance Ri _A , Ri _B , R _2A et R _2B dotée en parallèle d'une première diode Di _A , Di _B , D _2A et D _2B , une autre diode D'i _A , D'i _B , D' _2A et D' _2B en parallèle, l'anode de cette autre diode D'i _A , D'i _B , D' _2A et D' _2B étant reliée à la cathode de la première diode Di _A , Di _B , D _2A et D _2B , et la cathode de cette autre diode D'i _A , D'i _B , D' _2A et D' _2B étant reliée à l'anode de la première diode Di _A , Di _B , D _2A et D _2B . Cette configuration permet l'usage du détecteur D avec une polarisation positive ou négative, tout en conservant les avantages du premier mode de réalisation auparavant mentionnés. Ce second mode de réalisation illustrée par la figure 3 supprime également un inconvénient du prem ier mode de réalisation. Dans le premier mode de réalisation, lorsque l'opérateur diminue la tension de l'alimentation externe, la polarisation du détecteur décroît avec une constante de temps (RI _A + I B ⁺ RI C) ^* C. Pour assurer un filtrage efficace en présence d'un courant fort, il faut que la valeur de capacité de l'élément de capacité C soit suffisamment grande. Cela implique une constante de temps très grande, par rapport à l'opérateur. En conséquence, la tension de polarisation du détecteur reste à un niveau élevé pendant longtemps, par rapport à l'opérateur. Ainsi, le temps d'attente avant de déconnecter le préamplificateur sans risque d'endommager le détecteur devient très long.

La présence des diodes têtes-bêches dans le deuxième mode de réalisation de l'invention assure que la tension aux bornes de l'élément de capacité C suive la tension de l'alimentation hormis la chute de potentiel sur Rie et aux bornes des diodes branchées en parallèle, qui se limite à 0,7V. Comme la capacité du détecteur D est normalement assez faible comparativement à d'autres éléments du circuit, la tension appliquée au détecteur D suit la tension appliquée aux bornes de l'élément de capacité C assez rapidement pour que l'opérateur n'attende pas trop. Cela réduit le temps d'attente mentionné et assure une opération transparente car la tension appliquée au détecteur D est toujours proche de celle mesurée à la sortie de l'alimentation.

Un troisième mode de réalisation est illustré par la figure 4. Par rapport au deuxième mode de réalisation, les diodes D ₂ A, D _2B , D' _2A et D' _2B de la seconde série de résistance SR2 sont chacune remplacées par deux diodes en série (D _2A i , D _2A2 , D ₂ BI , D _2B2 , D' _2A I , D' _2A2 , D' ₂ BI et D' _2B2 ). Ceci diminue davantage la contribution du bruit thermique. Les deux diodes en série limitent la chute de potentiel aux bornes de leur branche à 1 ,4V. Une même opération peut être effectuée sur la première série de résistance SR

Une autre variante, également illustrée dans la figure 4, consiste à prévoir que l'élément de capacité C est constitué par deux condensateurs Ci et C ₂ en parallèle. En effet, comme la valeur de l'élément de capacité C (ou Ci et C ₂ ) doit être assez grande (par exemple de l'ordre du microfarad) pour assurer un filtrage suffisamment efficace dans le cas d'un courant de fuite très grand, un condensateur (par exemple le condensateur Ci) de capacité suffisante pour assurer ledit filtrage est doté en parallèle d'un condensateur (par exemple C ₂ ) d'une capacité plus faible (par exemple 10nF). Le condensateur supplémentaire C ₂ élimine l'effet non désiré de l'inductance supplémentaire bien souvent présente dans un condensateur de grande capacité, ce qui assure un bon filtrage des hautes fréquences. Cette disposition des condensateurs peut être m ise en œuvre avec n'importe lequel des dispositifs décrits dans la présente description.

La présente description cite la polarisation d'un détecteur d'ionisation à des fins d'illustration non limitatives. Le dispositif décrit peut être utilisé pour assurer la stabilisation de la polarisation d'autres com posants électroniques où se posent des problèmes comparables.