Pour le projet d'atelier de recherche encadrée, nous avons décidé de porter un projet de détection de radioactivité à très bas coût (de l'ordre de la trentaine d'euros).

Pour cela il est d'abord question de détecter les photons gamma émis pendant les réactions radioactives. Pour cela nous utiliserons des photodiodes (très peu chères) connectées à des scintillateurs afin de réduire le temps de réponse de la machine. Dans ce montage, c'est probablement les scintillateurs qui vont demander le plus de préparation. En effet le composé chimique a un temps de synthèse estimé à 200h (nous sommes en pleines recherches afin d'en vérifier la véracité). En parallèle nous utiliseront un montage de type Arduino qui sera détaillé plus bas.

Les porteurs du projet sont :

• Balcioglu Adrien | mél : adrien.balcioglu@etu.upmc.fr

• Bouharaoua Farès | mél : fares.bouharaoua@etu.upmc.fr

• Destannes Hugo | mél : hugo.destannes@etu.upmc.fr

• Doukhan Jean | mél : jean.doukhan1@etu.upmc.fr

• Jebane Kevin | mél : kevin.jebane@etu.upmc.fr

Nous avons créé une page GITHUB pour y déposer le code, et recevoir d'éventuels conseils et améliorations de la part de visiteurs : Page GitHub

Pour gérer au mieux les délais et les différentes tâches à accomplir, nous nous sommes répartis les différentes tâches, divisées par catégories et avancement du projet :

Pendant cette semaine nous avons préparé un travail de recherche et d'information, afin de mieux cibler nos besoins futurs ainsi que les étapes qui succèderont.

  Le principe des scintillateurs est qu'ils "convertissent" un certain type de rayonnement (ici photons gammas) en un rayonnement visible qui puisse être détecté par des photodiodes peu coûteuses. Ainsi on se 
  trouve face à un choix pour les scintillateurs :

• inorganiques : essentiellement des alcalins halides dopés par une impureté (une autre chimique qui formera un cristal ionique).

• organiques : plastique, liquide ou cristallin, à base de carbone.

  Le choix s'est fait principalement grâce aux caractéristiques physiques des scintillateurs, et au spectre qui leur est associé.
  La lumière émise par les scintillateurs organiques a un large spectre dans la lumière visible ou ultra-violette, ce qui est le plus adapté au spectre recevable par des photodiodes.
  Les scintillateurs organiques sont constitués par deux composants fondamentaux, qui sont un solvant et un soluté. Le solvant absorbe l'énergie, qui est convertie en lumière visible par le soluté. Cette lumière 
  est ensuite reçue par les photodiodes et détectée par la puce Arduino.
  On ensuite remarqué que les scintillateurs organiques, ayant un numéro atomique moyen assez faible, avaient une efficacité de captation des photons gammas assez faible par rapport aux scintillateurs 
  inorganiques..
  On a trouvé cependant un type de scintillateurs très efficaces pour les rayons gammas : les cristaux NaI (iodure de sodium), et CsI (iodure de césium) qui ont la même efficacité.
  
  Le césium étant bien plus difficile à trouver, on a donc choisi l'iodure de sodium.
  C'est donc cette espèce que nous souhaitons synthétiser.

  
  

Kevin s'est chargé quant à lui d'apprendre à utiliser KiCAD, on compte donc sur lui dans les semaines à venir pour concevoir le PCB (éventuellement aidé de l'un des autres porteurs de projet).

C'est à la suite de plusieurs problèmes rencontrésEeschéma, de l'association des empruntes avec CvPCB, puis de la conception d'un circuit imprimé avec PcbNew que nous pensons désormais laisser de coté l'idée d'opter pour une planche de contrôle de l'alimentation en faveur d'un montage entièrement réalisé par soudure.

Pour l'Arduino on a choisi la nano, pour son coût et son encombrement très faibles, mais lorsqu'on utilisera une matrice 3*3 de photodiodes BPW34 on manquera d'entrées analogiques, ce qui ravisera probablement notre choix. On a pu connecter un écran LCD comme ceci :

Qu'on a connecté en suivant ce plan d'entrées/sorties de la puce Arduino Nano :

Nous avons fait beaucoup de recherches et le code Arduino est désormais en ligne sur un GitHub ici.

  Il permet de détecter l'arrivée de photons sur la matrice de détection, et affiche des variations de voltage qui permettront de détecter l'arrivée de photons gamma (car le rayonnement restant sera absorbé par le boitier. 
  On se retrouvera toutefois avec un bruit dû au rayonnement infrarouge, qu'il sera quasi impossible à supprimer (Christian nous a proposé un module Peltier, ce qui reviendrait à utiliser un accélérateur de particules pour un ampèremètre), il faudra donc de préférence passer par un traîtement numérique qui requière beaucoup d'entrées analogiques (16), qu'on ne trouve que sur une carte arduino mega. 
  Il est possible que nous devions passer à cette carte, et abandonner la nano... 
  Cela dit nous recherchons également une alternative pour une sorte de transistor qui ne laisserait passer le courant que quand un certain voltage est atteint, qui nous permettrait de ne laisser passer le signal que lorsqu'un photon au delà du domaine du bruit de fond apparaîtrait (i.e. un photon gamma converti en ultraviolet / visible).
  Cela nous permettrait de récupérer le signal dans une entrée digitale, et ainsi se servir de toutes les entrées fournies par la nano, et optimiser au mieux la carte. Cependant cette solution n'a pas encore trouvé d'application pratique (il nous est pour l'instant impossible de trouver ce composant, qui ressemblerait en pratique à un contacteur de plus petite taille.

Nous avons également créés le logo du FielDTector sur Inkscape que nous insérerons à la découpeuse laser sur le boitier final. Il est ici en fichier compressé: logo.svg.zip

En voici un aperçu:

Dans la catégorie récepteur, les photodiodes jouent un rôle majeure dans l'élaboration de notre projet. Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électriques

les photodiodes semi-conductrices fournissent un courant proportionnel à la puissance lumineuse moyenne interceptée, c'est pour cela que nous avons commande une vingtaines de photodiodes BPW34 (80ct l'unité) car ce sont les photodiodes qui ont le spectre de détection le plus grand parmi les photodiodes. En effet, celles-ci ont tendance à limiter leur sensibilité à l'infrarouge dans la plupart des cas. Voici la sensibilité spectrale de la bête en fonction de la longueur d'onde du photon reçu :

On peut donc l'utiliser pour le visible et les faibles longueurs d'onde visibles, même si le bruit infrarouge sera très important, c'est pour cela qu'on expérimente également sur l'Arduino Mega qui possède 16pins analogique permettant ainsi un traitement du signal.

Dernièrement nous avions opté pour la synthèse d'un scintillateur inorganique d'iodure de sodium car sa fabrication semblait plus simple d'après le protocole suivant:

Préparation à partir d'eau iodée Dans un ballon, verser 100 mL d'eau iodée à 1 mol/L. Ajouter 0,2 mol d'hydroxyde de sodium (les réactifs doivent être en proportions stoechiométriques). On forme une solution d'iodure de sodium et d'hypoiodite de sodium selon : 2 NaOH(aq) + I2(aq) → NaI(aq) + NaIO(aq) Il faut alors chauffer pour transformer l'hypoiodite en iodate, et ensuite en iodure selon : 3 NaIO(aq) → 2 NaI(aq) + NaIO3(aq) 2 NaIO3(aq) → 2 NaI(aq) + 3 O2(g) Par évaporation de l'eau, on récupère l'iodure de sodium quasiment pur.

Cependant la question du moulage dans une grille nécessaire pour que ce matériau soit exploitable nous a rendu la tache plus compliqué. En effet, la fabrication d'un moule résistant à une température plus élevée que la température de fusion de notre matériau s'avère compliqué. L'iodure de sodium fond à 661 degrés celsius, il nous faudrait un moule en acier dans ce cas, or c'est un materiau assez difficle à travailler et dont nous n'avons pas les moyens d'exploitation.

Une solution que nous avons trouvée est de revenir sur notre choix de scintillateur et notamment d'opter pour un materiau organique. Comme dit auparavant, l'efficacité de captation des scintillateurs organiques est moins élevé que celle de l'iodure de sodium , cependant il est plus simple à travailler car les températures de manipulation de se matériau en fusion n'excèdent pas les 300 degrès. Pour obtenir un rendement tout de même efficace nous pouvons augmenter la quantité de ce matériau et le nombre de photodiodes présentes sur notre matrice .

Les molécules organiques ayant les meilleurs capacités de scintillation vis à vis du césium 137 sont le POP et le POPOP. Nous avons actuellement le protocole qui est le suivant pour fabriquer notre materiau: Et nous avons effectué une demande au sein des laboratoires de notre université afin de trouver la molécule de POP qui est assez compliqué à synthétiser pour des étudiants de licence 1. Cette molécule a été trouvé, il nous faut désormais la récupérer et effectuer la fabrication du matériau.

Nous avons cette semaine décidé de changer de photodiode. Au lieu de prendre plusieurs BPW34, nous avons opté pour une seule photodiode : la PIN 10D. Ce changement est dû à cause de plusieurs raisons :

- Le fait que la surface de captation de la 10D est beaucoup plus élevé (100 mm2) que les BPW34 même assemblées. En effet nous avions un nombre de pin analogiques qui ne nous permettait pas de mettre autant de BPW que nous le voulions.

- En remplaçant la matrice de photodiodes par une seule, nous simplifions énormément nos branchements électriques et par la même occasion nos calculs de photons (moins de chance de compter 2 fois le même)

Pour ce qui est la sensibilité de la 10D elle est quasiment identique à la BPW34 à quelques nanomètres près (de 350 à 1100nm avec un pic à 950).

Un gros désavantage de cette photodiode est que le prix est beaucoup plus élevé que les autres (80 centimes l’unité), elle coûte environ 90€ sans réduction. De ce fait nous ne pouvons pas nous permettre de la tester n’importe comment sous peine de la griller. Nous devons donc étudier toutes les caractéristiques qui se trouvent ici.

Ce changement de photodiode rend désormais inutile l’utilisation d’une arduino méga (nous n’avons besoin que d’une seule entrée). Nous sommes donc revenus sur une arduino nano qui permet de réduire un peu les coûts.

Voici une photo de la PIN 10D :

Pour exploiter notre matériau scintillateur nous devons le mouler, pour cela nous avons réalisé grâce à l'impression 3D un moule cylindrique afin de pouvoir y couler la résine de notre matériau et ensuite pouvoir y placer une photodiode PIN 10 D , qui est une photodiode circulaire avec une surface plus grande que les photodiodes BPW34 dont nous avions parlé auparavant. Pour réaliser la modélisation de ce moule nous nous sommes appuyé sur les dimensions présentes sur le data sheet de la photodiode présent dans la partie précédente.

Voici les codes permettant de réaliser le moule sur GitHub

Comme vous pouvez le remarquer vous pouvez modifier le diamètre et la hauteur du moule afin de l'adapter en fonction du diamètre de votre photodiode ainsi que de la quantité de scintillateur que vous souhaitez couler dedans.

Le Pocket Geiger de type 5 de Radiation Watch est un capteur de rayonnement hautement sensible conçu pour le marché des systèmes embarqués Capable de détecter le rayonnement gamma et bêta, ce capteur a une sortie pulsée simple qui peut être utilisée avec n'importe quel micro-contrôleur. Dimensions de l’appareil: 58 x 26 x 11mm.

Dans ce pocket Geiger, il est utilise seulement une photodiode ayant une grande surface ainsi permettant une surface de captation de photons gamma plus grandes ainsi avoir un rendement plus élevé. (Cette photodiode peut capter les rayons gammas car dans ce boitier nous ne trouvons pas de convertisseur de gamma vers visible)

La photodiode mesurant 12x14mm a pour caractéristiques:

• le graphe suivant a l’absorption des radiation gamma en fonction de l’énergie de ces derniers a 23°C (soit à température atmosphérique)
• la captation de ces rayons gamma ne dépendent pas de la pression

Les composants de l’appareil:

• un boitier en plastique ne laissant pas passer les photons mais seulement les rayons gamma

• dans ce boitier nous trouvons un PCB ou nous trouvons sur celui ci un circuit électrique ainsi q’une photodiode de dimension supérieure aux photodiodes BPW34 qui permettra de capter les photons gamma, puisque cet appareil ne possède pas de convecteur de photons gamma en photons visible, c’est pour cela que son rendement est très nul, en effet cette photodiode capte de temps en temps un photon gamma c’est pour cela que son temps de réponse est très long

• 2 plaques en cuivre ou en laiton permettant de filtrer les rayons gamma qui nous intéressent pas dans nos mesures et les rayons alpha.

Nous reviendrons plus tard dans notre projet sur cet appareil, nous mettrons notre photo-scintillateur au dessus de la photodiode ce qui permettra un conversion des photons gammas en photons visibles ainsi permettra une meilleur captation de la part de la photodiode et ainsi de diminuer le temps de réponse tout en élevant le rendement de ce capteur Geiger.

Voici ci-dessous le schéma du prototype réalisé avec le logiciel KiCAD durant la semaine passée. (avec vérification faite) Sur ce schéma figure une carte Arduino Nano importé depuis une bibliothèque dors-et-déja existante en ligne et libre d'accès.

On a créé une ébauche de boîtier (prototype) pour le placement des composants :

Voici les fichiers pour la partie supérieure, qui pèse 37.1g (1.85€) et dont l'impression dure 3h20 : Fichiers SDWKS et STL en rar

Après un peu plus de conception on a tiré un prototype final qui nous servira à tester l'ensemble du projet :

Tous les fichiers qui ont servi à cette réalisation se trouvent dans l'archive suivante : Fichiers SLDPRT et STL.

Ce Boitier est aux dimensions et permet de filtrer au maximum la lumière visible (à imprimer en noir, de préférence), et se referme grâce à des “vis” imprimables.

Pour finir le projet, nous avons complété le design du boîtier et commencé à souder les composants sur des pins détachables.

Voici les fichiers du boîtier, qui ressemble sensiblement à celui de la semaine dernière, mais qui a légèrement été ajusté : boitier_files.rar

parler de : OP AMP, Photodiode, récupération de l'info, traîtement, batterie, rechargement.

Premièrement nous avons déterminer le volume de liquide que l’on peut mettre dans notre cuve, pour cela nous avons mis notre cuve sur la balance puis nous avons fait le tare. Ensuite nous avons rempli notre cuvée jusqu’au trait limite. Et nous avons mesurer la masse du volume d’eau présent dans la cuve, on avait 4,25g. On en déduit alors que notre cuve a un volume de 4,25mL

Protocole

Mélanger 1g de PPO avec 33g de durcisseur et 66g d’epoxy, l’epoxy et le durcisseur constitueront la résine dans laquelle sera mélanger notre molécule de PPO.

Bien mélanger le mélange pour éliminer les grumeaux, en effet le PPO que nous avons commande était sous forme poudreuse donc le mélanger avec un liquide très visqueux la résine, le PPO ferait des grumeaux dans le mélange. Nous avons alors remuer délicatement pendant quelque minutes. Malgré qu’on ait remuer, il rester des grumeaux dans la solution, on a alors décider de refaire notre mélange dans les même conditions mais en mettant d’abord la poudre de PPO puis d’y couler notre résine doucement en effectuant un mélange délicat.

Nos observations: Nous avons remarquer que lorsque que l’on effectuer le 2nd mélange, notre mélange 1 s’était bien homogénéise, on observer très peu voire pas de grumeaux. On en a déduit que le temps d’attente après mélange des 3 composants était très important pour l’homogénéisation de notre produit final

APRES QUELQUES MINUTES D'ATTENTE :

On a alors prélevé de cette solution la quantité nécessaire afin de remplir les 4,25 mL de notre cuve.

Puis nous avons mis notre cuve sous vide durant une nuit afin de retirer toutes les bulles d’air.

On a fini les soudures en prenant une simple plaque à souder avec des fils, et en optimisant l'espace on a réussi à tout empiler pour que le bloc soit le plus compact possible. Par exemple, la photodiode se trouve au dessus de la carte PCB, qui contient une batterie, un convertisseur de tension (3.7V qui correspond au voltage de la batterie à 5V pour l'arduino) connecté à un module de charge de batterie. Sous ce module de conversion de tension se trouve un ampli op qui permet d'amplifier le signal analogique de la photodiode.

Voici le résultat final :

Autrement voici le schéma du circuit :

On note l'utilisation d'un ampli op qu'on a connecté en suivant le schéma suivant, pour amplifier l'entrée analogique :

On a actualisé la page GitHub avec le nouveau code. Il prend un échantillon et l'associe à un bruit de fond, puis fait une “vraie” mesure en demandant qu'on pointe le capteur vers la source gamma, et en ressort une valeur qui correspond donc normalement aux rayons Gammas. On aurait pu faire le test réel en initialisant d'une valeur fixe de bruit mais le temps m'a manqué, et on est obligé d'initialiser cette valeur à chaque fois.+

<note warning>Après 3 tentatives ratées d'impression (imprimante qui tombe en panne, décollement de la surface de l'objet imprimé, sans compter toutes les fois où les imprimantes étaient occupées et/ou hors service), nous n'avons toujours pas pu imprimer le boîtier dont l'impression doit chaque fois être lancée à l'ouverture du fablab car elle dure 4h. Ce contretemps dramatique s'ajoute au problème de fabrication du scintillateur qui a finalement fuit pendant sa prise, on espère ainsi pouvoir en re mouler un lundi 9 avril, sans quoi le projet tomberait à l'eau.</note>

C'était la dernière ligne droite pour l'UE de projet d'ARE (qui ne signe pas la fin des efforts pour le compteur). Des rectifications de soudure ont été faites, et des tests dans la collection “radioactive” de minéraux de Jussieu ont été faits. Ainsi j'ai pu tester l'outil de détection, et les tests ont été concluants. Cependant des tests de calibration doivent encore être faits. La partie comprenant l'opamp a été modifiée pour transformer ce qui était en fait une antenne en détecteur fonctionnel comme suit :

Pour la résistance, puisque l'intensité d'entrée est très faible, j'ai décidé de prendre la plus grosse résistance en espérant éviter un “pallier” de tension dû à une trop grosse résistance. Après les tests préliminaires, tout semble en ordre : en effet même à pleine lumière on atteint des valeurs de 8-10 (échelle arbitraire à calibrer), alors que dans l'obscurité on a -49.

Après un autre test dans la collection minérale on obtient ces valeurs (proche, et un peu éloigné de la principale source radioactive) : Proche de la source : -43

A quelques mètres de la source : -45

A plusieurs dizaines de mètres de la source : -49

Ces photos ont été prises avec les mêmes réglages initiaux, sans éteindre la machine entre temps.

• *

On en déduit que le détecteur est opérationnel, mais il nécessite encore une amélioration au niveau du code, et du boitier, ainsi que pour le calibrage, et éventuellement le boitier. Tous ces détails seront réglés dans les semaines qui suivent.**

Bibliographie

Photodiodes

https://fr.wikipedia.org/wiki/Photodiode

https://www.universalis.fr/encyclopedie/photodiode/

http://www.gecif.net/articles/genie_electrique/ressources/RessourcesSI/BSite/photodiode.html

Photoscintillateurs

https://fr.wikipedia.org/wiki/Détecteur_à_scintillation

http://metronu.ulb.ac.be/npauly/Pauly/metronu/2_10.pdf

detecteur_a_scintillation.php

Pocket Geiger

https://www.sparkfun.com/products/14209

http://www.radiation-watch.co.uk/?new=1

https://www.youtube.com/watch?v=d-nbDlg1Qv8

Kicad

https://f4eed.wordpress.com/2013/10/28/prise-en-main-du-logiciel-kicad/

http://www.robot-maker.com/forum/tutorials/article/22-logiciel-kicad/

Logiciels et services utilisés

IRC - ##electronics@freenode pour des conseils en électronique (et bien évidemment le soutien de Christian et Vincent)

Kicad pour les schémas et la conception du PCB

Solidworks pour les modélisations 3D

Aduino pour le code du microcontroleur

Machines utilisées Imprimante 3D

Dans le cadre de la séance d'introduction à l'utilisation de logiciels de modélisation 2D et 3D, nous devions préparer des modèles et les imprimer, afin de nous entraîner à créer, concevoir et imprimer des objets, les voici :

• Objets 2D3D de Jean
• Objets 2D3D de Kevin
• Objets 2D3D d'Adrien
• Objets 2D3D de Hugo
• Objets 2D3D de Fares