CAMÉRA GAMMA PORTABLE

F. CARREL, V. SCHOEPFF, E. BARAT, K. BOUDERGUI, T. DAUTREMER, C. FORCE, M. GMAR, F. LAINE,

H. LEMAIRE, T. MONTAGU

Contacts : frederick.carrel@cea.fr

vincent.schoepff@cea.fr

� Contexte et enjeux

� GAMPIX : développement du prototype et validation en laboratoire

� GAMPIX : mesures in-situ et transfert industriel

� Evolutions de GAMPIX à court/moyen terme

� Vers des caméras gamma de nouvelle génération

� Conclusions et perspectives

Plan de la présentation

Contexte et enjeux

� Localisation de points chauds radioactifs

� Etat zéro d’un site / Définition des scénarios d’intervention� Suivi en temps réel du processus d’assainissement� Minimisation de la dose reçue par les intervenants (ALARA)� Transport illicite de matière radioactive/nucléaire

Un enjeu majeur pour l’industrie nucléaire

Imagerie gamma : une technique d’intérêt pour répondre à cette problématique

Démantèlement Post-accidentel Centrale Sécurité

� Quels objectifs ?

Imagerie gamma : le principe

Image visible Image gamma

Superposition des deux images

Objectif : localisation de sources radioactives

� Principe de l’imagerie gamma

Etat de l’art industriel

Développé par le CEA(1), industrialisé par CANBERRA France

� CARTOGAM: un standard industriel

(1) O. Gal et al. , Nucl. Instr. and Meth A 460 (2001) 138

� Une technologie performante… mais perfectible

� Amélioration de la sensibilité à basse énergie� Réduction du poids (>15 kg)� Simplification de la connectique� Simplification de l’utilisation

« Optique » Détecteur Connectique

Source

PuPu

Plus sensible

Plus léger

Moins cher

� Optimisation des paramètres d’une caméra gamma

Cahier des charges

� Quelles attentes des utilisateurs finaux ?

GAMPIX : principales caractéristiques

Détecteur Timepix

Masque codé

Corps de caméra

Interface USB

� Medipix 1

� Timepix

� Matrice de 256 х 256 pixels (côté 55 µm) � Hybridation à un substrat de Si, AsGa ou CdTe (1 mm d’épaisseur)� Modes comptage ou dépôt d’énergie� Thèse d’Hermine Lemaire (soutenue en 2015)

� Matrice de 64 х 64 pixels (côté 170 µm) � Hybridation à un substrat de Si (300 µm d’épaisseur) ou AsGa (200 µm d’épaisseur)� Thèse CEA de Marc Million (soutenue en 1999)

� Medipix 2

� Matrice de 256 х 256 pixels (côté 55 µm) � Hybridation à un substrat de Si, AsGa ou CdTe(1 mm d’épaisseur)� Thèse CEA d’Erwan Manach (soutenue en 2005)

� Participation du LIST à la collaboration Medipix : une étape clé� Phase de ressourcement indispensable !

Le détecteur de GAMPIX (1)

Le détecteur de GAMPIX (2)

� Matrice de 256 х 256 pixels (côté 55 µm) � Chaque pixel présente une partie analogique et une partie numérique� Un pixel = un détecteur indépendant (65536 détecteurs sur ~2 cm2)� Conversion directe rayon gamma / signal électrique

500 transistors par pixel…

Gain notable en termes de compacité

� Timepix : le cœur de GAMPIX

(1) M. Gmar et al., IEEE Transactions on Nuclear Science 51 (2004) 1682

Les masques codés (1)

� Première expérience avec masques codés

� Fruit d’une collaboration avec l’institut Kurchatov� Motif de type HURA (Hexagonal Uniformly

Redundant Array)� Résolution angulaire et sensibilité amélioréespar rapport à un sténopé� Masque/anti-masque pour réduction

du bruit de fond

� Performances du système validé sur site (centrale de Mol, Belgique)

Sténopé Masque/Anti-masque

R(60°)

Sténopé Masque codé

� Comparatif performances CARTOGAM + sténopé / ALADIN + masque codé

Les masques codés (2)

� Choix des masques codés pour GAMPIX

� Motif de type MURA (Modified Uniformly Redundant Array)

� Motif spécifique (défini par un rang)� Anti-symétrique pour certains motifs par rotation à

90 degrés� Besoin d’une étape de décodage

Image gamma brute Image gamma décodée Image gamma superposée

Design d’un masque codé : deux paramètres à optimiser

� Paramètre résolution angulaire� Capacité à séparer des sources proches spatialement� Résolution angulaire dépend du motif du masque codé

Masque codé : résolution angulaire

Masque/Source Rang 7 Rang 11 Rang 13

241Am 3,81° 2,12° 1,38°

137Cs 3,68° 2,06° 1,35°

60Co 3,41° 2,57° -

Rang 7 Rang 13

Résultats expérimentaux, champ de vue de 30 degrés

241Am

57Co

137Cs

60CoNécessaire d’optimiser l’épaisseur du masquepour les énergies élevées (137Cs/60Co)

� Epaisseur : dégradation SNR vs énergie

Masque codé : sensibilité (1)

Masque codé : sensibilité (2)

� Optimisation de l’épaisseur du masque codé� Augmentation de l’épaisseur du masque : amélioration du contraste� Impact de l’auto-collimation (ou vignetting) : perte de sensibilité pour sources

excentrées

� Performances en sensibilité du prototype GAMPIX

SourceDébit de dose

(µSv.h -1)Masque codé

Rang 13 – e=2 mmMasque codé

Rang 7 – e=8 mm

241Am 0,25 ~3 s 1 s

137Cs 2,50 300 s 20 s

60Co 3,84 - 60 s

Capable de couvrir une large gamme en énergie (de l’ 241Am au 60Co)

Conditions de laboratoire, sans bruit de fond

CARTOGAM vs GAMPIX

� Diminution de la masse du système (2 kg contre 15 kg)� Sensibilité améliorée (plusieurs décades à l’241Am)� Simplicité de déploiement� Système plug-and-play

Une vraie rupture technologique …mais quelles performances sur site ?

� Quels avantages offerts par GAMPIX ?

Mesures au Laboratoire de Purification Chimique (LP C)

LPC

ATPu

� Situé sur le site de Cadarache, installation voisine de l’ATPu� Problématique du démantèlement : détection du plutonium

Résultats expérimentaux LPC (1)

3 s 30 s6 mSv.h-1

contact

60 s30 s

0,4 mSv.h-1

contact

� Zones de contamination au niveau des tuyauteries

� Augmentation de la durée de mesure = amélioration de la qualité des images gamma décodées� Pas de limitations en termes de durée maximale de mesure (>30 min)

� Impact du rang du masque codé sur la résolution angulaire

250 s160 s

3 s1 s 6 mSv.h-1

contact

0,35 mSv.h-1

contact

Rang 7 Rang 13

Résultats expérimentaux LPC (2)

� Autres exemples d’applications potentielles

� Localisation de points chauds dans les colis de déchets radioactifs

� Détection de sources étendues� Détection de points chauds en temps réel

30 s200 ms

1 s

Résultats expérimentaux LPC (3)

� Validation en centrale nucléaire : collaboration avec EDF

Mesure en centrale nucléaire (1)

2×120 s

41 mSv.h -1 contact10 mSv.h -1

contact

4 mSv.h -1 contact

� Plusieurs campagnes de mesure réalisées sur le site du Tricastin

« Pink is beautiful… »

2×120 s2×300 s

� Application sur données expérimentales

Apport de la procédure masque anti-masque pour les mesures avec bdf

Sans correction

200 s

Masque/Anti-masque

2×30 s

2×200 s

80 mSv.h -1

contact

90° Rotation

Mesure en centrale nucléaire (2)

Applications sécurité

� Principal objectif

Uranium naturel

Détection trafic illicite de matériaux radioactifs ou nucléaires

Détection SNM Contrôle bagages

241Am, 74 MBq 241Am, 18 GBq

600 s 20 s

1 s

� Exemples de cas d’applications

Contrôle véhicule

Industrialisation GAMPIX (1)

2011 2012-2013 2015

� Du prototype GAMPIX au système industriel iPix

Prototype CEATête de série industrielle

Système final

� Nouveau design (L×l×P= 90 mm×90 mm×189 mm) / 2,5 kg avec batterie

� Procédure masque/anti-masque automatisée

� Blindage optimisé

� Connectique simplifiée (un seul câble type Ethernet)

� Un unique logiciel pour les étapes d’acquisition et de traitement des images

� Compatible avec trépied type Pan & Tilt

� Apports du système industriel par rapport à la version prototype

Industrialisation GAMPIX (2)

Pendant ce temps, la concurrence…

� Système ASTROCAM 7000 HS

� Système POLARIS

� Besoin de faire évoluer GAMPIX

� Phase de R&D pour développer la génération suivante d’imageurs gamma

� Système d’imagerie Compton développé par l’université du Michigan

� CZT 6 cm3 / Imageur, spectromètre et spectro-imageur

� Système d’imagerie Compton basé sur une combinaison de détecteurs Si/CdTe

Taille des clusters

Cluster

241Am (60 keV)

2,8 pixels

60Co (1,17 et 1,33 MeV)

7,0 pixels

Mode ToT (Time over Threshold)

Time

Cha

rge

Caractéristique de l’énergie

déposée

~ 10 canaux11810 canaux

137Cs

662 keVNom

bre

de c

oups

ToT

Fonctionnalités spectrométriques (1)

Définition des fenêtres sur les spectres élémentaires

241Am (60 keV) 133Ba (81 keV) 137Cs (662 keV)

Application du fenêtrage à un spectre composite

= + +Reconstruction spatiale sélective en énergie

Fonctionnalités spectrométriques (2)

Evolutions algorithmiques (1)

Milieu expérimental

Masque codé

Détecteur

Point chaud radioactif

Voxel j

Pixel i

� Méthode de décodage alternative des images GAMPIX

Utilisation d’algorithmes itératifs (ML-EM, MAP-EM, …)

Comptage dans chaque pixel Activité dans chaque voxel

Efficacités de détection

Décodage posé sous la forme d’un problème inverse

� Pallier certaines limitations du décodage standard (sources partiellement codées, limitations en résolution angulaire, etc)

Milieu expérimental

Masque codé

Détecteur

Point chaud

Images brutes

…Simulation 1 Simulation 3Simulation 2

… …

Pixel 1

Pixel 2

Pixel 3 …Voxel 1 Voxel 2 Voxel 3

…

� Rôle crucial de la simulation Monte Carlo (code MCNPX)

Evolutions algorithmiques (2)

� Application algorithmes itératifs sur données expérimentales LPC

Décodage standard ML-EM R13

� Utilisation masque de rang 7, épaisseur 1 mm

Gain en termes de résolution angulaire avec l’approche ML-EM

Evolutions algorithmiques (3)

L’algorithmie parle à la spectrométrie !

Positions masque+ position anti-masque+ découpage en bandes d’énergie+ inversion du motif MURA

Position masque

Positions masque+ position anti-masque+ découpage en bandes d’énergie

Point chaud parasite

COMPLEXITE

PROJECTEUR

241Am(60 keV, 73 MBq)

137Cs(26 MBq)

Bruit

� Couplage algorithmes itératifs et spectrométrie� Application sur données expérimentales

METRODECOM : GAMPIX et la métrologie

� Validation métrologique des performances quantitatives de GAMPIX� Fabrication d’un jeu de sources de référence

� Variation formes et nature des radionucléides

� Performances GAMPIX pour quantification débit de dose

Collaboration LCAE/LNHB

Hauteur α

débit de doseSponctuelle

Intégration de GAMPIX sur un drone aérien

� Première intégration (réussie) sur un drone aérien

� Version miniaturisée « prototype » de GAMPIX…

� Autre adaptation envisageable : robot terrestre

� Objectifs du projet MOBISIC

241Am

� Intégration de capteurs NR sur drones aériens (spectrométrie + imagerie)

� Limitation sur la masse des capteurs (qques centaines de grammes)

Besoin de développer des capteurs miniaturisés

Drone aérien CEA LIST Mini caméra gamma Démo sur site ENSOP

Masquecodé

Size matters !

� Plus compact que GAMPIX, c’est possible !� Développement d’une version miniaturisée de GAMPIX

� Basée sur la mini carte développée dans le cadre de la collaboration Medipix

� Mêmes performances que GAMPIX mais compacité améliorée

+

Design Développement prototype Validation expérimentale

Caméras gamma nouvelle génération

� Quels objectifs pour le développement d’une nouvelle génération de caméras gamma ?

� Amélioration de la sensibilité pour les émetteurs gamma haute énergie (137Cs, 60Co)

� Fonctionnalités de spectrométrie fine

� Fonctionnement en mode hybride (masque codé et/ou imageur Compton)

� Nouvelle rupture technologique nécessaire au niveau du détecteur

� Plusieurs solutions technologiques développées ou en cours de développement dans le cadre de collaborations impliquant le LIST

Carte système embarqué (Linux) et interface Ethernet

Cartes de lecture (ASIC) et de traitement numérique (FPGA)

Plan de 4x4 cristauxSurface 100x100 mm²

Carte d’alimentation (basses et haute tension)

15x15x25 cm3

Poids 4kg50 cm3 de CZT128x128 pixels de 0.75mm

Système MYRIAGAMI (1)

� Développement d’un masque codé spécifique pour le système MYRIAGAMI

� Utilisation des masques HURAs historiques� Développement et réalisation d’un masque codé MURA rang 11 / épaisseur

4 mm par le LIST

90,3 mmDesign par simulation

Réalisation mécanique

Système MYRIAGAMI (2)

5 s 1,5 s

� Collaboration LETI/LIST/DAM-DIF dans le cadre du programme transverse NRBC-E

241Am, 15 m, 370 MBq 60Co, 2 m, 95 MBq

Sensibilité

Spectrométrie

241Am (2 sources) 57Co (1 source) Compositage couleur

Système MYRIAGAMI (3)

CdTe, 1 cm², 1 mm d’épaisseur

Anode pixellisée(256 pixels de 625 µm de côté)

Bump bonding

8 ASICs front-end IDeF-X

Grille de 4 × 4 broches

� Projet ANR/RSNR ORIGAMIX (Investissements d’Avenir / 2014-2016)

� Consortium intégrant plusieurs directions du CEA (DRT, DSM, DEN), des industriels (CANBERRA, 3D PLUS ) et des utilisateurs finaux (IRSN, GIE Intra )

� Intégration du capteur CALISTE-HD (développement CEA IRFU) au sein d’une caméra gamma de troisième génération

Projet ORIGAMIX (1)

Résolution en énergie de 1 % à l’241Am (60 keV) (25 % pour Timepix)

Pics d’absorption totale du 60Co (~ 1,25 MeV) visibles…avec 1 mm de CdTe

241Am : 60 keV

152Eu : 343,43 keV

137Cs : 662 keV

60Co : 1173 keV

60Co : 1333 keV

22Na : 1275 keV

133Ba : 81 keV

133Ba : 356 keV

152Eu :1408 keV

� Performances spectrométriques du détecteur CALISTE HD

Projet ORIGAMIX (2)

� Données expérimentales / Distance sources → caméra gamma ~ 1 m

Fenêtre 60 keV

Fenêtre 40 keV

241Am/133Ba

241Am/152Eu

Fenêtre 81 keV

Fenêtre 60 keV

Gain par rapport à Timepix pour la discrimination de radioéléments proches en énergie

� Applications algorithmes ML-EM sur données CALISTE-HD

Projet ORIGAMIX (3)

Conclusions et perspectives

� Développement et industrialisation de la caméra gamma GAMPIX

� Evolution du système iPix/GAMPIX en cours de développement

� Caméra gamma de troisième et quatrième génération

� GAMPIX : une réelle rupture technologique avec l’existantindustriel (sensibilité, masse, coût, etc)

� Multiples validations en laboratoire et sur différents sites

� Un transfert industriel réussi

� Fonctionnalités spectrométriques pour doter GAMPIX d’un mode spectro-imageur

� Algorithmes itératifs spécifiques pour optimisation des performances

� Intégration sur drones aériens

� Plusieurs familles de détecteurs développées et intégrées (ou en cours d’intégration) dans des systèmes d’imagerie gamma

� Nouvelles solutions proposées par la collaboration Medipix (Timepix 3)

� Fonctionnement en mode hybride (Compton+masque codé)comme objectif à atteindre