L’IPHC a réalisé une première mondiale : la cartographie 3D ultraprécise de la réponse au rayonnement gamma de cristaux de germanium segmentés du spectromètre gamma AGATA. Ces mesures, inédites par leur précision et leur rapidité d’exécution, sont rendues possibles par une table de scan de très haute précision développée en interne. Ces travaux ouvrent des perspectives importantes pour l’ensemble de la communauté scientifique internationale de spectroscopie gamma et pour l’imagerie gamma en milieu industriel.
L’IPHC vient de franchir une étape technologique majeure en réalisant, en un temps record, une cartographie tridimensionnelle à haute résolution de l’efficacité de détection gamma d’un cristal de germanium segmenté, composant clé du spectromètre gamma AGATA (Advanced GAmma Tracking Array).
Cette avancée, inédite à l’échelle internationale, repose sur un dispositif développé à l’IPHC : une table de scan gamma de très haute précision, unique au monde, capable de mesurer la réponse du cristal en tous points de son volume, avec un niveau de détail jamais atteint.
Une prouesse d’ingénierie : rapidité, précision et cartographie complète
Avec un pas d’échantillonnage de 2 mm, la table de scan conçue à l’IPHC a permis de réaliser avec une rapidité et une précision inédites la cartographie complète de la réponse électrique au rayonnement gamma en 48 000 points du volume. Les nouvelles mesures en réduisant le pas d’échantillonnage à 1 mm iront encore plus loin avec 384 000 points.
L’approche adoptée par l’IPHC représente aujourd’hui le meilleur compromis au monde entre rapidité d’acquisition et qualité des données, tout en se distinguant par une capacité rare : scanner à grande vitesse la surface et l’intégralité du volume du cristal. Aucune approche concurrente n’est en mesure de faire les trois en même temps.
Une aventure technologique portée par le CNRS et l’université de Strasbourg
En 2003, alors que la spectrométrie gamma atteint ses limites, une nouvelle approche est proposée par AGATA : le tracking gamma grâce à des détecteurs au germanium segmentés. Cette approche prometteuse, basée sur l’analyse des formes d’impulsions, est en rupture technologique avec les standards de l’époque en physique nucléaire. Pour passer du prototype à la production, de 15 à 180 détecteurs, une connaissance fine de la réponse des détecteurs au rayonnement gamma s’impose. C’est alors qu’émerge en 2009 l’idée d’un dispositif permettant de caractériser à la chaine et de façon reproductible la totalité du volume d’un détecteur germanium segmenté : une table de scan.
En 2012, le Conseil scientifique de l’université de Strasbourg, séduit par le projet, accorde le financement de 85% des 45k€ nécessaires à l’acquisition d’un premier cryostat de test.
Par la suite, trois thèses sont cofinancées par la société Mirion et le CNRS ou la Région Grand Est. La maîtrise technologique acquise par l’IPHC mène également en 2024 à l’obtention d’une Médaille de Cristal du CNRS.
Dix ans de développements pour une première mondiale
Cette première mondiale est l’aboutissement de plus d’une décennie de développements menés à l’IPHC, mobilisant des expertises complémentaires :
- Mécanique de précision
Calculs de structure et de déformation pour garantir le positionnement stable et précis du cristal et de son cryostat. Le choix des matériaux, la maîtrise des flexions et les exigences d’usinage et d’assemblage ont été déterminants pour obtenir une précision micrométrique et une parfaite reproductibilité des mesures. - Physique des détecteurs
Compréhension fine du comportement du détecteur, dans son volume comme à sa surface, grâce à des calculs de champs électriques et à la modélisation du transport des charges créées par l’interaction du rayonnement gamma avec le cristal. Ces travaux, au croisement de la physique des détecteurs et de celle des semiconducteurs, sont indispensables pour interpréter correctement les signaux mesurés et identifier les éventuelles zones moins performantes du détecteur. - Informatique et traitement des données
Développement d’algorithmes de discrimination des événements pertinents, d’analyse en 2D pour parfaire jusqu’à l’échelle micrométrique l’alignement du cristal par rapport à son axe central et aux lignes de segmentation, et d’analyse en 3D pour construire la cartographie de la réponse gamma dans le volume du cristal.
La réussite du projet illustre la capacité de l’IPHC à conduire des développements instrumentaux complexes, à la frontière entre recherche et innovation technologique.
Des données inédites… au-delà des informations du constructeur
La table de scan développée par l’IPHC donne d’une part une information qualitative sur le volume actif du cristal, permettant de révéler les zones inactives, et d’autre part l’information quantitative de l’efficacité de détection, ainsi que la précision et la résolution en énergie en tout point du volume, ce qui permet de déceler aussi les défauts structurels. Les mesures réalisées à l’IPHC ont ainsi permis d’identifier des variations d’efficacité non documentés par le fabricant, invisibles avec les méthodes standards. Ces informations sont essentielles : elles offrent une connaissance du comportement du cristal de germanium bien au-delà des données disponibles à la fabrication et permettent désormais de :
- améliorer fortement les modèles mathématiques de réponse des détecteurs,
- rendre les simulations GEANT4 nettement plus fidèles aux mesures expérimentales,
- fournir un retour d’expérience précieux aux fabricants pour guider l’amélioration des cristaux de germanium
Un levier direct pour améliorer le traitement des données expérimentales de AGATA
Les algorithmes d’analyse de forme d’impulsion utilisés jusqu’à présent sur AGATA permettaient de déterminer la position des points d’interaction gamma dans le cristal avec une précision d’environ 5 mm.
L’analyse des données brutes d’une ancienne expérience de physique menée sur AGATA, par une intelligence artificielle développée par l’IP2i et entraînée avec les données de la table de scan de l’IPHC, a d’ores et déjà permis de doubler cette précision.
L’ambition est de descendre jusqu’à une précision millimétrique en entrainant l’IA avec des nouvelles données plus fines de la table de scan en cours d’acquisition.
Le bénéfice concernant la finesse avec laquelle pourront être analysés les mécanismes de physique nucléaire étudiés avec AGATA est immédiat.
Une innovation au service de toute la communauté
Au-delà du détecteur AGATA, ces travaux ouvrent des perspectives importantes pour l’ensemble de la communauté scientifique internationale de spectroscopie gamma. Ces nouvelles données sur les cristaux de germanium segmentés permettront de stimuler la R&D en termes d’efficacité de détection et de rapport signal/bruit. Plus largement, elles bénéficieront à de nombreuses applications, dans les domaines de la recherche en physique nucléaire et de l’imagerie gamma en milieu industriel.
Un nouveau projet en partenariat entre l’IPHC, la société Mirion et les laboratoires de l’INFN de Legnaro, Padoue et Milan (Italie) fait l’objet d’une demande de financement par l’Europe en 2026. Son objectif est d’aboutir à la production de nouveaux détecteurs germanium segmentés sans zone morte, ayant une efficacité de détection significativement supérieure à ceux du marché.