La thèse présente le développement de capteurs CMOS pour un futur dosimètre électronique neutrons. A côté des systèmes passifs largement répandus, les dosimètres actifs existants ne donnent pas satisfaction, alors qu’ils sont fermement recommandés par une directive européenne (IEC 1323). Le groupe RaMsEs de l’IPHC développe un nouveau concept de dosimètre électronique personnel neutrons à base de capteurs CMOS. Au cours de cette thèse, le circuit intégré AlphaRad2, à très bas bruit et très faible consommation électrique, a été implémenté dans une technologie commerciale. Il intègre un réseau de micro-diodes sur une surface sensible de 6.55 cm2 avec sa chaîne de traitement sur le même substrat de silicium. Des simulations physiques ont permis d’étudier le processus de collection de charge et d’optimiser l'efficacité de collection. La géométrie du capteur est un compromis entre la collection des électrons secondaires et de la capacité totale du détecteur. Le circuit de lecture comprend un amplificateur de charge (CSA), un circuit de mise en forme (shaper) et un discriminateur pour une réponse digitale. Nous présentons une analyse théorique complète du circuit, les paramètres de dessin, ainsi que des tests électriques et des tests en sources de rayonnement. La sensibilité effective du système est au niveau de la particule unique (proton ou alpha), grâce à un très bon rapport signal à bruit. Une série complète de mesures en sources de photons, de neutrons et de particules chargées a permis de démontrer une bonne efficacité aux neutrons rapides et surtout une excellente réjection gamma grâce à l’application d’un seuil électronique approprié. / This thesis presents the development of CMOS sensors for a future neutron sensitive electronic individual dosemeter. Active dosemeters, exist but do not yet give results as satisfactory as passive devices, being however, mandatory for workers in addition to the passive dosimetry since 1995 (IEC 1323). The RaMsEs group in the laboratory IPHC is exploring a new compact device based on CMOS sensors for operational neutron dosimetry. In this thesis, a dedicated sensor, AlphaRad-2, with low noise and very low power consumption (314 μW), has been implemented in a commercial CMOS technology. The AlphaRad-2 integrates the sensing part made of a micro-diode array of 32×32 n-well/p-epi diodes on a sensitive area of 6.55 mm2 and the signal processing electronics on the same silicon substrate. Device physics simulations have been performed to study the charge collection mechanism in diode matrices, and to optimize the collection efficiency and its time properties. The sensor geometry is a compromise between the collection performance and the total capacitance of the detector. A charge sensitive amplifier (CSA), a shaper, and a discriminator are employed in the readout circuit. We present its theoretical analysis, circuit design, and electrical tests. Our device has a sensitivity at the level of one single secondary charge particle (proton or α) thanks to its excellent noise performance. Extensive measurements to radioactive sources of α-particles, photons, and fast neutrons, have demonstrated good detection efficiency to fast neutrons and excellent γ-rejection through applying an appropriate electronic threshold.

Cette thèse a été préparée en cotutelle entre l’Université de Strasbourg et l’Université des SciencesTechniques et Technologies de Bamako (Mali). Elle s’articule principalement autour de la caractérisation des Détecteurs Solides de Traces Nucléaires (DSTN) afin de les utiliser pour la métrologie du radon et des neutrons conformément aux nouvelles recommandations de la Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR-103). Les fonctions de réponse de PN3 et Neutrak, associés avec des convertisseurs adaptés, ont été étudiés en les irradiant par des neutrons du calibrateur Am-Be de l’IPHC (Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien), aux protons de 1 à 3 MeV de l’accélérateur Van de Graaff de l’INESS (INstitut d’Electronique du Solide et des Systèmes) et par des neutrons de référence thermiques et rapides auprès des installations de l’IRSN (Institut de Radiologie et de Sûreté Nucléaire). En dosimétrie neutronique, nous avons pu reproduire les résultats d’un test d’intercomparaison pour des neutrons rapides organisé par l’IRSN qui a validé nos mesures expérimentales, ce qui a permis de les appliquer aux neutrons thermiques. Un prototype de dosimètre neutrons basé sur la détection des thermiques a été testé avec succès au calibrateur de l’IPHC. Nous avons ainsi pu démontrer la faisabilité d’un dosimètre pouvant discriminer la contribution des neutrons thermiques des neutrons rapides par des convertisseurs chargés en bore BE10 et BN1. Les étalonnages de PN3 par des protons et des particules alpha permettraient de reconstituer le spectre en énergie des neutrons et de déterminer la dose associée.En métrologie radon, l’étalonnage de CR-39 dans une chambre à 222Rn a fourni une valeur de 0,12±0,02tr.cm-2.j-1.Bq-1.m3. Elle a été comparée à la valeur 0,13 tr.cm-2.j-1.Bq-1.m3 obtenue par simulation Monte Carlo à l’aide du code MCNPX. Comme application, la concentration et la dose effective annuelle du radon ont été déterminées pour la première fois dans des habitats de Bamako. Toutes les valeurs obtenues se trouvent dans les limites de sécurité recommandées par la CIPR. Également pour la première fois, des mesures par spectrométrie gamma et par contact radiographie ont été réalisées sur des échantillons de sol malien. Les activités massiques mesurées pour les régions de Ségou, Sikasso, Bamako et Kayes se trouvent dans la gamme de 19,9 à 132 Bq.kg-1. / This thesis was prepared in cotutelage between the University of Strasbourg and the University of Technical Sciences and Technology of Bamako (Mali). It deals principally with the characterization of Solid State Nuclear Track Detectors (SSNTD) for measuring radon and neutrons in conformity with the new recommendations of the International Commission for Radiation Protection (CIPR-103). The response functions of PN3 and Neutrak, associated with adapted converters, have been studied in irradiations with neutrons at the Am-Be irradiator of the IPHC (Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien), with 1 to 3 MeV protons of the Van de Graaff accelerator of the INESS (INstitut d’Electronique du Solide et des Systèmes)and by reference thermal and fast neutrons at the IRSN (Institut de Radiologie et de Sûreté Nucléaire).As concerns neutron dosimetry, we could reproduce the results of fast neutron intercomparison test organized by the IRSN, which validated our experimental methods and permits them to be applied to thermal neutrons. A prototype neutron dosimeter based on thermal detection has been successfully tested at theIPHC’s irradiator. The feasibility of a dosimeter to discriminate thermal and fast neutrons using boron containing BE10 and BN1 converters has been demonstrated. Calibrations of PN3 with protons and alphaparticles will permit reconstituting neutron energy spectrum and to determine the associated dose.Calibration of CR-39 in a 222Rn chamber furnished the value 0.12± 0.02 tr.cm-2.d-1.Bq-1.m3 that can becompared to the value 0.13 tr.cm-2.d-1.Bq-1.m3 obtained by MCNPX simulation. As an application, the concentration and annual effective dose of radon has been determined for the first time in some dwellings of Bamako. All of the values are within the security limits recommended by the CIPR. Also for the first time,measurements by gamma spectrometry and by contact radiography were made on samples of Malian soil.The mass activities measured for the regions of Ségou, Sikasso, Bamako and Kayes fall in the range of 19.9to 132 Bq.kg-1.