Les capteurs neutroniques sont généralement intégrés dans des environnements de mesure particulièrement contraints. Les assemblages classiques de détection, constitués d'un capteur intégré dans un montage mécanique avec transfert d'un signal, peuvent présenter une durée de vie trop limitée.
Pour répondre à cet enjeu, le cœur du dispositif imaginé par plusieurs équipes du CEA repose sur une diode en carbure de silicium (SiC), un matériau prometteur capable de détecter un neutron en produisant un signal. Ce semi-conducteur présente des propriétés thermomécaniques rendant possible la conception de capteurs capables de fournir des mesures stables, y compris à haute température.
L'étape suivante du projet consistait à concevoir un détecteur neutronique complet, en encapsulant une diode SiC dans un assemblage robuste capable de le protéger sans altérer ses propriétés. Traditionnellement, les capteurs sont montés sur des supports mécaniques complexes et souvent fragiles, peu adaptés aux conditions extrêmes. Pour répondre à cette contrainte, les équipes du CEA ont mis au point un nouveau type d'encapsulage combinant deux procédés innovants :
- La fabrication additive, utilisée pour produire des pièces complexes en alumine ou en alliage CuCrZr, offrant des géométries complexes impossibles à obtenir par des méthodes classiques.
- Le Spark Plasma Sintering (SPS), un procédé de frittage assisté par courant, garantissant un scellement rapide et efficace, assurant à la fois l'intégrité mécanique et la continuité électrique des assemblages.
Figure 1 : Prototype d'encapsulage d'un capteur neutron de type SiC par fabrication additive. Diamètre 15 mm x hauteur 25mm.
L'originalité du projet réside également dans l'intégration de structures origami au niveau des électrodes, améliorant le contact avec la diode tout en affinant les parois d'alumine pour limiter la fissuration à haute température.
Figure 2 : a) Pièces isolantes et conductrice réalisées en fabrication additives avant assemblage, b) schéma de l'assemblage montrant le capteur SiC (400µm d'épaisseur et 2x2mm²), les pièces en CuCrZr possèdent des régions creuses remplies de poudre non lasée en origami qui seront déformées lors du cycle SPS de façon à accommoder la compression du joint de verre.c) radiographie montrant la déformation des zones origami après scellement par SPS.