Study of the influence of environmental factors on airborne gamma-ray spectrometry and application to environmental survey
Etude de l'influence des facteurs environnementaux sur la spectrométrie gamma aéroportée et application à la surveillance environnementale de sites
Résumé
Airborne gamma-ray spectrometry is an efficient technique to carry out the radiological assessment of a site of large spatial extent. Its application to environmental monitoring requires temporal repeatability of radionuclide concentration measurements in the soil. The innovative approach of this study is based on the coupled acquisition of gamma spectra from a simulated airborne hover at 50 meters and measurements of environmental factors over a continuous 14 month time-series, between April 2019 and June 2020, which allows the characterization of environmental factors affecting gamma-ray spectrometry. The study site (P2OA-CRA at Lannemezan) was selected for the presence of a 60 meter-tall meteorological mast capable of hosting a NaI(Tl) spectrometer, RSX-5, of the same kind as the one used during CEA gamma-ray surveys. The main objective of the thesis is characterize and correct the different measurement biases to isolate the gamma signal emitted from the ground. To this purpose, temporal chronicles were used to observe and quantify the environmental effects associated with the variation of soil moisture, atmospheric pressure, cosmic rays, precipitation, and atmospheric radon-222. Each parameter was the subject of a dedicated study, which led to the implementation of a correction on the measured gamma signal. Theoretical fit curves of the radionuclides, coupled with Geant-4 simulations, validated the removal of soil moisture effects. These fits are used to express the radionuclide concentration on a per dry soil mass basis and are therefore no longer a function of soil moisture at the time of the gamma-ray survey, an important source of variability. This corrective procedure was first validated for 40K, 232Th, and 137Cs, and then for 238U after the influence of atmospheric 222Rn was removed from the signal. This correction is also applicable using soil moisture acquired by remote sensing, in particular using SMAP L4 products. A complementary study on the monitoring of soil moisture profile by gamma radiation of the same radionuclide at different energies has opened up prospects for applications in precision agriculture. The characterization of an energy window centered on cosmic rays has made it possible to eliminate their influence on the measured gamma signal. If the effect of the semi-diurnal cycle of atmospheric pressure on the gamma-ray signal was evidenced for all radionuclides, its limited influence was not subject to a dedicated correction. The 238U-centric precipitation effect was studied on single rain event profiles of variable intensities. The increase in the 238U count rate associated with these events shows a linear relationship with the intensity of rainy episodes. The coupled 222Rn and 238U time-series were used to characterize and quantify the influence of atmospheric radon on the uranium gamma signal. A spectral component of atmospheric radon was extracted to that purpose. Following this new quantification of the influence of atmospheric 222Rn on the signal of 238U, a novel method for estimating the atmospheric 222Rn volume activity from airborne gamma spectrometry was developed. The 222Rn estimated this way can both be used in the correction protocol for the 238U signal and be the subject if dedicated studies. Maps of its temporal evolution from gamma spectrometry thus can thus be obtained. A global correction procedure was then implemented, CRADON, and applied to the spectra acquired during the airborne gamma-ray spectrometry campaign carried out on the study site. Maps produced with this protocol show a very good diurnal and semi-diurnal repeatability, which is not the case of the uncorrected maps. This validates the protocol developed in this study.[...]
La spectrométrie gamma aéroportée est une technique de mesure efficace pour établir un bilan radiologique ponctuel d'un site de grande étendue. Son application à la surveillance environnementale nécessite une répétabilité temporelle des mesures de concentration des radionucléides dans le sol. Le caractère innovant de cette étude repose sur l'acquisition couplée de spectres gamma issus d'un vol stationnaire simulé à 50 mètres et de mesures de facteurs environnementaux sur une chronique temporelle continue de 14 mois, entre Avril 2019 et Juin 2020, qui permet de caractériser les facteurs d'influence. Le site d'application, le P2OA-CRA de Lannemezan, a été choisi pour la présence d'un mât météorologique de 60 mètres permettant d'installer un spectromètre NaI(Tl), de type RSX-5 de même composition que celui utilisé lors des campagnes de mesures du CEA. L'objectif principal de cette thèse est de s'affranchir des différents biais de mesures pour isoler le signal gamma émis depuis le sol. Ainsi, les chroniques temporelles ont permis d'observer et de quantifier les effets environnementaux associés à la variation de l'humidité du sol, de la pression atmosphérique, des rayonnements cosmiques, des précipitations et du radon-222 atmosphérique. Chaque paramètre a fait l'objet d'une étude dédiée qui a débouché sur la mise en place d'une correction de cet effet sur le signal gamma mesuré. La loi d'ajustement théorique des radionucléides, couplées à des simulations Geant-4, ont validé la correction des effets de l'humidité du sol. Elles permettent d'exprimer les concentrations des radionucléides en sol sec et ne sont donc plus fonction de l'humidité du sol à l'instant de la mesure, qui représente une importante source de variabilité. Cette procédure a d'abord été validée pour le 40K, le 232Th ainsi que le 137Cs, puis pour le 238U, une fois l'influence du 222Rn atmosphérique soustraite du signal. Cette correction est également applicable en utilisant les humidités du sol acquises par télédétection satellitaire, notamment les produits L4 de SMAP. Une étude complémentaire sur le suivi du profil de l'humidité du sol par des rayonnements gamma d'un même radionucléide à différentes énergies ouvre des perspectives d'application en agriculture de précision. La caractérisation d'une fenêtre d'énergie centrée sur les rayonnements cosmiques a permis d'éliminer leur influence sur le signal gamma mesuré. Si l'effet du cycle semi-diurne de la pression atmosphérique sur les taux de comptage a pu être mis en évidence pour tous les radionucléides, son influence limitée n'a pas fait l'objet d'une correction dédiée. L'effet des précipitations centré uniquement sur le 238U a pu être étudié sur des profils d'événements de pluie uniques d'intensité variable. L'augmentation du taux de comptage de 238U associée à ces événements de pluie, présente une relation linéaire avec l'intensité des épisodes pluvieux. L'étude couplée des chroniques temporelles du 222Rn et du 238U a permis de quantifier l'influence du radon atmosphérique sur le signal gamma de l'uranium. Une composante spectrale associée au radon atmosphérique a été établie en ce sens. Suite à cette nouvelle quantification de l'influence du 222Rn atmosphérique sur le signal du 238U, une méthode pionnière d'estimation de l'activité volumique de 222Rn à partir de la spectrométrie gamma aéroportée a été développée. [...]
Domaines
Ingénierie de l'environnement| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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