Développement d'une TPC pour les références en énergie et en fluence des champs neutroniques de basses énergies (de 8 keV à 5 MeV) - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Development of a TPC as a standard instrument for low energy neutron fields characterization (8 keV to 5 MeV)

Développement d'une TPC pour les références en énergie et en fluence des champs neutroniques de basses énergies (de 8 keV à 5 MeV)

Résumé

In order to judge the measurement reliability, metrology requires to measure quantities with their uncertainties, in relation to a reference through a documented and unbroken chain of calibrations. In neutron radiation field, instrument response has to be known as a function of the neutron energy. Then detector calibrations are required using reference neutron fields. In France, primary reference neutron fields are held by the LNE-IRSN, at the Laboratory for Neutron Metrology and Dosimetry (LMDN).In order to improve reference neutron field characterization, the LNE-IRSN MIMAC µTPC has been developed. This detector is a Time Projection Chamber (TPC), using a gas at low pressure (30 mbar abs. to 1 bar abs.). Nuclear recoils are generated by neutron elastic scattering onto gas atoms. By measuring the nuclear recoil energy and scattering angle, the µTPC detector is able to measure the energy distribution of the neutron fluence between 8 keV and 5 MeV.The main challenge was to perform accurate spectrometry of neutron fields in the keV range, following a primary procedure. First of all, a metrological approach was followed in order to master every physical process taking part in the neutron detection. This approach led to develop the direct and inverse models, representing the detector response function and its inverse function respectively. Using this detailed characterization, the energy distribution of the neutron fluence has been measured for a continuous neutron field of 27 keV. The reconstructed energy is 28,2 ± 4,5 keV, the difference between µTPC integral fluence measurement and other measurement methods is less than 6%. The LNE-IRSN MIMAC µTPC system becomes the only one system able to measure simultaneously energy and fluence at energies lower than 100 keV, following a primary procedure. The project goal is then reached. These measurements at energies lower than 100 keV shows also a non-linearity between the ionization charge and the ion kinetic energy. This ionization non-linearity study is linked to current radiobiology topics on absorbed dose mecanism.
Afin de juger de la fiabilité des mesures, la métrologie nécessite de quantifier des grandeurs avec leurs incertitudes en les reliant à une référence par une chaine ininterrompue et documentée d'étalonnages. Dans le domaine des rayonnements neutroniques, il est essentiel de connaitre la réponse des instruments de mesure en fonction de l'énergie des neutrons. Des étalonnages sont donc réalisés auprès de champs neutroniques de référence. En France, les références primaires en termes de champs neutroniques sont détenues par le LNE-IRSN, au sein du Laboratoire de Métrologie et de Dosimétrie des Neutrons (LMDN).Afin d'améliorer la caractérisation des champs neutroniques de référence, le détecteur LNE-IRSN MIMAC µTPC a été développé. Ce détecteur est une Chambre à Projection Temporelle (TPC), utilisant un gaz à basse pression (30 mbar abs. à 1 bar abs.). Des noyaux de recul sont produits par diffusion élastique des neutrons sur les atomes du gaz. En mesurant l'énergie et l'angle de diffusion des noyaux de recul, le détecteur µTPC mesure la distribution en énergie de la fluence des neutrons entre 8 keV et 5 MeV.Le défi majeur de cette thèse était de réaliser une spectrométrie fine des champs neutroniques dans le domaine du keV, selon une procédure de mesure primaire. Une démarche métrologique a d'abord été entreprise afin de maitriser l'ensemble des processus physiques intervenant dans la détection des neutrons par la µTPC. Cela a conduit au développement d'un modèle direct et d'un modèle inverse représentant respectivement la fonction de réponse du détecteur et sa réciproque. Grâce à cette caractérisation détaillée, la distribution en énergie de la fluence a été mesurée pour un champ neutronique continu de 27 keV. L'énergie des neutrons reconstruite est 28,2 ± 4,5 keV, la mesure intégrale de la fluence est en accord avec d'autres méthodes de mesures à 6% près. Le système LNE-IRSN MIMAC µTPC devient le seul capable de mesurer conjointement l'énergie et la fluence à des énergies inférieures à 100 keV, de manière primaire. L'objectif de la thèse est donc atteint. Ces mesures à des énergies inférieures à 100 keV a mis en exergue une non-linéarité de l'ionisation par rapport à l'énergie cinétique des ions. Au-delà de cette thèse, l'étude de cette non-linéarité fait écho aux questions actuelles en radiobiologie sur les mécanismes de dépôt de dose.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04460280 , version 1

Citer

Donovan Maire. Développement d'une TPC pour les références en énergie et en fluence des champs neutroniques de basses énergies (de 8 keV à 5 MeV). Physique [physics]. Université Grenoble Alpes, 2015. Français. ⟨NNT : 2015GREAY085⟩. ⟨tel-04460280⟩
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