Soutenance de thèse de QUEVAUVILLERS Diane
Titre de thèse
Caractérisation de scintillateurs stilbène et EJ309 pour la métrologie et la spectrométrie des neutrons entre 100 keV et 22 MeV sur AMANDE et CEZANE
Characterization of stilbene scintillators and EJ309 at AMANDE and CEZANE for neutron metrology and spectrometry between 100 keV and 22 MeV
Résumé de la thèse
La métrologie des neutrons repose sur l'établissement de références fiables en énergie et en fluence, enjeux essentiels pour la recherche, l'industrie et la radioprotection. Le Laboratoire de Micro-irradiation, de Métrologie et de Dosimétrie du Neutron (LMDN) de l'Autorité de Sureté Nucléaire et de Radioprotection (ASNR), en lien avec le Laboratoire National de métrologie et des Essais (LNE), est en charge des références nationales dans ce domaine. Le LMDN utilise différents dispositifs dont des scintillateurs qui permettent de déterminer la distribution en énergie de la fluence des champs de neutrons. Toutefois, les scintillateurs liquides classiques ont pour défaut d'être limités aux énergies supérieures à 1 MeV.
Des progrès dans la croissance des cristaux de stilbène ont permis le développement de nouveaux scintillateurs ayant une meilleure résolution en énergie tout en étendant la plage de sensibilité aux neutrons entre 100 keV et 1 MeV. Dans le cadre du projet SIMONE, deux détecteurs stilbène et deux EJ309 de 2''×2'' ont été acquis par le LMDN et couplés à une acquisition numérique afin de renforcer les capacités de mesure.
Cette thèse a pour objectif la caractérisation complète de ces détecteurs pour les photons et les neutrons. Après l'optimisation des paramètres d'acquisition numérique et l'évaluation des performances en discrimination neutron/photon, une caractérisation photon a été réalisée sur la plage 59 keV – 7 MeV. Un étalonnage automatique basé sur une adaptation de la méthode dite de la dérivée seconde a été développé. Des simulations Monte-Carlo (MCNP6.2) ont permis de réaliser la matrice réponse photon qui a été ajustée avec des mesures sur des sources. Les résultats ont confirmé la supériorité en résolution des stilbènes par rapport aux EJ309, tout en soulignant une divergence entre simulations et mesures, notamment en fluence.
Les matrices de réponses neutrons en énergie et en fluence ont été établies pour une plage en énergie entre 100 keV à 22 MeV. La matrice de réponse neutron a été déterminée par temps de vol avec un spectre blanc sur l'installation NFS du GANIL (France). La normalisation en fluence a été déterminée à partir de mesures réalisées dans des champs de neutrons quasi-monoénergétiques à la PTB (Allemagne). Une simulation Monte Carlo a été développée pour corriger les effets d'empilement et de temps mort. Les réponses des stilbènes en dessous de 1 MeV ont pu être obtenues, la normalisation en fluence n'a pas pu être réalisée en raison de problème technique indépendant du système de mesure SIMONE.
Les résultats montrent que les scintillateurs stilbènes permettent une avancée majeure pour la métrologie des neutrons en couvrant la gamme 100 keV – 1 MeV, jusque-là inaccessible aux scintillateurs usuels. Les EJ309 offrent une réponse isotrope adaptée aux champs multidirectionnels. L'ensemble de ces détecteurs pourront établir des références métrologiques au LMDN.
Thesis resume
Neutron metrology relies on the establishment of reliable references in terms of energy and fluence, which are crucial for research, industry, and radiation protection. The micro-Irradiation, neutron metrology and dosimetry Laboratory (LMDN), in collaboration with the French National Metrology Institute (LNE), is responsible for the national standards in this field. The LMDN uses several systems as scintillators to determine the energy distribution of the fluence of the neutron fields. However, classical liquid scintillators are limited to energies above 1 MeV.
Recent advances in stilbene crystal growth have enabled the development of new crystals with better energy resolution while extending neutron sensitivity down to the 100 keV – 1 MeV range. Within the SIMONE project, two 2''×2'' stilbene detectors and two 2''×2'' EJ309 scintillators were acquired by the LMDN and coupled to a digital acquisition system in order to enhance measurement capabilities.
This thesis focuses on the complete characterization of these detectors for both photons and neutrons. After optimizing digital acquisition parameters and evaluating neutron/gamma discrimination performances, photon characterization was carried out over the 59 keV – 7 MeV range. An automatic calibration method, based on an adaptation of the so-called second derivative technique, was developed. Monte Carlo simulations (MCNP6.2) were performed to establish the photon response matrix, which was then adjusted with source measurements. Results confirmed the better resolution of stilbene detectors compared to EJ309, while also showing discrepancies between simulations and measurements, particularly in the fluence normalization.
Neutron response matrices in energy and fluence were established over an energy range from 100 keV to 22 MeV. The neutron response matrix was determined using the time-of-flight method on a white neutron spectrum at the NFS facility (GANIL, France). Fluence normalization was performed using measurements in quasi-monoenergetic neutron fields at the PTB (Germany). A Monte Carlo simulation was developed to correct for pile-up and dead-time effects. The responses of stilbenes below 1 MeV were obtained, but fluence normalization could not be carried out due to a technical problem unrelated to the SIMONE measurement system
The results demonstrate that stilbene scintillators represent a significant step in neutron metrology by covering the previously inaccessible 100 keV – 1 MeV range. The EJ309 scintillators provide a complementary isotropic response well-suited for multidirectional neutron fields. Altogether, these detectors will be suitable for establishing metrological references at the LMDN.