caractérisation de l’environnement radiatif naturel...

Caractérisation de l’Environnement Radiatif Naturel Atmosphérique àl’aide du système de spectrométrie des neutrons étendu au domaine des hautes énergies HERMEIS

28èmes Journées L.A.R.D.

11 octobre 2011 / Toulouse

Adrien Cheminet

Responsables : Véronique Lacoste / Guillaume Hubert DRPH/SDE/LMDN / ONERA/DESP

Système de managementde la qualité IRSN certifié

Plan de la présentation

I. Contexte de l’étude

II. Description et principe de fonctionnement du spectromètre HERMEIS

III. Premières mesures environnementales avec le système de l’ONERA

Conclusion

- diapo 2 – Plan


- diapo 3 – Contexte


Champs de radiation complexes mixtes :


Mesures en champ complexe mixte de haute énergie

Production de champs neutroniques de haute énergie (> 20 MeV) par

réactions nucléaires secondaires

Emergence de cyclotrons de hautes énergies pour la proton/hadron-thérapie

L’environnement radiatif neutronique naturel (ERN)

Dosimétrie & Radioprotection médicale

Fort débit de fluence

Dosimétrie PN SEE Radionucléides cosmogéniques Bas débit de fluence


L’Environnement Radiatif Naturel (ERN) atmosphérique


Cascades ou gerbes atmosphériques de particules secondaires :

Radiations cosmiques primaires :

Rayonnement cosmique + Soleil

Proton (85%), Noyau d’Hélium (13%)

Radiations cosmiques secondaires :

•Neutrons

•Protons

•Muons

•Pions

•Electrons/Positrons & Photons γ


L’Environnement Radiatif Naturel (ERN) atmosphériqueLes neutrons atmosphériques

Large domaine d’énergie (du meV à plusieurs GeV : 13 décades)Principales contributions dans la dose reçue par le PN et les SEEVariation du débit de fluence total avec :

L’altitudeLes coordonnées géomagnétiques


0 5 10 15 200

1

2

3

4

5

Flux

tota

l (cm

-2.s

-1)

Altitude (km)

Altitude de montage Altitude de vol Maximum de Pfotzer

17 km30/06/115,6 GV

Exemple : Vol Paris–NYC = 0,032 mSvSEU : 1,62x10-5 /Mbit

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 201,0x10-2

2,0x10-2

3,0x10-2

4,0x10-2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Flux

tota

l (cm

-2.s

-1)

Rigidité de coupure géomagnétique (GV)

Φ(GV)

Toulouse (5,5 GV, 45°)

30/06/11z = 1000 m

Φ(°)

Latitude géomagnétique (°)



Large domaine d’énergie (du meV à plusieurs GeV : 13 décades)Principales contributions dans la dose reçue par le PN et les SEEVariation du débit de fluence total avec :

L’activité solaire :


04/19

0808

/1916

12/19

2404

/1933

08/19

4112

/1949

04/19

5808

/1966

12/19

7404

/1983

08/19

9112

/1999

04/20

08

0

50

100

150

200

250

Nom

bre

de tâ

ches

sol

aire

s

Date

23

2221

24

20

19

18

17

16

15

14

01/07

/2007

01/04

/2008

01/01

/2009

01/10

/2009

01/07

/2010

01/04

/2011

0,100

0,102

0,104

0,106

0,108

0,110

0,112

0

10

20

30

40

50

60

Flux

tota

l (cm

-2.s

-1)

Date

Flux total2885 m5,6 GV

Activité solaire

Nom

bre de tâches solairesSonde SOHO 13/03/2001



Spectre neutronique : distribution en énergie de la fluenceDébit de Fluence spectrale : ΦE(E) exprimée en cm-2.s-1.MeV-1

Représentation léthargique E.ΦE(E)=f(log(E))4 grands domaines :

région thermique ( < 0,5 eV)

plateau épithermique (0,5 eV-0,1 MeV)

pic d’évaporation (0,1 MeV–20 MeV)

pic de cascade ( > 20 MeV)


Développement d’un spectromètre à neutrons étendu au domaine des

hautes énergies

Caractérisation de l’ERN :Mesure du spectre de neutrons

atmosphériques

Gordon et al., 2004

11

2

23

4

3 4

II. Description du système HERMEIS

- diapo 9 – Le système HERMEIS


Spectromètre à sphères de Bonner étendu aux hautes énergiesSystème développé par l’IRSN depuis 2006

Thèse de Sébastien Serre (LMDN, 2010)HERMEIS : High Energy Range Multisphere Extended IRSN SystemPrincipe retenu pour la détection des neutrons

Sphère de Bonner avec détecteur central à remplissage gazeux (3He)


3He gazeux nth

Les épaisseurs et natures des coquilles et sphères définissent la réponse du détecteur 3He vis-à-vis de l'environnement

MeVQHpnHeouHpnHe

764,0),( 3

132

31

32

=+→+

Approche multi-sphères : meV - GeV


HERMEIS :10 sphères en polyéthylène

(3’’, 3.5’’, 4.5’’, 5’’, 6’’, 7’’, 8’’, 10’’ & 12’’)

3 sphères étendues Hautes Energies(7’’+ coquille W, 8’’+ W & 9’’ + Pb)

Haute efficacité : pression 3He : 10 atmFonctions de réponse en fluence Rd(E) calculées avec MCNPX (S. Serre)


10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 1050

10

20

30

40

50

60

70

80 7'' + W 8'' + W 9'' + Pb

Rép

onse

en

fluen

ce (c

m2 )

Energie (MeV)10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105

0

2

4

6

8

10

12

3" 3.5" 4" 4.5" 5" 6" 7" 8" 10" 12"

Rép

onse

en

fluen

ce (c

m2 )

Energie (MeV)


Reconstruction du spectre par déconvolutionHERMEIS est doté de nD = 13 sphèresE discrétisée sur nE = 130 groupes d’énergie

Code GRAVEL (ajustement non-linéaire par la méthode des moindres carrés) Solution acceptable par itération à partir d’un spectre a priori


∫=max

min

)()(E

E Edd dEEERM φ

Fluence spectrale du champ neutronique ‘inconnu’

Indication mesurée par la dème

sphère (coups)

Réponse en fluence ‘connue’de la dème sphère

Déconvolution : remonter mathématiquement à une solution physique à partir des nD mesures

III.Premières mesures environnementales

- diapo 13 – 1ères Mesures environnementales


Acquisition des données12 chaines d’acquisition en parallèle Développement d’une interface graphique

Choix des durées des cycles, sauvegarde…Monitorage des conditions météorologiques (T,P,H)



Mesures au LSBBThématique de recherche de l’ONERA : Caractérisation de l’ERN

Acquisition d’un spectromètre HERMEISMesures préliminaires avant l’installation au Pic du Midi

Le Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel (83)Conditions de bruit idéales à -500 m / -70 mMise à disposition de sites à basse altitude (+500 m / +1000 m)


100 101 10210-6

10-5

10-4

10-3

10-2

Flux

neu

tron

ique

(cm

-2.s

-1)

Profondeur (mwe)

neutrons atmosphériques secondaires (µ,n) dans Pb (µ,n) dans la roche (µ,n) dans H2O

(α,n)+fission issus de la radioactiviténaturelle de la roche


Bruit intrinsèque et stabilité des chaînes d’acquisitionRéglage des modules (palier Haute Tension)Mesure du bruit électronique intrinsèque

Pour chaque détecteurTest de stabilité des chaînes électroniques :

Avec et sans source 241Am-BeLongue durée (deux semaines minimum)


1762

,517

87,5

1812

,518

37,5

1862

,518

87,5

1912

,519

37,5

1962

,519

87,5

2012

,520

37,5

2062

,520

87,5

0

10

20

30

40

50

60

Nom

bre

de c

ycle

Classes de comptage

Nombre de cycles par classe distribution Gaussienne

0 40 80 120 160 200 2401700

1750

1800

1850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

2200

+2σ

−2σ

−σ

Cou

ps p

ar c

ycle

Cycle d'une heure

7'' - 241Am-Be (45 cm)

+σ

Moyenne

Conclusion : Electronique stableBruit intrinsèque << signal ERN


Mesures à basses altitudes (+500 m et +1000 m, 5,4 GV)Deux campagnes successives entre février et avril 2011Incertitude statistique < 1%Déconvolution : Spectre a priori fourni par le logiciel EXPACS


3 4 5 6 7 8 9 10 11 120,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

Md

(s-1

)

Diamètre des sphères (inch)

PE LSBB 500 m HE LSBB 500 m PE LSBB 1000 m HE LSBB 1000 m

Φtot, 500m = 1,3x10-2 cm-2.s-1 Φtot, 1000m = 3,0x10-2 cm-2.s-1 500 m

1000 m

10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 1030,0

5,0x10-4

1,0x10-3

1,5x10-3

2,0x10-3

2,5x10-3

3,0x10-3

3,5x10-3

4,0x10-3

E.φ E

(E) (

cm-2

.s-1

)

Energie (MeV)

EXPACS spectre +500 m GRAVEL spectre solution + 500 m EXPACS spectre +1000 m GRAVEL spectre solution + 1000 m


Mesures au sommet du Pic du Midi (+2885 m, 5,6 GV)Site opérationnel – Plateforme de mesures à long terme

12 h pour σstat < 1% avec la sphère de 12’’Spectromètre opérationnel depuis le 17 mai 2011


10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 1030,0

2,0x10-3

4,0x10-3

6,0x10-3

8,0x10-3

1,0x10-2

1,2x10-2E.φ E

(E) (

cm-2

.s-1

)

Energie (MeV)

EXPACS spectre +2885 m GRAVEL spectre solution +2885 m

3 4 5 6 7 8 9 10 11 120,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

Md

(s-1

)

Diamètre des sphères (inch)

PE Pic du Midi (+2900 m) HE Pic du Midi (+2900 m)

Φtot, Pic du Midi = 1,0x10-1 cm-2.s-1


Bilan sur les 1ères mesures en altitudeStabilité et robustesse du spectromètreFaisabilité de l’obtention du spectre à bas débit de fluenceRésolution temporelle conforme aux calculsVariation exponentielle du flux total avec l’altitude (cf. Partie I.)


500 1000 1500 2000 2500 30000,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

Pic du Midi 2885 mMay 2011

LSBB 1000 mMarch 2011

Déb

it de

flue

nce

tota

l (cm

-2.s

-1)

Altitude (m)

EXPACS calculations Experimental HERMEIS Exponential fit

LSBB 500 mApril 2011

10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 1050,0

2,0x10-3

4,0x10-3

6,0x10-3

8,0x10-3

1,0x10-2

1,2x10-2

E.Φ

E(E)

(n.c

m-2

.s-1

)

Energie (MeV)

Spectre à 2885 m Spectre à 1000 m Spectre à 500 m Spectre à 50 m

x9

Conclusion et perspectives

Des mesures environnementales concluantes ont été effectuéesObtention de spectres par déconvolution avec GRAVEL

Autres méthodes/codes à comparer…

Développement de routines pour l’analyse systématique des données enregistrées depuis mai 2011 au Pic du Midi

Valorisation scientifique des données :Météorologie spatiale (Eruptions solaires, GLE, FB…)Réseau de Moniteurs Neutrons Européens (NMDB)Dynamique du spectre des neutrons atmosphériquesSEE sur cartes de composants/mémoires

- diapo 20 – Conclusion


MERCI DE VOTRE ATTENTION !

Annexes. Caractérisation de HERMEIS

- diapo 22 – Caractérisation HERMEIS

III.Caractérisation de HERMEIS

Validation expérimentale des fonctions de réponseNécessaire pour la procédure de déconvolutionLarge domaine d’énergie Plusieurs campagnes de mesures

Réponses expérimentales < 20 MeVNorme ISO-8529-1Sources neutroniques de radionucléides

241Am-Be (campagne IRSN : 10/2008)252Cf (campagne NPL : 11/2010)

Champs monoénergétiques produit par accélérateur70 keV, 144 KeV, 565 KeV, 5 MeV & 17 MeV (campagne NPL : 11/2010)

Domaine des Hautes Energies > 20 MeVChamps quasi monoénergétiques de haute énergie

50 MeV & 150 MeV (campagne TSL : 11/2008)

Champs réalistes Faisceau ANITA (Atmospheric-like Neutrons from thIck TArget) (campagne TSL : 11/2008)Champ CERF (Cern European Realistic Field) (campagne CERN : 06/2011)



Validation expérimentale des fonctions de réponse < 20 MeVSources : coefficient de calibration Hélium 3Accélérateur Van de Graaff 3,5 MV du NPL (UK)

Production de protons ou deutons accélérés (jusqu’à 2,3 MeV)Cible Lithium, Deutérium ou TritiumDépendance angulaire du champ neutronique résultant

Mesure avec la technique du cône d’ombre (soustraction des diffusés)


0,1 1 100,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Taux

d'é

mis

sion

nor

mal

isé

Energie (MeV)

70 keV 144 keV 565 keV 5 MeV 17 MeV

)()( ,

ndirect

directdd E

MER n

Φ=


Validation expérimentale des fonctions de réponse < 20 MeVRésultats - FR validées :


0,01 0,1 1 10 1000

2

4

6

8

10

Rép

onse

en

fluen

ce (c

m2 )

Energie (MeV)

7''+W 7''+W exp 8''+W 8''+W exp 9''+Pb P''+Pb exp

(d)

0,01 0,1 1 10 1000

2

4

6

8

10

Rép

onse

en

fluen

ce (c

m2 )

Energie (MeV)

3'' 3'' exp 3.5'' 3.5" exp 4'' 4'' exp 4.5'' 4.5''exp

(a)

0,01 0,1 1 10 1000

2

4

6

8

10

Rép

onse

en

fluen

ce (c

m2 )

Energie (MeV)

5'' 5'' exp 6'' 6'' exp 7'' 7'' exp

(b)

0,01 0,1 1 10 1000

2

4

6

8

10

Rép

onse

en

fluen

ce (c

m2 )

Energie (MeV)

8'' 8'' exp 10'' 10'' exp 12'' 12'' exp

(c)


Validation expérimentale des fonctions de réponse > 20 MeVQuasi monoénergétique TSL

Accélérateur synchrotronProton 50 MeV ou 150 MeVCible LithiumChamp quasi-monoénergétique

(continuum + pic HE)

ANITA TSLProton 180 MeVCible TungstèneChamp réaliste > 0,1 MeV

(pics d’évaporation et de cascade)Application SEE

CERF-CERNSuper Proton SynchrotronFaisceau Hadrons+ (π+, p+, κ+) à 120 GeV/cCible Cuivre + Toit BétonChamp réaliste complet (meV à GeV)Application Dosimétrie PN



Validation expérimentale des fonctions de réponse > 20 MeVRésultats (déconvolution GRAVEL) :


1E-7 1E-5 1E-3 0,1 10 10000

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

8x105

E.Φ

E(E) (

cm-2.s

-1)

Energie (MeV)

ANITA spectre a priori GRAVEL spectre solution

0,1 1 10 1000

200

400

600

800

1000

1200

1400

E.Φ

E(E) (

cm-2.s

-1)

Energie (MeV)

TSL 46,5 MeV spectre a priori GRAVEL spectre solution

Fluence des neutrons > 20 MeV toujours minorée par rapport aux calculs (MCNPX : TSL ou Fluka : CERF)

Hypothèse : Réponse en fluence surestimée (modèle HE de MCNPX)

10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 1030,0

2,0x10-6

4,0x10-6

6,0x10-6

8,0x10-6

1,0x10-5

1,2x10-5

1,4x10-5

E.Φ

E(E)

(cm

-2.p

h-1)

Energie (MeV)

CERF CT7 spectre a priori GRAVEL spectre solution

Conclusion et perspectives

HERMEIS caractérisé auprès de champs neutroniques de référenceRéponses validées pour E < 20 MeVIncertitudes subsistantes dans le domaine HECalcul GEANT4 avec ≠ modèles HE pour confronter les résultats MCNPX

Des mesures environnementales concluantes ont été effectuéesObtention de spectres par déconvolution avec GRAVELAutres méthodes/codes à comparer…Développement de routines pour l’analyse systématique des données enregistrées depuis mai 2011 au Pic du MidiValorisation scientifique des données :

Météorologie spatiale (Eruptions solaires, GLE, FB…)Réseau de Moniteurs Neutrons Européens (NMDB)Dynamique du spectre des neutrons atmosphériquesSEE sur cartes de composants/mémoires


caractérisation de l’environnement radiatif naturel...

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