Caractérisation de l’Environnement Radiatif Naturel...
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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
I. Contexte de l’étude
- diapo 3 – Contexte
I. Contexte de l’étude
Champs de radiation complexes mixtes :
- diapo 4 – Contexte
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
I. Contexte de l’étude
L’Environnement Radiatif Naturel (ERN) atmosphérique
- diapo 5 – Contexte
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
I. Contexte de l’étude
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
- diapo 6 – Contexte
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 (°)
I. Contexte de l’étude
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’activité solaire :
- diapo 7 – Contexte
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
I. Contexte de l’étude
L’Environnement Radiatif Naturel (ERN) atmosphériqueLes neutrons atmosphériques
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)
- diapo 8 – Contexte
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
II. Description du 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)
- diapo 10 – Le système HERMEIS
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
II. Description du système HERMEIS
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)
- diapo 11 – Le système HERMEIS
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)
II. Description du système HERMEIS
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
- diapo 12 – Le système HERMEIS
∫=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
III.Premières 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)
- diapo 14 – 1ères Mesures environnementales
III.Premières mesures environnementales
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)
- diapo 15 – 1ères Mesures environnementales
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
III.Premières mesures environnementales
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)
- diapo 16 – 1ères Mesures environnementales
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
III.Premières mesures environnementales
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
- diapo 17 – 1ères Mesures environnementales
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
III.Premières mesures environnementales
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
- diapo 18 – 1ères Mesures environnementales
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
III.Premières mesures environnementales
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.)
- diapo 19 – 1ères Mesures environnementales
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
- diapo 21 – 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)
- diapo 23 – Caractérisation HERMEIS
III.Caractérisation de HERMEIS
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)
- diapo 24 – Caractérisation HERMEIS
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=
III.Caractérisation de HERMEIS
Validation expérimentale des fonctions de réponse < 20 MeVRésultats - FR validées :
- diapo 25 – Caractérisation HERMEIS
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)
III.Caractérisation de HERMEIS
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
- diapo 26 – Caractérisation HERMEIS
III.Caractérisation de HERMEIS
Validation expérimentale des fonctions de réponse > 20 MeVRésultats (déconvolution GRAVEL) :
- diapo 27 – Caractérisation HERMEIS
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
- diapo 28 – Conclusion