Étalonnage des instruments de mesure de l'activité volumique du thoron (²²⁰Rn) dans l'air

Calibration of thoron (²²⁰Rn) activity concentration monitors

• Auteur / Autrice : Benoît Sabot
• Direction : Philippe Cassette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie médicale et radioactivité
• Date : Soutenance le 25/11/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....) - Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Cassette, Elias Khan, Jean-François Pineau, Pierre-Yves Meslin, Bruno Barelaud, Jean-Christophe Sabroux, Nathalie Michielsen, Sylvie Pierre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dobromir Pressyanov, Georges Tymen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Radioactivité -- Mesure

Étalonnage

Radioactivité -- Instruments

Thoron

Radon -- Isotopes

Mots clés libres

Radon

Thoron

Métrologie

Monte-Carlo

Étalon primaire

Radon

Thoron

Metrology

Monte-Carlo

Primary standard

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer un système étalon de thoron afin de raccorder les instruments de mesure de l'activité volumique du thoron (²²⁰Rn) dans l'air. Le dispositif de mesure conçu est un volume composé d'un détecteur semi-conducteur silicium couplé à un champ électrique permettant la capture des descendants solides chargés du thoron à la surface du détecteur. Des simulations avec un code déterministe ont permis d'optimiser la forme et les dimensions du dispositif pour obtenir un champ électrique efficace pour la capture de ces descendants malgré un débit de circulation rapide à l'intérieur du volume de mesure. Des calculs Monte-Carlo ont aussi permis de définir le rendement de détection du dispositif, ainsi que la forme du spectre alpha. Les rendements de détection calculés pour la mesure du ²²²Rn et ²²⁰Rn ont été validés expérimentalement avec une atmosphère étalon de radon (²²²Rn) produite à l'aide d'un banc de dilution spécifiquement conçu. Une étude de sensibilité a montré que la réponse du dispositif est indépendante de la pression, de l'humidité et du débit de prélèvement dans la gamme de mesure considérée. L'analyse des spectres alpha obtenus a permis de qualifier précisément l'activité volumique d'une atmosphère en thoron avec une incertitude-type associée de 1%. Le dispositif, portable, a été transporté au laboratoire de métrologie de l'activité Italien pour réaliser des comparaisons avec leur dispositif en développement. Les résultats sont compatibles en tenant compte des incertitudes associées.

The goal of this PhD is to develop an activity standard for use in calibrating monitors used to measure the thoron (²²⁰Rn) concentration in air. The device, which has been designed to be the standard, is a volume with a silicon semi-conductor detector and an electric field which allows the charged decay products of thoron to be trapped on the detector surface. A finite element method has been used for the electric field simulations. This electric field is high enough to catch the decay products of thoron at the detector surface even with the high flow rate inside the volume. Monte-Carlo calculations were used to define the detection efficiency of the system and to optimise the geometry shape and size. The calculated detection efficiencies have been compared with the results obtained for a reference radon (²²²Rn) atmosphere produced with a new gas dilution setup. These experiments allowed the sensitivity of the system to be evaluated, as a function of the air properties. It has been demonstrated that the measurement system is independent of the pressure, the relative humidity and the flow rate for a large range of values. Through the analysis of measured alpha spectra the experimental gas detection efficiency was found to be consistent with the Monte-Carlo simulations. This portable system can now be used to evaluate precisely the thoron activity concentration with a well-defined associated uncertainty. Comparison measurements have been performed at the Italian metrological institute. Both systems are consistent within their uncertainties.