Simulation et caractérisation expérimentale du détecteur à scintillation d’IGOSat

Simulation and Experimental Characterization of the Scintillation Detector for IGOSat

• Auteur / Autrice : Thanh-Hien Phan
• Direction : Philippe Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 30/01/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : etablissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Piat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Laurent, Michel Piat, Pierre Jean, Xuan Huy Le, Hubert Halloin, Laurent Dusseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Jean, Xuan Huy Le

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons

Rayons gamma

Méthode de Monte-Carlo

Scintillateurs

Électrons

Rayons gamma

Nanosatellites

Mots clés libres

CubeSat

Rayons gamma

Electrons

Scintillateur

Méthodes de Monte-Carlo

IGOSat

Environnement radiatif en orbite basse

Caractérisation instrumentale

MegaLib

CubeSat

Gamma-ray

Electron

Scintillator

Monte-Carlo technique

IGOSat

Low-Earth Orbit radiative environment

Instrument characterisation

MegaLib

Résumé

Cette thèse décrit les travaux effectués pour le développement du détecteur à scintillation du nanosatellite IGOSat. Sur la base des exigences du projet, un concept de détecteur a été validé, concept qui doit également être validé à la fois par la simulation et par l’expérience.IGOSat est un projet de satellite universitaire visant à développer un nanosatellite contenant une charge utile, basée sur un scintillateur, capable de mesurer le fond radiatif dans les zones aurorales et l’Anomalie de l’Atlantique Sud (ASA) en orbite terrestre basse. Le satellite dispose aussi d'une charge utile GPS bi-fréquence permettant de mesurer le contenu électronique total (TEC) de l'ionosphère. Ces deux charges utiles sont hébergées sur une plateforme 3U CubeSat qui sera lancée sur une orbite polaire à une altitude d’environ 650 km.La charge utile du scintillateur comprend un détecteur composé d'un cristal scintillant inorganique entouré de cinq scintillateurs organiques. Le scintillateur inorganique choisi est un cristal de CeBr3, sensible à la fois aux photons gamma et aux électrons. Les cinq scintillateurs plastiques EJ-200, qui sont principalement sensibles aux électrons, ont été choisis pour permettre de distinguer les deux types de particules. En d'autres termes, nous pouvons dire qu'une particule est un photon gamma lorsqu'elle n'interagit que dans le cristal de CeBr3, alors qu'il s'agit d'un électron si au moins une interaction est survenue dans un des scintillateurs plastique.Une simulation Monte-Carlo a été utilisée pour étudier la capacité de détection de ce détecteur. Une matrice de réponse a été élaborée pour la simulation des rayons gamma, qui peut être utilisée pour estimer le spectre en énergie des photons gamma en orbite terrestre basse.Un banc d'essai expérimental a été mis en place pour mesurer le spectre de rayonnement de sources radioactives. Ces mesures servent non seulement à valider le résultat de la simulation, mais également à en déduire la résolution en énergie du détecteur et une méthode d’étalonnage correspondante.Une comparaison entre les simulations de Monte-Carlo et les mesures expérimentales est également fournie dans cette thèse.Sur la base des travaux décrits ci-dessus, la thèse est constituée de 6 chapitres énumérés ci-dessous:- Le chapitre 1 est l'introduction au projet et une revue des études sur le fond radiatif en orbite terrestre basse, ainsi que les activités de développement CubeSat.- Le chapitre 2 décrit la configuration su satellite IGOSat, qui est développé pour remplir les exigences de fonctionnement des charges utiles.- Le chapitre 3 décrit le concept du détecteur à scintillation, son système électronique de lecture et le concept opérationnel de la charge utile.- Le chapitre 4 explique les processus physiques d’interaction d'une particule dans les matériaux à scintillation, la simulation de Monte-Carlo et la matrice de réponse du détecteur IGOSat.- Le chapitre 5 fournit les résultats des mesures expérimentales, issues des bancs de tests spécifiques mis en place. Les comparaisons entre simulation et expérience sont également décrites à la fin de ce chapitre.Le chapitre 6 est la conclusion de ce travail.

This dissertation describes the work that has been done for the development of the scintillation detector of the IGOSat nanosatellite. Based on the requirements of the project, a concept of the detector has been proposed which required the validation by both simulations and experiments.IGOSat is a university satellite project aimed at developing a nanosatellite containing a scintillator payload that can measure the radiative background in the aurora zones and the South Atlantic Anomaly (SAA) on Low-Earth Orbit. Beside that, the satellite has a GPS Dual-Frequency Payload for measuring the Total Electronics Content (TEC) in the ionosphere. These two payloads are hosted on a 3U CubeSat platform that will be launched on a polar orbit at an altitude of about 650 km.The scintillator payload included a detector which is composed of an inorganic scintillation crystal and five surrounding organic scintillators. The chosen inorganic scintillator is Cerium Bromide (CeBr3), which is sensitive to both gamma-ray photons and electrons. The five surrounding EJ-200 plastic scintillators, which are mainly sensitive to the electrons, are chosen to discriminate the two types of particles. In other words we can say a particle is a gamma-ray photon when it interacts only in the CeBr3 crystal, while it is an electron if at least one interaction happened in a plastic scintillator.Monte-Carlo simulations have been used to investigate the detection ability of this detector. A response matrix has been made for the gamma-ray simulation, which can be used to estimate the original energy spectrum of the Low-Earth Orbit gamma-ray photons.An experimental test bench has been set up for measuring the detected spectrum of radioactive sources. These measurements are not only used to validate the simulation results, but also to determine the energy resolution of the detector, and a calibration method for it.A comparison between the Monte-Carlo simulations and the experimental measurements is also provided in this dissertation.Based on the topics described above, the dissertation has 6 chapters as listed below:- Chapter 1 is the introduction to the project and a review of the studies on Low-Earth Orbit radiative background, as well as description on the CubeSat development activities.- Chapter 2 describes the IGOSat satellite configuration on the platform, which is developed to support the payload based on their requirements.- Chapter 3 describes the concept of the scintillation detector, its electronics readout system and the operational concept of the payload.- Chapter 4 explains the physical processes of a particle in the scintillation materials, the Monte-Carlo simulations and the response matrix of the IGOSat detector.- Chapter 5 provides the experimental measurement results, based on each test bench that has been set up. The comparisons between simulation and experiment are also described at the end of this chapter.Chapter 6 is the conclusion of the work.