Développement d'algorithmes d'analyse spectrale en spectrométrie gamma embarquée

Embedded gamma spectrometry : new algorithms for spectral analysis

• Auteur / Autrice : Nicolas Martin-Burtart
• Direction : Abdelmjid Nourreddine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules élémentaires
• Date : Soutenance le 06/12/2012
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Beck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Guillot, Rodolfo Gurriaran
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alex C. Mueller, Arjan Plompen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Substances radioactives

Détecteurs de photons

Spectroscopie

Spectrométrie gamma

Mots clés libres

Spectrométrie gamma embarquée

Analyse spectrale

Basse énergie

Détection d’anomalie

Identification

Embedded gamma spectrometry

Spectral analysis

Low energy

Anomaly detection

Identification

Résumé

Jusqu’au début des années 1980, la spectrométrie gamma aéroportée a avant tout été utilisée pour des applications géophysiques et ne concernait que la mesure des concentrations dans les sols des trois radionucléides naturels (K40, U238 et Th232). Durant les quinze dernières années, un grand nombre de dispositifs de mesures a été développé, la plupart après l’accident de Tchernobyl, pour intervenir en cas d’incidents nucléaires ou de surveillance de l’environnement. Les algorithmes développés ont suivi les différentes missions de ces systèmes. La plupart sont dédiés à l’extraction des signaux à moyenne et haute énergie, où les radionucléides naturels (K40, les chaînes U238 et Th232) et les produits de fission (Cs137 et Co60 principalement) sont présents. A plus basse énergie (< 400 keV), ces méthodes peuvent toujours être utilisées mais les particularités du fond de diffusion, très intense, les rendent peu précises. Cette zone énergétique est importante : les SNM émettent à ces énergies. Un algorithme, appelé 2-fenêtres (étendu à 3), a été développé permettant une extraction précise et tenant compte des conditions de vol. La surveillance du trafic de matières radioactives dans le cadre de la sécurité globale a fait son apparition depuis quelques années. Cette utilisation nécessite non plus des méthodes sensibles à un élément particulier mais des critères d’anomalie prenant en compte l’ensemble du spectre enregistré. Il faut être sensible à la fois aux radionucléides médicaux, industriels et nucléaires. Ce travail a permis d’identifier deux familles d’algorithmes permettant de telles utilisations. Enfin, les anomalies détectées doivent être identifiées. La liste des radionucléides nécessitant une surveillance particulière, recommandée par l’AIEA, contient une trentaine d’émetteurs. Un nouvel algorithme d’identification a été entièrement développé, permettant de s’appuyer sur plusieurs raies d’absorption par élément et de lever les conflits d’identification.

Airborne gamma spectrometry was first used for mining prospection. Three main families were looked for: K40, U238 and Th232. The Chernobyl accident acted as a trigger and for the last fifteen years, a lot of new systems have been developed for intervention in case of nuclear accident or environmental purposes. Depending on their uses, new algorithms were developed, mainly for medium or high energy signal extraction. These spectral regions are characteristics of natural emissions (K40, U238- and Th-232 decay chains) and fissions products (mainly Cs137 and Co60). Below 400 keV, where special nuclear materials emit, these methods can still be used but are greatly imprecise. A new algorithm called 2-windows (extended to 3), was developed. It allows an accurate extraction, taking the flight altitude into account to minimize false detection. Watching radioactive materials traffic appeared with homeland security policy a few years ago. This particular use of dedicated sensors require a new type of algorithms. Before, one algorithm was very efficient for a particular nuclide or spectral region. Now, we need algorithm able to detect an anomaly wherever it is and whatever it is : industrial, medical or SNM. This work identified two families of methods working under these circumstances. Finally, anomalies have to be identified. IAEA recommend to watch around 30 radionuclides. A brand new identification algorithm was developed, using several rays per element and avoiding identifications conflicts.