Développement d'un télescope Comton avec un calorimètre imageur 3D pour l'astronomie gamma

Development of a Compton Telescope with 3D Imaging Calorimeter for Gamma-Ray Astronomy

• Auteur / Autrice : Aleksandar Gostojić
• Direction : Vincent Tatischeff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique nucléaire et nucléosynthèse
• Date : Soutenance le 21/04/2016
• 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 : Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (Orsay, Essonne ; 1998-2019)
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Tatischeff, Elias Khan, Philippe Laurent, Lorraine Hanlon, Pierre Jean, Nicolas de Séréville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Laurent, Lorraine Hanlon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Logiciels

Simulation par ordinateur

Scintillateurs

Détecteurs

Astronomie gamma

Mots clés libres

Astronomie gamma

Télescope Compton

Imagerie gamma

Détecteurs

Scintillateurs

Simulation par ordinateur - Logiciels

Réseau de neurones

Gamma-ray astronomy

Compton telescope

Gamma-ray imaging

Detectors

Scintillators

Computer simulation - Software

Neural networks

Résumé

La thèse porte sur le développement d’un petit prototype de télescope Compton pour l'astronomie gamma spatiale dans la gamme d’énergie du MeV (0.1-100 MeV). Nous avons étudié de nouveaux modules de détection destinés à l'imagerie Compton. Nous avons assemblé et testé deux détecteurs à scintillation, l'un avec un cristal de bromure de lanthane dopé au cérium (LaBr₃:Ce) et l'autre avec un cristal de bromure de cérium (CeBr₃). Les deux cristaux sont couplés à des photomultiplicateurs multi-anodes 64 voies sensibles à la position. Notre objectif est d’optimiser la résolution en énergie en même temps que la résolution en position du premier impact d'un rayon gamma incident dans le détecteur. Les deux informations sont vitales pour la reconstruction d'une image avec le prototype de télescope à partir de l’effet Compton. Nous avons développé un banc de test pour étudier expérimentalement les deux modules, avec une électronique de lecture et un système d'acquisition de données dédiés. Nous avons entrepris un étalonnage précis du dispositif et effectué de nombreuses mesures avec différentes sources radioactives. En outre, nous avons réalisé une simulation numérique détaillée de l'expérience avec le logiciel GEANT4 et effectué une étude paramétrique extensive pour modéliser au mieux la propagation des photons ultraviolet de scintillation et les propriétés optiques des surfaces à l'intérieur du détecteur. Nous avons alors développé une méthode originale de reconstruction de la position d’impact en 3D, en utilisant un réseau de neurones artificiels entrainé avec des données simulées. Nous présentons dans ce travail tous les résultats expérimentaux obtenus avec les deux modules, les résultats de la simulation GEANT4, ainsi que l'algorithme basé sur le réseau de neurones. En plus, nous donnons les premiers résultats sur l'imagerie Compton obtenus avec le prototype de télescope et les comparons avec des performances simulées. Enfin, nous concluons en donnant un aperçu des perspectives d'avenir pour l'imagerie gamma Compton et considérons une application possible en discutant d’un concept de télescope spatial semblable à notre prototype.

The thesis aims to develop a small prototype of a Compton telescope for future space instrumentation for gamma-ray astronomy. Telescope’s main target is the MeV range (0.1-100MeV). We studied novel detector modules intended for Compton imaging. We assembled and tested 2 modules, one with a cerium-doped lanthanum(III) bromide (LaBr₃:Ce) crystal and the other with cerium(III) bromide (CeBr₃). Both modules are coupled to and read out by 64-channel multi-anode PMTs. Our goals are to obtain the best possible energy resolution and position resolution in 3D on the first impact of an incident gamma-ray within the detector. Both information are vital for successful reconstruction of a Compton image with the telescope prototype. We developed a test bench to experimentally study both modules and have utilized a customized readout electronics and data acquisition system. We conducted a precise calibration of the system and performed experimental runs utilizing different radioactive sources. Furthermore, we have written a detailed GEANT4 simulation of the experiment and performed an extensive parametric study on defining the surfaces and types of scintillation propagation within the scintillator. We utilized simulated data to train an Artificial Neural Network (ANN) algorithm to create a simplified 3D impact position reconstruction method and in addition developed an approximation routine to estimate the standard deviations for the method. We show all experimental results obtained by both modules, results from the GEANT4 simulation runs and from the ANN algorithm. In addition, we give the first results on Compton imaging with the telescope prototype and compare them with simulated performance. We analyzed and discussed the performance of the modules, specifically spectral and position reconstruction capabilities. We conclude by giving an overview of the future prospects for gamma-ray imaging and consider possible applications showing a concept of a space telescope based on our prototype.