Nouvelles références en énergie X et gamma inférieures à 100 keV établies à l'aide de calorimètres magnétiques ultra haute résolution

A new energy scale for X- and gamma-rays below 100 keV using high-resolution metallic magnetic calorimeters

• Auteur / Autrice : Mostafa Lokman Zahir
• Direction : Martin Loidl, Matias Rodrigues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....) - Laboratoire national Henri Becquerel (France)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre de Marcillac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Jonnard, Alessandro Monfardini, Esther Ferrer-Ribas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Jonnard, Alessandro Monfardini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie des rayons X

Spectrométrie gamma

Rayonnements ionisants -- Mesure

Détecteurs cryogéniques

Calorimètres

Spectroscopie nucléaire

Mots clés libres

Métrologie des rayonnements ionisants

Spectrométrie de photon

Détecteurs cryogéniques

Ionizing radiation metrology

Photon spectrometry

Cryogenic detectors

Résumé

Les raies X et gamma émis par des radionucléides peuvent être utilisées pour étalonner l'échelle en énergie des détecteurs à dispersion d'énergie. C'est le cas notamment pour les détecteurs cryogéniques qui offrent une excellente résolution, mais présentent des non-linéarités qu'il faut corriger. Afin d'étalonner ces détecteurs avec précision en dessous de 200 keV, il est nécessaire de disposer de rayons X et gamma ayant une incertitude de l'ordre de 0,1 eV. Or, les énergies des photons gamma recommandées respectant ce critère sont rares ou basées sur une seule mesure expérimentale. L'objectif principal de cette thèse est de mesurer avec une excellente résolution des photons gamma en dessous de 200 keV pour améliorer les incertitudes sur leurs énergies à environ 0,1eV. Pour répondre à cet objectif, un nouveau détecteur cryogénique a été conçu. C'est un calorimètre métallique magnétique (Metallic Magnetic Calorimeter, MMC) doté de huit absorbeurs en or de 50 µm d'épaisseur sur une surface totale de 8,4 mm². Un montage a été réalisé pour accueillir quatre puces MMC, deux puces SQUID assurant la lecture des MMC et les circuits imprimés pour les connecter aux câbles du réfrigérateur à dilution qui sert à les refroidir à leur température de fonctionnement autour de 15 mK. De plus, le montage comporte un passeur cryogénique de sources radioactives, spécialement réalisé pour fonctionner à très basse température et pouvoir mesurer jusqu'à quatre sources séquentiellement. Les sources mesurées sont des mélanges de plusieurs radionucléides : trois radionucléides étalon utilisés pour corriger la non-linéarité du MMC (169Yb, 57Co et 153Gd) et sept radionucléides pour mesurer leurs énergies X et gamma avec une très faible incertitude (109Cd, 133Ba 155Eu, 210Pb, 239Np, 241Am et 243Am). Les mélanges entre radionucléides ont été choisis par simulations Monte Carlo pour minimiser les interférences spectrales. L'169Yb a été produit par irradiation d'une feuille de thulium avec des deutérons auprès du cyclotron Arronax.Deux sessions de mesure indépendantes sur deux lots de quatre sources ont été effectuées à environ 16 mK, avec des conditions de régulation de température différentes. La résolution en énergie du détecteur est de 15 eV à 36 eV entre 0 keV et 200 keV. La non-linéarité de chaque absorbeur a été corrigée avec les raies des radionucléides étalons et un polynôme de second degré. Les énergies X et gamma mesurées ont été analysées et combinées par différentes méthodes. Quelle que soit la session de mesure et la méthode d'analyse utilisée, les énergies obtenues sont cohérentes entre elles, seules les incertitudes diffèrent. Au final, les énergies de 15 raies gamma ont été mesurées et pour 14 d'entre elles, l'incertitude obtenue, environ 0,2 eV, est plus faible que celle des valeurs recommandées. Huit énergies de photons X Kα ont également été mesurées ; pour ces raies mieux connues, un très bon accord est observé avec les valeurs recommandées, validant ainsi la méthodologie utilisée.

The X and gamma rays emitted by radionuclides can be used to calibrate the energy scale of energy-dispersive detectors. This is particularly the case for cryogenic detectors, which offer excellent resolution but have non-linearities that need to be corrected. In order to calibrate these detectors accurately below 200 keV, it is necessary to have X-rays and gamma rays with an uncertainty of the order of 0.1 eV. However, recommended gamma-ray photon energies meeting this criterion are rare or based on a single experimental measurement. The main objective of this thesis is to measure gamma photons below 200 keV with excellent resolution in order to improve the uncertainties on their energies to around 0.1 eV. To meet this objective, a new cryogenic detector has been designed. It is a Metallic Magnetic Calorimeter (MMC) with eight 50 µm-thick gold absorbers covering a total surface area of 8.4 mm². An assembly was built to house: four MMC chips, two SQUID chips for reading-out the MMCs, and the printed circuits to connect them to the cables of the dilution refrigerator. The set-up also includes a cryogenic radioactive source sampler, specially designed to operate at very low temperatures and to measure up to four sources sequentially. The sources measured are mixtures of several radionuclides: three standard radionuclides used to correct the non-linearity of the MMC (169Yb, 57Co and 153Gd) and seven radionuclides used to measure their X and gamma energies with very low uncertainty (109Cd, 133Ba, 155Eu, 210Pb, 239Np, 241Am and 243Am). Mixtures of radionuclides in the sources were chosen by Monte Carlo simulations to minimise spectral interference. Ytterbium-169 was produced by irradiating a thulium foil with deuterons at the Arronax cyclotron.Two independent measurement sessions on two set of four sources were carried out at around 16 mK during two weeks, with different temperature control conditions. The energy resolution of the detector is 15 eV to 36 eV for gamma-rays between 0 keV and 200 keV. The non-linearity of each absorber was corrected using the lines of the standard radionuclides and a second-degree polynomial. The X-ray and gamma-ray energies measured were analysed and combined using various methods. Regardless ofthe measurement session and analysis method used, the energies obtained are consistent with each other, with only the uncertainties differing. In the end, the energies of 15 gamma-ray lines were measured and for 14 of them, the uncertainty obtained, around 0.2 eV, is lower than the recommended values. Eight Kα X-ray photon energies were also measured; for these well-known lines, very good agreement was observed with the recommended values, thus validating the methodology used in the work presented.