Mesure des données de désintégration de radionucléides relatives aux transitions bêta et aux captures électroniques à l'aide de calorimètres métalliques magnétiques

Measurement of nuclear decay data for beta decay and electron capture using metallic magnetic calorimeters

• Auteur / Autrice : Arshjot Kaur
• Direction : Martin Loidl, Matias Rodrigues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 10/11/2023
• 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 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 : Jean-Luc Sauvageot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loredana Gastaldo, Philippe Dessagne, Frédéric Juget
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loredana Gastaldo, Philippe Dessagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie nucléaire

Calorimètres

Électrons -- Capture

Désintégration bêta

Poids et mesures

Isotopes radioactifs -- Décroissance radioactive

Isotopes radioactifs

Détecteurs cryogéniques

Mots clés libres

Détecteurs cryogéniques

Métrologie des radionucléides

Données de décroissance radioactive

Spectroscopie d'énergie de désintégration

Probabilités fractionnelles de captures électroniques

Spectres bêta

Cryogenic detectors

Radionuclide metrology

Nuclear decay data

Decay Energy Spectroscopy

Fractional Electron Capture probability ratios

Beta spectrum

Résumé

La précision des probabilités fractionnelles de captures électroniques (CE) et des mesures des spectres bêta est vitale pour la métrologie des radionucléides. Lors de la détermination de l'unité SI d'activité, le becquerel, à l'aide de mesures d'activité primaire comme le comptage par scintillation liquide (LSC), les données de désintégration relatives à la désintégration bêta et à la CE sont essentielles. Ces données sont également cruciales pour valider les calculs théoriques et pour de nombreuses applications, notamment la médecine nucléaire, l'énergie nucléaire et la gestion des déchets, ou la recherche sur la physique des neutrinos. En outre, des données précises sur les intensités d'émission de photons provenant de radionucléides se désintégrant par CE sont essentielles pour l'étalonnage des détecteurs de rayons X et de rayons gamma. Dans la littérature, la plupart des données sur la désintégration bêta et la CE proviennent de mesures anciennes ou de calculs théoriques présentant des incertitudes importantes ou sous-estimées. Les mesures récentes effectuées à l'aide de détecteurs cryogéniques ont mis en évidence ces divergences. Les calorimètres métalliques magnétiques (MMC) sont des détecteurs cryogéniques qui ont démontré des performances impressionnantes dans les mesures de spectres bêta, de l'énergie totale de désintégration et de rayons X et gamma. Ils se caractérisent par une résolution en énergie élevée, un seuil d'énergie très bas et une excellente linéarité en énergie et un rendement de détection de près de 100 % aux basses énergies. Cette thèse utilise les MMC en mode de spectroscopie de l'énergie de désintégration, également connu sous le nom de mesure en géométrie 4π, pour mesurer les données de désintégration de radionucléides se désintégrant par transition bêta (comme le ¹⁴C) ou par CE (comme le ¹²⁵I, le ⁵⁴Mn, le ⁵⁹Ni et le ⁵¹Cr). Une grande importance est accordée à l'étape de préparation de sources pour éviter les distorsions spectrales causées par certains types de sources radioactives. Les résultats obtenus ont montré une amélioration des incertitudes et sont en grande partie en accord avec les valeurs de la littérature et celles du code de calcul BetaShape.

Accurate fractional electron capture probabilities and beta spectra measurements are vital in radionuclide metrology. When determining the SI unit of activity, Becquerel, using primary activity measurements e.g. by Liquid Scintillation Counting (LSC), decay data on beta decay and EC are essential. These data are also crucial for validating theoretical calculations and for numerous applications, including nuclear medicine, nuclear energy and waste management or neutrino physics research. Additionally, accurate data on the photon emission intensities from radionuclides undergoing electron capture (EC) is vital for calibrating X-ray and gamma-ray detectors. In the literature, most decay data concerning beta decay and electron capture is derived from old measurements or theoretical calculations having large or underestimated uncertainties. Recent measurements using cryogenic detectors revealed these discrepancies. Metallic Magnetic Calorimeters (MMCs) are cryogenic detectors that have demonstrated impressive performance in beta spectra, total decay energy, and X-ray measurements. Their key features include high energy resolution, a low energy threshold, excellent energy linearity, and nearly 100% detection efficiency at low energies. This thesis employs MMCs in the Decay Energy Spectroscopy (DES) mode, also known as 4π measurement mode, to measure the decay data for specific radionuclides undergoing beta decay (like ¹⁴C) and electron capture (such as ¹²⁵I, le ⁵⁴Mn, le ⁵⁹Ni, and ⁵¹Cr). Emphasis is placed on the source preparation step to address spectral distortions that can arise from certain types of radionuclide samples. The obtained results showed improvement in uncertainties and are in large part in agreement with the literature values and those from the BetaShape calculation code.