Soutenance mémoire
Concepts de l’instrumentation nucléaire
Mesure de la radioactivité
La radioactivité, de manière générale, est le plus souvent abordée sous l’angle de ses risques. Elle l’est plus rarement sous l’angle de ses nombreuses applications ou sous l’angle du phénomène physique lui-même. Il est donc utile, dans un premier temps, de comprendre le phénomène physique de la radioactivité, avant d’aborder ses multiples applications contemporaines. La radioactivité est un phénomène physique naturel au cours duquel un noyau atomique émet des particules ou ondes électromagnétiques que l’on appelle rayonnement. C’est dans le contexte de la mesure de ces rayonnements que cette thèse se situe.
La détection de rayonnement est principalement utilisée dans la recherche fondamentale, pour la connaissance de l’univers et de ses lois ; elle permet également de contrôler le pilotage des réacteurs nucléaires, de mesurer l’irradiation des personnes potentiellement exposées, de contribuer aux nouvelles techniques de médecine, de sécuriser et contrôler les transports et la conformité des procédés industriels, de lutter contre le terrorisme et la prolifération nucléaire. La détection de ces rayonnements est donc importante à la fois pour se protéger, surveiller et mettre à profit cette formidable source d’énergie qu’est l’atome. Il est possible de distinguer deux grands types de méthode pour la mesure des rayonnements ionisants et pour comprendre ses applications. Ces deux types de mesure sont dits « mesures actives et passives » (Lyoussi 2010).
Mesures passives
Les mesures passives sont utilisées lorsque les rayonnements émis spontanément par l’élément radioactif ont une intensité et un parcours moyen dans la matière suffisants pour être détectés et donc permettre la caractérisation de l’émetteur et la catégorisation de l’objet mesuré. La mise en œuvre de ces mesures nécessite de disposer d’une chaîne de détection et d’acquisition spécifique au type de rayonnements émis. Les deux grandes applications de la mesure passive sont la spectrométrie gamma et le comptage (neutronique ou gamma). Un exemple de cas applicatif est la mesure passive utilisée dans les portiques de détection de radioactivité. Ces portiques, installés à l’entrée des centres de traitement des déchets par exemple , ont principalement pour rôle d’alerter l’exploitant de la présence de radionucléides dans le chargement d’un véhicule afin d’assurer la sécurité de son personnel. L’objectif de ce contrôle est par exemple la détection de sources radioactives ponctuelles (par exemple des sources de Cobalt 60 (60Co) ou de Césium 137 ( 137Cs)) qui sont dangereuses du point de vue de la radioprotection du personnel.
Mesures actives
Si, a contrario, la mesure des rayonnements émis spontanément par l’objet ne permet pas de le caractériser, le recours aux techniques actives s’avère alors nécessaire. Cela peut dépendre soit de la nature du rayonnement émis, soit de son intensité mais aussi de la présence ou non de rayonnements parasites interférant avec les signaux utiles. Comme leur nom l’indique, ces techniques nécessitent l’utilisation de sources externes génératrices de particules. Ces particules sont alors dites interrogatrices. Un exemple de cas applicatif de la mesure active est la caractérisation de matériaux dont la composition est inconnue et qui ne contiennent que des éléments n’émettant pas spontanément des radiations. C’est également une méthode employée pour la caractérisation de déchets radioactifs , afin de permettre la séparation des matières valorisables de celles qui ne le sont pas. Les principales applications de la mesure active sont la mesure neutronique active et la mesure par photofission induite.
Définition du signal
L’objectif de cette thèse est d’aboutir à une architecture permettant de couvrir un maximum de cas applicatifs. La chaîne de détection et de mesure du signal est identique pour les mesures non destructives passives et actives. Ce qui influence la chaîne de détection est le mode du signal.
Principes de base de la détection
Le rayonnement est une forme d’énergie. Cette énergie peut se déposer en totalité ou en partie dans un milieu approprié et produire ainsi un effet appelé interaction rayonnement-matière. Les interactions ont lieu avec ce qu’on appelle un milieu détecteur. Ces interactions génèrent directement ou indirectement des charges électriques lesquelles, une fois collectées, sont (pré)amplifiées et converties en signaux électriques. Cette opération est rendue possible grâce à la polarisation électrique du détecteur conduisant à l’établissement d’un champ électrique responsable du mouvement des charges produites et de leur collection.
D’une manière générale, la détection et la mesure de rayonnements constituent un processus à plusieurs étapes . Il s’agit, dans un premier temps, de faire interagir le rayonnement incident utile avec le milieu détecteur. Ces interactions sont ensuite converties en impulsions électriques qui sont traitées électroniquement et acheminées vers une unité d’acquisition et d’analyse. On obtient ainsi un premier résultat appelé grandeur brute ou grandeur mesurée. C’est cette donnée qui va ensuite parcourir une série de traitements afin d’être analysée pour accéder à ce qu’on appelle la grandeur recherchée. Toutes ces étapes permettent d’obtenir l’activité ou de caractériser la source au moyen de traitements appropriés prenant notamment en compte la sensibilité de détection, la distance source-détecteur, le bruit de fond etc… Dans la partie suivante, les différents modes de lecture possibles du signal sont présentés. Toutefois, quel que soit le mode de fonctionnement d’un détecteur et donc le principe sur lequel s’appuie la détection des rayonnements, il est constitué des mêmes éléments :
❖ un capteur au niveau duquel le rayonnement interagit avec la matière ;
❖ un système d’amplification qui met en forme et amplifie le signal produit par la sonde ;
❖ un système de traitement du signal (analogique et/ou numérique) ;
❖ un système d’affichage ou de post-analyse.
Principes et techniques de la mesure de radioactivité
Selon l’intensité du flux (quantité de rayonnement), trois modes de fonctionnement sont considérés pour le traitement. Le mode le plus couramment utilisé est le mode impulsion (ou moins couramment appelé régime de comptage) à basse puissance. Cependant, dans cette partie nous nous intéresserons également au mode courant à haute puissance ainsi qu’au mode fluctuation dans une moindre mesure, car il est désormais utilisé sur de nouveaux réacteurs expérimentaux ainsi que sur certains réacteurs embarqués comme dans les sous-marins à propulsion nucléaire. les signaux correspondant à ces différents régimes en fonction de l’augmentation du flux de particules détectées. les variations de courant correspondant aux interactions individuelles , celles-ci se confondent et forment des empilements à tel point qu’il n’est plus possible de les distinguer.
A présent, les fondamentaux des techniques de mesures qui y sont associées sont analysés afin de voir si ces éléments permettent d’envisager la création d’une architecture commune à tous les modes de fonctionnement et applications associées.
Principes et techniques de la mesure de radioactivité
Mode courant et fluctuation
Le mode courant, consiste en la mesure directe du courant mis en circulation dans le circuit détecteur. Le mode courant s’utilise pour une mesure moyenne de flux de particules. Lorsque le détecteur est exposé en permanence à un flux intense de rayonnement, ce dernier génère une succession continue de signaux qu’il n’est plus possible de mesurer individuellement et que l’on mesure alors sous forme d’un courant par une électronique appropriée. Le courant est donc composé de deux parties, une partie continue et une partie qui varie autour de cette première. L’unité peut être un débit de fluence exprimé en nombre ? de particules par seconde et par cm². L’information obtenue reste globale et ne renseigne pas sur les caractéristiques de chaque particule. Ce mode est principalement utilisé dans le contrôle commande des réacteurs pour mesurer le flux neutronique. La chaîne de mesure est constituée du détecteur polarisé par une alimentation haute tension et d’un dispositif, équivalent à un ampèremètre, permettant de mesurer la moyenne du courant. Le courant étant, dans ce mode, proportionnel au nombre de particules ayant interagi avec le milieu détecteur.
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Table des matières
Introduction
Contexte et problématiques
Démarche
Chapitre 1 : Analyse de la problématique & état de l’art
1.1 Concepts de l’instrumentation nucléaire
1.1.1 Mesure de la radioactivité
1.1.1.1 Mesures passives
1.1.1.2 Mesures actives
1.1.2 Définition du signal
1.1.2.1 Principes de base de la détection
1.1.2.2 Principes et techniques de la mesure de radioactivité
1.1.3 Principes et techniques de la mesure de radioactivité
1.1.3.1 Mode courant et fluctuation
1.1.3.2 Mode impulsion
1.1.3.3 Chaîne de mesure classique du mode impulsion
1.1.4 Le temps mort
1.1.5 Conclusion
1.2 Applications du mode impulsion
1.2.1 Comptage et spectrométrie
1.2.1.1 Le comptage
1.2.1.2 La spectrométrie
1.2.2 Discrimination de forme d’impulsion
1.2.3 Mesure de temps de vol et coïncidence
1.2.4 Conclusion sur la présentation des cas applicatifs
1.3 Algorithmes du mode impulsion
1.3.1 Algorithmes de discrimination
1.3.2 Algorithmes de mise en forme du signal
1.3.2.1 Correction de la ligne de base
1.3.2.2 Filtre trapézoïdal
1.3.3 Algorithmes d’extraction de l’information d’intérêt
1.3.4 Conclusion
1.4 Analyse des détecteurs
1.4.1 Résolution en énergie
1.4.2 Efficacité de détection
1.4.3 Résolution temporelle
1.4.4 Conclusion
1.5 Analyse des besoins en capacité de calcul de l’architecture
1.5.1 Prérequis en performance imposés par les détecteurs
1.5.2 Prérequis des besoins en ressources de calcul imposés par les traitements
1.5.3 Corrélation des prérequis en besoins de ressources de calcul imposés par les traitements et les détecteurs
1.5.4 Conclusion
1.6 Etat de l’art des chaînes de traitement numérique des impulsions
1.7 Conclusion
Chapitre 2 : Modèle d’exécution de l’architecture
2.1 Introduction
2.2 Définition du modèle d’analyse
2.2.1 Modèle d’analyse des prérequis en performances
2.2.1.1 Application analysée
2.2.1.2 Signal analysé
2.2.1.3 Modèle de départ
2.2.2 Modèle d’analyse du temps mort
2.3 Séparation des impulsions, modèle dirigé par les impulsions
2.3.1 Définition de l’étage d’extraction des impulsions
2.3.2 Analyse des besoins en ressources de calcul
2.3.2.1 Evolution du modèle primaire vers le modèle dirigé par les impulsions
2.3.2.2 Ajout d’une étape de mémorisation
2.3.2.3 Impact sur le temps mort
2.3.3 Conclusion
2.4 Macro-pipeline des traitements
2.4.1 Définition du macro-pipeline des traitements
2.4.2 Modèle d’analyse des prérequis en performances
2.4.2.1 Evolution du modèle dirigé par les impulsions vers le modèle macro-pipeliné dirigé par les impulsions
2.4.2.2 Impact sur le temps mort
2.4.3 Conclusion
2.5 Distribution des impulsions
2.5.1 Définition de la distribution des impulsions
2.5.2 Analyse des performances
2.5.2.1 Evolution du modèle macro-pipeliné vers le modèle distribué
2.5.2.2 Impact sur le temps mort
2.5.3 Conclusion
2.5.4 Discussion
2.6 Partage des ressources entre voies d’acquisition
2.6.1 Définition du partage de ressources
2.6.2 Analyse des performances
2.6.2.1 Evolution du modèle distribué vers le modèle partagé
2.6.2.2 Impact sur le temps mort
2.6.2.3 Validation du passage à l’échelle du modèle dirigé par impulsions à ressources de calcul partagées
2.6.3 Conclusion
2.7 Conclusion
Chapitre 3 : Extraction dynamique des impulsions
3.1 Introduction aux méthodes de déclenchement
3.1.1 Principe du seuillage
3.1.2 Principe du fenêtrage
3.1.3 Mise en forme du signal et gestion des empilements
3.1.4 Méthodes à voie multiples
3.1.5 Conclusion intermédiaire
3.2 Proposition d’un extracteur dynamique d’impulsion
3.2.1 Evaluation dynamique du seuil de détection
3.2.2 Fenêtrage adaptatif et détection des empilements
3.3 Simulations et résultats
3.3.1 Implémentation
3.3.1.1 Implémentation de l’estimateur de seuil
3.3.1.2 Implémentation de l’extracteur dynamique d’impulsions
3.3.1.3 Variantes d’implémentation possibles
3.3.2 Protocole expérimental
3.3.2.1 Description du signal d’entrée
3.3.2.2 Critères de comparaison
3.3.2.3 Méthodes évaluées
3.3.3 Résultats
3.4 Conclusion
Conclusion
