Détection de rayonnements neutroniques à base de gadolinium

Gadolinium-based detection of neutron radiations

• Auteur / Autrice : Jonathan Dumazert
• Direction : Laurence Méchin, Stéphane Normand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image, automatique et instrumentation de Caen (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Angélique
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Méchin, Stéphane Normand, Jean-Claude Angélique, Louise Stuttgé, Gérard Montarou, Raffaella De Vita, Jean-Marc Fontbonne, Romain Coulon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Louise Stuttgé, Gérard Montarou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Scintillateurs

Semiconducteurs

Réactions nucléaires

Rayons gamma

Neutrons

Gadolinium

Détecteurs de rayonnement

Résumé

La recherche d’alternatives aux compteurs neutroniques à hélium 3 forme un thème de premier plan dans l’instrumentation nucléaire contemporaine. La section efficace de l’élément gadolinium pour la capture des neutrons thermiques en fait un candidat prometteur. L’objectif de cette thèse est de dimensionner et d’évaluer des schémas de comptage fondés sur la signature de ces captures dans le milieu de détection. Trois domaines de recherche ont été explorés : la détection à base de scintillateurs plastiques, la détection à base de semi-conducteurs et la détection par transition de phase magnétique dans le gadolinium. L’étude théorique portant sur la transition ferromagnétique-paramagnétique du gadolinium a été conclue par une non-faisabilité pratique. Une méthode reposant sur l’insertion d’un cœur métallique de gadolinium dans un scintillateur plastique de grand volume a fait l’objet d’un dimensionnement. Un signal significatif entre 3 et 8 MeV en présence d’une source de californium 252 autorise une discrimination, par la hauteur des impulsions, de la radioactivité gamma naturelle. Des scintillateurs plastiques dopés au gadolinium, compensés par des scintillateurs dopés au bismuth, ont été modélisés, synthétisés et testés en présence d’émetteurs gamma et neutron. Le principe d’une compensation de capteurs couverts de feuilles de gadolinium par des capteurs couverts de terbium a fait l’objet de deux études. Le schéma de détection a reçu une première validation expérimentale via une exposition à des sources de césium 137 et de californium 252, pour des milieux plastiques dopés au bismuth ainsi que des cristaux de CdZnTe.

The search for alternatives to helium-3 neutron counters forms a driving topic in today’s nuclear instrumentation. The cross section of gadolinium for thermal neutron capture makes this element a promising candidate. This thesis aims at scaling and evaluating different counting schemes based on the signature of these captures inside the detection medium. Three research areas have been explored: plastic scintillator-based detection, semiconductor-based detection and magnetic phase transition in gadolinium. The theoretical study of the ferromagnetic-paramagnetic transition in gadolinium has been concluded by a practical infeasibility. A method built on the insertion of a metal gadolinium core at the center of a large plastic scintillator has been designed. A significant signal between 3 and 8 MeV in the presence of a californium-252 source allows pulse height discrimination from natural gamma-ray background. Gadolinium-loaded plastic scintillators, compensated by bismuth-loaded scintillators, have been modeled, synthetized and tested in presence of gamma and neutron emitters. The concept of a compensation of gadolinium foil-covered sensors by terbium-covered sensors has been studied. The detection scheme has received a first experimental validation via cesium-137 and californium-252 exposures, for bismuth-loaded scintillating media and CdZnTe crystals.