Applications environnementales de l'étude métrologique des réactions photonucléaires sur les éléments légers.

Le LNHB est en train de développer au travers d'une thèse et d'un projet financé par le LNE, un prototype de détection des matières illicites en utilisant la méthode d’interrogation photonique active et basé sur la spectrométrie des photoneutrons émis par des cibles irradiées par un accélérateur linéaire d'électron. Ce nouveau sujet de thèse consiste à étudier les réactions photonucléaires sur des éléments légers pour des applications environnementales, en premier au travers d'une meilleure compréhension des photoneutrons, neutrons secondaires et des taux de production de radionucléides cosmogéniques produits dans l'atmosphère lors des flashs de rayons gamma terrestres associés aux orages ou des sursauts gamma d'origine cosmique. L'installation expérimentale unique du LNHB-MD sera utilisée pour obtenir des données nucléaires de base tels les distributions angulaires et en énergie des photoneutrons émis par des d'éléments légers ainsi qu'une caractérisation des produits d'activation. Les données recueillies permettront d'améliorer la description des processus photonucléaires pour les éléments légers dans les codes Monte-Carlo et d'estimer leur influence sur des grandeurs mesurables au travers de codes de simulation de phénomènes environnementaux. La même méthodologie pourra être appliquée pour l'étude des réactions photonucléaires ayant lieu dans les roches - composées principalement d'éléments légers - suite à l'irradiation par des photons de haute énergie d'origine naturelle ou artificielle, ceci pour la détection de minéraux et la détermination d'albédo neutron.

Caliste-3D CZT: développement d’un spectro-imageur gamma miniature, monolithique et hybride à efficacité améliorée dans la gamme 100 keV à 1 MeV et optimisé pour la détection de l’effet Compton et la localisation sous-pixel

L’observation multi-longueur d’onde des sources astrophysiques est la clé d’une compréhension globale des processus physiques en jeu. En raison de contraintes instrumentales, la bande spectrale de 0,1 à 1 MeV est celle qui souffre le plus d’une sensibilité insuffisante de détection dans les observatoires existants. Ce domaine permet d’observer les noyaux actifs de galaxies les plus enfouis et les plus lointains pour mieux comprendre la formation et l’évolution des galaxies à des échelles cosmologiques. Il relève des processus de nucléosynthèse des éléments lourds de notre Univers et l’origine des rayons cosmiques omniprésents dans l’Univers. La difficulté intrinsèque de la détection dans ce domaine spectral réside dans l’absorption de ces photons très énergétiques après des interactions multiples dans le matériau. Cela requiert une bonne efficacité de détection mais également une bonne localisation de toutes les interactions pour en déduire la direction et l’énergie du photon incident. Ces enjeux de détection sont identiques pour d’autres applications à fort impact sociétal et environnemental : le démantèlement et l’assainissement des installations nucléaires, le suivi de la qualité de l’air, la dosimétrie en radiothérapie.
Cette thèse d’instrumentation a pour objectif de développer un détecteur « 3D » polyvalent, exploitable dans les domaines de l’astrophysique et de la physique nucléaire, avec une meilleure efficacité de détection dans la gamme 100 keV à 1 MeV et des évènements Compton, ainsi que la possibilité de localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel.
Plusieurs groupes dans le monde, dont le nôtre, ont développé des spectro-imageurs X dur à base de semi-conducteurs haute densité pixélisés pour l’astrophysique (CZT pour NuSTAR, CdTe pour Solar Orbiter et Hitomi), pour le synchrotron (Hexitec UK, RAL) ou pour des applications industrielles (Timepix, ADVACAM). Leur gamme d’énergie reste toutefois limitée à environ 200 keV (sauf pour Timepix) en raison de la faible épaisseur des cristaux et de leurs limitations intrinsèques d’exploitation. Pour repousser la gamme en énergie au-delà du MeV, il faut des cristaux plus épais associés à des bonnes propriétés de transport des porteurs de charge. Cela est actuellement possible avec du CZT, mais nécessite néanmoins de relever plusieurs défis.
Le premier défi était la capacité des industriels à fabriquer des cristaux de CZT homogènes épais. Les avancées dans ce domaine depuis plus de 20 ans nous permettent aujourd’hui d’envisager des détecteurs jusqu’à au moins 10 mm d’épaisseur (Redlen, Kromek).
Le principal défi technique restant est l’estimation précise de la charge générée par interaction d’un photon dans le semi-conducteur. Dans un détecteur pixélisé où seules les coordonnées X et Y de l’interaction sont enregistrées, augmenter l’épaisseur du cristal dégrade les performances spectrales. Obtenir l’information de profondeur d’interaction Z dans un cristal monolithique permet théoriquement de lever le verrou associé. Cela nécessite le déploiement de méthodes expérimentales, de simulations physiques, de conception de circuits de microélectronique de lecture et de méthodes d’analyse de données originales. De plus, la capacité à localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel contribue à résoudre ce défi.

Architecture pour système embarquée de Cartographie Automatisée et Fiabilisée d’installations indoor

Les travaux de recherche proposés s’intéressent à la localisation en 3D des données issues de mesures à l’intérieur de bâtiments, où les systèmes de localisation satellitaires, tels que le GPS, ne sont pas opérationnels. Différentes solutions existent dans la littérature, elles s’appuient notamment sur l’utilisation d’algorithmes de type SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), mais la reconstruction 3D est généralement effectuée a posteriori. Afin de pouvoir proposer ce type d’approche pour des systèmes embarqués, une première thèse a été menée et a conduit au choix des algorithmes à embarquer et à une ébauche de l’architecture électronique. Une première preuve de concept a également été mise en œuvre. Dans la continuité de ces travaux, la thèse devra proposer une méthode permettant au dispositif de localisation d’être facilement embarqué sur une large gamme d’équipements de mesure nucléaire (radiamètre, contaminamètre, spectrométrie portable…). Les travaux ne se limitent pas à une simple phase d’intégration, ils nécessitent en effet une exploration architecturale qui reposera sur des approches d’Adéquation Algorithme Architecture (AAA). Ces approches permettront de respecter différents critères, tel que poids et encombrement faible pour ne pas compromettre l’ergonomie pour les opérateurs réalisant les cartographies et qualité de la reconstruction pour assurer la fiabilité des données d’entrée pour les modèles du Jumeau Numérique.

Etude du dopage des couches polycristallines pérovskites pour l'imagerie X médicale

Le CEA est un acteur majeur dans le domaine de la recherche autour des imageurs X pour l’imagerie médicale. Depuis quelques années, notre laboratoire au LITEN travaille en collaboration avec le LETI sur une nouvelle génération de détecteurs directs à base de photoconducteurs pérovskites de type halogénure de plomb pour des applications envisagées en radiographie, mammographie, ou chirurgie cardiaque. Le laboratoire a développé plusieurs procédés de fabrication de couches épaisses (>100µm) de semi-conducteurs pérovskites. Les performances sont à la pointe de l’état de l’art mais doivent encore être stabilisées et améliorées pour répondre aux spécifications sévères de l’imagerie médicale. Cela passera notamment par une maitrise avancée des propriétés volumiques et surfaciques de la couche semi-conductrice comme ça a été le cas pour les autres semi-conducteurs (Si, Ge, CdTe, CZT, a-Se).
Le candidat s’inspirera des développements de la communauté pérovskite autour des monocristaux CsPbBr3 de haute pureté pour les détecteurs gamma, et transférera ce savoir-faire au cas des couches polycristallines pour la radiographie X. Il étudiera dans un premier temps les effets de dopage extrinsèques non intentionnels liés à l’environnement sur les performances des détecteurs X. Dans un deuxième temps, il travaillera à réduire le dopage intrinsèque non intentionnel du CsPbBr3 en développant des techniques de purification des matériaux précurseurs pour supprimer les impuretés chimiques résiduelles. En parallèle, une attention particulière sera portée aux joints de grains des couches polycristallines et sur la faisabilité de passiver les défauts de surface par traitements chimiques. Les couches seront ensuite testées en dispositifs détecteurs de rayons X ou gamma. Une thèse lancée en parallèle au LETI se chargera de caractériser la densité et la nature des porteurs intrinsèques en fonction des conditions matériaux et procédés. Suivant l’avancement de la thèse, il pourra être envisagé de doper de manière intentionnelle le CsPbBr3. Les résultats obtenus dans le cadre de la thèse permettront d’améliorer les performances des détecteurs X pour se rapprocher des spécifications de l’imagerie médicale, et de monter en expertise sur la détection gamma (gamma caméra). Le travail se déroulera dans un fort contexte collaboratif entre laboratoires du CEA (LITEN, LETI, IRESNE), du CNRS (Institut Néel) et des laboratoires étrangers. Le doctorant interagira avec plusieurs doctorants et post-doctorants autour d’une thématique commune.

Développement d’un dispositif de mesure par coïncidences neutron/gamma pour la caractérisation de sources neutrons type XBe

Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre des activités d’étalonnages de sources neutroniques au LNHB et de R&D au sein du SIMRI - CEA/LIST, visant à développer des chaînes de mesures neutroniques pour le CEA et pour l’industrie nucléaire. L’objectif du travail de thèse est de développer un dispositif de mesure compact par coïncidences neutron/gamma afin d’améliorer la caractérisation des sources de type XBe – réaction (alpha,n) ou mixtes (alpha,n) et fission spontanée. On peut citer par exemple : américium-béryllium, plutonium-béryllium, curium-béryllium, ou encore des sources exotiques de forte émissivité et mélangeant plusieurs radionucléides alpha (ex. américium-plutonium-béryllium). Pour cette famille de sources, l’émission de neutron par réaction (alpha,n) s’accompagne de l’émission simultanée d’un photon gamma caractéristique à 4,4 MeV. La détection du neutron et du gamma en coïncidence est susceptible d’apporter une information d’intérêt dans le processus de caractérisation de la source, que ce soit pour la mesure du débit d’émission neutronique ou pour la détermination du spectre en énergie des neutrons. Il s’agit de mesurer précisément les signatures gamma et neutrons ainsi que les rapports d’intensité gamma/neutron issus des réactions conduisant à l’émission d’un neutron. Le dispositif devra être capable de mesurer également les neutrons émis par réaction de fission spontanée ou par réaction (n,2n) dans le béryllium. D’autres émissions photoniques sont également susceptibles de fournir des informations d’intérêts, par exemple, l’émission d’un gamma à 2,2 MeV issue d’une réaction de capture sur l’hydrogène. Les mesures de coïncidences neutron/gamma serviront aussi à améliorer l’évaluation des données nucléaires comme les sections efficaces de captures de certains éléments d’intérêts, ex. réaction (n,gamma) sur l’oxygène ou sur l’hydrogène.

Compréhension des mécanismes de soudage diffusion d’un alliage de titane biphasée a+ß

Dans le cadre d'un projet nucléaire à courte échéance, le CEA/LITEN supporte les activités de fabrication d’un générateur de vapeur en alliage de titane par CIC (Compression Isostatique à Chaud). Selon son histoire thermique et/ou thermomécanique, l’alliage de titane, Ta6V, présente des phases en proportion, compositions chimiques et structures cristallographiques différentes.
Comment se passe le soudage diffusion entre deux phases différentes ? Y en a-t'il une qui arrive à mieux franchir l'interface et si oui, pourquoi ? Quels paramètres de CIC ont une réelle influence ? Quelle microstructure de départ permet un soudage optimal ?
Ce sont les questions auxquelles cette thèse propose de réponse.

Influence du TEL dans la réponse biologique aux irradiations FLASH

Des études récentes avec des faisceaux d'électrons et de protons ont montré que l’irradiation à des débits de dose supérieurs à 40 Gy/s peut être aussi efficace pour inhiber la croissance tumorale que l'irradiation à la dose conventionnelle actuellement utilisée (typiquement 1 Gy/min) mais beaucoup moins toxique pour les tissus sains. Ce phénomène est connu sous le nom « d'effet FLASH ». Cet effet est considéré comme l'une des découvertes les plus importantes de l'histoire récente de la radiobiologie en raison de son potentiel d'amélioration de la fenêtre thérapeutique entre le contrôle tumoral et la toxicité tissulaire normale. Des études récentes montrent que les mécanismes biologiques de l’effet FLASH sont liés à l’oxygénation différentielle des tissus. Cependant, les mécanismes exacts des effets biologiques cellulaires des irradiations FLASH ne sont pas complètement clairs et certains sont même contradictoires.

L’objectif de ce projet est une caractérisation moléculaire de l’effet FLASH sur un système modèle parfaitement maîtrisé in vitro. Les irradiations FLASH de cellules cancéreuses et de cellules saines seront comparées à des irradiations à débit de dose conventionnel en utilisant des électrons et des ions carbones dans les deux laboratoires associés. L’effet différentiel sera rapporté au condition d’oxygénation des cellules, au métabolisme REDOX / mitochondrial et aux modifications générales du métabolisme cellulaire.

Etude des scintillateurs plastiques pour les mesures neutroniques passive et active

Le travail doctoral proposé est dédié à l’optimisation des méthodes de caractérisation non-destructives de la quantité de plutonium dans les colis de déchets radioactifs. L’une des principales méthodes de mesure nucléaire pour atteindre cet objectif est basée sur le comptage passif des coïncidences entre neutrons de fission spontanée. La plupart des postes de mesure neutronique sont équipés de compteurs 3He qui présentent l’avantage d’avoir un bon rendement de détection tout en étant peu influencés par le rayonnement gamma.
Cependant, le prix de ces détecteurs a beaucoup augmenté ces dernières années et ils sont relativement lents car ils nécessitent une thermalisation préalable des neutrons à détecter. Les scintillateurs plastiques représentent une alternative 5 à 10 fois moins coûteuse à efficacité de détection équivalente, ce qui les rend intéressants pour la mise en œuvre sur des postes industriels. En contrepartie, ils sont très sensibles aux rayonnements gamma et au phénomène de diaphonie (coïncidences parasites dues aux diffusions entre détecteurs voisins). Une méthode innovante de discrimination des coïncidences utiles et parasites par différentiation des temps de vols entre neutrons et rayonnements gamma a été élaborée et validée lors de travaux précédents.
Il reste des verrous pratiques importants ciblés par la présente thèse afin de tendre vers un poste de mesure neutronique industriel munis de ces scintillateurs, notamment pour les déchets technologiques (ORANO La Hague, MELOX Cadarache). L’objectif principal en mesure neutronique passive sera de franchir une étape dans l’efficacité de détection, le traitement de données et la réduction des incertitudes liées aux effets de matrice et de localisation de la matière nucléaire, en associant étroitement expériences et modélisation. Un objectif secondaire de la thèse sera de démontrer la faisabilité de la mesure neutronique active en terme de traitements de données et de tenue aux forts taux de comptage pour la quantification de la masse de matière nucléaire (détections des neutrons de fissions induites par générateur de neutrons).
Le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.

Imagerie avec des détecteurs Micromegas à lecture optique

Des développements récents ont montré que le couplage d'un détecteur gazeux Micromegas sur un substrat en verre avec une anode transparente et une caméra CCD permet la lecture optique des détecteurs Micromegas avec une résolution spatiale impressionnante. Ce test montre que le détecteur Micromegas en verre est bien adapté à l'imagerie. Des tests ont été réalisé avec des photons de rayons X faibles permettant une imagerie résolue en énergie ouvrant la voie à différentes applications. Nous nous concentrerons ici, d'une part, sur l'imagerie neutronique pour l'examen non destructif d'objets fortement émetteurs de rayons gamma, tels que le combustible nucléaire fraîchement irradié ou les déchets radioactifs et, d'autre part, nous aimerions développer un imageur bêta au niveau cellulaire dans le domaine de l'étude des médicaments anticancéreux.
Ces deux applications nécessitent des simulations pour optimiser les rendements lumineux, l'optimisation du mode de fonctionnement de la caméra et la conception des détecteurs compte tenu des contraintes spécifiques du démantèlement des réacteurs et des applications médicales : résolution spatiale et forte suppression des rayons gamma pour l'imagerie neutronique et mesures précises du taux et du spectre d'énergie pour le bêta. L'acquisition des images sera optimisée pour chaque cas et des algorithmes de traitement dédiés seront développés.

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