Soutenance de thèse de Augusto DI CHICCO

De nombreuses applications nucléaires nécessitent une caractérisation précise du champ neutronique produit. Cependant, cette production de neutrons s’accompagne d’un champ photonique. Les détecteurs utilisés doivent couvrir une large gamme en énergie (plusieurs dizaines de MeV) avec une bonne efficacité de détection, une résolution en énergie inférieure à 10%, mais aussi avoir une réponse relativement stable vis-à-vis des variations de l’environnement de mesure, tout en étant insensible au rayonnement gamma ou capable de le discriminer des neutrons. Les scintillateurs organiques cristallins permettent de répondre à l’essentiel des critères cités mais, jusqu’à récemment, ils ne pouvaient être produits en grands volumes. Le développement de techniques de croissance des cristaux a permis la production d’un monocristal de stilbène de 25,4 × 25,4 mm3 dont des travaux antérieurs ont prouvé qu’il permet de mesurer des neutrons jusqu’à 565 keV, au moins, et qu’il est adapté à la caractérisation neutronique d’emplacements d’irradiation dans des réacteurs de recherche. Ce travail de thèse fait suite à ces travaux, avec comme objectif premier l’établissement de la matrice de réponse neutrons du détecteur afin de déterminer son adéquation comme spectromètre neutronique à large bande dans des champs de rayonnement mixtes. Dans un premier temps, la réponse aux photons du détecteur entre 0,059 MeV et 4,5 MeV a été établie au moyen de deux méthodes. La première est basée sur une série d’irradiation directes avec des sources gamma (procédure classique) et la seconde avec le même dispositif mais en sélectionnant une partie de la réponse en imposant une coïncidence (technique nécessitant des mesures longues). Les deux techniques ont donné des résultats d’étalonnage concordants. Les paramètres de résolution en énergie définis, la matrice de réponse aux photons a été calculée par simulation puis testée sur des sources gamma en utilisant les codes GRAVEL et MAXED. Malgré une difficulté pour calculer les intensités en absolue, le détecteur est capable d’identifier les principales raies gamma du spectre et peut être utilisé comme un spectromètre gamma à faible résolution. La caractérisation neutronique du détecteur dans la gamme d’énergie 0.5 MeV et 17 MeV a été réalisée avec trois installations de production de champs neutroniques différentes. Les deux premières, l’installation AMANDE (IRSN/France) et de le Tandetron de la PTB (Allemagne), produisent des faisceaux de neutrons monoénergétiques. Les mesures effectuées sur AMANDE ont permis d'étudier les principales caractéristiques de la réponse neutronique du stilbène et les champs de neutrons monoénergétique de la PTB ont été utilisés dans un but comparatif. Ces mesures nous ont permis d'étudier les capacités de discrimination entre les neutrons et les rayons gamma, la gamme d'énergie exploitable et de construire des modèles stochastiques en utilisant les codes MCNPX-PoliMi et Geant4. Le cyclotron de la PTB permet de produire un champ neutronique polyénergétique (jusqu’à 16,5 MeV pour cette étude), couvrant ainsi la gamme en énergie inaccessible au moyens de faisceaux monoénergétiques et permettant la constitution de la matrice de réponse expérimentale complète du détecteur en une unique mesure. La matrice de réponse expérimentale a permis de déconvoluer les spectres mono et polyénergétiques avec des résultats cohérent avec les spectres attendus. Cependant la normalisation en absolue n’a pu être calculée par manque de temps. Par ailleurs, différentes tentatives ont été effectuées afin de simuler l’anisotropie du stilbène. Les premiers résultats obtenus sont encourageants. Pour finaliser ce travail, la matrice de réponse expérimentale devra être finalisée, de même que la compréhension et la modélisation du phénomène d’anisotropie. Néanmoins, il est possible de conclure que le stilbène peut être utilisé comme spectromètre neutronique à large bande jusqu'à 0.7 MeV.

Many nuclear applications require a precise characterization of the produced neutron field. However, this neutron production is accompanied by a photonic field. The detectors used need to cover a large energy range (several tens of MeV) with a good detection efficiency, an energy resolution lower than 10%, but also to have a relatively stable response to variations in the measurement environment, while being insensitive to gamma radiation or able to discriminate it from neutrons. Crystalline organic scintillators can meet most of the above criteria but, until recently, they could not be produced in large volumes. The development of crystal growth techniques has allowed the production of a 25.4 × 25.4 mm3 stilbene single crystal, which is able, as shown in previous work, to measure neutrons down to 565 keV and is suitable for the neutron characterization of irradiation locations in research reactors. This thesis work follows up on this work, with the primary objective of establishing the neutron response matrix of the detector to determine its suitability as a broadband neutron spectrometer in mixed radiation fields. Firstly, the photon response of the detector between 0.059 MeV and 4.5 MeV has been determined using two methods. The first one is based on a series of direct irradiations with gamma sources (classical procedure) and the second one with the same setup but adding a coincidence measurement to select only part of the response (technique requiring long measurements). The two techniques gave consistent calibration results. With the energy resolution parameters defined, the photon response matrix was calculated by simulation and tested on gamma ray sources using the GRAVEL and MAXED codes. Despite a difficulty to compute the absolute intensities, the detector is able to identify the main gamma peaks of the spectrum and can be used as a low-resolution gamma-ray spectrometer. The neutron characterization of the detector in the energy range 0.5 MeV and 17 MeV was carried out with three different neutron field production facilities. The first two, the AMANDE facility (IRSN/France) and the PTB (Germany) Tandetron, produce monoenergetic neutron beams. The measurements carried out at AMANDE allowed to study the main characteristics of the neutron response of the stilbene and the monoenergetic neutron fields of the PTB were used for comparative purposes. These measurements allowed us to study the discrimination capabilities between neutrons and gamma rays, to determine the exploitable energy range and to build stochastic models using the MCNPX-PoliMi and Geant4 codes. The PTB cyclotron produces a polyenergetic neutron field, up to 16.5 MeV for this study, thus covering the energy range inaccessible with monoenergetic beams and allowing the constitution of the complete experimental response matrix of the detector in a single measurement. The experimental response matrix allowed unfolding mono and polyenergetic spectra with results consistent with the expected spectra. However, the normalization in absolute could not be calculated due to a lack of time. In addition, different attempts were made to simulate the anisotropy of the stilbene. The first results obtained are encouraging. To complete this work, the experimental response matrix should be finalized, as well as the understanding and modeling of the anisotropy phenomenon. Nevertheless, it is possible to conclude that stilbene can be used as a broadband neutron spectrometer down to 0.7 MeV.