Thèse - LARD

Numéro d’ordre : 1737 PCCF T 0702
EDSF N° 526
Université Blaise Pascal
U.F.R. de Recherche Scientifique et Technique
Ecole Doctorale des Sciences Fondamentales
THESE
Présentée pour obtenir le grade de :
DOCTEUR D’UNIVERSITE
Spécialité : Physique Corpusculaire
Par
Fabien COURTINE
Maître ès sciences physiques, diplômé d’études approfondies
Etalonnage d’un spectromètre gamma en vue de la
mesure de la radioactivité naturelle.
Mesures expérimentales et modélisation par
techniques de Monte-Carlo
Soutenue publiquement le 9 mars 2007, devant la commission d’examen :
Président : M. A. Baldit
M. P. Guibert Rapporteur
M. N. Mercier Rapporteur
Examinateurs :
M. D Miallier Directeur de thèse

Remerciements
Je voudrais remercier la plus haute instance du laboratoire, à savoir le directeur du LPC.
Durant ma thèse, j’ai vu deux directeurs se succéder à la tête du laboratoire, je remercie
donc M
r
Bernard Michel et M
r
Alain Baldit de m’avoir accueilli au sein du LPC.
Je tiens aussi à remercier M
r
Didier Miallier qui m’a accueilli dans son équipe
(thermoluminescence) et qui m’a permis de faire une thèse avec lui.
Un merci spécial est adressé à M
r
Serge Sanzelle et M
r
Thierry Pilleyre sans qui, je
crois, je ne serais jamais arrivé au bout de cette thèse. Je les remercie pour leurs conseils
judicieux et aussi pour le temps qu’ils ont passé avec moi en allant jusqu’à sacrifier leurs
vacances.
Je terminerai par remercier tous mes amis du LPC qui m’ont supporté pour certains
depuis longtemps. Je citerai : Arnaud Robert, Sébastien Binet, Vincent Lesné, Alexandra
Michandon, Eric Conte, Fabrice Tissandier, Benjamin Labonne, Vincent Giangiobbe et
Nicoleta Pauna. A cette liste se rajoute Fabrice Laussy (ancien doctorant du Lasmea) qui
fut un des premiers doctorants avec qui j’ai noué une amitié. A toutes ces personnes je dis
merci, votre tâche n’ayant pas été de tout repos, il a fallu que vous supportiez toutes mes
frasques, ce qui n’est pas une moindre affaire.

Chapitre 1 : Présentation du problème.......................................................................................... 1
1.1 Introduction....................................................................................................................... 1
1.2 Les émissions gamma naturelles....................................................................................... 2
1.3 Les détecteurs semi-conducteurs ...................................................................................... 2
1.3.1 Les détecteurs de silicium compensés au lithium :....................................................... 5
1.3.2 Les détecteurs semi-conducteurs réalisés avec d’autres matériaux que le silicium ou le
germanium................................................................................................................................. 6
1.3.2.1 Les détecteurs au tellure de cadmium (CdTe) 6
1.3.2.2 Les détecteurs à l’iodure de mercure (HgI
2
) 6
1.3.2.3 Les détecteurs CZT 7
1.3.2.4 Les autres types de détecteurs semi-conducteurs 7
1.3.3 Les détecteurs germanium............................................................................................ 7
Chapitre 2 : Les processus d’interaction des photons et des électrons avec la matière............. 9
2.1 Interaction des photons avec la matière............................................................................ 9
2.1.1 L’effet photoélectrique............................................................................................... 10
2.1.2 L’effet Compton......................................................................................................... 11
2.1.3 La création de paires................................................................................................... 12
2.1.4 L’effet Rayleigh.......................................................................................................... 13
2.1.5 Coefficient d’atténuation et libre parcours moyen ..................................................... 14
2.2 Interaction des électrons avec la matière ........................................................................ 16
2.2.1 Le processus d’ionisation........................................................................................... 16
2.2.2 Le rayonnement de freinage (Bremsstrahlung).......................................................... 17
2.2.3 La diffusion coulombienne multiple .......................................................................... 18
2.2.4 Annihilation................................................................................................................ 18
2.2.5 Parcours des électrons dans la matière....................................................................... 19
Chapitre 3 : Dispositif d’acquisition et d’analyse........................................................................21
3.1 L’ensemble de détection................................................................................................. 21
3.1.1 Le cristal..................................................................................................................... 21
3.1.2 Le détecteur................................................................................................................ 23
3.1.3 Electronique associée ................................................................................................. 25
3.1.3.1 Le préamplificateur et l’amplificateur ([Can1]) 25
3.1.3.2 Le convertisseur analogique-numérique et l’analyseur multi-canaux ([Can]) 25
3.2 Le logiciel de traitement et d’analyse du signal.............................................................. 26
3.2.1 Rôle et étalonnage...................................................................................................... 26
3.2.2 Comparaison de Genie2000 avec un autre logiciel d’analyse : VisuGamma............. 27
Chapitre 4 : Principe de l’évaluation de l’activité d’un radioélément dans un échantillon.... 31
4.1 Echantillons et conteneurs.............................................................................................. 31
4.2 Paramètres nécessaires au calcul de l’activité................................................................. 33
4.2.1 Les différents paramètres ........................................................................................... 34
4.2.1.1 Paramètres reliés à la source radioactive 34
4.2.1.2 Paramètres reliés au détecteur 35
4.2.1.3 Paramètres reliés à l’électronique 35
4.2.2 Détermination des paramètres à prendre en compte pour calculer l’activité d’un
échantillon à partir d’un photopic donné................................................................................. 36
4.3 Les différentes approches pour déterminer les paramètres inconnus.............................. 38
Chapitre 5 : Méthode de simulation par Monte-Carlo : principe et utilisation de Geant4..... 39
5.1 Les techniques de Monte-Carlo et les méthodes d’échantillonnage............................... 39
5.1.1 Généralités.................................................................................................................. 39
5.1.2 Les méthodes d’échantillonnage ................................................................................ 40
5.2 La plate-forme de simulation Monte-Carlo GEANT4.................................................... 41