Étude et optimisation des caractéristiques des détecteurs dédiés à la spectrométrie gamma moyennant la méthode des plans d’expériences

Résumé

La spectrométrie gamma est une technique non destructive de mesure nucléaire permettant l’analyse qualitative et quantitative des radionucléides présents dans un échantillon. La performance d'un système de spectrométrie gamma dépend notamment de la qualité de son étalonnage, particulièrement en efficacité. Comme nous ne disposons pas toujours d'étalons de mêmes propriétés physico-chimiques que celles de l’échantillon à analyser, le recours à la méthode de Monte-Carlo pour simuler la procédure d'étalonnage est une solution alternative simple et peu coûteuse. Elle permet d'obtenir des résultats fiables si l’on connait avec précision les paramètres géométriques du détecteur. Ce travail de thèse est axé sur la mise au point d'une méthodologie quasi-automatisée permettant d’obtenir une réponse numérique équivalente à la réponse réelle du détecteur à un critère de convergence donné. Cette méthodologie d'optimisation s'appuie sur l'utilisation des plans d'expériences, notamment les plans de criblage et les plans de modélisation appelés aussi plans de surface de réponse. Dans un premier temps, nous avons mené une étude détaillée d'optimisation des paramètres intrinsèques du détecteur GeHP coaxial de type N. La première étape de cette étude étant l’analyse de criblage pour identifier les facteurs influents sur la réponse observée. Six facteurs ont été identifiés à influence significative sur l'efficacité du détecteur. Ensuite, une modélisation plus fine de ces facteurs a été réalisée à l'aide d'un plan de surface de réponse. Les modèles établis ont été améliorés pour optimiser leur qualité descriptive et prédictive. Enfin, l'approche de désirabilité est utilisée pour obtenir une efficacité simulée équivalente à l'efficacité expérimentale sur une large gamme d'énergie suivant deux configurations de mesure. Les résultats ont été validés avec un écart inférieur à 5%. Cette approche a été, par la suite, appliquée et validée sur plusieurs autres types de détecteurs, notamment GeHP planaire, GeHP coaxial de type P, NaI 3’’x3’’ et NaI 2’’x2’’. Les résultats obtenus pour tous les détecteurs ont montré une excellente concordance entre les réponses simulées et expérimentales. La précision de la simulation de chaque détecteur par rapport aux mesures expérimentales a été améliorée de manière significative grâce à l'optimisation de ses paramètres intrinsèques. De plus, la méthode a été appliquée avec succès sur différentes configurations de mesure incluant différentes distances de la source et sur une gamme d'énergie variée. D’un autre côté, pour faciliter l'utilisation et l'application de la méthode des plans d'expériences, nous avons développé une interface graphique basée sur le langage Python Tkinter. Cette interface permet d'automatiser les étapes de la méthodologie d'optimisation et de fournir des résultats clairs et conviviaux aux utilisateurs.

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