Photophysical study of discrimination between fast neutrons and gamma rays in plastic scintillators
Etude des phénomènes photophysiques de la discrimination entre neutrons rapides et photons gamma dans les scintillateurs plastiques
Résumé
The context of this PhD lies within the framework of fighting against nuclear and radiological threats (CBRN-E acronym). These hazardous materials can emit neutrons. Neutrons can traditionally be detected thanks to a proportional counter based on Helium-3 gas. However, the last decade announced the shortage of this gas, leading therefore scientists to design new detectors, which are as effective as proportional counters. Neutrons are always emitted with a gamma rays flux. So detectors have to discriminate between these two contributions. Plastic scintillators, which are radioluminescent polymers, can effectively operate this separation. This discrimination between neutrons and gamma rays is made thanks the decay of the light pulse. Born in 1968, Voltz and Laustriat’s theory explains neutron/gamma discrimination in plastic scintillators (also named Pulse Shape Discrimination, PSD). Thus, the subject of this PhD is to understand photophysical phenomena in plastic scintillators, which take place after neutron/matter or gamma/matter interaction but before the emission of scintillation photons. We first provided a state of the art of discriminating plastic scintillators as early as 1959 (first prepared material) until nowadays. Many chemical compositions have been described in the literature. All these works highlight the need to finely select the chemical composition allowing neutron/gamma discrimination. It is extremely hard to model the interaction of radiation with matter (energies up to the MeV range) followed by photophysical transfers (up to the eV range). This way, we characterized lab made plastic scintillators. To do this, we set up a digital detection chain for neutron/gamma discrimination measurements. We then tested the influence of intrinsic parameters to the nature of scintillators: chemical preparation, volume and secondary fluorophore have been particularly studied. We noted that scintillators reproducibility is complex to obtain. Furthermore, the secondary fluorophore and its concentration have to be selected according to the volume of the material in order to avoid self-absorption. Thanks to transient absorption measurements, we identified the photophysical transfer which allocates a significant role to the secondary fluorophore. We then evaluated the influence of extrinsic criteria on neutron/gamma properties of plastic scintillators, and specifically high irradiation doses (10 kGy). Finally, thanks to the ELYSE platform (CNRS & Paris-Sud University), we optically simulated a neutron track in liquid and plastic scintillators. Thanks to the detection system offering a 3D spectrometry in transient absorption and fluorescence, we elaborated a new photophysical theory, which can explain the formation of triplet states in plastic scintillators for neutron/gamma discrimination. All these works presented herein contribute to understand the photophysical phenomena, which are responsible of neutron/gamma discrimination in plastic scintillators.
Le contexte de ce doctorat s’inscrit dans la lutte contre les risques de terrorisme nucléaire et radiologique (acronyme NRBC-E). La détection de ces matières dangereuses, car émettrices de neutrons, s’effectue traditionnellement à l’aide de compteurs proportionnels à Hélium-3. Or, l’annonce de la pénurie de ce gaz depuis plus d’une dizaine d’années pousse à concevoir des détecteurs aussi performants. L’émission neutronique étant toujours accompagnée d’un flux gamma, les détecteurs doivent discriminer ces deux contributions. Les scintillateurs plastiques, polymères radioluminescents, peuvent opérer cette séparation. Celle-ci s’effectue alors sur le déclin de l’impulsion lumineuse. Née en 1968, la théorie de Voltz et Laustriat fournit une explication de la discrimination neutron/gamma dans les scintillateurs organiques (« Pulse Shape Discrimination », PSD). Ainsi, le sujet du doctorat est d’appréhender les phénomènes photophysiques ayant lieu dans ces matériaux, plus particulièrement sous forme plastique, après l’interaction neutron/matière ou gamma/matière mais avant l’émission de photons de scintillation. Nous avons d’abord dressé un état de l’art des scintillateurs plastiques discriminants de 1959, année du premier matériau préparé, jusqu’à aujourd’hui. Nombre de compositions chimiques ont été décrites dans la littérature ; ces travaux mettent en évidence les compositions chimiques permettant la discrimination neutron/gamma. Compte-tenu de l’extrême complexité de modéliser l’interaction rayonnement/matière (énergies de l’ordre du MeV) suivie des transferts photophysiques (de l’ordre de l’eV), nous avons caractérisé des scintillateurs plastiques préparés au laboratoire. Ainsi, nous avons mis en place une chaîne d’acquisition numérique permettant la discrimination neutron/gamma. Nous avons ensuite testé l’influence de paramètres intrinsèquement liés à la nature du matériau : la préparation chimique, le volume et le fluorophore secondaire. Nous avons constaté que la reproductibilité des matériaux plastiques est complexe à obtenir. Du reste, le fluorophore secondaire et sa concentration doivent être soigneusement sélectionnés selon le volume du scintillateur afin d’éviter l’auto-absorption. Grâce à des mesures d’absorption transitoire, nous avons identifié le transfert photophysique conférant un rôle important au fluorophore secondaire. Par ailleurs, nous avons évalué l’influence de critères extrinsèques aux scintillateurs plastiques, plus spécifiquement l’influence d’une forte irradiation (10 kGy), sur les propriétés de discrimination neutron/gamma des matériaux. Enfin, grâce à la plateforme ELYSE (CNRS & Université Paris-Sud), nous avons optiquement simulé une trace neutron dans des scintillateurs liquides et plastiques. Grâce au système de détection offrant une spectrométrie 3D en absorption transitoire et en fluorescence, nous avons élaboré une nouvelle théorie photophysique permettant d’expliquer la formation d’états excités triplets significatifs pour la discrimination neutron/gamma. Les travaux présentés ici contribuent à l’appréhension des phénomènes photophysiques responsables de la discrimination neutron/gamma dans les scintillateurs plastiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)