Développement d'un modèle stochastique multiphysique pour les mesures basées sur la scintillation liquide // Development of a multiphysics stochastic modelling for liquid scintillation measurements

Pour assurer la traçabilité métrologique au niveau international dans le domaine de l’activité, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) développe un nouvel instrument de transfert appelé « Extension du Système International de Référence » (ESIR) fondé sur la méthode dite du Rapport de Coïncidence Triples à Doubles (RCTD) basée sur des comptages en scintillation liquide avec une instrumentation spécifique à trois photomultiplicateurs. L’objectif est de permettre les comparaisons internationales de radionucléides bêta purs, de certains radionucléides se désintégrant par capture électronique, et pour faciliter les comparaisons internationales de radionucléides émetteurs de particules alpha.
La méthode RCTD est une technique de mesures primaires d'activité utilisée dans les laboratoires nationaux. Pour déterminer l’activité, son application repose sur la construction d’un modèle d’émission de photons lumineux nécessitant la connaissance de l’énergie déposée dans le scintillateur liquide. Selon le schéma de désintégration, la combinaison des différentes énergies déposées peut être complexe, en particulier lorsqu’elle résulte du réarrangement électronique suite à une désintégration par capture électronique. L’approche stochastique du modèle RCTD s’applique en échantillonnant aléatoirement les différentes émissions de rayonnements ionisants suite à une désintégration. L’ajout récent de modules de lecture automatique des données nucléaires (comme celles disponibles dans la Table des Radionucléides) dans des codes de simulations rayonnements/matière (PENELOPE, GEANT4), permet une prise en compte rigoureuse de toutes les combinaisons possibles. L’approche stochastique permet de considérer l’énergie réelle déposée dans le flacon de scintillation liquide en prenant en compte les interactions dans l’ensemble de l’instrumentation.
La thèse a pour objectif le développement d’une approche stochastique multiphysique avec le code de simulation rayonnements/matière GEANT4 pour être notamment appliquée sur le système ESIR du BIPM. Le choix du code Geant4 offre la possibilité d’intégrer le transport des particules ionisantes et des photons de scintillation. Ce développement est d’un grand intérêt pour la métrologie de la radioactivité dans le but d’assurer la traçabilité métrologique à un plus grand nombre de radionucléides avec le système ESIR du BIPM. La thèse se fera en collaboration avec le Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) qui possède déjà une expérience dans le développement d’un modèle stochastique avec le code GEANT4 pour son instrumentation dédiée à la méthode RCTD au Laboratoire national Henri Becquerel (LNE-LNHB).

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The Bureau international des poids et mesures (BIPM) is developing a new transfer instrument named the "Extension of the International Reference System" (ESIR), based on the Triple-to-Double Coincidence Ratio (TDCR) method of liquid scintillation counting with a specific instrumentation comprising three photomultipliers. The aim is to enable international comparisons of pure beta radionuclides, certain radionuclides that decay by electron capture, and to facilitate international comparisons of alpha emitting radionuclides.
The TDCR method is a primary activity measurement technique used in national laboratories. For the activity determination, its application relies on the construction of a model of light emission requiring knowledge of the energy deposited in the liquid scintillator. Depending on the decay scheme, the combination of different deposited energies can be complex, particularly when it results from electronic rearrangement following electron capture decay. The stochastic approach of the RCTD model is applied by randomly sampling the different ionizing radiation emissions following a radioactive decay. The recent addition of modules for automatically reading nuclear data (such as those available in the Table des Radionucléides) in radiation/matter simulation codes (PENELOPE, GEANT4), means that all possible combinations can be rigorously taken into account. The stochastic approach makes it possible to consider the actual energy deposited in the liquid scintillation vial, taking into account interactions in the instrumentation as a whole.
The aim of this thesis is to develop a multiphysics stochastic approach using the GEANT4 radiation/matter simulation code, to be applied in particular to the BIPM's ESIR system. The choice of the Geant4 code offers the possibility of integrating the transport of ionizing particles and scintillation photons. This development is of great interest for radioactivity metrology, with the aim of ensuring metrological traceability to a larger number of radionuclides with the BIPM's ESIR system. The thesis will be carried out in collaboration with the Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), which already has experience in developing a stochastic model with the GEANT4 code for its instrumentation dedicated to the TDCR method at the Laboratoire National Henri Becquerel (LNE-LNHB).

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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Instrumentation Numérique
Service : Service Instrumentation et Métrologie des Rayonnements Ionisants
Laboratoire : Laboratoire National Henri Becquerel pour la Métrologie de l'Activité
Date de début souhaitée : 01-01-2025
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : AMIOT Marie-Noelle
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DM2I/LNHB/LMA

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Instrumentation Numérique
Service : Service Instrumentation et Métrologie des Rayonnements Ionisants

Master 2 Physique (Rayonnements ionisants, simulations rayonnements/matière, code Geant4, langage C++)