Développement de la méthode Compton-TDCR pour la métrologie des scintillateurs // Development of the Compton-TDCR Method for Scintillator Metrology

Les objectifs de cette thèse se situent en amont du côté applicatif, dans le domaine de la métrologie des radionucléides. Ils visent à obtenir des informations essentielles pour la compréhension des mécanismes de scintillation. Ce sujet constitue une nouvelle discipline pour le laboratoire national de métrologie, inexistante dans les autres laboratoires, et porte spécifiquement sur la métrologie des scintillateurs. Les travaux seront axés sur l’instrumentation et l’analyse des résultats, permettant une meilleure compréhension des phénomènes physiques sous-jacents. Il en résulte la co-direction de thèse entre Benoit Sabot (expert en métrologie de la radioactivité) et Christophe Dujardin (expert en scintillation).
L’un des objectifs expérimentaux majeurs de la thèse sera la mise en place de la nouvelle installation Compton-TDCR [7], permettant la mesure absolue du rendement de scintillation en fonction de l’énergie des électrons. Ce dispositif sera conçu par impression 3D et intègrera des détecteurs germanium haute pureté (GeHP) afin d’augmenter la précision des mesures. Après la caractérisation en énergie et en rendement de ces détecteurs, ils seront intégrés dans le montage final. L’étudiant sera en charge du traitement des signaux à l’aide d’un module numérique générant des fichiers List-Mode. Ces données seront ensuite analysées par un logiciel existant développé en Rust, doté d’une interface Python, actuellement limité à quatre voies. Le nouveau dispositif intégrant jusqu’à trois détecteurs GeHP en plus des trois voies de photomultiplicateurs, il sera nécessaire d’adapter le logiciel pour assurer un traitement optimisé des informations obtenues. Après un réglage précis de l’électronique et une série de tests expérimentaux, les modifications logicielles devront être mises en œuvre afin de garantir l’exploitation complète des données fournies par la plateforme.
Une fois cette première étape achevée et la plateforme fonctionnelle, l’étudiant travaillera sur la compréhension des phénomènes de scintillation. Dans un premier temps, les études porteront sur des matériaux standards tels que les scintillateurs organiques (liquides ou plastiques) et inorganiques. Par la suite, l’investigation s’étendra à des matériaux encore peu explorés, comme les scintillateurs poreux. Cette phase nécessitera une collaboration étroite avec l’Université de Lyon, en particulier avec l’Institut Lumière Matière, où seront réalisées des mesures complémentaires permettant d’affiner l’analyse des phénomènes de scintillation, de compléter les résultats obtenus au laboratoire d’effecteur des simulations permettant de coupler les différents types d’expériences.
L’objectif final de cette installation est d’établir une méthodologie de métrologie des scintillateurs, permettant d’accéder à la courbe de réponse de ces matériaux en fonction des énergies des électrons interagissant dans le milieu, ainsi qu’à leurs propriétés temporelles. Ce travail ouvrira la voie à de nouvelles méthodes de mesure des rayonnements ionisants et apportera une contribution significative à la communauté scientifique dans ce domaine.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The objectives of this PhD thesis lie upstream of the applied domain, specifically in the field of radionuclide metrology. The research aims to obtain essential information for a deeper understanding of scintillation mechanisms. This topic represents a new discipline within the national metrology laboratory, currently nonexistent in other laboratories, and focuses specifically on scintillator metrology. The work will be centered on instrumentation and data analysis, enabling a refined understanding of the underlying physical phenomena. The PhD will be co-supervised by Benoit Sabot (expert in radioactivity metrology) and Christophe Dujardin (expert in scintillation).
One of the primary experimental objectives of this PhD is the development and implementation of the new Compton-TDCR setup [7], designed for the absolute measurement of scintillation yield as a function of electron energy. This system will be designed using 3D printing technology and will integrate high-purity germanium (GeHP) detectors to enhance measurement precision. After characterizing these detectors in terms of energy resolution and efficiency, they will be integrated into the final experimental setup. The PhD candidate will be responsible for signal processing using a digital module generating List-Mode files. The data will then be analyzed using an existing Rust-based software with a Python interface, which is currently limited to four channels. Given that the new setup will incorporate up to three GeHP detectors in addition to three photomultiplier channels, the software must be adapted to ensure optimal processing of the acquired data. Following fine-tuning of the electronics and a series of experimental tests, the required software modifications will be implemented to enable full data exploitation from the platform.
Once this initial phase is completed and the platform is fully operational, the candidate will focus on investigating scintillation phenomena. The first studies will examine standard scintillating materials, such as organic (liquid or plastic) and inorganic scintillators. Subsequently, the research will extend to less explored materials, such as porous scintillators. This phase will involve close collaboration with the University of Lyon, particularly with the Institut Lumière Matière, where complementary measurements will be performed to refine the analysis of scintillation phenomena, complete the laboratory findings, and develop simulations that integrate various experimental approaches.
The ultimate goal of this setup is to establish a metrology methodology for scintillators, enabling access to the response curve of these materials as a function of the energy of electrons interacting within them, as well as their temporal properties. This work will pave the way for new ionizing radiation measurement techniques and will make a significant contribution to the scientific community in this field.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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 : 01-09-2025
Ecole doctorale : Physique et Astrophysique de Lyon (PHAST)
Directeur de thèse : DUJARDIN Christophe
Organisme : Université Lyon 1
Laboratoire : Institut Lumière Matière
URL : http://www.lnhb.fr

Financement public/privé

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

M2, Physique (ou équivalent)