Dans ce chapitre nous avons présenté l’ensemble des phénomènes intervenant dans le transport des descendants du radon et du thoron régi par la physique des aérosols. Nous avons tout d’abord décidé de placer un filtre THE en entrée de notre système de mesure. Ceci nous permet d’éliminer les descendants produits avant le volume de mesure et de ne prendre en compte que le gaz et ses produits de filiations créés dans le volume de mesure. Nous avons vu que, dans ces conditions, les descendants produits dans le volume de mesure sont appelés la « fraction libre ». Il s’agit en fait de particules sous forme de petits clusters nanométriques entre 0,5 et 2 nm de diamètre.
Nous avons assimilé ces clusters à de petites sphères de 1 nm de diamètre, ce qui nous a permis de calculer l’ensemble des propriétés définissant leur transport dans l’air. Dans le cas de notre système, pour un débit de circulation élevé, le transport des descendants sera principalement lié à la vitesse d’écoulement. Si ces descendants sont chargés, un champ électrique suffisamment intense permettra de leur donner une vitesse de dérive plus importante que celle due à la vitesse d’écoulement.
Nous avons ainsi décidé d’utiliser un champ électrique dans notre système de mesure afin de capturer ces descendants à la surface du détecteur alpha tout en gardant un flux de circulation élevé, ce qui permettra d’éliminer les descendants non chargés (cf. Figure 2-21).
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Figure 2-21 : Schéma du principe de la mesure par spectrométrie alpha du 220Rn avec filtration et champ électrique.
Ce choix nous a ainsi amené à étudier les phénomènes de charge et de neutralisation des descendants du radon et du thoron dans la deuxième partie de ce chapitre. Nous avons tout d’abord vu que les phénomènes de charge des descendants proviennent à la fois de l’émission β-
et surtout de l’émission α du fait principalement de l’énergie de recul de l’atome fils qui peut produire un grand nombre de charges sur son parcours dans l’air.
Cette charge n’est cependant pas constante, les descendants du radon peuvent se neutraliser dans l’air suivant différents phénomènes que nous avons identifiés au cours de nos recherches, notamment grâce au travail de thèse d’Abou-Khalil portant sur la définition du taux de neutralisation des descendants du radon (Abou-Khalil, 2008). Ces travaux ont montré qu’il n’est cependant pas possible d’estimer ce taux de neutralisation pour l’utiliser dans notre dispositif afin d’obtenir des résultats avec une bonne qualité métrologique.
Nous avons donc décidé d’étudier les différents résultats expérimentaux obtenus sur la charge des descendants du radon et du thoron. Tous les résultats rassemblés ont montré qu’une proportion supérieure à 90 % des descendants était chargée positivement. Chacune des expériences a aussi montré l’effet des concentrations élevées en thoron (ou radon) et de l’humidité sur le taux de neutralisation des descendants.
Toutes ces expériences tendent à montrer que si le champ électrique est suffisamment intense pour capturer très rapidement les descendants, ils ne seront pas ou peu neutralisés. L’objectif principal est alors de minimiser le temps de séjour des descendants dans le dispositif, ce qui permettra d’opérer à n’importe quels taux d’humidité et activité volumique. Cette optimisation est réalisée à l’aide de simulations pour définir les dimensions et la forme du dispositif et fait l’objet du Chapitre 3.
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Développement du
Chapitre 3.
prototype de mesure par
simulations Monte-Carlo et
par méthode à éléments
finis
Notre dispositif se base sur une mesure par spectrométrie alpha à l’aide d’un détecteur silicium couplé à un champ électrique permettant la capture des descendants solides du 220Rn.
En se basant sur les premières observations réalisées, nous avons vu que ce volume doit être de préférence petit parce qu’il permettra de faire circuler plus rapidement le gaz dans le volume même pour un faible débit. Cette circulation rapide couplée à un champ électrique intense doit nous permettre de limiter le temps de séjour des descendants dans le volume et de les capturer très rapidement.
Nous avons vu dans le chapitre précédent qu’il sera difficile d’estimer si le taux de descendants chargés sera le même dans le volume pour le 220Rn et le 222Rn. Notre objectif est de
calculer le rendement de détection dans le cas du 222Rn, de le valider expérimentalement avec un
étalon de 222Rn, et par la suite de refaire les calculs pour le 220Rn. Du fait des propriétés
différentes observées pour les descendants du radon et du thoron, il n’est plus possible d’utiliser les descendants comme point de comparaison sans faire d’approximation. Le point commun entre les deux éléments reste le gaz lui-même ; ceux-ci auront le même comportement avec pour seule différence leur période. Notre géométrie va donc être d’abord basée sur la mesure du gaz. L’objectif est donc d’être capable de mesurer le gaz par spectrométrie alpha sans que les descendants, eux aussi émetteurs alpha, ne perturbent sa mesure.
En pratique, deux solutions sont possibles :
construire une géométrie capable de détecter les particules alpha émises par le gaz, avec un rendement identique pour le 222Rn et le 220Rn, et éliminer toute présence de
descendants dans le dispositif à l’aide d’un champ électrique. Ces descendants sont capturés dans une partie du volume de mesure invisible pour le détecteur alpha ;
construire une géométrie capable de détecter le 220Rn ou le 222Rn avec un rendement de
détection identique. Les descendants sont capturés à la surface du détecteur ce qui formerait des pics alpha bien résolus sur le spectre de la mesure, alors que le gaz formera un pic large dépendant des dimensions du volume du fait de la perte d’énergie des particules alpha dans l’air. Comme la différence des énergies d’émission alpha de chaque radionucléide est bien supérieure à la résolution d’un détecteur silicium, cette configuration permet d’identifier le gaz et les descendants.
Comme nous l’avons présenté à la fin du Chapitre 2, nous avons décidé d’utiliser la deuxième option ; elle nous permettra de comptabiliser plus d’évènements. Ainsi, une fois le rendement calculé pour le gaz thoron et validé par expérience avec le 222Rn, il nous sera possible d’en
déduire le rendement pour chaque pic des descendants.
L’optimisation de la géométrie repose donc à la fois sur un problème de détection alpha et sur une capture des descendants à la surface du détecteur.
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Nous allons utiliser des calculs Monte-Carlo, sous MCNPX 2.7 (Pelowitz, 2011), permettant de simuler le transport des particules alpha afin de calculer le rendement de détection. Il nous permettra notamment d’obtenir une représentation du spectre de mesure attendu et ainsi d’optimiser la géométrie. L’objet de la première partie de ce chapitre est de présenter le code de calcul utilisé ainsi que le modèle et la géométrie conçue. Ce chapitre ne présentera pas l’intégralité des géométries étudiées au cours de la thèse, mais seulement celle choisie ainsi que les raisons de ce choix.
La deuxième partie de ce chapitre comprend la mise en place du champ électrique dans le dispositif de mesure. Nous utilisons un code de simulation déterministe aux éléments finis, COMSOL Multiphysics 4.3 (COMSOL Inc., 2014a), qui permet de simuler le champ électrique dans une géométrie 3D et ainsi d’optimiser la forme ou l’intensité du champ. Ce code de simulation nous permet aussi de réaliser des calculs de mécanique des fluides et de les coupler aux simulations de champ électrique pour simuler le transport des particules chargées. Ces simulations ont un objectif qualitatif : nous permettre d’en déduire certaines caractéristiques du dispositif.