Utilisation de dispositifs à transfert de charge pour la détection de muons cosmiques dans un contexte de tomographie

Face à la menace du terrorisme nucléaire, plusieurs pays se sont procurés des détecteurs de matériaux radioactifs pour protéger leurs frontières. Ces systèmes détectent habituellement des émissions de rayons gammas, beta ou alpha qui proviennent d'uranium, radium, césium ou autre matériel radioactif. Cependant, la source radioactive peut être dissimulée par une épaisseur de plomb et d'autres matériels absorbants ces rayonnements. Avec une quantité suffisante de blindage, un individu désirant faire de la contrebande de matériel nucléaire peut traverser les frontières sans alerter les autorités. Pour faire face à ce risque, plusieurs laboratoires à travers le monde travaillent sur une technologie de tomographie par muons qui pourrait être utilisée pour identifier des sources nucléaires blindées. Celle-ci se base sur l'analyse de la déviation d'un muon cosmique traversant un cargo d'intérêt. Cette déviation étant fonction du nombre Z des atomes traversés (le nombre de protons dans le noyau), il est en principe possible de déterminer le contenu du cargo. Pour calculer cette déviation angulaire, il faut d'abord mesurer la position des muons sur quatre plans horizontaux (deux pré-cargo, deux après). Cette tâche est traditionnellement dévolue à des détecteurs comme des chambres à fils ou des scintillateurs mais pourrait aussi être remplie par des détecteurs CCDs (Chargle-Coupled Devices ou dispositifs à transfert de charge). Cet ouvrage se penche spécifiquement sur l'utilisation de CCDs pour la tomographie par muons. Ce mémoire a pour but de déterminer la faisabilité d'utiliser un détecteur de muons à base de CCDs commerciales. Pour répondre à cette question, des simulations numériques ont été réalisées en utilisant le logiciel Geant4. Ces travaux nous permettent d'obtenir le dépôt d'énergie théorique de muons de diverses énergies cinétiques dans une plaque de silicium représentant une puce de CCD. Ces résultats sont ensuite comparés à la théorie préalablement exposée pour vérifier leur validité. L'énergie des muons varie de 50 MeV à 1 TeV et les épaisseurs étudiées sont de 300 et 775 μm. Les résultats indiquent qu'un muon de 4 GeV (énergie la plus probable pour des muons d'origines cosmiques) devrait déposer environ 106 et 281 keV en moyenne pour des épaisseurs de 300 et 775 μm, ce qui se traduit par 28 000 et 76 000 paires électron-trou comme signal pour les deux épaisseurs étudiées. Tous les résultats obtenus concordent avec la théorie connue des dépôts d'énergie dans les semi-conducteurs minces.

Abstract

Faced with the threat of nuclear terrorism, many countries have purchased radioactive material detectors to protect their borders. These systems usually detect gamma, beta or alpha ray emissions coming from uranium, radium, cesium or other radioactive material. However,the radioactive source can be concealed by thick lead shielding and radiation absorbing material. With enough shielding, an individual wishing to smuggle illicit nuclear material could cross borders without alerting the authorities. To address this risk, several laboratories worldwide are working on muon tomography technology. This technique aims to detect shielded nuclear material by measuring the deflection of a cosmic muon after crossing the cargo of interest. Since this deviation is a function of the Z number of atoms (the number of protons inside the nucleus), it is possible to determine the contents of the cargo. To calculate the angular deviation, we must first measure the position of the muon on four succeding horizontal planes (two pre-cargo, two after). This task is traditionally assigned to wire chambers or scintillators detectors but could also be fulfilled by CCD detectors (Chargle-Coupled Devices). This work specifically addresses the use of CCDs for muon tomography. This thesis' objective is to determine the feasibility of using a commercial CCD based muon detector. To answer this question, numerical simulations have been performed using the software Geant4. This work allows us to obtain the theoretical energy deposition of muons of various kinetic energies into a silicon wafer representing a CCD chip. These results are then compared to numerical values derived from the theory presented in the literature to verify their validity. The muons' energy is varied from 50 MeV to 1 TeV and silicium thicknesses of 300 and 775 μm are studied. The results obtained indicate that a muon of 4 GeV (most probable cosmic muon energy) should deposit 106 and 281 keV for an average thickness of 300 and 775 μm respectively, which translates to 28 000 and 76 000 electron-hole pairs as signal for the two thicknesses. All the results obtained through Geant4 are consistent with the known theory of energy deposits in thin semiconductor materials. A practical experimentation was also considered, using an astronomical camera DMK51 AU02.AS to capture a series of images hidden from light with the camera turned towards the sky. The pixels presenting a high intensity are considered to be the consequence of the passage of a muon. The expected rate of detection according to the size of the detector was 0.372 muons per minute but the results were 0.1578 muons per minute for data taken inside Polytechnique and 0.1615 for images taken outside.