Etude du radon et du thoron par collection électrostatique et par spectrométrie gamma dans le cadre de l'expérience NEMO de décroissance double bêta

Autor: Nguyen, Thi Cam Ha
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2010
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Ce travail s’insère dans le cadre de l’expérience NEMO cherchant à mettre en évidence une radioactivité extrêmement rare : la double désintégration bêta sans émission de neutrino et par suite d’obtenir des informations sur la nature Dirac-Majorana et sur la masse du neutrino. La particularité de cette expérience actuellement en fin de prise de données au Laboratoire Souterrain de Modane est l’extrême rareté du signal recherché (T1/2 > 1024 ans, quelques événements par an). Il s’ensuit donc des conditions très contraignantes sur toutes les composantes du bruit de fond, et parmi celles-ci sur les niveaux de radon et de thoron. Après quelques rappels sur les propriétés du radon et du thoron et leur influence sur les données de l’expérience NEMO, ce travail de thèse a porté sur la détection de ces gaz radioactifs par la technique de collection électrostatique des descendants sur la surface d’une diode silicium et la détection des alpha émis. Nous avons montré que les rendements de détection sont fortement influencés par les conditions expérimentales et que le niveau de radon pouvait être contrôlé actuellement au niveau du mBq/m3. Une série des mesures de spectrométrie gamma nous a permis de comprendre l’origine du bruit de fond du détecteur de radon, et ainsi d’envisager dans l’avenir un gain en sensibilité en augmentant le volume de détection et en effectuant une sélection très poussée des matériaux non radioactifs. Par contre, pour le thoron, qui n’avait jamais été étudié jusqu’à présent, les efficacités de détection sont très faibles à cause des périodes courtes mises en jeu. Un monitorage continu du thoron dans le gaz de NEMO est donc exclu, ce qui souligne l’importance pour l’expérience NEMO que le dispositif expérimental puisse contrôler son propre bruit de fond.
This work is part of the NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) experiment that is looking for an extremely rare radioactivity: the double beta decay without neutrino emission. Such process could prove the Majorana nature of the neutrino and could give an estimation of its absolute mass. The particularity of this experiment, currently running in the Modane underground laboratory (LSM), is the extreme weak signal (for T1/2 ~ 1024 years, a few events per year). It requires therefore very stringent conditions on all components of the background among which the level of radon and thoron activity. After a reminding of the general properties of radon and thoron as well as their influence on the NEMO data, this thesis focuses on the detection of these radioactive gases using the technique of electrostatic collection. The radon and/or the thoron daughters are collected by an electrostatic field on the surface of a silicon diode, where their characteristic alphas are detected. We have shown that the detection efficiencies are strongly influenced by the experimental conditions and that sensitivity around 1 mBq/m3 can be achieved for the radon in a gas. A series of measures through low background gamma spectrometer allowed us to understand the origin of the radon background, and thus showing that better sensitivity could be obtained by increasing the detection volume and by carrying out a strict selection of non-radioactive materials. For the thoron gas, which had never been studied before, the detection efficiencies have been found very low as a consequence of the short periods involved. Therefore, a continuous monitoring of the level of thoron in the NEMO gas is excluded, which underlines the importance for the NEMO experimental device to be able to control its own background.
Nghiên cứu này nằm trong khuôn khổ thí nghiệm NEMO, hiện đang trong những bước lấy số liệu cuối cùng tại phòng thí nghiệm ngầm Modane, nhằm ghi nhận phân rã bêta kép không kèm theo phát xạ neutrino, để từ đó chứng minh bản chất Majorana của hạt neutrino và cho phép ước lượng khối lượng tuyệt đối của hạt này. Phân rã này, nếu thật sự tồn tại, là loại phân rã cực hiếm (T1/2 > 1024 năm, tương đương với vài tín hiệu ghi nhận được mỗi năm). Vì thế, nó đòi hỏi những điều kiện rất gắt gao đối với mọi thành phần cấu thành nên phông nền bức xạ, trong đó bao gồm hoạt độ của radon và thoron. Sau khi nhắc lại những tính chất cơ bản của radon và thoron, cũng như ảnh hưởng của chúng tới số liệu của NEMO, bản luận văn tập trung vào việc đo hoạt độ của hai khí phóng xạ này bằng cách thu nhận các hạt nhân con của chúng thông qua trường tĩnh điện, tiếp đó ghi nhận các hạt alpha phát ra tại bề mặt một đi-ốt silic. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng hiệu suất đo phụ thuộc vào nhiều điều kiện thực nghiệm, và thiết bị này cho phép chúng tôi kiểm soát khí radon ở mức mBq/m3. Một lọat các phép đo với phổ kế gamma đã giúp chúng tôi hiểu được căn nguyên phông nền bức xạ của thiết bị, và từ đó dự kiến có thể cải thiện độ nhạy của thiết bị bằng cách tăng thể tích đo và chọn lọc các loại vật liệu có độ phóng xạ thấp. Tuy nhiên, với khí thoron, vốn vẫn chưa được nghiên cứu kỹ cho tới hiện nay, hiệu suất đo được là rất nhỏ do chu kỳ bán rã quá ngắn của các hạt nhân liên quan. Vì vậy, việc theo dõi thoron trong khí ga của NEMO đã bị loại trừ, đồng nghĩa với việc khẳng định tầm quan trọng của việc kiểm soát phông nền bức xạ thoron của chính thiết bị ghi nhận bêta kép trong thí nghiệm NEMO.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: