Le travail présenté dans ce manuscrit regroupe deux études de spectroscopie γ. La première concerne les isomères des noyaux de néodyme autour de N=82. Ces noyaux, lorsqu'ils sont étudiés par des modèles de type Cranked-Nilsson-Strutinsky, présentent des états énergétiquement favorisés. Ils sont autant de candidats pour la recherche d'isomères de spin. Expérimentalement, un certain nombre d'états isomériques ont déjà été observés dans les noyaux de 138,139,140Nd sur lesquels porte cette étude. Afin de mieux caractériser ces états, une expérience a été menée en août 2009 à Jyväskylä auprès de l'ensemble de détection JUROGAM-RITU-GREAT. La réaction de fusion-évaporation 48Ca + 76Zr 144Nd* réalisée avec une cible mince a permis de produire majoritairement les noyaux 139,140Nd. Les noyaux produits, transportés au plan focal par le spectromètre RITU, sont implantés et le rayonnement émis par la décroissance des isomères est ensuite recueilli par l'ensemble de détection GREAT. Nous développerons l'analyse complète de cette expérience et nous montrerons les résultats émergents. Nous avons, par exemple, pu montrer l'alimentation du niveau 20+ de 140Nd ainsi que le placement énergétique du niveau isomérique du noyau 139Nd. La deuxième partie de ce travail s'articule autour de la recherche de la symétrie tétraédrique dans le noyau 156Gd. Cela a consisté à la fois en un travail de spectroscopie γ des bandes de parité positive de ce noyau, laquelle a fait émerger un certain nombre de nouvelles transitions. Le deuxième volet de cette étude consistait à simuler dans l'environnement ROOT - GEANT4 le seuil d'observation des signaux faibles avec le détecteur de rayonnements γ de nouvelle génération AGATA

L'imagerie 3γ est une technique innovante d'imagerie médicale nucléaire qui est étudiée au laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (β+, γ), le 44Sc, à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide. Le lieu de désintégration de ce radioisotope est obtenu par l'intersection de la ligne de réponse, construite à partir de la détection des deux photons de 511 keV issus de l'annihilation d'un positron, et du cône déterminé à partir du troisième photon. Un prototype de petite dimension XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) a été développé afin de faire la preuve expérimentale de la faisabilité de l'imagerie à 3γ. Les résultats de ce prototype sont très promoteurs en terme de résolution en énergie, de pureté du xénon liquide et de faible bruit électronique. La simulation Monte Carlo est un outil indispensable pour accompagner la R&D et évaluer les performances de la nouvelle technique d'imagerie proposée. Les travaux rapportés dans cette thèse concernent le développement de la simulation du système d'imagerie 3γ avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). De nouvelles fonctionnalités ont été implémentées dans GATE afin de simuler un détecteur de type TPC (Time Projection Chamber). Nous avons effectué une simulation du prototype XEMIS1 et obtenu des résultats en bon accord avec nos données expérimentales. La prochaine étape du projet consiste à construire une caméra cylindrique au xénon liquide pour l'imagerie du petit animal. Les résultats des simulations de cette caméra présentés dans cette thèse montrent la possibilité de localiser chaque désintégration le long de la ligne de réponse avec une très bonne précision et une bonne sensibilité de détection. Des premières images de fantômes simples, réalisées évènements par événements, et après reconstruction tomographiques ont également présentées.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La planification de traitement en radiothérapie nécessite un calcul précis de la dose délivrée au patient. La méthode la plus fiable pour y parvenir est la simulation du transport des particules par technique Monte Carlo. Cette thèse constitue la première étude concernant la validation de la plateforme de simulation Monte Carlo GATE (GEANT4 Application for Tomographic Emission), basée sur les librairies de GEANT4 (GEometry ANd Tracking), pour le calcul de la dose absorbée déposée par des faisceaux d'électrons. L'objectif de cette thèse est de montrer que GATE/GEANT4 est capable d'atteindre le niveau d'exigences requis pour le calcul de la dose absorbée lors d'une planification de traitement, dans des situations où les algorithmes analytiques, actuellement utilisés dans les services de radiothérapie, n'atteignent pas un niveau de précision satisfaisant. L'enjeu est de prouver que GATE/GEANT4 est adapté pour la planification de traitement utilisant des électrons et capable de rivaliser avec d'autres codes Monte Carlo reconnus. Cet enjeu a été démontré par la simulation avec GATE/GEANT4 de faisceaux et des sources d'électrons réalistes utilisées en radiothérapie externe ou en radiothérapie moléculaire et la production de distributions de dose absorbée en accord avec les mesures expérimentales et avec d'autres codes Monte Carlo de référence pour la physique médicale. Par ailleurs, des recommandations quant à l'utilisation des paramètres de simulation à fixer, assurant un calcul de la distribution de dose absorbée satisfaisant les spécifications en radiothérapie, sont proposées.

The goal of this thesis is to study the transient behaviour of the SLOWPOKE-2 reactor using Monte-Carlo simulations with the G4-STORK code. G4-STORK is a 3-dimensional Monte-Carlo code derived from the GEANT4 physics simulation toolkit. Methods were developed for the proper treatment of delayed neutrons and a lumped capacitance model was used to track the time-dependent fuel properties (temperature, density) based on the fission power. By validating the methods in G4-STORK with experimental measurements we hope to extend our understanding of reactor transients as well as further develop our methods to model the transients of the next generation reactor designs. A SLOWPOKE-2 reactor such as the one at RMC was chosen for simulation due to its compact size, and well-known transient response of control rod removal and measured temperature feedback. Static simulations in G4-STORK find a neutron flux of order 10^12 cm−2 s−1 which agrees with experiment and a control rod worth of (4.9 ± 2.0) mk compared to the experimentally measured worth of 5.45 mk. Transient simulations from rod pluck-out find similar trends to the experimental findings as our results suggest a negative temperature feedback due to the doppler broadening of the U-238 absorption spectrum which contributes to the overall safety mechanism seen in the SLOWPOKE reactor. It is determined that the methods in G4-STORK provide a reasonable ability to simulate reactor transients and it is recommended that a full-core thermal-hydraulics model be coupled to G4-STORK to achieve a higher level of accuracy. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

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<p>When the material or geometry of a reactor varies with time, the neutron flux will respond in the form of a reactor transient. These transients can occur during normal operations when control rods are moved or the reactor is refuelled (CANDU). During a reactor accident, the transient response is especially important because the reactor properties vary quickly with large amplitudes. Therefore, better understanding these conditions allows for improved identification, prevention and mitigation of reactor transients. However, current nuclear simulation codes are generally limited in their ability to model transient behaviour.</p> <p>The NStable code was created to model time-dependent neutron populations in multiplying mediums using the Geant4 Monte Carlo toolkit. The neutron population is allowed to evolve in time, but is periodically renormalized so that the total number of neutrons is constrained within a manageable range. This ensures that the simulation is viable even in highly sub- or supercritical environments. Since Geant4 was not intrinsically designed to track a neutron population over "long" time periods (up to 10 s), the population renormalization mechanisms needed to be created and integrated with Geant4. Additionally, nuclear reactor analysis functionality was added to calculate important quantities such as k_eff.</p> <p>The NStable code was validated using three established nuclear simulation codes: MCNP 5, DRAGON 3.06J, and TART 2005. The validation cases compared spatial distributions and criticality estimates for either homogeneous spheres (uranium-235 or a uranium-heavy water mixture) or the standard CANDU 6 lattice cell. For all three systems, the criticality estimates in NStable agreed with the appropriate validation code within 10 mk (TART for the spheres and DRAGON for the CANDU 6 lattice). Finally, the NStable code was also used to simulate a temperature transient in a UHW sphere where the temperature linear increased by 700 K over 50 ms. In response to the increasing temperature, k_eff decreased by 100 mk over the same period. In the future, transient modelling in NStable should be investigated further to reproduce actual experimental results, and to couple NStable with a thermohydraulics code to simulate a full transient response.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Cette thèse consiste en une étude préparatoire de la mesure du rapport alpha de l'233U entre 1eV et 10keV, facteur nécessaire pour calculer le pouvoir de régénération de réacteurs basés sur le cycle 232Th/233U. Cette mesure peut être effectuée au LPSC, sur la plateforme PEREN qui est composée d'un spectromètre à temps de ralentissement au plomb couplé à un GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense (GENEPI). Les taux de capture et de fission sont mesurés grâce à 8 scintillateurs YAP utilisés en coïncidence et entourant une chambre à fission. Des mesures préliminaires sur l'235U ont présenté un rapport signal sur bruit très faible malgré les améliorations successives apportées. Les contributions du bruit de fond ont été comprises et quantifiées expérimentalement et via des simulations (MCNP et GEANT4). Il est cependant indispensable d'améliorer le rapport signal sur bruit d'au moins un ordre de grandeur pour obtenir la capture d'un élément fissile sur un tel dispositif expérimental.

Ion beam therapy is an innovative radiotherapy technique using mainly carbon ion and proton irradiations. Its aim is to improve the current treatment modalities. Because of the sharpness of the dose distributions, a control of the dose if possible in real time is highly desirable. A possibility is to detect the prompt gamma rays emitted subsequently to the nuclear fragmentations occurring during the treatment of the patient. In a first time two different Compton cameras (double and single scattering) have been optimised by means of Monte Carlo simulations. The response of the camera to a photon point source with a realistic energy spectrum was studied. Then, the response of the camera to the irradiation of a water phantom by a proton beam was simulated. It was first compared with measurement performed with small-size detectors. Then, using the previous measurements, we evaluated the counting rates expected in clinical conditions. In the current set-up of the camera, these counting rates are pretty high. Pile up and random coincidences will be problematic. Finally we demonstrate that the detection system is capable to detect a longitudinal shift in the Bragg peak of +or- 5 mm, even with the current reconstruction algorithm.

Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions / During the treatment of a tumor with light ions, the Bragg peak location must be accurately known. A significant fraction of the incident ions undergo nuclear collisions with the target nuclei leading to the prompt emission of particles which may carry information on the ion path. This work, which focuses on prompt gamma, shows that the depth profile of these emissions is highly correlated to the ions path and the measured counting rates allow to consider a realistic imaging system, operating in real time. For that purpose, we performed experiments at GANIL and at GSI with a collimated detector placed perpendicular to the beam axis and the time of flight technique was used in order to reduce the noise induced by neutrons and charged particles. Geant4 simulations were performed for the experimental design and data interpretation. A qualitative agreement between simulations and experiment is observed for the amount of energy deposited in the detector and the shape of the time of flight spectrum. However, discrepancies appear for the prompt gamma yield and the depth distribution of gamma detected. These discrepancies are discussed, mainly in terms of nuclear physics models that must be improved. After selecting the physical models which lead to the best agreement between simulations and measurements, studies on the location of prompt gamma emission and on the influence of diffusion in the target were performed to determine the impact on the correlation with the ion path