La spectrométrie des neutrons rapides est une technique essentielle dans plusieurs domaines notamment pour les expériences de détection d'évènements rares, telles que celles de détection directe de la matière noire, et pour les centres de recherches nucléaires. La détection des neutrons rapides se fait habituellement de manière indirecte. Les neutrons sont d'abord ralentis par des matériaux modérateurs pour être détectés ensuite dans une gamme d'énergie plus basse. Ces techniques de détection sont cependant complexes à mettre en place et sont limitées en résolution en énergie. Un nouveau type de spectrométrie de neutrons rapides a été développée à l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS) dans le but d'avoir une meilleure connaissance des fonds de neutrons : il associe la technique bolométrique à des cristaux à base de lithium sensibles aux neutrons. Le lithium-6 est en effet un élément ayant une des plus grandes sections efficaces de capture neutronique avec la réaction 6Li(n,)3H. La réaction libère 4.78 MeV signant ainsi énergétiquement chaque capture de neutron et lors de l'interaction avec un neutron rapide, l'énergie totale mesurée par le bolomètre devrait être la somme de cette énergie de réaction et de l'énergie cinétique du neutron rapide incident. Afin de valider ce principe, un prototype de spectromètre à neutrons rapides, compact et semi portable, a été construit à l'IAS. Ce détecteur cryogénique, fonctionnant entre 300 et 400 mK, consiste en un cristal de 0.5 g de 6LiF enrichi à 95%, associé un thermomètre en Ge-NTD. Cette thèse a porté sur l'étude des caractéristiques de ce spectromètre, des premières mesures à l'IAS, aux mesures dans le centre de recherche de l'Institut Paul Scherrer (PSI), jusqu'au calibrage final sur l'installation Amande de l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN).

Ces travaux de thèse sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire de Métrologie et Dosimétrie des Neutrons de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire et le Département d’Environnement Spatial de l’Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales. L’objectif était de caractériser et de mettre en service un système opérationnel de spectrométrie des neutrons, étendu au domaine des hautes énergies afin de mesurer de manière dynamique les variations de l’environnement radiatif naturel atmosphérique en altitude au sommet de l’Observatoire du Pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Pour ce faire, les réponses des différents détecteurs ont été calculées par simulations Monte Carlo avant d’être validées expérimentalement jusqu’au domaine des hautes énergies en champs neutroniques de référence. La méthode de reconstruction mathématique du spectre par déconvolution a été étudiée afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ensuite, le système a été testé sous la roche au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel avant d’effectuer les premières mesures en altitude à +500 m et +1000 m. A la suite de ces expériences, le spectromètre a été installé en mai 2011 au sommet du Pic du Midi à +2885 m. La méthodologie d’analyse en continu des données recueillies a été développée. Des oscillations saisonnières du spectre dont l’amplitude dépend du domaine énergétique ont été mises en évidence. Des décroissances Forbush,caractéristiques d’éruptions solaires, ont également été observées à l’approche du 24ème cycle solaire.Des simulations Monte Carlo ont permis d’analyser ces résultats. Les données ont été valorisées grâce à des applications en dosimétrie personnelle et en fiabilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations. / This PhD Thesis has been achieved thanks to the joint effort between two French organizations, the French Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN/LMDN, Cadarache) and the French Aerospace Lab (ONERA/ DESP, Toulouse). The aim was to develop an operational neutron spectrometer extended to high energies in order to measure the dynamics of the spectral variations of the natural radiative environment at the summit of the Pic du Midi Observatory in the French Pyrenees. Thereby, the fluence responses of each detector were calculated thanks to Monte Carlo simulations. Afterwards, they were validated by means of experimental campaigns up to high energies (>20 MeV) nearby reference neutron fields. The systematic uncertainties were deduced after detailed studies of the mathematic reconstruction of the spectra (i.e. unfolding procedure). Then, the system was tested under rocks at the LSBB of Rustrel before being installed at respectively+500 m and +1000 m above sea level for the first environmental campaigns. Finally, the spectrometer has been operating for two years after its deployment at the summit of the Pic du Midi (+2885 m). The continuous data were analysed thanks to an innovative method. Some seasonal and spectral variations were observed. Some Forbush decreases were also recorded after strong solar flares. These data were further analysed thanks to Monte Carlo simulations. The data were made more attractive thanks toseveral practical applications with personal dosimetry or reliability of submicron electronics components.

La caractérisation par mesure spectrale de l'environnement neutronique atmosphérique ambiant s'avère être spécifiquement primordiale dans le contexte de la problématique actuelle liée à l'évaluation des effets de radiations naturelles dans les matériaux semi-conducteurs. Ces " effets singuliers " identifiés sont susceptibles d'altérer le bon fonctionnement des technologies sur silicium fortement intégrées jusqu'au niveau du sol terrestre. Les travaux menés au cours de cette thèse de doctorat ont ainsi porté sur le développement d'un spectromètre de neutron, basé sur le principe du système généralisé des sphères de Bonner, de sensibilité adaptée à la mesure en environnement radiatif atmosphérique naturel et d'efficacité étendue de surcroît jusqu'au domaine des hautes énergies. Le développement du spectromètre s'est alors grandement appuyé sur la simulation numérique de type Monte Carlo au moyen du code de transport MCNPX. Une fois le système multi-détecteurs défini sur le support d'une modélisation détaillée, la matrice de réponse en fluence a été déterminée sur un large spectre en énergie, depuis les énergies thermiques jusqu'à plusieurs GeV. Une phase d'extension puis d'optimisation de la réponse aux neutrons d'énergies supérieures à la dizaine de MeV ont été menées pour aboutir à la configuration et au dimensionnement finals du système de spectrométrie, jusqu'à sa propre réalisation. Une phase de caractérisation, par simulations Monte Carlo, du spectromètre s'est ensuite consacrée à l'évaluation des possibles déviations et incertitudes associées aux réponses en fluence calculées. Une analyse de la sensibilité du spectromètre aux composantes radiatives atmosphériques chargées complète et finalise cette étude exhaustive de caractérisation. Des tests de mesures réalisés au moyen du spectromètre auprès d'une source 241Am-Be de référence ont apporté des éléments de validation expérimentale préliminaire de la matrice de réponse calculée.