Algorithmes d’analyse spectrale en spectrométrie gamma embarquée Application à basse énergie et à la détection d’anomalie Nicolas MARTIN-BURTART JRJC 2011

Sommaire Spectrométrie gamma … aéroportée ? Problématique à basse énergie Détection d’anomalie Nicolas MARTIN-BURTART JRJC 2011

Spectrométrie γ aéroportée : idée Chaîne de spectrométrie g + localisation GPS Cartographie g aéroportée permet de déterminer: Comptage Total (sans discrimination d’éléments) Dose Activité Radionucléide spécifique (identification et quantification) Paramètres de vol T.A. : 1s Altitude ≈ 40m Vitesse : 70km/h Déport : 80m 3 3

Spectrométrie γ aéroportée : système Ecran d’aide pilote Baie de Mesure CEA Camion Traitement Pack NaI 4 x 4 L Caisson de transport 4 4

Spectrométrie γ aéroportée : mesure Quelle(s) source(s) ? Source de surface ≈ ∞ Différentes géométries de mesure: Source ponctuelle → Bq Répartition surfacique → Bq.m-2 Répartition exponentielle décroissant → Bq.kg-1 Répartition homogène → Bq. kg-1 5 5

Spectrométrie γ aéroportée : traitement Techniques classiques d’analyse : Etude du profil spectral et recherche de pics gaussiens Méthode des fenêtres centrées sur les pics d’absorption 40K 214Bi (238U) 208Tl (232Th) Dangerosité Difficulté de détection Naturels Industriels Nucléaires E cps E cps NaI(Tl) : faible résolution, difficulté d’extraction à basse énergie

Première partie : Traitement à basse énergie Méthodes 2W & 3W

Définition : Méthodes 2W-3W

Paramétrage : Méthodes 2W-3W But de l’optimisation Chaque jeu de fenêtres est optimisé pour un radionucléide donné : IW : intégrale 90% de l’aire nette du pic LEW et HEW : extraction du signal faible sensibilité aux variations du bruit de fond naturel faible sensibilité à l’altitude Meilleurs jeux pour l’extraction de 241Am (pic à 60 keV) : Fenêtres contiguës, de largeur LEW IW HEW 2W 30 keV 36 keV 3W 24 keV

Etude du stripping (S) en fonction de l’altitude Site 1 0,7019 (+12%) 0,5580 ± 5% 0,6263 0,5843 (-6%) 0,5210 0,4956 Construction de profils dépendant de l’altitude (chandelle) Autres sites

Application de S en fonction de h Site 1 Sensibilité réduite : élimination des faux positifs dus aux variations d’altitude

Insertion d’un signal 241Am Insertion d’une plume simulée d’241Am sur un blanc radiologique 100 kBq.m-2 10 kBq.m-² 1 kBq.m-² Comptage total dans la fenêtre énergétique de l’241Am sur le blanc radiologique Spectre dans la zone 10 kBq.m-2

241Am extraction 2W 3W Zone 10 kBq.m-2 Détection vraie (2σ) Fausse détection 2W 97% 3.5 % 3W 100% 1.5% σ2W = 33c/s σ3W = 29c/s

Deuxième partie : Détection d’anomalie Algorithmes σ / Algorithmes stochastiques

Algorithmes σ IPA Fuseau Basés sur les variations σ d’un paramètre par rapport à une moyenne Indice indiquant le niveau d’écart Tous les paramètres imaginables d’un spectre sont des candidats à ces tests : Taux de comptage, rapport de taux de comptage : IPA Forme du spectre : Fuseau

Principe algorithme IPA Etude de performances IPA TBE THE E0 Ek Ekmax Emax Anomalie si

- - Algorithme fuseau But : reconnaître la forme du spectre Spectre moyen N résiduels - BDF résiduel - Calcul : ξ pente moyenne σ écart-type Calcul entre canaux successifs Acquisition k spectres BDF N spectres mesure Filtre quartique

Comparaison IPA/fuseau Statistiques sur bruit de fond IPA Fuseau Indice moyen 1.07 3.14 σ 0.44 0.84 y x z Anomalies IPA Fuseau

Algorithmes stochastiques Evaluer quantitativement l’information reçue lors de la détection Loi de Poisson Probabilité de détecter I particules dues à signal de taux moyen M2 Si : M1>M2 Probabilité de fausse information PF :

Algorithme TAG résultats Surveille les taux de comptage dans des bandes énergétiques : 2 par élément, man-made, comptage total… Résultat : 0 < I < 300 Initialisation sur bruit de fond temps réel OU post-traitement Statistiques sur bruit de fond IPA Fuseau TAG Man Made comptage total Indice moyen 1.05 3.14 17.72 11.81 σ 0.41 0.84 0.86 12.94 Dérive à basse énergie fréquente

Conclusion Spectrométrie gamma aéroportée Basse énergie : Anomalie : Utilisation opérationnelle Mesure dégradée Radionucléides naturels, Cs, Co… OK Basse énergie : Optimisation des fenêtres Amélioration de la prise en compte de l’altitude de vol Extension possible à moyenne énergie, caractérisation par rapport aux méthodes de référence Anomalie : 2 types d’algorithme : Sigma Stochastiques Compromis entre sensibilité de détection et comportement sur bruit de fond Adaptés à des situations différentes : balise fixe ou survol

Comparaison générale Statistiques sur bruit de fond IPA Fuseau TAG Man Made comptage total Indice moyen 1.05 3.14 17.72 11.81 σ 0.41 0.84 0.86 12.94

Vol au-dessus d’un nid d’anomalies y x z 300m