Algorithmes danalyse spectrale en spectromtrie gamma embarque Application

Algorithmes d’analyse spectrale en spectrométrie gamma embarquée Application à basse énergie et à la détection d’anomalie Nicolas MARTIN-BURTART JRJC 2011 1

Sommaire • Spectrométrie gamma … aéroportée ? • Problématique à basse énergie • Détection d’anomalie Nicolas MARTIN-BURTART JRJC 2011 2

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. : 1 s > Altitude ≈ 40 m > Vitesse : 70 km/h > Déport : 80 m 3

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

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

Techniques classiques d’analyse : §Etude du profil spectral et recherche de pics gaussiens §Méthode des fenêtres centrées sur les pics d’absorption 40 K 214 Bi 208 Tl (238 U) (232 Th) Dangerosité Spectrométrie γ aéroportée : traitement Nucléaires Industriels Naturels Difficulté de détection cps E E Na. I(Tl) : faible résolution, difficulté d’extraction à basse énergie 6

Première partie : Traitement à basse énergie Méthodes 2 W & 3 W 7

3 W 2 W Définition : Méthodes 2 W-3 W 8

Paramétrage : Méthodes 2 W-3 W • 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 Þ faible sensibilité aux variations du bruit de fond naturel Þ faible sensibilité à l’altitude • Meilleurs jeux pour l’extraction de 241 Am (pic à 60 ke. V) : Fenêtres contiguës, de largeur LEW 2 W 3 W 24 ke. V IW HEW 30 ke. V 36 ke. V 9

Etude du stripping (S) en fonction de l’altitude Site 1 0, 7019 (+12%) 0, 5580 ± 5% 0, 5843 (-6%) 0, 6263 0, 5210 0, 4956 Construction de profils dépendant de l’altitude (chandelle) Autres sites 10

Application de S en fonction de h Site 1 Sensibilité réduite : élimination des faux positifs dus aux variations d’altitude 11

Insertion d’un signal 241 Am • Insertion d’une plume simulée d’ 241 Am sur un blanc radiologique 100 k. Bq. m-2 10 k. Bq. m-² 1 k. Bq. m-² Comptage total dans la fenêtre énergétique de l’ 241 Am sur le blanc radiologique Spectre dans la zone 10 k. Bq. m-2 12

241 Am extraction 2 W 3 W Zone 10 Détection vraie -2 k. Bq. m (2σ) Fausse détection σ2 W = 33 c/s 2 W 97% 3. 5 % σ3 W = 29 c/s 3 W 100% 1. 5% 13

Deuxième partie : Détection d’anomalie Algorithmes σ / Algorithmes stochastiques 14

Algorithmes σ • 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 15

Principe algorithme IPA • Etude de performances IPA TBE E 0 THE Ek Ekmax Emax Anomalie si 16

Algorithme fuseau • But : reconnaître la forme du spectre Spectre moyen k spectres BDF - BDF résiduel Calcul entre canaux successifs N spectres mesure N résiduels Acquisition Filtre quartique 17

Comparaison IPA/fuseau • Statistiques sur bruit de fond IPA Fuseau Indice moyen 1. 07 3. 14 σ 0. 44 0. 84 y z x • Anomalies IPA Fuseau 18

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 M 2 • Si : M 1>M 2 • Probabilité de fausse information PF : 19

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 • Statistiques sur bruit de fond > post-traitement IPA Fuseau • Indice Dérive à basse énergie fréquente moyen 1. 05 3. 14 σ 0. 41 0. 84 TAG Man Made comptage total 17. 72 11. 81 0. 86 12. 94 20

Conclusion • Spectrométrie gamma aéroportée > Utilisation opérationnelle > Mesure dégradée > Radionucléides naturels, 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 21