Design, construction and in situ testing of a muon camera for Earth science and civil engineering applications.
Diseño, construcción y test in situ de una cámara de detección de muones para aplicaciones en ciencias de la Tierra e ingeniería civil.
Design, réalisation et test in situ d’une caméra muon pour des applications en sciences de la Terre et en génie civil.
Résumé
This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement
based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with
an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring
applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for
applications with compactness and transportability constraints.
The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse
fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering
muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the
natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive,
passive technique provides original information that can be used for imaging purposes.
The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on
the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by
the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation
processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet
performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational
or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well.
The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including:
(i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric
field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the
creation of an auxiliary system to manage the gas.
The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and
electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System
electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves
the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The
characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a
series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided.
A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam,
open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better
understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters.
Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with
the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out
at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance
with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform
long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external
temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the
temporal evolution of the muon flux.
In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission
muography purposes.
Esta tesis está dedicada a la creación de una nueva herramienta para la medición direccional del flujo de muones, basado en una cámara de proyección temporal fina con un plano de lectura Micromegas, para lograr un detector compacto con una resolución angular compatible con aplicaciones de imaginería y monitoreo en ingeniería civil y geofísica. La principal motivación es desarrollar un detector capaz de llenar el vacío tecnológico existente en situaciones con restricciones de volumen y movilidad del material.
La tesis comienza por la revisión de las diferentes tecnologías de detección de muones existentes y sus diversos campos de aplicación. Se presentan dos técnicas de imagen de muones: muografia por transmisión y por dispersión. La muografía por transmisión, más adecuada para objetivos voluminosos, se basa en la atenuación del flujo de muones de origen cósmico, producidos naturalmente en la atmósfera, debido a la opacidad del material que atraviesan. Esta técnica no destructiva y pasiva proporciona información original para la construcción de imágenes.
El presente documento abarca la metodología utilizada para la caracterización del flujo incidente de muones, tanto en superficie como en condiciones subterráneas. Se describen detalladamente los procesos físicos desencadenados por el paso de un muón a través del detector. Los resultados de las simulaciones de formación de señal son presentados y discutidos para justificar las elecciones de diseño de los componentes clave para cumplir con los requisitos de rendimiento en términos de resolución temporal, espacial y angular. La influencia de los parámetros operacionales y externos como la ganancia, la temperatura o la presencia de contaminantes es analizada también.
La tesis describe en detalle las principales fases de diseño y montaje del detector MUST2, que incluyen: (i) el diseño del plano de lectura de Micromegas, (ii) la elección del gas, (iii) la concepción de un homogeneizador de campo eléctrico, (iv) la elección de la instrumentación electrónica y del señal de inicio de la adquisición de datos, y (v) la creación de un sistema auxiliar para la gestión del gas.
La versatilidad de MUST2 ha sido demostrada gracias a la utilización exitosa de diferentes sistemas para detectar el paso del muon y de adquisición de datos. Los datos se adquieren mediante un software desarrollado para el Sistema de Lectura Escalable del CERN y son posteriormente analizados con un algoritmo de reconstrucción de trayectoria de muones. Dicho algoritmo recupera la información temporal asociada al paso de la partícula, su posición en 2D, y los ángulos cenital y acimutal de los muones que atraviesan el detector. Se proporciona el rendimiento de las diferentes etapas de análisis de datos, así como sus limitaciones y recomendaciones para mejorar su eficiencia.
Una serie de pruebas de caracterización del detector se han llevado a cabo en diferentes condiciones: haz controlado de muones, medidas a cielo abierto, en el fondo de un valle y en condiciones subterráneas. Estas pruebas han permitido una mejor comprensión del rendimiento del detector y el ajuste de sus parámetros operacionales. A pesar de los bajos tiempos de integración de las pruebas, el flujo de muones medido ha mostrado una buena correlación con la distribución de volúmenes circundantes. Se ha realizado una campaña de mediciones en condiciones te terreno reales a proximidad de la presa de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, Francia). Los resultados experimentales obtenidos están en consonancia con los valores anticipados por el modelo digital, la capacidad de operar en condiciones reales de terreno y de realizar campañas de medidas durante largos períodos han sido demostrados. Sin embargo, el impacto de la temperatura exterior en la adquisición de datos debe equilibrarse para obtener una adquisición constante y monitorear la evolución temporal del flujo de muones.
En conclusión, la exitosa prueba de prueba de concepto permite validar la cámara MUST2 para la realización de imágenes de muografía por transmisión.
Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé
sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un
détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de
monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable
de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de
transportabilité.
Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs
divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par
transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est
basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette
technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans
une démarche d’imagerie.
Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois
en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques
déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des
processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des
composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale
et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la
présence de contaminants est également traitée.
La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant
(i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur
de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé
au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz.
La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de
déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le
système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la
trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui
traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de
données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne
d'acquisition est proposée.
Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de
muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une
meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres
opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation
avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage
de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs
anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures
hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur
l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller
l’évolution temporelle du flux de muons.
En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des
fins de muographie en transmission.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
