Published January 30, 2019 | Version v1
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Simulation and Experimental Characterization of the Scintillation Detector for IGOSat

Description

This dissertation describes the work that has been done for the development of the scintillation detector of the IGOSat nanosatellite. Based on the requirements of the project, a concept of the detector has been proposed which required the validation by both simulations and experiments. IGOSat is a university satellite project aimed at developing a nanosatellite containing a scintillator payload that can measure the radiative background in the aurora zones and the South Atlantic Anomaly (SAA) on Low-Earth Orbit. Beside that, the satellite has a GPS Dual-Frequency Payload for measuring the Total Electronics Content (TEC) in the ionosphere. These two payloads are hosted on a 3U CubeSat platform that will be launched on a polar orbit at an altitude of about 650 km. The scintillator payload included a detector which is composed of an inorganic scintillation crystal and five surrounding organic scintillators. The chosen inorganic scintillator is Cerium Bromide (CeBr3), which is sensitive to both gamma-ray photons and electrons. The five surrounding EJ-200 plastic scintillators, which are mainly sensitive to the electrons, are chosen to discriminate the two types of particles. In other words we can say a particle is a gamma-ray photon when it interacts only in the CeBr3 crystal, while it is an electron if at least one interaction happened in a plastic scintillator. Monte-Carlo simulations have been used to investigate the detection ability of this detector. A response matrix has been made for the gamma-ray simulation, which can be used to estimate the original energy spectrum of the Low-Earth Orbit gamma-ray photons. An experimental test bench has been set up for measuring the detected spectrum of radioactive sources. These measurements are not only used to validate the simulation results, but also to determine the energy resolution of the detector, and a calibration method for it. A comparison between the Monte-Carlo simulations and the experimental measurements is also provided in this dissertation. Based on the topics described above, the dissertation has 6 chapters as listed below:- Chapter 1 is the introduction to the project and a review of the studies on Low-Earth Orbit radiative background, as well as description on the CubeSat development activities.- Chapter 2 describes the IGOSat satellite configuration on the platform, which is developed to support the payload based on their requirements.- Chapter 3 describes the concept of the scintillation detector, its electronics readout system and the operational concept of the payload.- Chapter 4 explains the physical processes of a particle in the scintillation materials, the Monte-Carlo simulations and the response matrix of the IGOSat detector.- Chapter 5 provides the experimental measurement results, based on each test bench that has been set up. The comparisons between simulation and experiment are also described at the end of this chapter. Chapter 6 is the conclusion of the work. (author)

Abstract (French)

Cette these decrit les travaux effectues pour le developpement du detecteur a scintillation du nanosatellite IGOSat. Sur la base des exigences du projet, un concept de detecteur a ete valide, concept qui doit egalement etre valide a la fois par la simulation et par l'experience.IGOSat est un projet de satellite universitaire visant a developper un nanosatellite contenant une charge utile, basee sur un scintillateur, capable de mesurer le fond radiatif dans les zones aurorales et l'Anomalie de l'Atlantique Sud (ASA) en orbite terrestre basse. Le satellite dispose aussi d'une charge utile GPS bi-frequence permettant de mesurer le contenu electronique total (TEC) de l'ionosphere. Ces deux charges utiles sont hebergees sur une plateforme 3U CubeSat qui sera lancee sur une orbite polaire a une altitude d'environ 650 km.La charge utile du scintillateur comprend un detecteur compose d'un cristal scintillant inorganique entoure de cinq scintillateurs organiques. Le scintillateur inorganique choisi est un cristal de CeBr3, sensible a la fois aux photons gamma et aux electrons. Les cinq scintillateurs plastiques EJ-200, qui sont principalement sensibles aux electrons, ont ete choisis pour permettre de distinguer les deux types de particules. En d'autres termes, nous pouvons dire qu'une particule est un photon gamma lorsqu'elle n'interagit que dans le cristal de CeBr3, alors qu'il s'agit d'un electron si au moins une interaction est survenue dans un des scintillateurs plastique. Une simulation Monte-Carlo a ete utilisee pour etudier la capacite de detection de ce detecteur. Une matrice de reponse a ete elaboree pour la simulation des rayons gamma, qui peut etre utilisee pour estimer le spectre en energie des photons gamma en orbite terrestre basse. Un banc d'essai experimental a ete mis en place pour mesurer le spectre de rayonnement de sources radioactives. Ces mesures servent non seulement a valider le resultat de la simulation, mais egalement a en deduire la resolution en energie du detecteur et une methode d'etalonnage correspondante.Une comparaison entre les simulations de Monte-Carlo et les mesures experimentales est egalement fournie dans cette these.Sur la base des travaux decrits ci-dessus, la these est constituee de 6 chapitres enumeres ci-dessous:- Le chapitre 1 est l'introduction au projet et une revue des etudes sur le fond radiatif en orbite terrestre basse, ainsi que les activites de developpement CubeSat.- Le chapitre 2 decrit la configuration su satellite IGOSat, qui est developpe pour remplir les exigences de fonctionnement des charges utiles.- Le chapitre 3 decrit le concept du detecteur a scintillation, son systeme electronique de lecture et le concept operationnel de la charge utile.- Le chapitre 4 explique les processus physiques d'interaction d'une particule dans les materiaux a scintillation, la simulation de Monte-Carlo et la matrice de reponse du detecteur IGOSat.- Le chapitre 5 fournit les resultats des mesures experimentales, issues des bancs de tests specifiques mis en place. Les comparaisons entre simulation et experience sont egalement decrites a la fin de ce chapitre. Le chapitre 6 est la conclusion de ce travail

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Original title (English)
Simulation et caracterisation experimentale du detecteur a scintillation d'IGOSat

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Imprint Pagination
142 p.
Report number
FRCEA-TH--14908

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Notes
14 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses