Published October 2, 2019 | Version v1
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Design of a high-energy tomograph for non-destructive characterisation of massive objects

Description

As part of its research and development activities on non-destructive characterisation, CEA utilizes a high-energy photonic imaging system. This instrument, unique in France, allows radiographic and tomographic analyses on large objects (e.g., nuclear waste drums). The 'Laboratoire de Mesures Nucleaires', responsible for running research projects in the facility, has launched a major upgrade of the system by providing a new higher energy X-ray source and a new mechanical bench possessing a 5 t load, which allows the characterisation of thick objects (up to 140 cm concrete thickness). This PhD thesis concerns the characterisation and commissioning of the new computed tomography (CT) system and introduces new examination modalities, such as dual-energy CT.The first part of the thesis is a comprehensive study of the performance of the upgraded CT system, specifically regarding penetration capacity and spatial resolution and concerning both the X-ray source and the detection system. The X-ray source is a linear accelerator called Saturne, which has been repackaged to reach energies between 15 and 20 MeV with dose rates greater than 100 Gy/min. Simulation is used to assess the expected features of this source: spectra, focal spots and dose rates. Parallel comparison among three detectors -a series of non-abutting CdTe semiconductor sensors, a linear camera with segmented CdWO4 scintillators and horizontal screens of CsI filmed by low noise cameras - assessed the most suitable detection system. All three detection systems are studied using a quantum accounting analysis that highlights potentials and limitations of each system and enables measurement of complementary indicators of their performance: detector quantum efficiency, signal to noise ratio, spatial resolution and dynamic range. This theoretical study is completed, corrected and validated by experimental measurement campaigns. This extensive study predicts the expected performance when combined with the Saturne accelerator, allowing selection of the most appropriate detector for the imaging of large objects.The second part of the thesis concerns the development of a new method for the characterisation of materials by dual-energy CT, allowing a better assessment of the effective atomic number and the density of the material. The state of the art of current techniques highlights the potential interesting method for the characterising nuclear waste: the double effect decomposition. Initially developed for lower energy X-ray imaging, it has been adapted to match the energy range of the CT system by adapting the photon/matter interactions taken into account in the process. The method has been tested and validated on tomographic simulations obtained with the simulation code MODHERATO.This PhD work has shown that the new CT system of the CEA Cadarache has the potential to characterise massive objects with a satisfactory image quality and milli-scale spatial resolution. It also opens opportunities for the execution of dual-energy CT evaluations allowing the assessment of the atomic number and density of materials composing the examined objects. (author)

Abstract (French)

Dans le cadre de ses actions de R et D sur la caracterisation non destructive, le CEA dispose d'un systeme d'imagerie photonique de haute energie. Ce dispositif, unique en France, permet de realiser des radiographies et des tomographies sur des objets de grands volumes, tels que des colis de dechets radioactifs. Le Laboratoire de Mesures Nucleaires, qui mene les projets de recherche sur cette installation, a engage une evolution majeure du systeme en lancant l'approvisionnement d'une nouvelle source X d'energie augmentee et d'un banc mecanique de positionnement d'une capacite de 5 tonnes afin de pouvoir caracteriser des objets de grande epaisseur: jusqu'a 140 cm de beton. Les travaux qui ont fait l'objet de cette these s'inscrivent dans ce contexte de caracterisation et de mise en service du nouveau tomographe, qui permet la mise en place de nouvelles modalites d'examen telles que la tomographie bi-energie. La premiere partie de la these consiste en une etude approfondie des performances du nouveau tomographe en termes de capacite de penetration et de resolution spatiale. Elle concerne a la fois la source X et le systeme de detection. La source X est un accelerateur lineaire Saturne reconditionne pour atteindre des energies comprises entre 15 et 20 MeV pour des debits de dose superieurs a 100 Gy/min. Les caracteristiques attendues de cette source sont evaluees par simulation: spectres, taches focales et debits de dose. En parallele, la recherche d'un systeme de detection adapte conduit a mettre en competition trois detecteurs: une serie de semi-conducteurs CdTe non jointifs, une camera lineaire a scintillateur CdWO4 segmente et des ecrans horizontaux de CsI filmes par des cameras bas bruit. Tous trois font l'objet d'une analyse par comptage de quanta (Quantum Accounting Diagram) permettant de mettre en lumiere les qualites et limites de chacun a travers l'evaluation et la comparaison d'indicateurs complementaires de leurs performances: efficacite quantique de detection, rapport signal sur bruit, resolution spatiale et gamme dynamique. Cette etude theorique est completee, corrigee et validee par des campagnes de mesures experimentales et permet finalement de prevoir les performances attendues avec l'accelerateur Saturne, et ainsi definir le meilleur detecteur pour l'imagerie des objets cibles.La seconde partie de la these concerne le developpement d'une nouvelle methode de caracterisation des materiaux par tomographie bi-energie afin d'identifier au mieux le numero atomique effectif du materiau et sa densite. L'etat de l'art sur les techniques actuelles fait ressortir une methode potentiellement interessante pour les besoins de la caracterisation de colis de dechets nucleaires: la decomposition en double effet. Initialement developpee pour l'imagerie de plus basse energie, elle a ete adaptee a la gamme d'energie du tomographe en modifiant les interactions photon-matiere prises en compte dans le procede. La methode a ete testee et validee sur des simulations d'examens tomographiques obtenues avec le code de simulation MODHERATO. Il ressort de ces travaux de these que le nouveau systeme d'imagerie du CEA Cadarache devrait etre en mesure a la fois d'accueillir et caracteriser des objets massifs avec une qualite d'image satisfaisante et une resolution spatiale submillimetrique, mais egalement de mettre en oeuvre des examens de tomographie bi-energie permettant d'evaluer le numero atomique et la densite des materiaux composant les objets examines. (l'auteur)

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Original title (French)
Dimensionnement d'un tomographe a haute energie pour le controle non-destructif d'objets massifs

Publishing Information

Imprint Pagination
228 p.
Report number
FRCEA-TH--12147

Optional Information

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