Published December 19, 2019 | Version v1
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Muon tomography: from detectors development to inverse problem resolution

Description

This thesis presents the development of Micromegas gaseous detectors for muon tomography. This technique use cosmic muons, resulting from interactions between cosmic rays and the atmosphere to image objects of large dimensions and opacity such as buildings, concrete slabs, volcanoes or pyramids such as the Khufu's pyramid in Egypt. By studying the attenuation of the muon flux through objects, we can access their internal structure. To image such structures and detect muons passing through them, muon telescopes using Micromegas detectors are used. Many efforts have been developed during this thesis to improve the spatial resolution and gas performance of the latter. One of the main goal of this thesis is to image a concrete slab, which dimensions were 2000 mm x 1000 mm x 500 mm. Firstly, a study on the detection of defects in this slab was carried out. Thanks to an algorithm developed during this thesis, a 15 cm wide default can be detected with a 98% confidence level from 4 h of data collection. Subsequently, a two-dimensional feasibility study, in the plan of the slab length, was carried out in order to reconstruct the density map of the concrete slab. To do this, we need to solve what is commonly referred to as the inverse problem: estimating the parameters of an object based on the data collected. Here the density of the concrete slab will play the role of parameters to be estimated and the flux of muons that have passed through the slab and collected by our detectors will play the role of data. After analysing the different systematic problem analyses, we can reconstruct the density of a concrete slab, with a thickness resolution of 125 mm and a length resolution of 437.5 mm, with a maximum relative error of 12%. (author)

Abstract (French)

Cette these porte sur le developpement des detecteurs gazeux Micromegas pour la tomographie muonique. Cette technique permet d'utiliser les muons cosmiques issus des interactions entre des rayons cosmiques et l'atmosphere, afin d'imager des objets de grandes dimensions et de grande opacite tels que des batiments, des dalles de beton, des volcans ou encore des pyramides comme la pyramide de Kheops en Egypte. En etudiant l'attenuation du flux de muons a travers un objet, nous pouvons obtenir des informations sur sa structure interne. Pour imager de telles structures et detecter les muons qui les traversent, des telescopes muoniques utilisant des detecteurs Micromegas sont utilises. Les travaux effectues pendant cette these ont eu pour but d'ameliorer les performances en resolution spatiale et en gaz de ces detecteurs. Un des objectifs de cette these a ete d'imager une dalle de beton de 2 m de longueur, 1 m de largeur et 50 cm d'epaisseur. Dans un premier temps, nous avons realise une etude sur la detection de defauts dans cette dalle. Grace a un algorithme developpe pendant cette these, un trou de 15 cm de cote peut etre detecte avec un niveau de confiance de 98% a partir de 4h de prise de donnees. Par la suite, nous avons realise une etude de faisabilite en deux dimensions, dans le plan de la longueur de la dalle, afin de pouvoir reconstruire la carte de densite de la dalle de beton. Pour ce faire, nous avons du resoudre ce qu'on appelle le probleme inverse: l'estimation des parametres d'un objet en fonction des donnees collectees. Ici la densite de la dalle de beton joue le role de parametres a estimer et le flux de muons ayant traverses la dalle et collectes par nos detecteurs celui de donnees. Apres analyses des differentes systematiques du probleme, nous pouvons reconstruire la densite d'une dalle de beton, avec une resolution en epaisseur de 125 mm et une resolution en longueur de 437.5 mm, avec une erreur relative maximale de 12%.

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Original title (French)
Tomographie muonique: du developpement de detecteurs a la resolution du probleme inverse

Publishing Information

Imprint Pagination
184 p.
Report number
FRCEA-TH--12297

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
52035741
Subject category
S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ALGORITHMS; ATTENUATION; CONCRETES; COSMIC RADIATION; MUONS; SLABS; SPATIAL RESOLUTION; TELESCOPES; THICKNESS; TOMOGRAPHY
Descriptors DEC
BUILDING MATERIALS; DIAGNOSTIC TECHNIQUES; DIMENSIONS; ELEMENTARY PARTICLES; FERMIONS; IONIZING RADIATIONS; LEPTONS; MATERIALS; MATHEMATICAL LOGIC; RADIATIONS; RESOLUTION

Optional Information

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