1 sujet /DAp/LISIS

Dernière mise à jour : 24-08-2019


 

Définition 3D de l'environnement neutronique dans l'atmosphère terrestre

SL-DRF-19-0619

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire des spectro-Imageurs spatiaux (LISIS)

Saclay

Contact :

Arnaud CLARET

Sébastien BOURDARIE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Arnaud CLARET

CEA - DRF/IRFU/DAP/LISIS

0169083762

Directeur de thèse :

Sébastien BOURDARIE

ONERA - DPHY/ERS

0562252756

La connaissance de l'environnement radiatif naturel (ERN) atmosphérique terrestre et de sa dynamique est un enjeu important pour la maîtrise des risques de dysfonctionnement des technologies avancées, des risques dosimétriques (effets biologiques), et dans l’évaluation de l’impact des neutrons d'albédo qui s'échappent de la haute atmosphère vers les ceintures de radiation. Ces derniers contribuent d'une part au peuplement de la ceinture de radiation de proton (modélisations Salammbô) et d'autre part induisent un bruit de fond instrumental sur tous les équipements opérés en orbite basse ou à haute altitude, dont en particulier les instruments dédiés à l’astronomie ou à l’étude du globe.

Les rayons cosmiques (essentiellement composés de protons et de noyaux d’hélium), pour leur part, interagissent avec les atomes de la haute atmosphère soit en perdant une partie de leur énergie par ionisation, soit pour les particules les plus énergétiques, en provoquant des réactions nucléaires. Ces réactions secondaires vont à leur tour provoquer des réactions en cascade et jusqu’au niveau du sol, il en résulte la génération de particules secondaires de type neutrons, protons, électrons ou muons, dont les spectres vont varier selon l’altitude, la longitude, la latitude, les conditions atmosphériques et l’activité solaire.

L’objectif de cette thèse est de caractériser les particules secondaires de l’ERN atmosphérique à partir de codes de transport nucléaire adaptés (GEANT4, MCNPx, FLUKA ou Corsika) en se basant sur un modèle 3D de l’atmosphère. Par ailleurs, cette approche 3D permettra de caractériser la distribution angulaire des particules secondaires et de quantifier les composantes s'échappant de la haute atmosphère vers les ceintures de radiation. L'impact de la modulation du rayonnement cosmique en fonction du cycle solaire sur la population de neutrons atmosphériques et d'albédo sera quantifiée. Les résultats du modèle seront validés avec les mesures de spectres neutrons réalisées par l'ONERA/DPHY à Concordia (Antarctique). Outre son niveau de détection des neutrons élevé (altitude 3223 m, rigidité de coupure ~ 0 GV), ce site de mesure se caractérise par une scène facilement modélisable grâce à ses conditions hydriques stables. Des comparaisons complémentaires pourront être réalisées à partir d’autres spectromètres et/ou instruments (neutrons monitors). Les résultats du modèle seront aussi confrontés aux mesures du bruit de fond instrumental de plusieurs missions spatiales.

A terme ce modèle pourra être étendu à l'étude de l'impact des éruptions solaires quant à leurs contributions à la génération de neutrons dans l'atmosphère terrestre et sa composante albédo (SPAND). Une autre perspective sera d'appliquer cette modélisation de la douche cosmique au cas de Jupiter dont les conditions atmosphériques et magnétiques sont très différentes du cas terrestre.

Les étapes de bibliographies couvriront les domaines des rayons cosmiques, de la modélisation de l'atmosphère et des interactions rayonnement-matière (douches cosmiques). Un travail important consistera à orienter le choix d'un outil de transport nucléaire (GEANT4, MCNPx, FLUKA ou Corsika) en fonction du problème posé et de la pertinence des modèles physiques. Outre cette phase bibliographique, le travail à mener dans le cadre de cette thèse se décomposera en plusieurs étapes :

1) Développement sur la base de l'état de l'art d'un modèle 3D de l'atmosphère (latitude, longitude et altitude).

2) Caractérisation des particules secondaires de l’ERN atmosphérique à partir de codes de transport nucléaire adaptés en se basant sur le modèle 3D de l’atmosphère (propriétés angulaires des particules secondaires intégrant la composante s'échappant de la haute atmosphère vers les ceintures de radiation). [1]

3) Validation de la modélisation 3D avec les mesures de spectres neutrons réalisées par l'ONERA/DPhIEE à Concordia (Antarctiques). Des comparaisons complémentaires pourront être réalisées à partir d’autres spectromètres et/ou instruments (neutrons monitors). [2]

4) Valorisation de cette nouvelle description physique dans les thématiques "Salammbô 3D" et "MUSCA SEP3". [3]

5) Évaluation du bruit de fond attendu en orbite basse pour différentes missions spatiales et comparaison aux données de vol (ESA/Integral pour l’albédo gamma, JAXA/Hitomi pour l’albédo neutron) ; application aux missions spatiales en préparation (CAS/Einstein Probe, ESA/Theseus).

-- Compétences acquises

Maitrise des outils de simulations numériques et des outils d’analyse des jeux de données, connaissance de l’environnement spatial, sciences de l’ingénieur pour le spatial.

-- Ecole Doctorale ED173 (Toulouse III)

La moitié de la thèse se déroulera à l’ONERA de Toulouse, l’autre moitié au CEA de Saclay.

Il est souhaitable que le(a) candidat(e) effectue son stage de M2 à l’ONERA de Toulouse en préalable à la thèse qui se déroulera pour partie à l’ONERA à Toulouse et pour partie au CEA à Saclay.

• Astrophysique

 

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