Fabrication et caractérisation de détecteurs à gouttelettes en surchauffe à bas bruit de fond au sein du projet PICASSO

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Études Monte Carlo des mesures d'étalonnage aux neutrons et aux particules alpha du détecteur PICASSO

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

Étude et caractérisation de détecteurs à liquide en surchauffe

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE.

Analyse des données et étude systématique de la réponse des détecteurs dans le cadre du projet PICASSO

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Characterization of expiration air jets and droplet size distributions immediately at the mouth opening

Size distributions of expiratory droplets expelled during coughing and speaking and the velocities of the expiration air jets of healthy volunteers were measured. Droplet size was measured using the Interferometric Mie imaging (IMI) technique while the Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used for measuring air velocity. These techniques allowed measurements in close proximity to the mouth and avoided air sampling losses. The average expiration air velocity was 11.7 m/s for coughing and 3.9 m/s for speaking. Under the experimental setting, evaporation and condensation effects had negligible impact on the measured droplet size. The geometric mean diameter of droplets from coughing was 13.5m and it was 16.0m for speaking (counting 1 to 100). The estimated total number of droplets expelled ranged from 947 – 2085 per cough and 112 – 6720 for speaking. The estimated droplet concentrations for coughing ranged from 2.4 - 5.2cm-3 per cough and 0.004 – 0.223 cm-3 for speaking.

Urban network travel time estimation from stop-line loop detector data and signal controller data

This paper presents a model to estimate travel time using cumulative plots. Three different cases considered are i) case-Det, for only detector data; ii) case-DetSig, for detector data and signal controller data and iii) case-DetSigSFR: for detector data, signal controller data and saturation flow rate. The performance of the model for different detection intervals is evaluated. It is observed that detection interval is not critical if signal timings are available. Comparable accuracy can be obtained from larger detection interval with signal timings or from shorter detection interval without signal timings. The performance for case-DetSig and for case-DetSigSFR is consistent with accuracy generally more than 95% whereas, case-Det is highly sensitive to the signal phases in the detection interval and its performance is uncertain if detection interval is integral multiple of signal cycles.

CTCombine : rotating and combining CT data with an accurate detector model, to simulate radiotherapy portal imaging at non-zero beam angles

Established Monte Carlo user codes BEAMnrc and DOSXYZnrc permit the accurate and straightforward simulation of radiotherapy experiments and treatments delivered from multiple beam angles. However, when an electronic portal imaging detector (EPID) is included in these simulations, treatment delivery from non-zero beam angles becomes problematic. This study introduces CTCombine, a purpose-built code for rotating selected CT data volumes, converting CT numbers to mass densities, combining the results with model EPIDs and writing output in a form which can easily be read and used by the dose calculation code DOSXYZnrc. The geometric and dosimetric accuracy of CTCombine’s output has been assessed by simulating simple and complex treatments applied to a rotated planar phantom and a rotated humanoid phantom and comparing the resulting virtual EPID images with the images acquired using experimental measurements and independent simulations of equivalent phantoms. It is expected that CTCombine will be useful for Monte Carlo studies of EPID dosimetry as well as other EPID imaging applications.

Modelling water droplet movement on a leaf surface

The central aim for the research undertaken in this PhD thesis is the development of a model for simulating water droplet movement on a leaf surface and to compare the model behavior with experimental observations. A series of five papers has been presented to explain systematically the way in which this droplet modelling work has been realised. Knowing the path of the droplet on the leaf surface is important for understanding how a droplet of water, pesticide, or nutrient will be absorbed through the leaf surface. An important aspect of the research is the generation of a leaf surface representation that acts as the foundation of the droplet model. Initially a laser scanner is used to capture the surface characteristics for two types of leaves in the form of a large scattered data set. After the identification of the leaf surface boundary, a set of internal points is chosen over which a triangulation of the surface is constructed. We present a novel hybrid approach for leaf surface fitting on this triangulation that combines Clough-Tocher (CT) and radial basis function (RBF) methods to achieve a surface with a continuously turning normal. The accuracy of the hybrid technique is assessed using numerical experimentation. The hybrid CT-RBF method is shown to give good representations of Frangipani and Anthurium leaves. Such leaf models facilitate an understanding of plant development and permit the modelling of the interaction of plants with their environment. The motion of a droplet traversing this virtual leaf surface is affected by various forces including gravity, friction and resistance between the surface and the droplet. The innovation of our model is the use of thin-film theory in the context of droplet movement to determine the thickness of the droplet as it moves on the surface. Experimental verification shows that the droplet model captures reality quite well and produces realistic droplet motion on the leaf surface. Most importantly, we observed that the simulated droplet motion follows the contours of the surface and spreads as a thin film. In the future, the model may be applied to determine the path of a droplet of pesticide along a leaf surface before it falls from or comes to a standstill on the surface. It will also be used to study the paths of many droplets of water or pesticide moving and colliding on the surface.

Modelling water droplet movement on a leaf surface

Modelling droplet movement on leaf surfaces is an important component in understanding how water, pesticide or nutrient is absorbed through the leaf surface. A simple mathematical model is proposed in this paper for generating a realistic, or natural looking trajectory of a water droplet traversing a virtual leaf surface. The virtual surface is comprised of a triangular mesh structure over which a hybrid Clough-Tocher seamed element interpolant is constructed from real-life scattered data captured by a laser scanner. The motion of the droplet is assumed to be affected by gravitational, frictional and surface resistance forces and the innovation of our approach is the use of thin-film theory to develop a stopping criterion for the droplet as it moves on the surface. The droplet model is verified and calibrated using experimental measurement; the results are promising and appear to capture reality quite well.

A quasi four dimensional radiation detector

Techniques for the accurate measurement of ionising radiation have been evolving since Roentgen first discovered x-rays in 1895; until now experimental measurements of radiation fields in the three spatial dimensions plus time have not been successfully demonstrated. In this work, we embed an organic plastic scintillator in a polymer gel dosimeter to obtain the first quasi-4D experimental measurement of a radiation field.