Characterization and modeling of archaeological objects for their dating by Paleo-dosimetric methods : simulation of the dosimetric parameters with Geant4
Caractérisation et modélisation d'objets archéologiques en vue de leur datation par des méthodes paléo-dosimétriques : simulation des paramètres dosimétriques sous Geant4
Résumé
The paleodosimetric dating methods allow to obtain the age of some mineral materials which behave as natural dosimeters, the age being derived as the ratio of the dose accumulated from the dated event and the natural dose rate to which the sample was subjected.. The determination of the dose rate is usually based on simple models which only allow explicit calculations, but these models reproduce very imperfectly the diversity of situations encountered. Computer modeling allows to represent more complex and more realistic models, which lead to numerically simulate the dose rate. In this work, the toolbox Geant4, allowing to simulate particle-matter interactions by the Monte-Carlo method, was used to create complex models , as well as modeling tools accessible and adaptable to different types of samples and dosimetric situations. Simulations were first made with basic models in order to study the origin of dose rate variations in sediments, highlighting the limits of the simple models commonly used. This information was used to guide the development of modeling tools based on the Geant4 codes, and also to specify the protocols of samples analysis for gathering the data needed for numerical simulations. The DosiVox software allows to easily model a wide variety of samples through a voxelised representation of the object and its environment, and to simulate the radioactivity for calculating the spatial distribution of the dose rate. It was developed with a view of accessibility and current use. Comparisons with dosimetric situations previously studied or measured showed the relevance of the modelings, and the possibilities of this computer tool are exposed through a series of examples and applications. The characterization of the beta dose rate distribution in heterogeneous sediment is one of the most complex problems to be treated. In addition to a study aims at assessing the potential of DosiVox to consider these situations, the DosiSed software was developed specifically for modeling poly-mineral sets of grains. This tool was used to study the heterogeneity of the dose rate in real samples and allowed to include some of the results in a dating problematic.
Les méthodes paléodosimétriques permettent d’obtenir l’âge de certains matériaux de nature minérale qui se comportent comme des dosimètres naturels, l’âge étant alors donné par le rapport de la dose accumulée depuis l’événement à dater, au débit de dose naturel auquel l'échantillon a été soumis. La détermination du débit de dose repose le plus souvent sur des modèles simples, qui seuls permettent des calculs explicites, mais ces modèles ne reproduisent que très imparfaitement la diversité des situations rencontrées. La modélisation informatique permet d’envisager des modèles plus complexes et plus réalistes, qui conduisent à simuler numériquement le débit de dose. Dans ce travail, la boite à outils Geant4, qui permet de simuler les interactions particule-matière selon la méthode de Monte-Carlo, a été utilisée pour créer des modèles complexes, ainsi que des outils de modélisation accessibles et adaptables aux différents types d'échantillons et situations dosimétriques. Des simulations ont tout d'abord été faites à partir de modèles basiques afin d'étudier l’origine des variations du débit de dose dans des sédiments, mettant en évidence les limites des modèles simples utilisés couramment. Ces informations ont permis d'orienter le développement d'outils de modélisation basés sur les codes de Geant4, et aussi de préciser les protocoles d'analyse des échantillons permettant de réunir les données nécessaires aux simulations numériques. Le programme DosiVox permet de modéliser simplement une grande variété d'échantillons grâce à une représentation voxélisée de l’objet et de son environnement, et de simuler la radioactivité pour calculer la distribution spatiale du débit de dose. Il a été développé dans une optique d'accessibilité et d'usage courant. Des comparaisons avec des situations dosimétriques préalablement étudiées, ou mesurées, ont montré la pertinence des modélisations, et les possibilités de cet outil informatique sont exposées au travers d’une série d'exemples et d'applications. La caractérisation de la distribution des débits de dose bêta dans les sédiments hétérogènes constitue l'une des problématiques les plus complexes à traiter. En plus d'une étude destinée à évaluer le potentiel de DosiVox à considérer ces situations, le programme DosiSed a été développé pour modéliser spécifiquement des ensembles polyminéraux de grains. Cet outil a permis d'étudier l'hétérogénéité du débit de dose dans des échantillons réels, ainsi que d'inclure certains résultats dans une problématique de datation.
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