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Dosimétrie par fibre optique, applications aux études spatiales et à la physique des hautes énergies

Description

Contexte : De nombreuses études ont été menées afin de caractériser la réponse de fibres optiques à cœur de silice pure ou dopée sous irradiation, celles-ci étant envisagées tout d’abord pour le transfert d’informations ou la conception de diagnostics et plus récemment comme capteurs, ponctuels ou distribués [1]. A l’échelle macroscopique, trois mécanismes différents ont été mis en évidence [1,2]. Le plus pénalisant pour la majorité des applications est l’atténuation induite par irradiation (RIA) qui se traduit par une diminution rapide du signal propagé le long de la fibre optique. Un autre effet, observé plus particulièrement dans les fibres présentant une faible RIA est l’émission de lumière induite par irradiation (RIE), cette émission pouvant être due à une émission Cerenkov guidée par la fibre jusqu’au détecteur ou à la luminescence de défauts ponctuels activés par l’irradiation. Le dernier effet, moins étudié dans la littérature, concerne un changement de l’indice du verre sous irradiation (en particulier neutroniques), appelé Radiation induced refractive index change (RIRIC). Il impacte en particulier les capteurs à fibres optiques utilisant la réflectométrie optique pour localiser les évènements le long de la fibre optique. Ces effets macroscopiques s’expliquent au niveau microscopique par la génération de défauts ponctuels dans la matrice amorphe constituant le cœur ou la gaine optique des fibres. Des études fondamentales ont permis d’identifier l’origine des défauts et d’imaginer des solutions pour améliorer la tenue aux radiations (durcir) la réponse des fibres optiques des fibres optiques pour la majorité des environnements d’intérêt depuis les applications spatiales, la médecine, la physique des hautes énergies, les installations dévolues à l’étude de la fusion (ITER, LMJ, NIF) ou l’industrie nucléaire. Toutes ces études ont également montré que certains types de fibres optiques sont très sensibles aux radiations, ce qui a éveillé un intérêt pour leur utilisation en tant que détecteurs de radiation ou de dosimètres [3],[4],[5].

Les mécanismes de RIA et RIE sont principalement utilisés pour cette activité. Ainsi, la RIA autour de 1.55µm dans les fibres phosphosilicates présente toutes les caractéristiques nécessaires à la dosimétrie : une grande sensibilité envers les radiations : une dépendance linéaire de la RIA vs la dose, une indépendance de la RIA envers le débit de dose et la température. Une limitation est qu’au-delà d’une dose de quelques kGy, la mesure devient plus délicate [4, 6]. Cette technique est actuellement étudiée et déployée au sein du Large Hadron Collider au CERN, notamment dans le cadre d’une collaboration officielle entre  CERN et UJM. Combinée à une mesure réflectométrique, les fibres dopées P permettent d’obtenir une mesure répartie de la dose le long d’une fibre optique avec une résolution métrique [7]. Le phénomène de RIE peut lui être exploitée pour une surveillance en temps réel du débit de dose ou de la dose si la durée de l’irradiation est connue. Pour cela, des fibres optiques présentant de fortes émissions sous irradiation ont été développées, les plus étudiées étant celles dopées au Cerium [5] ou encore à l’azote [8]. Plus récemment, des fibres ayant été développées par voie sol-gel et dopées avec des dopants tels que Cu, Ce ou Gd ont été évaluées. Dans ce cas, les études préliminaires ont montré que ces fibres permettent la détection de très faibles flux de radiation (40µGy/s sous X) et en combinant la mesure de radioluminescence (RL, durant l’irradiation) et une mesure de luminescence stimulée optiquement (Optically Stimulated Luminescence, OSL), il est possible de s’affranchir des incertitudes liées à la présence de Cerenkov [9] si présente. L’efficacité de ces fibres optiques a été étudiée pour différents types de radiation : X-rays, g-rays, protons, neutrons par les partenaires [8,10].

Objectifs: L’objectif de la thèse présentée dans cette proposition est à travers une collaboration tri-partite (CNES, CERN, UJM et via un cofinancement CNES/CERN du doctorant de s’appuyer sur le savoir et savoir-faire acquis ces dernières années pour concevoir, fabriquer et évaluer sous irradiations, différentes architectures de dosimètre présentant des performances optimisées par rapport aux besoins recensés par le CNES pour les applications spatiales et le CERN pour les applications en physique des hautes énergies.

Les partenaires ont identifié les thématiques suivantes qui seront traitées durant la thèse :

  1. Définition de nouvelles architectures de capteurs de radiation. Après une étude visant à lister les besoins exacts en termes d’environnements à surveiller (dose, débit de dose, température) et en se basant sur une étude bibliographique au regard de l’état sur les différentes dosimétries par fibres optiques, des architectures de capteurs se basant sur la RIA ou la RIE seront définies en vue de la caractérisation de leurs performances sous irradiation. Dans cette tâche seront évaluées les innovations possibles en termes de matériaux, de système de détection et de traitement du signal pour la mesure de dose via la RIA. En outre la mesure par RL a été préalablement identifiée comme une technologie d’intérêt et fera l’objet d’une thématique dédiée (point 3).
  2. Caractérisation des performances des différents technologies de capteurs aux environnements d’intérêt pour le spatial et les accélérateurs. Après conception, les différents systèmes développés seront testés auprès des installations de tests sous irradiation des différentes partenaires afin de déterminer les performances accessibles et de les comparer aux besoins identifiés en phase 1. En particulier durant la thèse, il est prévu de s’intéresser aux environnements mixtes, combinant plusieurs types de radiations et ainsi représentatifs des environnements d’intérêt pour le spatial et la physique des hautes énergies. Cette tâche nécessitant de nombreuses études expérimentales sera basée sur la conception et la réalisation d’un plan d’expérience en vue de la quantification de possibles effets croisés entre les paramètres d’étude. Une telle approche semble particulièrement adaptée et valorisable dans le cadre de ce travail de doctorat.
  3. Capteurs basés sur la RIE : amélioration du système de détection et du traitement du signal : Les travaux préliminaires menés en collaboration entre les partenaires ont démontré le potentiel des dosimètres basés sur la RL pour la mesure de faibles débits de dose. Ceux-ci ont été obtenus avec un système de détection low-cost et sans traitement du signal particulier. Des études sur les détecteurs disponibles montrent que la sensibilité du système aux faibles débits peut grandement être améliorée en améliorant le système de détection, aujourd’hui un simple photomultiplicateur. Cette voie d’amélioration est préférée à celui de l’optimisation des matériaux radio-luminescents qui présentent déjà de très hautes efficacités quantiques.

Déroulement : Le travail de thèse de déroulera selon les étapes suivantes :

  1. Etude bibliographique, prise en main des bancs expérimentaux  de dosimétrie et des tests sous irradiation. Identification des besoins en dosimétrie du CNES, du CERN.
  2. Définition des architectures de capteurs de radiation et définition du plan d’expérience nécessaire en vue d’acquérir les données expérimentales nécessaires à leur évaluation.
  3. Préparation et réalisation des expérimentations sous irradiation auprès des installations des trois partenaires : UJM, CNES, CERN.
  4. Exploitation des résultats et comparaison avec les besoins existants en dosimétrie et les simulations.
  5. Identification des voies d’amélioration des capteurs et validation expérimentale
  6. Valorisation des résultats

Moyens : le LabHC possède une expertise reconnue au niveau mondial sur la tenue aux radiations des fibres optiques, capteurs à fibres optiques. Il possède également les outils expérimentaux permettant de réaliser les différentes catégories de capteurs à fibres optiques et de mener des tests sous irradiation X. Le LabHC possède un laboratoire commun, le laboratoire LabH6 avec la société iXBlue Photonics qui possède une forte expertise dans le développement de fibres optiques spéciales, notamment des fibres radiosensibles. Le laboratoire collabore également très activement avec le laboratoire PhLAM de l’Université de Lille qui développe de nombreuses fibres et verres radioluminescents. Des fibres radiosensibles seront mises à disposition dans le cadre du projet. Le CERN possède des compétences uniques en dosimétrie, notamment basés sur la RIA, et en caractérisation des environnements radiatifs complexes. Il pourra également mettre à disposition de la thèse l’accès à ses installations de tests sous irradiation. Le CNES à travers son expertise pourra orienter la thèse afin que les travaux menés puissent répondre aux mieux aux attentes des agences et industriels amenés à intégrer ces nouvelles technologies dans les futures missions spatiales.

Lieu des travaux : Les travaux de thèse, basés principalement sur les sites du laboratoire Hubert Curien (université de Saint-Etienne, Saint-Etienne, France) et du CERN à Genève (Suisse). Ils seront effectués en étroite collaboration avec les équipes du CNES.

Profil

Pour ce sujet de thèse, des étudiants issus de Masters ayant les spécialités suivantes peuvent présenter un profil adéquat, une connaissance des effets des radiations serait particulièrement appréciée.

Master électronique, optoélectronique Master effets des radiations Master photonique, matériaux

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Laboratoire Hubert Curien, UMR CNRS 5516
Directeur(rice) de thèse/recherche : GIRARD Sylvain
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : sylvain.girard@univ-st-etienne.fr
Responsable Cnes de l'offre : MEKKI Julien

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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