Conception optique pour les environnements radiatifs et application à une caméra résistante à des doses élevéees (MGy)

Optical Design for radiation environments and application to a camera resisting to high dose levels (MGy)

• Auteur / Autrice : Cyprien Muller
• Direction : Aziz Boukenter, Thierry Lépine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 09/11/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Goiffon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Van Uffelen, Adriana Morana, Philippe Paillet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Saigné, Stéphane Darbon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Réfractométrie

Rayonnements ionisants

Mots clés libres

Radiations

Conception optique

Indice de réfraction

Atténuation

LEDs

Radiations

Optical design

Refractive index

Mitigation

LEDs

Résumé

Le projet CAMRAD répond à un appel à projets de l’ANDRA en vue de trouver de nouvelles solutions pour la gestion des déchets nucléaires, dont le volume va considérablement augmenter avec le démantèlement de l’actuel parc nucléaire français. Celui-ci prévoit la conception d’une caméra à Haute Définition durcie aux radiations à des doses au moins dix fois supérieures aux caméras actuellement disponibles. Les rayonnements ionisants ont en effet des effets délétères sur les verres optiques utilisés pour réaliser l’objectif de la caméra : ils sont susceptibles de noircir, assombrissant l’image, et de changer d’indice de réfraction, pouvant causer un flou dans l’image. Cette thèse comporte trois axes d’étude. Le premier consiste en l’évaluation de l’impact des radiations sur les systèmes optiques en terme de qualité d’image afin d’en tirer des règles pour la conception optique en milieux radiatifs ainsi qu’en l’étude de certaines solutions. Le second concerne la mesure expérimentale de l’effet des radiations sur des verres et traitements antireflets à de plus fortes doses que celles atteintes dans la littérature. Ces tests sont réalisés en vue de l’utilisation de ces éléments dans la caméra CAMRAD. Le troisième axe de cette thèse consiste en la conception d’un objectif d’imagerie et de son système d’illumination en prenant en compte les effets délétères des radiations pour les minimiser et assurer l’autonomie de la caméra. L’objectif conçu supporte des changements d’indice de réfraction jusqu’à 5 10-4 sans perte de qualité d’image et sa qualité d’image nominale est proche de la limite de diffraction. Après une dose de 1 MGy, sa transmission optique ne chute que de 20%.

The CAMRAD project responds to the call for proposals from the French National Agency for Radioactive Waste Management with the aim of finding new solutions for radioactive waste management in prevision of its strong increase due to the dismantling of the current Frenc nuclear facilities. The project aims to design a high-definition, radiation-hardened, camera capable to withstand radiation dose levels at least ten times higher than the currently available cameras. Ionizing radiations have deleterous effects on optical glasses used for camera lenses: they can cause absorption, leading to the darkening of the image, and refractive index change, which can blur the image. This PhD thesis is divided into three main areas. The first one is the evaluation of the radiation effects on optical systems in terms of image quality with the aim of finding optical design techniques for radiation environments. Potential solutions are also studied. The second area is the experimental measurement of radiation effects on glass and antireflection coatings at higher dose levels than the currently available data. These tests were performed to predict their behavior in the CAMRAD camera. The third area of work was the design of the camera lens and illumination system while taking radiation effects on the latters into account to minimize them and ensure the longest operation lifetime possible for the camera. The lens image quality will not be affected by refractive index changes up to 5 10-4 and its nominal image quality is almost at diffraction limit. This quality is maintained for an operating range of temperature from 20°C to 80°C and its transmission loss is limited to 20% up to 1 MGy.