Potentiel des fibres optiques silicates radiosensibles pour la dosimétrie et techniques de régénération

Potential of radiation sensitive silica-based optical fibers for dosimetry and regeneration techniques

• Auteur / Autrice : Gaetano Li Vecchi
• Direction : Sylvain Girard, Yacine Kadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Youcef Ouerdane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serena Rizzolo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohammed Bouazaoui, Marc Gaillardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dosimétrie

Architecture

Capteurs optiques

Rayonnements ionisants -- Mesure

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibres optiques

Dosimétrie distribuée

Phosphore dopé

Regeneration

Optical fibers

Distributed dosimetry

Phosphorus doped

Regeneration

Résumé

Le capteur réparti de radiations à fibre optique suscite une attention considérable dans plusieurs domaines d'application en raison de sa capacité unique à mesurer et à surveiller avec précision et en continu les niveaux de radiations le long d'une fibre optique. Ce travail de thèse est issu de la collaboration entre le Laboratoire Hubert Curien et le CERN.Les objectifs de ce travail étaient d'évaluer les limites des techniques de pointe, afin de proposer des architectures innovantes de capteurs à fibre et de surmonter les limitations actuelles de ces systèmes. Cette proposition de nouvelles architectures a été réalisée, dans un premier temps, au niveau des composants avec de nouvelles fibres optiques possédant différentes compositions (P, PCe et Al). Ensuite, une analyse préliminaire a été menée au niveau du système, afin d'étudier comment la technique d'interrogation actuelle basée sur un réflectomètre travaillant dans le domaine temporel (OTDR) pourrait être améliorée en passant dans le domaine fréquentiel. Ce travail démontre la capacité de chaque architecture à atteindre les performances requises par le CERN : surveillance de la dose dans la gamme de 1 Gy à 100 kGy avec une résolution spatiale inférieure à un mètre et dans une gamme de température comprise entre 15 et 35°C. La fibre dopée P semble être le type de fibre le plus approprié pour être utilisé comme dosimètre. Elle possède en effet toutes les exigences essentielles qu'un dosimètre doit satisfaire : haute sensibilité aux rayonnements, réponse linéaire avec la dose, indépendance vis-à-vis du débit de dose et de la température, ainsi que compatibilité avec les outils d'interrogation. Enfin, nous avons travaillé sur un protocole permettant de régénérer le dosimètre en fibre optique phosphosilicate saturé par les radiations afin de pouvoir le réutiliser sans avoir à le remplacer. Nous avons également démontré comment ce processus peut être répété plusieurs fois sans modifier la calibration du dosimètre.

Distributed optical fiber radiation sensor (DOFRS) is attracting considerable attention in several application fields for its unique capability to accurately and continuously measure and monitor radiation doses along one optical fiber. This PhD thesis work originates from the collaboration between the Laboratoire Hubert Curien’s MOPERE team and the CERN, European Organization for Nuclear Research.The objectives of this work were to evaluate the limits of the state-of-the-art techniques, in order to suggest innovative fiber sensor architectures and overcome any remaining issues. This proposal for new architectures has been done, in the first instance, at the component level with new specialty optical fibers with various compositions (P, PCe and Al). Then, a preliminary analysis has been conducted at system level, investigating how the current interrogation technique based on Optical Time Domaine Reflectometer (OTDR) could be improved by working in the Frequency domain (OFDR). This work argues the capability of each architecture to achieve the required performance established by the CERN: dose monitoring in the range of 1 Gy to 100 kGy with a spatial resolution below one meter and in the temperature range between 15 and 35°C. P-doped fiber seems to be the most suitable type of fiber for use as a radiation dosimeter. It indeed possesses all the essential requirements that a dosimeter should satisfy: high radiation sensitivity, linear response with dose, dose rate and temperature independences, as well as compatibility with interrogation tools. Finally, we worked on a protocol to regenerate the optical fiber dosimeter damaged by radiation to be able to reuse it without having to replace it. We also demonstrated how this process can be repeated several times without changing the dosimeter calibration.