Dosimétrie répartie par fibre optique pour les applications spatiales

Optical-fiber-based distributed dosimetry for space applications

• Auteur / Autrice : Arnaud Meyer
• Direction : Aziz Boukenter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• 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 : Sylvain Girard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jochen Kuhnhenn, Damien Lambert, Julien Mekki, Adriana Morana
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Caucheteur, Frédéric Wrobel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Dosimétrie

Mots clés libres

Dosimetrie

Fibre optique

Mesure répartie

Dosimetry

Optical fiber

Distributed measurement

Résumé

La dosimétrie pour l'environnement spatial nécessite des capteurs sensibles à une large gamme de particules et d'énergies, tout en conservant des empreintes réduites de volume de et masse. Les fibres optiques fournissent une solution appropriée à ces applications, ainsi que la propriété unique de permettre une dosimétrie répartie, c'est-à-dire l'accès à la dose reçue par virtuellement n'importe quel point le long de la fibre sensible.De tels systèmes de dosimétrie répartie ont été documentés dans la littérature pour des applications au sol, notamment pour des accélérateurs de particules. Ce travail explore les performances de systèmes de dosimétrie répartie basés sur des fibres optiques miniaturisées et dopées au phosphore, interrogées autour de 1550 nm par des réflectomètres optiques (OTDRs) embarqués.Ces systèmes ont été caractérisés par irradiation γ, X et proton, ainsi que par des mesures hors ligne pour évaluer leurs incertitudes de mesure. Les résultats ont conclu à une évolution linéaire de l'atténuation radio-induite (RIA) à la longueur d'onde d'interrogation, avec un coefficient de sensibilité entre 3,8 dB km⁻¹ Gy(SiO₂)⁻¹ et 4,9 dB km⁻¹ Gy(SiO₂)⁻¹, selon le type de fibre optique et la dose maximale reçue, jusqu'à 40,16 Gy(SiO₂).

Dosimetry for the space environment requires sensors that are sensitive to a wide range of particles and energies, while keeping low volume and mass footprints. Optical fibers provide a suitable solution for these applications, along with the unique property of enabling distributed dosimetry, i.e. access to the dose received by virtually any location along the sensing fiber.Such distributed dosimetry systems were reported in the literature for ground-based applications, especially in particle accelerators. This work explores the performance of distributed dosimetry systems based on miniaturized, phosphorus-doped optical fibers, interrogated around 1550 nm by embedded Optical Time-Domain Reflectometers (OTDRs).These systems were characterized using γ ray, X-ray and proton beam irradiation, as well as offline measurements for the assessment of their measurement uncertainties. Results concluded to a linear evolution of the Radiation-Induced Attenuation (RIA) at the interrogation wavelength, with a sensitivity coefficient between 3.8 dB km⁻¹ Gy(SiO₂)⁻¹ and 4.9 dB km⁻¹ Gy(SiO₂)⁻¹, depending on the type of optical fiber and the maximum dose involved, up to 40.16 Gy(SiO₂).