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Auteurs indexés : Luca Weninger. Source : tel-05315325, version 1.

Cette thèse présente les résultats obtenus durant mon doctorat dans le cadre du projet RADNEXT, au sein du lot de travail dédié à la dosimétrie et à l'instrumentation des faisceaux. L'objectif de ce travail est de s'appuyer sur l'expertise de l'équipe MOPERE du Laboratoire Hubert Curien à Saint-Étienne, France, concernant les effets des rayonnements ionisants sur les fibres optiques, afin de développer et valider de nouvelles solutions de détecteurs de rayonnements et de dosimètres basés sur cette technologie. Ces solutions visent à aider les installations de tests du projet à mieux répondre aux besoins des utilisateurs dans le contrôle du flux et de la fluence sur leurs dispositifs en cours de test.Le premier chapitre décrit les types de particules d'intérêt dans différents environnements riches en radiations, en expliquant leurs interactions avec la matière et leurs modes de production, qu'ils proviennent d'isotopes radioactifs ou d'accélérateurs de particules. Il passe ensuite en revue l'état de l'art des dosimètres actuels et présente les installations d'irradiation utilisées pour obtenir les résultats discutés dans cette thèse.Le deuxième chapitre est consacré au potentiel des fibres optiques pour la dosimétrie. Après avoir présenté leurs avantages pour les applications de détection par rapport aux technologies électroniques, les concepts fondamentaux des fibres optiques en silice sont expliqués, notamment les mécanismes de transport de la lumière. Les principaux effets induits par les radiations sont abordés : l'atténuation induite par l'iradiation (RIA), base des dosimètres pour la fluence, et la luminescence induite par les radiations (RIL), utilisée pour la mesure du flux. Les dispositifs de lecture permettant de mesurer ces effets sont présentés et leurs caractéristiques sont détaillées pour illustrer les différentes configurations de dosimètres possibles.Le troisième chapitre décrit deux études sur la capacité de trois fibres optiques candidates à fonctionner comme éléments actifs de dosimètres basés sur la RIA. La première étude propose une méthode pour évaluer l'adaptabilité d'une fibre à ce rôle via des tests aux rayons X, en faisant varier la température et le débit de dose. Cette méthode est validée sur deux fibres multimodes : l'une avec un coeur dopé au phosphore (P) et l'autre co-dopée au germanium et au phosphore (GeP). La seconde étude explore la réponse RIA d'une fibre à coeur en silice pure à ultra-faible perte (ULL) en vue de développer un détecteur réutilisable. L'effet d'un pré-traitement d'irradiation sur cette fibre est analysé, et sa compatibilité avec une solution de détection répartie dans le domaine infrarouge est évaluée.Le quatrième chapitre présente les résultats de deux campagnes d'irradiation menées dans le cadre de RADNEXT pour évaluer la compatibilité des dosimètres à fibres optiques dans deux installations du consortium. La première campagne, réalisée au générateur de neutrons de 14 MeV de l'ENEA à Frascati (Italie), a permis de démontrer la capacité des fibres radioluminescentes dopées au cérium à mesurer en temps réel le flux de neutrons. La seconde campagne, menée au Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanque (Espagne), explore la compatibilité des dosimètres basés sur la RIA et la RIL avec un accélérateur de particules innovant fonctionnant par interaction laser-matière à haute puissance. Cette étude vise à combler un manque de solutions de dosimétrie adaptées aux protons générés par laser, les conditions électromagnétiques extrêmes interdisant l'usage des capteurs électroniques classiques.

Auteurs indexés : Luca Weninger. Source : tel-05315325, version 1.

This thesis includes the results obtained during my PhD as part of the RADNEXT project, inside the Work Package dedicated to dosimetry and beam instrumentation. To this end, the objective of this thesis is to leverage the expertise of the MOPERE team at Laboratoire Hubert Curien in Saint Etienne, France, on the effects of ionizing radiation on optical fibers, to develop and validate new solutions for radiation detectors and dosimeters based on this technology that can help the facilities involved in the project to better answer the users’ needs in the control of the flux and fluence impinging on their devices under test.In the first chapter are listed the types of particles of interest for different radiation-rich environments, together with an explanation on their interaction with matter and how they can be generated, either via radioactive isotopes, or the many evolutions of particle accelerators. The chapter continues with a run-down of the state-of-the-art dosimeters in use today. The first chapter ends presenting the facilities that were exploited during these three years to obtain the results discussed in this thesis. The second chapter is focused on the promise of optical fibers for dosimetry. This chapter starts by laying out their promise for sensing applications and their advantages compared to electronic-based technologies.The basic concepts of silica-based optical fibers are then explained, including the mechanisms and structures required to transport light within them. The main radiation-induced effects interesting for dosimetry are introduced: radiation-induced attenuation (RIA), at the base of cumulative dose (fluence) dosimeters, and radiation-induced luminescence (RIL), used for flux (dose rate) dosimeters. The interrogator setups needed to measure these effects are presented, and their characteristics are listed to explain how different types of dosimeter can be obtained.The third chapter includes two investigations on the capability of three candidate optical fibers to act as the active element of RIA-based dosimeters. The first is a method to investigate whether a certain fiber is adapted for such a role through extensive X-ray testing while varying the irradiation conditions, in terms of both temperature and dose rate. The method is then validated on two multimode optical fibers, one with a P-doped core and one with a GeP-codoped core. The second part of the chapter investigates the peculiar RIA response of a new generation of ultra-low loss pure-silica core optical fiber. Its characteristics are investigated to explore the possibility of a reusable radiation detector. Leveraging the previous studies of the MOPERE group, this work investigates the effect that a pre-irradiation treatment at different dose values can have on the RIA of this fiber. The last part of this chapter includes a study on the compatibility of this ULL optical fiber with a distributed sensing solution working in the infrared domain.The fourth chapter presents the results from two irradiation campaigns performed in the framework of the RADNEXT project to investigate the compatibility of state-of-the-art fiber-based dosimeters in two irradiation facilities within the consortium. The first campaign was performed at ENEA’s Frascati Neutron Generator, in Frascati (Italy). Here, we used the 14 MeV neutron generator to irradiate Ce-doped radioluminescent optical fibers and demonstrate their capability to monitor in real-time the neutron flux. The second campaign had the goal to explore the compatibility between fiber-based dosimeters, both RIA and RIL-based, and a new type of particle accelerator based on PW laser-matter interaction at the Centro de Láseres Pulsados (CLPU) of Salamanca, Spain. The investigation aims to fill a gap in the selection of dosimeters capable of measuring laser-generated protons, as the harsh electromagnetic environment generated with the interaction impedes the use of the most common electronic-based sensors.