30 oct. 2018

Stage de fin d’études - Optimisation d’un réflectomètre par comptage de photons pour mesurer l’atténuation radio-induite d’une fibre optique


Lieu : Ce sujet de stage est proposé par le laboratoire PROMES-CNRS (UPR CNRS 8521), localisé à Perpignan. L’étudiant stagiaire sera accueilli au sein de l’équipe COSMIC (Commande des Systèmes, Instrumentation, Caractérisation). Le laboratoire PROMES est rattaché à l’INSIS (Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes) du CNRS et conventionné avec l’Université de Perpignan Via Domitia (UPVD).

Durée: 6 mois (février-juillet 2019).

Gratification : Le stage fera l'objet d'une gratification forfaitaire d’environ 543 €/mois.

Contact et encadrant : Matthieu CAUSSANEL, Maître de Conférences, , 04 68 68 22 58

Mots-clés : Réflectométrie optique, fibre optique, optoélectronique, électronique, instrumentation, automatique, traitement du signal, programmation scientifique (Matlab, LabView, C++).

Présentation détaillée du projet de fin d’études

Le projet de fin d’études s’inscrit dans la continuité du projet DROÏD (Distributed Optical Fiber Dosimeter), financé de novembre 2013 à mai 2018 par le PIA (Programme d’Investissement d’Avenir) RSNR (Recherche en Sûreté Nucléaire et Radioprotection). Son objectif est le développement d’un capteur linéaire réparti permettant d’effectuer une mesure de dose de radiation sur la totalité de la longueur d’une fibre optique avec une résolution spatiale métrique. La technologie employée est la réflectométrie optique, utilisée pour mesurer l’atténuation induite par les radiations dans la fibre (ou ARI, pour « atténuation radio-induite »). À ce jour, il n’existe pas de dosimètre linéaire (1D) réparti commercial et ce système viendra combler un manque entre les capteurs ponctuels déjà existants (0D) et la gamma caméra (2D). De nombreuses applications ont été identifiées en milieu nucléaire. DROÏD a abouti au développement d’une fibre optique avec une sensibilité aux radiations record de 0,4 dB.m-1.Gy-1 à une longueur d’onde de 850 nm. La lecture correcte de l’atténuation de cette fibre par réflectométrie optique est un élément clef de la conception du dosimètre. Il existe plusieurs techniques de détection : directe, cohérente, par comptage de photon, à spectre étalé, etc. Le laboratoire possède un réflectomètre Viavi utilisant une détection directe, ainsi qu’un réflectomètre Aurea Technology par comptage de photons.

Le travail de stage concerne le perfectionnement de la mesure d’ARI par ce réflectomètre fonctionnant selon le principe du comptage de photons. Cette amélioration du rapport signal à bruit porte à la fois sur les paramètres de fonctionnement du réflectomètre (fréquence et atténuation des impulsions laser, filtrage optique) et sur le traitement du signal obtenu. Une fois déterminée, la procédure de mesure d’ARI sera implémentée dans un logiciel qui pilotera le réflectomètre.

Profil et compétences recherchées

Le profil souhaité est celui d’un étudiant de master ou d’une école d’ingénieur dans les domaines de l’(opto)électronique et de l’automatique.

Les compétences de premier plan recherchées sont le traitement du signal et la programmation scientifique (Matlab, LabView, C++). Les compétences de second plan sont l’instrumentation, la fibre optique et l’optoélectronique.

Perspective de poursuite en thèse :  Le travail proposé anticipe le dépôt à venir d’un dossier CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la Recherche) auprès de l’ANRT par l’entreprise Aurea Technology, située à Besançon. L’objectif du dépôt de ce dossier est l’obtention d’un financement de thèse de 3 ans.

Objectif

À terme, l’objectif du projet est de contribuer au développement d’un capteur de radiation réparti de nouvelle génération. Suite à des échanges avec EDF R&D, ce système de suivi dosimétrique trouve de nombreuses applications au sein d’une centrale nucléaire pour la production d’énergie électrique : (1) en tant que chaîne fixe de surveillance des rayonnements dans les installations (pourtour du bâtiment réacteur) (2) en tant que système et réseau de surveillance de la radioactivité dans l’air, l’eau (piscine de désactivation et stockage de combustible) et les sols (enterrement aisé des fibres) (3) pour la mesure de niveau de réservoirs contenant des produits radioactifs (4) pour la surveillance de dépôts de points chauds dans certains circuits identifiés et (5) pour la localisation d’une source bloquée dans la gaine d’un gammagraphe.

Contexte

À ce jour, dans les milieux du nucléaire et de la physique des hautes énergies, les relevés de dose de radiation sont réalisés par des mesures ponctuelles (0D, compteur Geiger-Müller, dosimètres à semi-conducteurs...) ou bien surfaciques (2D, imagerie gamma ou alpha). Pour des environnements qui présentent des risques électriques ou difficiles d’accès (réacteur nucléaire, conduits étroits avec de faibles rayons de courbure), l’utilisation de ces technologies est problématique (compatibilité électromagnétique, miniaturisation de l’électronique, faible rapport signal à bruit imposé par la distance). À cette fin, les fibres optiques offrent des avantages indéniables : une isolation galvanique parfaite, une immunité aux perturbations électromagnétiques, des dimensions et un poids réduits, une grande fiabilité et une facilité d’intégration. Aucun produit commercial ne permet à la fois la mesure et la localisation d’un dépôt de dose le long d’un objet linéaire. Ces deux opérations peuvent être réalisées en interrogeant une fibre optique à l’aide d’un réflectomètre optique. La capacité à localiser un phénomène physique d’intérêt est déjà utilisée dans des capteurs commerciaux de température ou de contraintes. Le travail proposé dans le cadre de ce projet va contribuer au développement d’un capteur de radiation réparti de nouvelle génération.

Résultats attendus

Optimisation de la mesure d’ARI par réflectométrie optique de type comptage de photons.
Développement d’un logiciel de pilotage du réflectomètre.

Conditions scientifiques matérielles et financières du projet de recherche

Le projet de recherche fait suite au projet DROÏD financé à hauteur de 250 k€ de novembre 2013 à décembre 2018 par le PIA (Programme d’Investissement d’Avenir) RSNR (Recherche en Sûreté Nucléaire et Radioprotection). Le matériel (réflectomètre optique et échantillons de fibres optiques) nécessaire au bon déroulement du stage est déjà disponible au laboratoire PROMES. Un reliquat de contrat permettra l’achat éventuel de petit matériel complémentaire et le financement des missions de diffusion et de publication des résultats.

Objectifs de valorisation des travaux de recherche du stagiaire

Selon les résultats obtenus, il pourra être envisager de publier dans des revues internationales à comité de lecture un article traitant de l’optimisation de la mesure d’ARI par le réflectomètre de type comptage de photons. La participation du stagiaire à un congrès scientifique national ou international sera encouragée.

Références bibliographiques

[1] G. Beauvois, M. Caussanel, J.-F. Lupi, M. Ude, S. Trzesien, B. Dussardier, H. Duval, S. Grieu, and W. Blanc, Caractérisation de fibres optiques sous irradiation gamma : influence du thulium, de l’aluminium, du lanthane et du cérium, in JNOG 2017, Limoges, France, pp. 242-244, July 4-6, 2017.

[2] G. Beauvois, M. Caussanel, J.-F. Lupi, M. Ude, S. Trzesien, B. Dussardier, H. Duval, and S. Grieu,Presentation and Preliminary Results of DROID Project: Development of a Distributed Optical Fibre Dosimeter, in 11th International Symposium on SiO2, Advanced Dielectrics and Related Devices, Nice, France, pp. 74-75, June 13-15, 2016.

[3] J. Brendel, High-Resolution Photon-Counting OTDR for PON Testing and Monitoring, in OFC/NFOEC 2008 - 2008 Conference on Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference, pp. 1-5, 24-28 Feb. 2008.

[4] P. Eraerds, M. Legre, J. Zhang, H. Zbinden, and N. Gisin, Photon Counting OTDR: Advantages and Limitations, Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 6, pp. 952-964, 2010.

[5] H. Henschel, M. Körfer, J. Kuhnhenn, U. Weinand, and F. Wulf, Fibre optic radiation sensor systems for particle accelerators, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, vol. 526, no. 3, pp. 537-550, 2004.