Dosimétrie par fibre optique et instrumentation de faisceau

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.