Etude, développement et caractérisation de fibres optiques à haute sensibilité aux radiations ionisantes pour une application de dosimétrie répartie

Dans le domaine du nucléaire, les techniques actuelles de mesure de radiation n’offrent pas la possibilité d’effectuer un contrôle le long d’un objet filaire. Le projet Droïd a pour but de développer un dosimètre linéique utilisant une fibre optique comme élément sensible. L’atténuation radio-induite (ARI) du guide d’onde, lue par réflectométrie optique, permet non seulement de quantifier, mais également de localiser le dépôt de dose le long de la fibre. Chaque portion du câble fait alors office de capteur de rayonnement. Il est envisageable d’effectuer des mesures réparties sur de longues distances (plusieurs dizaines de mètres) et d’obtenir des cartographies de dose en une, deux ou trois dimensions selon la disposition de l’objet dans l’espace. Le projet se structure en deux volets. Le premier est le développement d’une fibre optique hautement sensible aux radiations. En effet, les technologies commerciales standard ne le sont pas suffisamment pour des applications comme la radioprotection du personnel dans le milieu du nucléaire. Définir la composition chimique de la fibre permet de maîtriser sa réponse aux rayonnements. Le second volet du projet concerne la modélisation liant l’atténuation radio-induite à la dose reçue par le guide d’onde. Dans le cas général d’une fibre avec fading, le développement et l’inversion d’un modèle non linéaire sont primordiaux pour le bon fonctionnement du dosimètre et constituent un verrou scientifique majeur à lever.In the nuclear domain, current radiation monitoring techniques do not offer the possibility to locally determine the dose received by a wire along its path. The purpose of the Droïd project is to develop a linear dosimeter based on an optical fiber as a sensitive element. The Radiation-Induced Attenuation (RIA) of the waveguide, read by optical reflectometry, can be used not only to quantify, but also to locate the dose deposition along the fiber. Each portion of the cable acts as a radiation sensor. It becomes possible to make measurements over long distances (several tens of meters) and to obtain dose maps in one, two or three dimensions depending on the spatial arrangement of the fiber. The project is structured in two parts. The first one is the development of an optical fiber that is highly sensitive to radiation. Indeed, standard commercial technologies are not reactive enough for applications such as staff radioprotection. Defining the chemical composition of the fiber permits to master its behavior under radiation. The second part of the project deals with modeling the non-linear relationship between the RIA and the dose received by the waveguide. In the general case of a sensor with fading, building and inverting such a model are a requirement for the final device and constitute a major scientific challenge

Projet DROÏD : Développement d'un dosimètre distribué à fibre optique

National audienceFor many years, fiber optics have been increasingly used in the field of dosimetry. Whether for medical or nuclear applications, scientists have developed various techniques of fiber-optic sensors, in which the fiber can either be the sensitive element [1], or serve only as a waveguide to interrogate a sensor placed At its end [2]. The 2011 incidents in Fukushima have motivated the development of new tools to improve the safety and monitoring of nuclear installations. The DROÏD project, financed by the investment program for the future, aims to improve the control of sensitive sites by developing a distributed dosimetry. For this purpose, a technology based on the radiation-induced attenuation (ARI) of an optical fiber is used, which will be measured along the fiber by a high-resolution reflectometer. It is thus sought to develop a sensor whose sensitivity will allow a dose measurement over a length of between ten meters and one kilometer. This distance makes it possible to move the interrogator away from the irradiated zone. There is currently only one such system developed by the Fraunhofer Institute [3] and installed at the DESY particle accelerator in Hamburg. It uses a phosphorus doped fiber whose ARI is read using a commercial reflectometer. This system, which is 140 m long, is capable of detecting a minimum dose of 3 Gy over 1.50 m of fiber. For applications targeted by DROID, the minimum detectable dose is lowered to 0.1 Gy over a shortest fiber length. For this purpose, it is necessary to develop a fiber whose sensitivity to radiation is considerably higher than the current fibers. We present here a comparative study of some sixty specially chosen optical fibers. The LPMC laboratory in Nice provided samples using the MCVD method. The various compositions tested involve combinations of rare earths, metals or more conventional dopants (P, Ge). The ARI of each fiber was measured, in situ, for one hour at a rate of 10 Gy / hr, as well as for one hour after the end of the irradiation. These characterizations were mainly performed at 4 wavelengths (850 nm, 1064 nm, 1300 nm and 1550 nm), at ambient temperature and with an injected optical power of less than 10 nW to minimize photobleaching phenomenon. The rare earth doped fibers, in particular with lanthanum, have a very high radiation sensitivity. Numerous parameters influence the response of fibers, such as coupling effects between dopants. The difficulty lies in analyzing these effects in order to optimize the composition of the radiation sensor. The most interesting results will be presented at the conference.Depuis de nombreuses années, les fibres optiques sont de plus en plus utilisées dans le domaine de la dosimétrie. Que ce soit pour des applications médicales ou nucléaires, les scientifiques ont développé différentes techniques de capteurs à fibre optique, dans lesquelles la fibre peut soit être l'élément sensible [1], soit servir uniquement de guide d'onde pour interroger un capteur placé à son extrémité [2]. Les incidents de 2011 à Fukushima ont motivé le développement de nouveaux outils pour améliorer la sécurité et la surveillance des installations nucléaires. Le projet DROÏD, financé par le programme d'investissement d'avenir, vise ainsi à perfectionner le contrôle des sites sensibles en développant une dosimétrie distribuée. On a, pour cela, retenu une technologie basée sur l'atténuation radio-induite (ARI) d'une fibre optique qui sera mesurée le long de la fibre par un réflectomètre haute résolution. On cherche ainsi à développer un capteur dont la sensibilité permettra une mesure de dose sur une longueur comprise entre la dizaine de mètres et le kilomètre. Cette distance permet d'éloigner l'interrogateur de la zone irradiée. Il existe, à l'heure actuelle, un seul système de ce type développé par le Fraunhofer institute [3] et installé à l'accélérateur de particules DESY à Hambourg. Il utilise une fibre dopée phosphore dont l'ARI est lu à l'aide d'un réflectomètre commercial. Ce système, long de 140 m, est capable de détecter une dose minimale de 3 Gy sur 1,50 m de fibre. Pour les applications visées par DROÏD, la dose minimale détectable est abaissée à 0,1 Gy sur une longueur de fibre la plus courte possible. Il faut donc pour cela développer une fibre dont la sensibilité aux radiations est nettement plus élevée que les fibres actuelles. Nous présentons ici une étude comparative d'une soixantaine de fibres optiques spécialement choisies. Le laboratoire LPMC de Nice a assuré la fabrication des échantillons par méthode MCVD. Les compositions testées, très diverses, impliquent des combinaisons de terres rares, de métaux ou de dopants plus classiques (P, Ge). L'ARI de chaque fibre a été mesurée, in situ, durant une heure à un débit de 10 Gy/h, ainsi que pendant une heure après la fin de l'irradiation. Ces caractérisations ont été principalement faites à 4 longueurs d'onde (850 nm, 1064 nm, 1300 nm et 1550 nm), à température ambiante et avec une puissance optique injectée inférieure à 10 nW pour minimiser le phénomène de photoblanchiment. Les fibres dopées terres rares, notamment avec du lanthane, présentent une très grande sensibilité aux radiations. De nombreux paramètres influent sur la réponse des fibres, comme les effets de couplages entre les dopants. La difficulté réside dans l'analyse de ces effets afin d'optimiser la composition du capteur de radiation. Les résultats les plus intéressants seront présentés lors de la conférence

Caractérisation de fibres optiques sous irradiation Gamma: influence du thulium, du l'aluminium, du lanthane et du cérium

National audienceThis work is an integral part of the DROÏD project, which aims at developping a distributed fiber-optic dosimeter. It is therefore necessary to develop a fiber that is very sensitive to gamma radiation. For this, it is essential to know the influence of the different fibre dopants on the radio-induced attenuation of the fiber (RIA). This work presents a quantitative study of the effects of thulium, lanthanum, cerium and aluminum on RIA.Ces travaux font partie intégrante du projet DROÏD qui vise au développement d'un dosimètre réparti à fibre optique. Il est donc nécessaire de développer une fibre très sensible aux radiations gamma. Pour cela, il est primordial de connaitre l'influence des différents dopants sur l'atténuation radio-induite de la fibre (ARI). Ces travaux présentent une étude quantitative des effets du thulium, du lanthane, du cérium et de l'aluminium sur l'ARI

High temperature measurements in irradiated environment using Raman fiber-optics distributed temperature sensing

Conference on Optical Sensing and Detection IV, Brussels, BELGIUM, APR 03-07, 2016International audienceOptical fiber temperature sensors using Raman effect are a promising technology for temperature mapping of nuclear power plant pipes. These pipes are exposed to high temperature (350 degrees C) and gamma radiations, which is a harsh environment for standard telecom fibers. Therefore metal coated fibers are to be used to perform measurement over 300 degrees C. Temperature variations can affect the attenuation of the metallic coated fiber before irradiation. The latter induces an extra attenuation, due to light absorption along the fiber by radiation-induced defects. The recombination of these defects can be strongly accelerated by the high temperature value. As backscattered Raman signal is weak it is important to test optical fibers under irradiation to observe how it gets attenuated. Different experiments are described in this conference paper: two in situ irradiation campaigns with different dose rates at, both ambient and high temperature. We observe that the tested off-the-shelf metallic coated fibers have a high attenuation under irradiation. We also noticed the fact that thermal annealing plays a massive role in the +300 degrees C temperature range