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Fibres optiques et radiations (FOR)

- Porteur : Benabdesselam Mourad

- Collaborateurs LPMC : Mady Franck, Dussardier Bernard, Blanc Wilfried

- Collaborateurs extérieurs : Ollier N. (LSI, CNRS/CEA/École Polytechnique, Palaiseau), Boch J. (IES, Université Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier II), Peterka P. (IPEE, Prague), Caussanel M. (PROMES, Perpignan)

- Doctorants/Post-docs : Mebrouk Yasmine, Duchez Jean-Bernard

- Soutiens financiers : Projet Hapolo Fondation EADS (Convention EADS 098-AO11-2408) ; Projet ANR Jeune chercheur, ANR 11-JS04-007, PARADYSIO ; Projet ANR DROID (ANR 11-RSNR-0008)

- Plateformes technologiques : Fabrication de fibres optiques

- Description :

Le périmètre thématique de cette activité englobe les fibres optiques passives et actives, les systèmes fibrés (amplificateurs, lasers...) Et les capteurs à fibres concernés par les environnements nucléaires civils, militaires, spatiaux, ou utilisés dans le cadre du stockage des déchets radioactifs et les grandes infrastructures scientifiques. Outre les effets liés aux champs de rayonnements externes, notre étude inclut les phénomènes induits par les radiations guidées dans les fibres, et notamment par les photons de pompe dans le cas des fibres actives.

Fondamentalement, l’interaction des ces radiations avec les fibres optiques induit des ionisations résultant en des processus de transfert de charges et finalement en la formation de défauts optiquement actifs responsables de pertes de transmission. L’apparition de tels défauts peut être considérée comme délétère (effet de « noircissement » de la fibre) ou bien, à l’inverse, elle peut être mise à profit pour la détection active ou passive des rayonnements, ainsi que pour leur métrologie (dosimétrie). Notre activité s’articule selon ces 2 angles d’approche antagonistes mais complémentaires.

Concernant l’axe « dégradation », le défi majeur est de proposer des voies de « durcissement » des fibres leur permettant de maintenir leurs performances dans une tolérance acceptable au terme de l’absorption d’une dose de rayonnement définie en fonction de l’application visée. Cela nécessite d’accéder à une compréhension fine des mécanismes microscopique d’ionisations et de formations des centres optiques impliqués dans la dégradation. Le cheminement vers le durcissement se heurte à des difficultés liées à la nature essentiellement extrinsèque de ces mécanismes : ils dépendent très fortement de la composition de la fibre, notamment de la nature et de la concentration de ses dopants. Ils varient par ailleurs avec les radiations subies. En premier lieu il est nécessaire de distinguer l’effet des rayonnements ionisants externes (radio-noircissement) de celui dû aux radiations guidées (photons sub-gap, photo-noircissement). Il s’agit en second lieu de caractériser et de tenir compte des spécificités liées aux différents types de rayonnements (X, gammas, protons, électrons, neutrons, ions) et à leur débit de dose (intensité du rayonnement). En effet, les tests de routine effectués en laboratoire ne peuvent être conduits qu’à l’aide de moyens d’irradiation flexibles et disponibles (rayons X mous), souvent à des débit de doses très différents de ceux subis en conditions de service.

L’axe « capteurs de radiations fibrés » bénéficie lui aussi de la compréhension des mécanismes physiques gouvernant l’interaction radiation-fibre mais avec pour objectif, au contraire, d’exacerber la sensibilité de la fibre aux diverses radiations. A nouveau, les voies de sensibilisation doivent être adaptées au regard de la composition et du type de rayonnement, en fonction de l’application visée. Ces capteurs peuvent se décliner sous forme passive (dosimètre à lecture différée) et active (détecteur temps réel), sur la base de la modification des propriétés spectroscopiques ou luminescentes. Cette activité est à l’heure actuelle structurée par 3 projets financés dont le détail est présenté en suivant les liens ci-dessous. L’axe « durcissement » se développe autour de 2 projets portés par le LPMC : PARADYSIO (ANR), et hapolo (fondation EADS). L’axe « capteur » est notamment soutenu dans le cadre du projet DROID (ANR), porté par le laboratoire PROMES (UPR 8521) de Perpignan, dont le LPMC est partenaire. Chaque projet s’appuie sur un réseau de collaborateurs extérieurs propres (voir détails ci-dessous et liens ci-dessus).

- Détails des projets en cours :

  • PARADYSIO (ANR 11-JS04-007)

En collaboration avec le Laboratoire des Solides Irradiés, LSI, UMR 7642 CNRS-CEA-École Polytechnique, Palaiseau, France (Nadège Ollier, chercheur CEA).

L’objectif principal de ce projet est d’abord d’identifier les centres colorés (responsables du noircissement) induits par différents types d’irradiations dans les fibres optiques en silice dopées ytterbium (FDY). Il est ensuite de proposer et de tester des voies de durcissement spécifiques pour les composants fibrés utilisant les FDY en conditions sévères (lasers notamment). Par rapport aux fibres erbium, les fibres dopées ytterbium présentent la particularité d’être dégradées non seulement par les radiations ionisantes externes (radio-noircissement), mais aussi par la pompe elle-même (photo-noircissement). Si les voies d’absorption de l’énergie des particules ionisantes et des photons de pompe diffèrent évidemment, les défauts activés semblent être similaires dans les deux cas. De fait, une étude approfondie des deux phénomènes et de leur superposition s’impose. Les défauts induits sont caractérisés efficacement par le croisement des techniques de thermoluminescence, de RPE et de photo-spectrométrie. Les cinétiques de dégradation sont appréhendées à partir de dispositifs pompe-sonde. A partir de ces caractérisations, la démarche de durcissement s’appuie sur une modélisation fine des mécanismes critiques prenant la forme d’un modèle de simulation numérique. Ce dernier doit rendre compte des effets de composition, de dose et de débit de dose sur la tolérance des fibres aux rayonnements en présence. Il doit ainsi orienter la fabrication des fibres à tester.

  • Hapolo (Fondation EADS 098-AO11-2408)

En collaboration avec l’Institut d’Electronique du Sud, IES, CNRS UMR 5214, Université Montpellier 2 (Jérôme Boch), and l’IPE Prague (Pavel Peterka).

L’intégration des fibres optiques amplificatrices (foas) dans les technologies aérospatiales embarquées (gyroscopes, communications inter-satellites, lidar,…) se heurte à la dégradation des performances des foas sous l’effet des radiations spatiales (protons et électrons essentiellement). Comme pour les composants électroniques, le lancement de foas ne devrait se faire qu’au terme d’une procédure de « qualification spatiale », consistant à vérifier sur Terre que la fibre franchit un test standardisé de tenue au rayonnement. Pourtant ces tests souffrent d’un double défaut. Tout d’abord, ils utilisent le plus souvent des rayonnements X ou gammas, facilement accessible et peu coûteux en routine bien que différents des radiations spatiales. Ensuite, le débit de dose utilisé lors des tests est supérieur de plusieurs ordres de grandeurs au débit spatial (ce dernier est très faible : 10-4 à 10-2 Gy h-1). Les tests sur terre sont donc accélérés : la dose typique reçue par un composant sur les 15 années d’une mission spatiale (500 Gy au plus) peut être délivrée en quelques minutes. Or, il est très probable que le niveau de dégradation soit largement sous estimé à fort débit. Malgré ces failles, des protocoles de tests standardisés existent depuis de nombreuses années pour les composants électroniques. Heureusement, ce terrain demeure vierge d’exploration concernant les fibres optiques. L’étude de la tenue des foas aux radiations s’est développée au cours des 10 dernières années, principalement autour des fibres en silice dopées erbium, sans considérer les deux limitations citées. L’ambition du projet hapolo est de contribuer significativement au comblement du manque en comparant les effets des irradiations protoniques à ceux d’irradiations de routine (rayons X), en proposant ensuite une caractérisation expérimentale poussée et une modélisation des effets de débit de dose, en recherchant enfin sur une base physique solide des modalités de tests accélérés équivalents à une mission. Ce travail s’appuie sur le développement d’un banc de test permettant de suivre la dégradation d’une source laser fibrée de puissance (configuration MOPA) sous irradiation à débit variable. Les foas considérées sont en premier lieu des fibres dopées erbium, même si l’étude de fibres dopées ytterbium permettra de tirer un profit majeur des mécanismes de dégradations identifiés et modélisés par le projet hapolo mené parallèlement par l’équipe. Cela doit permettre de tester les voies de durcissement vis à vis des radiations spatiales d’après un protocole validé.

  • DROID (ANR 11-RSNR-0008)

Projet porté par le laboratoire PROMES, Université de Perpignan (Matthieu Caussanel).

Le projet DROÏD vise à contribuer à la sécurité d’installations nucléaires et à la radioprotection du personnel en développant une méthode de suivi dosimétrique qui permet la surveillance en temps réel par un réseau basé sur la sensibilité de fibres optiques spéciales à des rayonnements ionisants ou non ionisants. Ce dosimètre original à fibre distribué lira l’Atténuation Radio-Induite (ARI) résolue spatialement par réflectométrie optique. En fonction de la géométrie du système, la cartographie de dose sera réalisée à 1, 2 ou 3 dimensions. La technique bénéficiera de la versatilité en composition et en géométrie de la fibre pour adapter le réseau en terms de résolutions de dose et spatiale (du cm au km). Un tel système dosimétrique trouve de nombreuses applications au sein d’une centrale nucléaire pour la production d’énergie.

Mots-clés

MOSAIQ, Fibres Optiques