Étude et modélisation de récepteurs acoustiques à réseaux de Bragg sur fibre optique
Le CEA List travaille depuis plusieurs années sur le développement de solutions de monitoring avancées exploitant des récepteurs acoustiques sur fibres optiques appelés réseaux de Bragg. Ces capteurs optiques présentent un fort potentiel pour la surveillance des structures à la fois par leur capacité d’intégration au sein des matériaux (béton, composite organique, métal) et leur capacité à être déployés en environnement difficile (embarqué, radiatif, haute température).
Un travail de postdoctorat est proposé afin de mener des travaux de modélisation de ces transducteurs à réseaux de Bragg en vue d’affiner la compréhension de leur sensibilité vis-à-vis des ondes élastiques guidées ultrasonores et d’aider au design d'un système de contrôle associé grâce à un placement intelligent des capteurs. In fine, l’objectif est de pouvoir simuler leur réponse au sein du logiciel de Contrôle Non Destructif Civa développé par le CEA List, et plus particulièrement via son module dédié au Structural Health Monitoring (SHM). Un tel travail contribuerait fortement à l’adoption et l’exploitation de cette technologie pour des applicatifs en Structural Health Monitoring.
Dosimétrie pour l’environnement : étude, conception et réalisation d’une installation d’étalonnage pour les faibles débits d’équivalent de dose
Afin de répondre au besoin d'étalonnage des installations du réseau européen de surveillance de la radioactivité, le Laboratoire national Henri Becquerel du CEA List installe un faisceau d’étalonnage pour les faibles débits d’équivalent de dose, inférieurs au µSv/h. Le travail comporte une étude des performances des installations existantes et la conception, l'installation et la caractérisation dosimétrique d'une enceinte blindée permettant de réduire le bruit de fond radiatif et d’accueillir des sources de photons de faible activité.
Développement d'une instrumentation multi-détecteurs modulaire pour la mesure de paramètres atomiques et nucléaires
Le projet LNE PLATINUM (PLATeforme d’Instrumentation NUmérique Modulable) a pour objectif de développer une plateforme modulable, dans le but de tester de nouvelles instrumentations utilisant deux ou plusieurs détecteurs en coïncidence. Le principe mis en œuvre dans ce projet s’appuie sur la détection simultanée d’interactions ayant lieu dans deux détecteurs différents, en recueillant des informations sur le type de particule et son énergie (spectroscopie). Ce principe est à la base de mesures absolues d’activité ou des systèmes actifs de réduction du fond continu pour améliorer les limites de détection. Mais il permet également de mesurer des paramètres caractérisant le schéma de désintégration, comme les coefficients de conversion interne, les rendements de fluorescence ou les corrélations angulaires entre les photons émis en cascade.
Fort de son expertise en données atomiques et nucléaire, le LNHB constate depuis de nombreuses années l’incomplétude des schémas de désintégration pour certains radionucléides. Ces schémas, établis lors de l’évaluation à partir des données mesurées existantes, présentent parfois des incohérences ou des transitions mal connues, en particulier en présence de transitions gamma fortement converties ou de très faible intensité (par exemple les études récentes sur 103Pa, 129I et 147Nd ont révélé de telles incohérences). Il apparaît donc important pour le LNHB de mieux maîtriser la technique de mesure en coïncidences, en tirant parti des nouvelles possibilités en termes d’acquisitions et d’horodatage des données pour apporter des compléments d’information sur les schémas de désintégration et contribuer à leur amélioration.
Dosimètre à base de scintillateur plastique rapide pour la mesure en ligne des faisceaux en radiothérapie FLASH
Les nouvelles modalités de traitement du cancer ont pour but l’amélioration de la dose délivrée à la tumeur tout en épargnant au mieux les tissus sains. Différentes approches sont en cours de développement dont l’optimisation temporelle de la dose délivrée avec l’irradiation à très haut débit de dose (FLASH).
Dans ce cas particulier, des études récentes ont montré que l’irradiation FLASH avec des électrons était aussi efficace que les traitements en faisceaux de photons pour la destruction des tumeurs tout en étant moins nocive pour les tissus sains. Pour ces faisceaux, les doses instantanées sont jusqu’à plusieurs ordres de grandeur supérieures à celles produites par les faisceaux conventionnels. Les dosimètres actifs usuels saturent dans ces conditions d’irradiation à très haut débit de dose par impulsion et, par conséquent, la dosimétrie en ligne du faisceau n’est pas possible.
Nous proposons de développer un dosimètre dédié à la mesure des faisceaux en radiothérapie FLASH, basé sur un scintillateur plastique ultra-rapide couplé à un capteur photomultiplicateur en silicium (SiPM). La nouveauté du projet réside à la fois dans la composition chimique du scintillateur plastique, qui sera choisie pour son temps de réponse et son émission en longueur d’onde pour avoir une réponse adaptée aux caractéristiques impulsionnelles du faisceau, et dans le capteur final, avec la possibilité de coupler le scintillateur plastique à une matrice de SiPM miniaturisée.
Le but final est de pouvoir accéder, avec une méthodologie fiable, à la dosimétrie et à la géométrie en ligne des faisceaux FLASH.
Conception en vue de la fiabilité des composants microélectroniques numériques
Les mémoires non-volatiles de type flash sont un élément clé pour le développement des applications haute-température dans l’aérospatial, l’industrie automobile et l’industrie du forage. Malheureusement, le temps de rétention des mémoires flash est fortement dégradé par la haute-température et peut être considérablement diminué même à des températures plus modérées, particulièrement dans le cas où il faut stocker plusieurs bits par cellule. Cet effet peut être estompé à travers un rafraîchissement périodique des données. Le problème est que, en présence des variations de température dues à un changement des conditions environnementales et/ou de charge de travail, une fréquence de rafraîchissement fixe doit être adaptée au pire cas et risque d’entraîner des pertes en termes de performance et endurance.
Le premier objectif de ce projet est d’implémenter une méthode de rafraîchissement basée sur l’utilisation d’un compteur permettant de : (a) suivre l’évolution de l’impact de la température sur le temps de rétention des mémoires flash, (b) générer des alertes sur l’imminence d’une perte de données et (c) fournir des timestamps.
Le deuxième objectif du projet est de déterminer la loi qui gouverne l’évolution avec le temps des fautes de rétention dans une mémoire flash. Le but est l’implémentation d’une technique capable de déterminer le temps de rétention restant de chaque page mémoire en fonction de l’âge de rétention, i.e. le temps écoulé depuis le stockage des données, et le nombre des erreurs de rétention et non-rétention.
Le travail du post-doctorant inclura la publication des résultats scientifiques dans des conférences internationales et journaux de haut niveau.
Réalisation par laser femtoseconde de récepteurs acoustiques à réseaux de Bragg pour la Surveillance Santé des Structures par tomographie acoustique passive
Le sujet de post-doctorat proposé s’inscrit dans le cadre d’un projet transversal initié par le CEA et qui consiste à développer un prototype de système de surveillance en continu d’une structure métallique (une conduite par exemple) par chapelets de récepteurs acoustiques à réseaux de Bragg fibrés et par imagerie passive (ou tomographie passive). Il vise à démontrer la pertinence du concept de SHM (Structural Health Monitoring) pour le nucléaire à l’aide de capteurs opérant en continu et en environnement extrême. Ce projet s’appuie sur deux développements récents : les réseaux de Bragg de nouvelle génération développés pour environnement sévère et les algorithmes d’imagerie de défauts à partir de l’analyse du bruit ambiant. Une démonstration de principe de la mesure passive d’ondes élastiques par réseaux de Bragg a été effectuée au CEA en 2015, ce qui constitue une première mondiale, brevetée. Le projet vise plus particulièrement à réaliser un démonstrateur et à équiper une canalisation sur boucle d’essai. Il fournira des données d’entrée relatives à la capacité d’un fluide en mouvement à générer des ondes élastiques analysables en tomographie passive.
Mise en place d’une méthode de contrôle qualité des traitements par radiothérapie à l’aide des gels dosimétriques
Ces dernières années, l’évolution des techniques de radiothérapie externe a conduit à de nouveaux besoins dosimétriques, entraînant un intérêt grandissant pour les méthodes de dosimétrie 3D. Seuls les gels dosimétriques permettent, aujourd’hui, de réellement mesurer la distribution tridimensionnelle de dose avec une haute résolution spatiale. Cette méthode se base sur la mesure par imagerie de modifications chimiques localisées dans un gel produit au laboratoire, suite à son irradiation.
Le projet porte sur le développement de méthodes de dosimétrie par gel utilisant deux moyens de lecture : l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie optique. Pour la dosimétrie par gel-IRM, il s’agit d’adapter et de valider une méthode développée au cours de précédents projets pour des applications de contrôle qualité sur les faisceaux de radiothérapie guidée par IRM. Cela passera tout d’abord par la conception des fantômes cylindriques à l’aide de l’imprimante 3D du laboratoire. L’optimisation de la méthode de lecture sera ensuite réalisée pour permettre la transposition de la séquence sur les appareils de radiothérapie guidée par IRM des hôpitaux partenaires du projet. L’ensemble de la méthode sera validé par ces mesures in situ. Des acquisitions de profils et de rendements en profondeur seront d’abord réalisées et comparées à d’autres méthodes dosimétriques apportées par d’autres partenaires du projet, avant de réaliser un contrôle end-to-end en conditions cliniques à l’aide d’un fantôme anthropomorphique.
En ce qui concerne la dosimétrie par gel–tomographie optique, le travail consistera en une mise au point de l’ensemble de la méthode. Une adaptation de la composition du gel sera alors nécessaire, ainsi que la caractérisation du lecteur, l’étalonnage du gel et, finalement, une validation de la méthode par des mesures de profils et rendements en profondeur dans les faisceaux de référence du LNHB.
Mise en place des champs de rayonnements de référence pour la radioprotection couvrant le domaine du Cs-137 et du Co-60 à partir d’un accélérateur d’électrons électrostatique
Au cours des dernières années, le LNHB a initié et réalisé un programme de recherche visant à produire un champ de rayonnement photonique de référence en radioprotection pour les hautes énergies (~6 MeV) à partir de son accélérateur médical Saturne 43. Pour ce faire, un ensemble constitué d’une cible et d’un filtre (égalisateur-atténuateur) a été conçu par le LNHB afin de produire à partir du faisceau d’électrons délivré par le LINAC un faisceau de photons de référence.
Il n’existe pas actuellement de dispositif permettant de produire des champs de rayonnements à partir d’un accélérateur dans le domaine d’énergie équivalent Cs-137 et Co-60. Pour mettre en œuvre un programme de recherche dans ce domaine, il est nécessaire de disposer de la technologie de fabrication et d’utilisation des dosimètres absolus pour les photons (chambres d’ionisation à cavité), de déterminer le design de l’ensemble cible-filtre afin de produire le champ de rayonnement photons approprié et de calculer les coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les équivalents de dose à partir de la distribution spectrale de la fluence au point d’étalonnage.
Le candidat participera à la construction des chambres d’ionisation à cavité nécessaires à la caractérisation dosimétrique des faisceaux de photons obtenus à partir d’un accélérateur d’électrons ainsi qu’aux mesures sur site. Il sera également en charge des simulations Monte-Carlo pour l’optimisation de l’ensemble cible-filtre égalisateur qui sera utilisé pour produire le faisceau de photons de référence à partir d’un accélérateur électrostatique.
Elaboration de bases de données pour l’identification de radionucléides par réseaux de neurones (projet NANTISTA)
Le projet NANTISTA (Neuromorphic Architecture for Nuclear Threat Identification for SecuriTy Applications) s’inscrit dans le cadre de la prévention du trafic illicite des matières nucléaires pouvant être passées aux frontières internationales. L’objectif est le développement d’une plateforme de détection à base de scintillateurs plastiques pour l’identification rapide par réseaux de neurones des radionucléides tels que les matières fissiles. Le sujet post-doctoral porte sur le développement de la chaîne de mesures et sur l’élaboration de bases de données pour l’apprentissage et l’optimisation des réseaux de neurones. Les bases de données seront construites à partir de mesures expérimentales avec des sources radioactives. Des simulations rayonnement-matière (codes Monte Carlo Geant4 ou Penelope) seront également implémentées afin d’enrichir ces bases de données.
Planification distribuée optimale de ressources énergétiques. Application aux réseaux de chaleur.
Les réseaux de chaleur en France alimentent plus d’un million de logements et délivrent une quantité de chaleur égale à environ 5% de la chaleur consommée par le secteur résidentiel et tertiaire. De ce fait, ils représentent un potentiel important pour l’introduction massive d’énergies renouvelables et de récupération. Cependant, les réseaux de chaleur sont des systèmes complexes qui doivent gérer un grand nombre de consommateurs et de producteurs d’énergie, répartis dans un environnement géographique étendu et fortement ramifié. Dans le cadre d’une collaboration entre le CEA-LIST et le CEA-LITEN, le projet STRATEGE vise à une gestion dynamique et optimisée des réseaux de chaleur. Nous proposons une approche pluridisciplinaire, qui intègre à la fois la gestion avancée du réseau par les Systèmes Multi-Agents (SMA) et la modélisation multi-physique simplifiée (hydraulique et thermique) du transport et de la valorisation de l’énergie calorifique sur Modelica.
Il s’agit de concevoir des mécanismes de planification et d’optimisation pour l’allocation de ressources de chaleur. Ces mécanismes devront intégrer les descriptions en provenance d’un Système d’Information Géographique et les prédictions de consommation, production et pertes en ligne calculées grâce aux modèles physiques simplifiés. On prendra ainsi en compte plusieurs caractéristiques du réseau : le caractère continu et dynamique de la ressource ; des sources avec des comportements, des capacités et des coûts de production différents ; la dépendance de la consommation/production à des aspects externes (météo, prix de l’énergie) ; les caractéristiques internes du réseau (pertes, capacité de stockage). Les algorithmes développés seront implémentés sur une plateforme de pilotage multi-agent existante et constitueront la brique principale d’un moteur d’aide à la décision pour la gestion des réseaux de chaleur qui devra fonctionner en environnement simulé et dans un deuxième temps en ligne sur un système réel.