Développement de stratégies de reconstruction à grandissement variable pour la tomographie X robotisée
Le Département Instrumentation Numérique regroupe des compétences très variées à travers plusieurs plateformes expérimentales et logicielles. Dans le Service Monitoring, Contrôle et Diagnostic, une des thématiques de recherche est l’inspection par méthodes RX. Dans ce cadre, une cellule d’inspection robotisée est en service depuis plusieurs années et sert comme plateforme d’expérimentation pour des développements algorithmiques et sur le plan de l’instrumentation. Un enjeu important des configurations de scan robotisées est la possibilité d’inspecter des pièces de grandes dimensions. Pour la plupart des cas d’application, des zones d’intérêt sont définies, pour lesquelles une résolution spatiale plus élevée est souhaitée. Dans ce contexte, un programme comportant plusieurs axes de développement est proposé avec l’objectif principal de faciliter la mise en œuvre et l’utilisation pour des cas d’application industriels.
Un premier volet du travail consistera à développer des algorithmes de reconstruction tomographique pour une stratégie à grandissement variable, via une approche analytique comme proposé par Dennerlein [1] et ensuite d’adapter des algorithmes itératifs de type SART.
Un deuxième volet concernera l’adaptation des algorithmes pour permettre une représentation multi-échelle des volumes reconstruits, par des décompositions de type de type octree ou ondelettes. Une approche de corrélation entre les données expérimentales et le modèle de la pièce inspectée permettra une meilleure adaptation pour améliorer la méthodologie de tomographie VOI (volume d’intérêt).
Un troisième volet visera la phase de validation expérimentale et aussi le développement d’un système de vérification du positionnement des éléments de la scène à l’aide de capteurs de distance. Une mesure simultanée de la distance source – surface de la pièce avec la prise d’image radiographique permettra de corriger les erreurs de positionnement pour chaque acquisition et de les intégrer à terme directement dans le processus de reconstruction.
Architecture pour système embarquée de Cartographie Automatisée et Fiabilisée d’installations indoor
Les travaux de recherche proposés s’intéressent à la localisation en 3D des données issues de mesures à l’intérieur de bâtiments, où les systèmes de localisation satellitaires, tels que le GPS, ne sont pas opérationnels. Différentes solutions existent dans la littérature, elles s’appuient notamment sur l’utilisation d’algorithmes de type SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), mais la reconstruction 3D est généralement effectuée a posteriori. Afin de pouvoir proposer ce type d’approche pour des systèmes embarqués, une première thèse a été menée et a conduit au choix des algorithmes à embarquer et à une ébauche de l’architecture électronique. Une première preuve de concept a également été mise en œuvre. Dans la continuité de ces travaux, la thèse devra proposer une méthode permettant au dispositif de localisation d’être facilement embarqué sur une large gamme d’équipements de mesure nucléaire (radiamètre, contaminamètre, spectrométrie portable…). Les travaux ne se limitent pas à une simple phase d’intégration, ils nécessitent en effet une exploration architecturale qui reposera sur des approches d’Adéquation Algorithme Architecture (AAA). Ces approches permettront de respecter différents critères, tel que poids et encombrement faible pour ne pas compromettre l’ergonomie pour les opérateurs réalisant les cartographies et qualité de la reconstruction pour assurer la fiabilité des données d’entrée pour les modèles du Jumeau Numérique.
Développement d'un spectro-imageur gamma/neutron transportable et de haute sensibilité pour la reconstruction et l'identification des points chauds radioactifs lors des opérations de démantèlement et d'assainissement
La reconstruction de points chauds radioactifs constitue un défi significatif lors des phases de caractérisation de radioéléments dans des environnements ayant été impactés par une activité radiologique ou nucléaire. Cette proposition de thèse vise à aborder cette problématique à travers le développement d’un instrument multimodal compact, de haute sensibilité pour évaluer et caractériser les contributions gamma et neutrons. Ce système permettra ainsi de répondre aux enjeux rencontrés lors des opérations d'assainissement et de démantèlement (A&D) des sites de l’industrie nucléaire. Pour ce faire, il intégrera des fonctionnalités de spectro-imagerie, en vue de garantir l’identification et la localisation des radioéléments présents. La littérature a déjà démontré les avantages et intérêts de la combinaison de la spectrométrie et de l’imagerie des rayonnements ionisants. Cependant, les solutions proposées présentent des difficultés de déploiement des systèmes de mesure (encombrement, masse), mais aussi de sensibilité incompatible avec les contraintes terrain. Les résultats obtenus dans le cadre de travaux de thèse menés au SIMRI (Service Instrumentation et Métrologie des Rayonnements Ionisants) permettent d'envisager le développement d'un prototype de spectro-imageur gamma et neutronique.
Développement de la méthode Compton-TDCR pour la métrologie des scintillateurs
Les objectifs de cette thèse se situent en amont du côté applicatif, dans le domaine de la métrologie des radionucléides. Ils visent à obtenir des informations essentielles pour la compréhension des mécanismes de scintillation. Ce sujet constitue une nouvelle discipline pour le laboratoire national de métrologie, inexistante dans les autres laboratoires, et porte spécifiquement sur la métrologie des scintillateurs. Les travaux seront axés sur l’instrumentation et l’analyse des résultats, permettant une meilleure compréhension des phénomènes physiques sous-jacents. Il en résulte la co-direction de thèse entre Benoit Sabot (expert en métrologie de la radioactivité) et Christophe Dujardin (expert en scintillation).
L’un des objectifs expérimentaux majeurs de la thèse sera la mise en place de la nouvelle installation Compton-TDCR [7], permettant la mesure absolue du rendement de scintillation en fonction de l’énergie des électrons. Ce dispositif sera conçu par impression 3D et intègrera des détecteurs germanium haute pureté (GeHP) afin d’augmenter la précision des mesures. Après la caractérisation en énergie et en rendement de ces détecteurs, ils seront intégrés dans le montage final. L’étudiant sera en charge du traitement des signaux à l’aide d’un module numérique générant des fichiers List-Mode. Ces données seront ensuite analysées par un logiciel existant développé en Rust, doté d’une interface Python, actuellement limité à quatre voies. Le nouveau dispositif intégrant jusqu’à trois détecteurs GeHP en plus des trois voies de photomultiplicateurs, il sera nécessaire d’adapter le logiciel pour assurer un traitement optimisé des informations obtenues. Après un réglage précis de l’électronique et une série de tests expérimentaux, les modifications logicielles devront être mises en œuvre afin de garantir l’exploitation complète des données fournies par la plateforme.
Une fois cette première étape achevée et la plateforme fonctionnelle, l’étudiant travaillera sur la compréhension des phénomènes de scintillation. Dans un premier temps, les études porteront sur des matériaux standards tels que les scintillateurs organiques (liquides ou plastiques) et inorganiques. Par la suite, l’investigation s’étendra à des matériaux encore peu explorés, comme les scintillateurs poreux. Cette phase nécessitera une collaboration étroite avec l’Université de Lyon, en particulier avec l’Institut Lumière Matière, où seront réalisées des mesures complémentaires permettant d’affiner l’analyse des phénomènes de scintillation, de compléter les résultats obtenus au laboratoire d’effecteur des simulations permettant de coupler les différents types d’expériences.
L’objectif final de cette installation est d’établir une méthodologie de métrologie des scintillateurs, permettant d’accéder à la courbe de réponse de ces matériaux en fonction des énergies des électrons interagissant dans le milieu, ainsi qu’à leurs propriétés temporelles. Ce travail ouvrira la voie à de nouvelles méthodes de mesure des rayonnements ionisants et apportera une contribution significative à la communauté scientifique dans ce domaine.
Moniteur de Faisceau en Diamant pour la Thérapie FLASH
L'optimisation de la dose délivrée à la tumeur nécessite des techniques de traitement avancées. Une approche prometteuse consiste à délivrer la dose en utilisant l'irradiation à très haut débit de dose (Ultra High Dose Rate – UHDR ou radiothérapie FLASH), avec l'optimisation temporelle comme stratégie clé. Des études récentes ont mis en évidence l'efficacité de l'irradiation FLASH utilisant des électrons, montrant des capacités de destructions tumorales similaires à celles obtenues avec une irradiation conventionnelle mais avec un impact réduit sur les tissus sains. Pour exploiter pleinement ce potentiel, une nouvelle approche consistera à utiliser des faisceaux innovants, tels que les faisceaux d'électrons de haute énergie et à hauts débits de dose instantanés et présentant des doses par impulsion plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux produits par les sources d’irradiation conventionnelles. Ces faisceaux prometteurs présentent un défi majeur pour leur monitoring et mesure, principalement en raison du débit de dose élevé pour lequel les systèmes de mesure actuels ne sont pas prévus de fonctionner.
Le Laboratoire de Capteurs et Instrumentation pour la Mesure (CEA-List) collaborera avec l'Institut Curie dans le cadre du projet FRATHEA. Nous proposons de développer un nouveau moniteur faisceau à base de diamant, connecté à une électronique dédiée, afin d'obtenir des mesures précises de la dose et de la forme des faisceaux pour des faisceaux d'électrons et de protons à haute énergie et haut débit de dose. Des techniques expérimentales interdisciplinaires, incluant la croissance de diamants, la microfabrication de dispositifs, la caractérisation des dispositifs sous sources radioactives et la caractérisation finale avec des faisceaux d'électrons et protons, seront utilisées pour le prototypage et l'évaluation du moniteur à faisceau en diamant.
Dans le cadre du projet FRATHEA, le doctorant travaillera sur les tâches suivantes :
· Croissance de structures de diamants monocristallin (scCVD) optimisées
· Caractérisation des propriétés électroniques des matériaux de diamant synthétisés
· Estimation des caractéristiques de réponse à la dose d'un prototype simplifié (brique élémentaire)
· Fabrication d'un moniteur de faisceau pixelisé
· Participation aux temps de faisceaux à l'Institut Curie pour les tests des dispositifs avec des faisceaux pré-cliniques
Compétences requises :
· Solide base en physique des semi-conducteurs et instrumentation
· Connaissance des détecteurs de rayonnement et des interactions rayonnement-matière
· Capacité à travailler efficacement en équipe et à faire preuve de rigueur technique dans les mesures
Compétences supplémentaires :
· Connaissances en électronique, y compris le traitement du signal, les amplificateurs, les oscilloscopes, etc.
· Familiarité avec la fabrication de dispositifs
· Expérience antérieure de travail avec des matériaux en diamant (atout mais pas obligatoire)
Profil :
· Niveau Master (M2) ou école d'ingénieur, spécialisation en mesures physiques ou instrumentation
Durée du doctorat : 3 ans
Date de début : Dernier semestre de 2025
Contact :
Michal Pomorski : michal.pomorski@cea.fr
Guillaume Boissonnat: guillaume.boissonnat@cea.fr
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Vers une plateforme d’irradiation photonique multimodale : fondements et conceptualisation
Les techniques d’irradiation photonique exploitent les interactions entre un faisceau de photons de haute énergie et la matière pour effectuer des mesures non destructives. En induisant des réactions photonucléaires, telles que l’activation photonique, les résonances de fluorescence nucléaire (NRF) et la photofission, ces techniques d’irradiation permettent de sonder la matière en profondeur. L’association de ces différentes techniques de mesure nucléaire au sein d’une plateforme d’irradiation unique permettrait une identification précise et quantitative d’une grande variété d’éléments, en sondant le volume des matériaux ou objets étudiés. Le faisceau de photons de haute énergie est généralement produit par rayonnement de freinage (phénomène de Bremsstrahlung) au sein d’une cible de conversion d’un accélérateur linéaire d’électrons. Une alternative innovante consiste à exploiter les électrons de haute énergie délivrés par une source laser-plasma, convertis par rayonnement de freinage ou par diffusion Compton inverse. Une plateforme basée sur une telle source offrirait de nouvelles possibilités, car les sources laser-plasma peuvent atteindre des énergies significativement supérieures, permettant ainsi l'accès à de nouvelles techniques et applications d'imagerie avancées. L’objectif de cette thèse est d’établir les fondements et de conceptualiser une plateforme d’irradiation photonique multimodale. Un tel dispositif viserait à se baser sur une source laser-plasma et permettrait la combinaison des techniques d’activation photonique, des résonances de fluorescence nucléaire (NRF) et de la photofission. En repoussant les limites des mesures nucléaires non destructives, cette plateforme offrirait des solutions innovantes à des défis majeurs dans des secteurs stratégiques tels que la sécurité et le contrôle aux frontières, la gestion des colis de déchets radioactifs, ainsi que l'industrie du recyclage.
Imagerie ultrasonore 3D par adressage orthogonal du réseau de sonde matricielle pour le CND par ultrasons
Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre des activités du Département Instrumentation Numérique (DIN) dans le domaine du Contrôle Non-Destructif (CND), et vise à concevoir une nouvelle méthode d’imagerie ultrasonore 3D rapide à l’aide de sondes multi-éléments matricielles. L’ambition sera de produire des images échographiques en trois dimensions du volume interne d’une structure pouvant contenir des défauts (ex. : fissures), de la manière la plus réaliste possible et avec des performances accrues en terme de rapidité de l’acquisition et de formation de l’image. La méthode proposée s’appuiera sur une approche développée en imagerie médicale basée sur l’adressage du réseau de sonde matricielle par lignes et colonnes, ou Row and Column Addressing (RCA). Un premier volet de la thèse consistera à développer de nouvelles stratégies d’acquisition des données pour des sondes matricielles et d’algorithmes de formation de l’image associés afin de traiter des configurations d’inspection usuelles en CND. Dans un deuxième volet, les méthodes développées seront validées sur les données simulées et évaluées sur des données expérimentales acquises avec une sonde matricielle conventionnelle de 16x16 éléments fonctionnant en mode RCA. Enfin, à l’issue de thèse, une preuve de concept temps-réel sera démontrée en implémentant les nouvelles méthodes d’imagerie 3D dans un système d’acquisition de laboratoire.
Développement d'un modèle stochastique multiphysique pour les mesures basées sur la scintillation liquide
Pour assurer la traçabilité métrologique au niveau international dans le domaine de l’activité, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) développe un nouvel instrument de transfert appelé « Extension du Système International de Référence » (ESIR) fondé sur la méthode dite du Rapport de Coïncidence Triples à Doubles (RCTD) basée sur des comptages en scintillation liquide avec une instrumentation spécifique à trois photomultiplicateurs. L’objectif est de permettre les comparaisons internationales de radionucléides bêta purs, de certains radionucléides se désintégrant par capture électronique, et pour faciliter les comparaisons internationales de radionucléides émetteurs de particules alpha.
La méthode RCTD est une technique de mesures primaires d'activité utilisée dans les laboratoires nationaux. Pour déterminer l’activité, son application repose sur la construction d’un modèle d’émission de photons lumineux nécessitant la connaissance de l’énergie déposée dans le scintillateur liquide. Selon le schéma de désintégration, la combinaison des différentes énergies déposées peut être complexe, en particulier lorsqu’elle résulte du réarrangement électronique suite à une désintégration par capture électronique. L’approche stochastique du modèle RCTD s’applique en échantillonnant aléatoirement les différentes émissions de rayonnements ionisants suite à une désintégration. L’ajout récent de modules de lecture automatique des données nucléaires (comme celles disponibles dans la Table des Radionucléides) dans des codes de simulations rayonnements/matière (PENELOPE, GEANT4), permet une prise en compte rigoureuse de toutes les combinaisons possibles. L’approche stochastique permet de considérer l’énergie réelle déposée dans le flacon de scintillation liquide en prenant en compte les interactions dans l’ensemble de l’instrumentation.
La thèse a pour objectif le développement d’une approche stochastique multiphysique avec le code de simulation rayonnements/matière GEANT4 pour être notamment appliquée sur le système ESIR du BIPM. Le choix du code Geant4 offre la possibilité d’intégrer le transport des particules ionisantes et des photons de scintillation. Ce développement est d’un grand intérêt pour la métrologie de la radioactivité dans le but d’assurer la traçabilité métrologique à un plus grand nombre de radionucléides avec le système ESIR du BIPM. La thèse se fera en collaboration avec le Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) qui possède déjà une expérience dans le développement d’un modèle stochastique avec le code GEANT4 pour son instrumentation dédiée à la méthode RCTD au Laboratoire national Henri Becquerel (LNE-LNHB).