Application de la luminescence stimulée optiquement à la dosimètrie embarquée sur les engins spatiaux

par Pierre Garcia

Thèse de doctorat en Électronique, optronique et systèmes

Sous la direction de Bruno Sagnes.

Soutenue en 2008

à Montpellier 2 .


  • Résumé

    Le dosimètre par luminescence stimulée optiquement développé par le groupe Radiac de l'IES a été intégré à l'expérience CARMEN-2 du CNES, à bord du satellite JASON-2. Les étapes ayant conduit à l'optimisation du capteur, à sa caractérisation et sa qualification sont présentées ainsi que les premiers résultats en vol. Un rappel de la contrainte radiative liée à l'environnement spatial a permis d'identifier les différents types d'effets susceptibles d'affecter les composants embarqués évoluant dans cet environnement hostile. L'état de l'art des différents dosimètres existants, en particulier ceux susceptibles d'être utilisés dans une mission spatiale nous a permis de définir au mieux le besoin dans le cadre de l'application ciblée, à savoir la dosimétrie à bord d'un vaisseau spatial en orbite basse. Cet objectif requiert la mesure de dose de quelques mGy par orbite. Il a nécessité des modifications structurelles du dosimètre dont le seuil de détection est désormais inférieur au mGy. Le banc de mesure servant à caractériser le dosimètre en laboratoire a également du être modifié pour prendre notamment en compte pour accepter la nouvelle sortie différentielle du capteur et simuler les variations de température. La réponse du capteur est indépendante du débit de dose et présente une incertitude sur la mesure inférieur à 4 %. Plusieurs campagnes d'irradiations sous faisceaux de protons et d'électrons ont été menées pour étudier la dégradation induite sur l'électronique associée. Il a été montré que le durcissement mené au niveau système compense correctement la dégradation subie par les composants. Sur la base de ces résultats, une méthode originale permettant d'évaluer à la fois la dose ionisante, c'est-à-dire l'énergie tranférée aux électrons et la dose non ionisante, c'est-à-dire l'énergie transférée sous forme de déplacement d'atomes a été proposée. La température à bord des satellites étant susceptible de fluctuer, une étude de l'influence de la température a été menée et un modèle de correction proposé. A l'heure où cette thèse a été rédigée, nous disposons déjà de résultats préliminaires en vol fournis par le CNES.

  • Titre traduit

    Dosimetric OSL application embedded on spacecraft


  • Résumé

    A dosimeter based on optically stimulated luminescence was developed by the Radiac group of the Institut d'Electronique du Sud and integrated to the CARMEN-2 CNES experiment on board the JASON-2 satellite. The stages leading to the optimization, the characterization and the qualification of the sensor are presented as well as the preliminary in-flight results. A review of the space radiative environment has made possible to identify several mechanisms likely to impact on the on-board electronics. Considering the state of the art of existing dosimeters, it is possible to better define the needs in the context of the target application, that is dosimetry on-board a spacecraft in Low Earth Orbit. The completion of this goal requires the measurement of doses as low as a few mGy per revolution. To achieve this target the architecture of the sensor had to be deeply modified. The detection threshold is now below 1mGy. The characterization bench used to perform ground based testing also had to be modified to allow connection to the new differential output and make possible to control the temperature variations. It was shown that the uncertainty on the dose measured is less than 4%. Several irradiation campaigns were led to study the radiation induced degradation of the sensor using electron and proton beams. It was shown that the system hardening solutions compensate efficiently the degradation observed on devices. On the basis of these results, a novel method is proposed to evaluate at the same time the ionizing dose that is the energy transferred to electrons and the non ionizing dose, that is the energy deposition leading the displacement of atoms in semi-conductors. In space, strong temperature variations may be recorded. A specific study on the impact of temperature on the sensor response was led and a correction model was proposed. Preliminary in-flight results received from Jason-2 are finally presented.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (175 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 169-175. Annexes

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  • Bibliothèque : Bibliothèque interuniversitaire. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS 2008.MON-249
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