Performances of Raman and Brillouin fiber-based sensing of temperature and strain in harsh environments

par Chiara Cangialosi

Thèse de doctorat en Optique, Photonique, Hyperfréquences

Sous la direction de Youcef Ouerdane et de Marco Cannas.

Soutenue le 19-05-2016

à Lyon en cotutelle avec l'Università degli studi di Palermo (Palerme, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (Etablissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) .

Le président du jury était Franco Gelardi.

Le jury était composé de Youcef Ouerdane, Marco Cannas, Andrei Gusarov, Markus Brugger, Sylvain Girard, Sylvie Lesoille, Luciano Mescia.

Les rapporteurs étaient Andrei Gusarov, Markus Brugger.

  • Titre traduit

    Performances des capteurs à fibre optique basés sur la diffusion Raman et Brillouin pour des mesures de températures et déformations en environnement sévère


  • Résumé

    La Thèse a été réalisée en cotutelle entre l’Université Jean Monnet de Saint Etienne (France) et l’université de Palerme (Italie) et en collaboration avec l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA). Le travail de recherche concerne l'étude des capteurs répartis à fibres optiques (utilisant la lumière rétrodiffusée Raman et Brillouin) destinés à l’observation et à la surveillance des ouvrages dédiés au stockage géologique de déchets radioactifs de haute activité et moyenne activité à vie longue (projet CIGEO : centre industriel de stockage géologique). Dans ce contexte, les fibres optiques sont envisagées en tant qu’élément sensible de capteurs pour la mesure de paramètres environnementaux tels que la température ou la déformation. Les conditions environnementales extrêmes d’exploitation entrainent la dégradation des propriétés de la fibre optique et des performances du capteur. La réponse des capteurs Brillouin et Raman est influencée par la présence de rayonnement y et d’hydrogène dans l’atmosphère Cigéo. Dans les deux cas, une diminution de la transmission linéique de la fibre optique est observée. Ce phénomène est dû à l’atténuation induite par radiation (RIA) ou par hydrogène (HIA) réduisant ainsi la portée de la mesure. En outre le rayonnement y et l’hydrogène provoquent des erreurs sur la mesure de température ou de déformation pour les deux types de capteurs. L’étude a permis d’établir les lignes directrices pour la sélection et le développement des capteurs repartis à fibre optique appropriés pour travailler dans l’environnement Cigéo


  • Résumé

    This PhD thesis is conducted in the joint supervision of both the University Jean Monnet of Saint Etienne (France) and the University of Palermo (Italy) in collaboration with the French national agency for the management of radioactive wastes (ANDRA). The aim of the Thesis is to evaluate the performances of distributed optical fiber sensors (based on Raman and Brillouin scattering technologies) that will be employed for monitoring industrial site for deep geological disposal for high and long-lived intermediate level activity radioactive waste (HL-W and LL/IL-W, respectively), called Cigéo. In this context, the distributed optical fiber sensors will provide a time and spatial cartography of the strain and temperature inside the disposal cell. The severe environment of Cigéo requires the sensor evaluation taking into account the resulting degradation of the sensing optical fiber. The sensor response is affected by y-rays and hydrogen presences inside the storage cells. In both cases a decrease of the optical fiber transmission, due to the radiation or hydrogen induced attenuation (RIA or HIA) is observed and limits the sensing distance range of the sensor. Moreover, the two different environment constraints lead to errors in the temperature or strain evaluation for both sensor technologies. This Thesis work establishes the guidelines to select and design distributed optical fiber sensors suitable to operate in radiation environment such as Cigéo one


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