Planification visuelle et interactive d'interventions dans des environnements d'accélérateur de particules émettant des rayonnements ionisants

by Thomas Fabry

Doctoral thesis in Sciences pour l'ingénieur

Under the supervision of Laurent Tabourot.

Thesis committee President: Frédéric Noël.

Thesis committee members: Daniel Mestre, Bruno Féral.

Examiners: Helmut Vincke, Samir Otmane.

  • Alternative Title

    Interactive visual intervention planning in particle accelerator environments with ionizing radiation


  • Abstract

    Radiation is omnipresent. It has many interesting applications: in medicine, where it allows curing and diagnosing patients; in communication, where modern communication systems make use of electromagnetic radiation; and in science, where it is used to discover the structure of materials; to name a few. Physically, radiation is a process in which particles or waves travel through any kind of material, usually air. Radiation can be very energetic, in which case it can break the atoms of ordinary matter (ionization). If this is the case, radiation is called ionizing. It is known that ionizing radiation can be far more harmful to living beings than non-ionizing radiation. In this dissertation, we are concerned with ionizing radiation. Naturally occurring ionizing radiation in the form of radioactivity is a most natural phenomenon. Almost everything is radioactive: there is radiation emerging from the soil, it is in the air, and the whole planet is constantly undergoing streams of energetic cosmic radiation. Since the beginning of the twentieth century, we are also able to artificially create radio-active matter. This has opened a lot of interesting technological opportunities, but has also given a tremendous responsibility to humanity, as the nuclear accidents in Chernobyl and Fukushima, and various accidents in the medical world have made clear. This has led to the elaboration of a radiological protection system. In practice, the radiological protection system is mostly implemented using a methodology that is indicated with the acronym ALARA: As Low As Reasonably Achievable. This methodology consists of justifying, optimizing and limiting the radiation dose received. This methodology is applied in conjunction with the legal limits. The word "reasonably" means that the optimization of radiation exposure has to be seen in context. The optimization is constrained by the fact that the positive effects of an operation might surpass the negative effects caused by the radiation. Several industrial and scientific procedures give rise to facilities with ionizing radiation. Most technical and scientific facilities also need maintenance operations. In the spirit of ALARA, these interventions need to be optimized in terms of the exposure of the maintenace workers to ionizing radiation. This optimization cannot be automated since the feasibility of the intervention tasks requires human assessment. The intervention planning could however be facilitated by technical-scientific means, e.g. software tools. In the context sketched above, this thesis provides technical-scientific considerations and the development of technical-scientific methodologies and software tools for the implementation of radiation protection.In particular, this thesis addresses the need for an interactive visual intervention planning tool in the context of high energy particle accelerator facilities.


  • Abstract

    Les radiations sont omniprésentes. Elles ont de nombreuses applications dans des domaines variés: en médecine, elles permettent de réaliser des diagnostiques et de guérir des patients; en communication, tous les systèmes modernes utilisent des formes de rayonnements électromagnétiques; et en science, les chercheurs les utilisent pour découvrir la composition et la structure des matériaux, pour n'en nommer que quelques-unes. Concrètement, la radiation est un processus au cours duquel des particules ou des ondes voyagent à travers différents types de matériaux. La radiation peut être très énergétique, et aller jusqu'à casser les atomes de la matière ordinaire. Dans ce cas, on parlera de radiation ionisante. Il est communément admis que la radiation ionisante peut être bien plus nocif pour les êtres vivants que la radiation non ionisante. Dans cette dissertation, nous traiterons de la radiation ionisante. La radioactivité est le processus d'émission des radiations ionisantes. Elle existe sous forme naturelle, et est présente dans les sols, dans l'air et notre planète entière est bombardée en permanence de rayonnements cosmiques énergétiques. Depuis le début du XXe siècle, les chercheurs sont capables de créer artificiellement de la matière radioactive. Cette découverte a offert de multiples avancées technologiques, mais a eu également de lourdes conséquences pour l'humanité comme l'ont démontrés les évènements de Tchernobyl et de Fukushima ou d'autres accidents dans le monde médical. Cette dangerosité a conduit à l'élaboration d'un système de radioprotection. Dans la pratique, la radioprotection est principalement mise en œuvre en utilisant la méthode ALARA. Cette méthodologie consiste à justifier, optimiser et limiter les doses reçues. Elle est utilisée conjointement avec les limites légales. Le facteur d'optimisation est contraint par le fait que l'exposition volontaire d'un travailleur aux radiations lors d'une opération doit être plus bénéfique que si aucune intervention humaine n'était conduite dans une situation donnée. Dans le monde industriel et scientifique, il existe des infrastructures qui émettent des rayonnements ionisants. La plupart d'entre elles nécessitent des opérations de maintenance. Dans l'esprit du principe ALARA, ces interventions doivent être optimisées pour réduire l'exposition des travailleurs aux rayonnements ionisants. Cette optimisation ne peut pas être réalisée de manière automatique car la faisabilité des interventions nécessite dans tous les cas une évaluation humaine. La planification des interventions peut cependant être facilitée par des moyens techniques et scientifiques comme par exemple un outil informatique. Dans le contexte décrit ci-dessus, cette thèse regroupe des considérations techniques et scientifiques, et présente la méthodologie utilisée pour développer des outils logiciels pour la mise en œuvre de la radioprotection.


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