Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Microstructure (physique) – Imagerie spectroscopique“

L'amélioration de la tenue en température des alliages de titane représente un défi de taille pour l'industrie aéronautique. En effet, dépasser la limite actuelle de 550°C dans les turbomoteurs requiert de trouver le meilleur compromis entre une bonne tenue à l'oxydation et de bonnes propriétés mécaniques en température. Les alliages dits quasi-alpha, constitués majoritairement de phase hexagonale compacte, sont ceux qui offrent les meilleures performances. Ils sont malheureusement sensibles à la fatigue/fluage à froid dit effet Dwell. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail est double. D'une part, il s'agit de contribuer à la conception de nouveaux alliages quasi-alpha par apprentissage automatique grâce à une campagne extensive de caractérisation des propriétés mécaniques, à l'ambiante et à chaud. D'autre part, il s'agit de mieux comprendre l'impact de la composition chimique, notamment la teneur en silicium, sur la microstructure et le comportement mécanique. Pour cela, notre démarche a reposé sur la caractérisation de la microstructure de plusieurs alliages sélectionnés judicieusement, en croisant différentes techniques de microscopie. Nous avons ainsi examiné l'influence d'une variation de la teneur en silicium à différentes échelles, en combinant la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique en transmission (MET). Nous avons mis en évidence la précipitation de siliciures au-delà d'une certaine teneur en Si, et entrepris de les caractériser de manière approfondie. En particulier, nous avons démontré les limitations d'une analyse en deux dimensions, et nous avons utilisé une technique alternative, combinant le découpage par faisceau d'ions (FIB) et l'observation par MEB pour reconstruire la microstructure en trois dimensions. Cette approche nous a permis d'observer en détail les formes, les tailles et les répartitions spatiales des siliciures. Enfin, nous avons mené des essais de traction à différentes vitesses de déformation ainsi que des essais de fluage dans diverses conditions, pour mieux comprendre le rôle bénéfique du silicium sur le comportement à froid et à chaud des alliages quasi-alpha
Improving the high-temperature resistance of titanium alloys is a major challenge for the aerospace industry. Exceeding the current limit of 550°C in aircraft engines requires finding the best compromise between good oxidation resistance and good mechanical properties. Near-alpha alloys consisting mainly of a compact hexagonal phase are the best candidates. Unfortunately, they are sensitive to cold creep-fatigue, known as the dwell effect. In this context, our work aims to achieve two main objectives. Firstly, to contribute to the design of new near-alpha alloys based on machine learning, supported by extensive mechanical testing, at both ambient and high temperatures. Secondly, to gain a better understanding of the effect of chemical composition, particularly silicon content, on the microstructure and mechanical behaviour. Our approach was based on multi-scale microstructure study of selected alloys using a combination of different microscopy techniques. We examined the influence of a variation in silicon content using a combination of scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). We showed that silicide precipitation occurs above a certain silicon content. We demonstrated the limitations of two-dimensional analysis, and used an alternative technique combining ion beam cutting (FIB) with SEM observation to reconstruct the 3D microstructure. This approach enabled us to analyze and quantify the shapes, sizes and spatial distributions of the silicides. Finally, we carried out tensile tests at different strain rates as well as creep tests under various conditions to better understand how silicon addition improves the behaviour of near-alpha alloys

L'étude optique d'objets individuels de taille nanométrique (nanoobjets) suppose de développer des outils de sélection spatiale et d'analyse optique à des échelles "ultimes". J'ai réalisé un dispositif dédié à ce type d'études, en combinant la microscopie optique en champ proche à balayage et des méthodes spectroscopiques de fluorescence ou de diffusion Raman. Les informations sur les nanoobjets sont obtenues par imagerie optique hyperspectrale. En chaque point exploré de l'échantillon sont acquis le flux total du signal émis et son spectre enregistré sur un grand domaine spectral. J'ai élaboré à cet effet des dispositifs instrumentaux spécifiques parmi lesquels un capteur de distances nanométriques original, de type "shear-force", entièrement électrique. Le balayage de l'échantillon est assuré par un scanner de 50 micronmètres de dynamique que j'ai réalisé a l'aide d'actionneurs piézoéléctriques. L'hystérésis est compensée par un capteur optique de positions indispensable au re ositionnement précis d'un objet dans la zone d'excitation de champ proche. .
Optical studies of single nanoobjects imply the development of tools allowing a high spatial selection and of high optical sensitivity. I have implemented a set-up dedicated to such studies, by combining scanning near-field optical microscopy and fluorescence or Raman spectroscopy. The analysis of single nanoobject properties is derived from hyperspectral optical imaging. Both the total intensity of the emitted signal and its spectrum are recorded at each location of the probed sample area. For that purpose, I have built specific devices, among which an original all electric sensor to measure distances in the nanometer range. It is based on shear force principle. The movement of the sample is obtained with a 50 micronmeters dynamical range flat scanner including piezoelectric tubes. An optical sensor, that I have developed, controls the scanner displacement in order to compensate the scan for the near-field region. . .

Nous présentons dans ce mémoire les résultats concernant la caractérisation spectroscopique spatiotemporelle de plasmas d'ablation laser obtenus à partir de cibles de céramiques d'oxydes complexes (CCTO et BSTO). Nos mesures montrent que les différentes espèces constituant le plasma évoluent de façons similaires quelque soit leur degré d'ionisation et ceci pour l'ensemble des conditions de pression et de fluence explorées. Nous montrons aussi que dans les premiers instants suivant l'impact laser, le plasma est fortement non-uniforme et se propage selon une seule dimension, il s'uniformise par la suite et s'expanse alors dans les trois dimensions. Une collaboration avec le laboratoire LP3 (Université de Marseille) nous a permis d'estimer les paramètres caractéristiques du plasma (température, densité électronique, épaisseur) à partir de la confrontation entre nos spectres expérimentaux et les résultats de la simulation de la radiance spectrale du plasma. A partir de cette confrontation, nous confirmons qu'il existe une forte corrélation entre l'inhomogénéité du plasma et son type d'expansion. Grâce à l'analyse spectrale il a été possible d'identifier et de quantifier des polluants présents dans les cibles, nous avons pu ainsi estimer des concentrations minimales pouvant atteindre la dizaine de ppm selon le type de polluant.

Nous avons étudié in situ et en temps réel la solidification dirigée d’échantillons minces d’alliages binaires et d’un quasicristal en combinant radiographie et topographie X. Sur Al-3,5%pdsNi non-affiné, nous avons étudié la formation de l’état initial et la morphologie du front de solidification (croissance cellulaire puis dendritique). Les effets des contraintes mécaniques ont été mis en évidence. La transition colonnaire–équiaxe a été étudiée sur Al-3,5%pdsNi affiné. Nous avons décrit le blocage du front colonnaire et le régime de croissance équiaxe ultérieure. L’efficacité des affinants tend vers une limite. Une analyse de la morphologie des microstructures a été effectuée. L’étude du quasicristal i-AlPdMn montre la croissance de grains dodécaédriques facettés. Nous avons mis en évidence les effets de la convection thermosolutale. La visualisation des contraintes montre une forte déformation des grains. L’apparition de porosités a été observée au cours de la fusion des grains
We studied in situ and real-time the directional solidification of thin samples of binary alloys and a quasicrystal using both X-ray radiography and topography techniques. On Al-3. 5wt%Ni non-refined alloys, we studied the formation of the initial state and the solidification front morphology (cellular then dendritic growth). Mechanical strains wer highlighted. The Columnar to Equiaxed Transition was studied on Al-3. 5wt%Ni refined alloys. We described the blocking of the columnar front and the following equiaxed growth regime. The refining particles efficiency reaches a limit. An analysis of the microstructure morphology was performed. The study of the i-AlPdMn quasicrystal shows the growth of faceted dodecahedral grains. Thermosolutal convection effects were highlighted. Strain visualisation shows a strong deformation of grains. The apparition of porosity was observed during fusion of grains

Une approche combinant simulation numérique et expérimentation est développée pour modéliser la microfissuration complexe dans des matériaux hétérogènes cimentaires. Le modèle numérique proposé a permis de prévoir précisément en 3D l'initiation et la propagation des microfissures à l'échelle de la microstructure réelle d'un échantillon soumis à un chargement de compression. Ses prévisions ont été validées par une comparaison directe avec le réseau de fissures réel caractérisé par des techniques d'imagerie 3D. Dans une première partie, nous développons et testons les outils de simulation numérique. Plus précisément, la méthode de champ de phase est appliquée pour simuler la microfissuration dans des milieux fortement hétérogènes et ses avantages pour ce type de modélisation sont discutés. Ensuite, une extension de cette méthode est proposée pour tenir compte d'un endommagement interfacial, notamment aux interfaces inclusion/matrice. Dans une deuxième partie, les méthodes expérimentales utilisées et développées au cours de cette thèse sont décrites. Les procédures utilisées pour obtenir l'évolution du réseau de fissures 3D dans les échantillons à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ sont présentées. Ensuite, les outils de traitement d'image utilisant la corrélation d'images volumiques, pour extraire les fissures des images en niveaux de gris avec une bonne précision, sont détaillés. Dans une troisième partie, les prévisions du modèle numérique sons comparées avec les données expérimentales d'un matériau modèle en billes de polystyrène expansé intégrées dans une matrice de plâtre dans un premier temps, et, dans un second temps, d'un béton léger plus complexe. Plus précisément, nous utilisons les données expérimentales pour identifier les paramètres microscopiques inconnus par une approche inverse, et utilisons les déplacements expérimentaux déterminés par corrélation d'images volumiques pour définir des conditions limites à appliquer sur les bords de sous-domaines dans l'échantillon pour les simulations. Les comparaisons directes de réseaux de microfissures 3D et de leur évolution montrent une très bonne capacité prédictive du modèle numérique
An approach combining numerical simulations and experimental techniques is developed to model complex microcracking in heterogeneous cementitious materials. The proposed numerical model allowed us to predict accurately in 3D the initiation and the propagation of microcracks at the scale of the actual microstructure of a real sample subjected to compression. Its predictions have been validated by a direct comparison with the actual crack network characterized by 3D imaging techniques. In a first part, the numerical simulation tools are developed and tested. More specifically, the phase-field method is applied to microcracking simulations in highly heterogeneous microstructures and its advantages for such simulations are discussed. Then, the technique is extended to account for interfacial cracking, possibly occurring at inclusion/matrix interfaces. In a second part, the experimental methods used and developed in this work are described. The procedures to obtain the evolution of the 3D crack network within the samples by means of X-rays computed microtomography and in-situ mechanical testing are presented. Then, we focus on the developed image processing tools based on digital volume correlation to extract with good accuracy the cracks from the grey level images. In a third part, we compare the predictions of the numerical model with experimental results obtained, first, with a model material made of expanded polystyrene beads embedded in a plaster matrix, and second, to a more complex lightweight concrete. More precisely, we use the experimental data to identify by inverse approaches the local microstructural parameters, and use the experimental displacements measured by digital volume correlation to define boundary conditions to be applied on sub-domains within the sample for the simulations. The obtained direct comparisons of 3D microcrack networks and their evolutions demonstrate the very good predictive capability of the numerical model

This thesis is focused on the human brain microstructure mapping using quantitative and diffusion MRI. The T1/T2 quantitative imaging relies on sequences dedicated to the mapping of T1 and T2 relaxation times. Their variations within the tissue are linked to the presence of different water compartments defined by a specific organization of the tissue at the cell scale. Measuring these parameters can help, therefore, to better characterize the brain microstructure. The dMRI, on the other hand, explores the brownian motion of water molecules in the brain tissue, where the water molecules' movement is constrained by natural barriers, such as cell membranes. Thus, the information on their displacement carried by the dMRI signal gives access to the underlying cytoarchitecture. Combination of these two modalities is, therefore, a promising way to probe the brain tissue microstructure. The main goal of the present thesis is to set up the methodology to study the microstructure of the white matter of the human brain in vivo. The first part includes the acquisition of a unique MRI database of 79 healthy subjects (the Archi/CONNECT), which includes anatomical high resolution data, relaxometry data, diffusion-weighted data at high spatio-angular resolution and functional data. This database has allowed us to build the first atlas of the anatomical connectivity of the healthy brain through the automatic segmentation of the major white matter bundles, providing an appropriate anatomical reference for the white matter to study individually the quantitative parameters along each fascicle, characterizing its microstructure organization. Emphasis was placed on the construction of the first atlas of the T1/T2 profiles along the major white matter pathways. The profiles of the T1 and T2 relaxation times were then correlated to the quantitative profiles computed from the diffusion MRI data (fractional anisotropy, radial and longitudinal diffusivities, apparent diffusion coefficient), in order to better understand their relations and to explain the observed variability along the fascicles and the interhemispheric asymmetries. The second part was focused on the brain tissue modeling at the cell scale to extract the quantitative parameters characterizing the geometry of the cellular membranes, such as the axonal diameter and the axonal density. A diffusion MRI sequence was developed on the 3 Teslas and 7 Teslas Siemens clinical systems of NeuroSpin which is able to apply any kind of gradient waveforms to fall within an approach where the gradient waveform results from an optimization under the hypothesis of a geometrical tissue model, hardware and time constraints induced by clinical applications. This sequence was applied in the study of fourteen healthy subjects in order to build the first quantitative atlas of the axonal diameter and the local axonal density at 7T. We also proposed a new geometrical model to model the axon, dividing the axonal compartment, usually modelled using a simple cylinder, into two compartments: one being near the membranes with low diffusivity and one farer from the membranes, less restricted and with higher diffusivity. We conducted a theoretical study showing that under clinical conditions, this new model allows, in part, to overcome the bias induced by the simple cylindrical model leading to a systematic overestimation of the smallest diameters. Finally, in the aim of going further in the physiopathology of the autism, we added to the current 3T imaging protocol the dMRI sequence developed in the framework of this thesis in order to map the axonal diameter and density. This study is ongoing and should validate shortly the contribution of these new quantitative measures of the microstructure in the comprehension of the atrophies of the corpus callosum, initially observed using less specific diffusion parameters such as the generalized fractional anisotropy. There will be other clinical applications in the future.

Ce travail vise à étudier un matériau biphasé métallique matrice/inclusion. Une méthode simple est proposée pour évaluer les propriétés élastiques d'une phase si les propriétés de l'autre phase sont connues. La méthode est basée à la fois sur un modèle d'homogénéisation inverse et sur les mesures de champs mécaniques par corrélation d'images numériques 2D. L'originalité de la méthode repose sur l'échelle étudiée, à savoir l'échelle de la microstructure du matériau : la taille caractéristique des inclusions est d'environ quelques dizaines de microns. L'évaluation est réalisée sur des essais de traction uniaxiale standards associés à un microscope longue distance. Cela permet d'observer la surface de l'échantillon à l'échelle de la microstructure au cours de la sollicitation mécanique. Tout d'abord, la précision de la méthode est examinée à partir de champs mécaniques 'parfaits' provenant des simulations numériques pour quatre microstructures : inclusions simples élastiques ou poreux ayant une forme sphérique ou cylindrique. Deuxièmement, cette précision est examinée sur les vrais champs mécaniques provenant des deux microstructures simples : une matrice métallique élasto-plastique contenant un ou quatre micro-trous cylindriques arrangés en un motif carré. Troisièmement, la méthode est utilisée pour évaluer les propriétés élastiques des inclusions de forme arbitraire dans un échantillon Zircaloy-4 oxydé présentant le gainage du combustible d'un réacteur à eau sous pression après un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP). Dans toute cette étude, les phases sont supposées avoir des propriétés isotropes
This work is focused on a matrix/inclusion metal composite. A simple method is proposed to evaluate the elastic properties of one phase while the properties of the other phase are assumed to be known. The method is based on both an inverse homogenization scheme and mechanical field's measurements by 2D digital image correlation. The originality of the approach rests on the scale studied, i.e. the microstructure scale of material: the characteristic size of the inclusions is about few tens of microns. The evaluation is performed on standard uniaxial tensile tests associated with a long-distance microscope. It allows observation of the surface of a specimen on the microstructure scale during the mechanical stress. First, the accuracy of the method is estimated on ‘perfect' mechanical fields coming from numerical simulations for four microstructures: elastic or porous single inclusions having either spherical or cylindrical shape. Second, this accuracy is estimated on real mechanical field for two simple microstructures: an elasto-plastic metallic matrix containing a single cylindrical micro void or four cylindrical micro voids arranged in a square pattern. Third, the method is used to evaluate elastic properties of inclusions with arbitrary shape in an oxidized Zircaloy-4 sample of the fuel cladding of a pressurized water reactor after an accident loss of coolant accident (LOCA). In all this study, the phases are assumed to have isotropic properties

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He$^4$) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

Le test électromagnétique d’un ensemble fini en forme de grille de tiges diélectriques cylindriques circulaires infiniment longues dont certaines manquent est investigué à partir de données fréquence simple et multiple et en régime temporel. Les distances sous-longueur d’onde entre tiges adjacentes et des diamètres de tige de sous-longueur d’onde sont considérées sur toute la bande de fréquences d’opération et cela conduit à un défi majeur en raison du besoin de super-résolution dans la microstructure, bien au-delà du critère de Rayleigh. Tout un ensemble de méthodes de résolution est étudié et des simulations numériques systématiques illustrent avantages et inconvénients, complétées par le traitement de données expérimentales en laboratoire acquises sur un prototype de micro-structure en chambre anéchoïque micro-onde. Ces méthodes, qui diffèrent selon les informations a priori prises en compte et la polyvalence qui en résulte, comprennent retournement temporel, inversions de source de contraste, binaires ou parcimonieuses, ainsi que réseaux de neurones convolutifs éventuellement combinés avec des réseaux récurrents
Electromagnetic probing of a gridlike, finite set of infinitely long circular cylindrical dielectric rods affected by missing ones is investigated from time-harmonic single and multiple frequency data. Sub-wavelength distances between adjacent rods and sub-wavelength rod diameters are assumed throughout the frequency band of operation and this leads to a severe challenge due to need of super-resolution within the present micro-structure, well beyond the Rayleigh criterion. A wealth of solution methods is investigated and comprehensive numerical simulations illustrate pros and cons, completed by processing laboratory-controlled experimental data acquired on a micro-structure prototype in a microwave anechoic chamber. These methods, which differ per a priori information accounted for and consequent versatility, include time-reversal, binary-specialized contrast-source and sparsity-constrained inversions, and convolutional neural networks possibly combined with recurrent ones

Installé à l’Observatoire du Mont-Mégantic, le spectromètre imageur à transformée de Fourier SpIOMM possède un grand champ de vue de 12’X12’ et une haute efficacité qui le placent très favorablement parmi les autres instruments astronomiques à couverture intégrale de champ. Jusqu’à maintenant, l’instrument s’est limité à l’étude des raies en émission. Or, les processus en absorption sont aussi importants et leur étude peut bénéficier de l’efficacité de SpIOMM. On étudie les capacités de SpIOMM pour l’extraction de spectres en absorption. Ces dernières, plus sensibles au bruit, nécessitent un traitement supplémentaire. Des sources étendues et ponctuelles sont étudiées. On présente des spectres d’amas d’étoiles et de la galaxie elliptique M87. Leur analyse démontre les capacités de SpIOMM pour l’étude des raies en absorption des deux types de sources. Les résultats sont importants puisqu’un nouveau spectromètre imageur à transformée de Fourier, SITELLE, sera livré au télescope Canada-France-Hawaii en 2014.
Installed at the Mont-Mégantic Observatory, the imaging Fourier transform spectrometer SpIOMM possesses a large field of view and high throughput. This places it favourably when compared to other astronomical integral field spectrometers. Until now, the work done with the instrument has been limited to the study of emission lines. The physical processes behind absorption features are also important and their study can gain from an instrument like SpIOMM. We explore SpIOMM’s capabilities for the study of absorption line spectra. Absorption lines are more sensitive to noise than their emission counterpart. A different reduction process is used. Extended sources and point sources are studied. We present spectra from stars in clusters and the galaxy M87. The analysis shows SpIOMM’s capabilities for both types of sources. The results are important since a new imaging Fourier transform spectrometer, SITELLE, is to be delivered to the Canada-France-Hawaii telescope in 2014.