Dissertationen 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.

Le collagène est une protéine de structure majeure qui forme diverses organisations macromoléculaires dans les tissus, et est responsable des propriétés biomécaniques de la plupart des organes. La génération de seconde harmonique (SHG) est une technique d'imagerie adaptée pour sonder l'organisation fibrillaire du collagène. Ce travail vise à implémenter et à caractériser la SHG résolue en polarisation (PSHG), et à coupler cette technique à des essais biomécaniques pour obtenir des informations structurelles multi échelles sur les tissus collagéniques. Nous avons d'abord étudié les effets optiques linéaires qui influencent l'imagerie P-SHG dans les tissus anisotropes denses tels que les tissus collagéniques. Nous avons développé un modèle théorique qui prend en compte la biréfringence, la di-atténuation et le mélange de polarisation, et nous avons obtenu un excellent accord avec nos mesures P-SHG dans le tendon de queue de rat. De plus, nous avons effectué des simulations numériques de la propagation du faisceau d'excitation et de la formation du signal SHG dans le tendon et la cornée. Ces simulations ont confirmé le rôle crucial de la biréfringence en P-SHG. Nous avons ensuite mis en place un dispositif expérimental combinant des essais mécaniques avec l'imagerie SHG. Cela a permis de visualiser la morphologie du tendon à l'échelle micrométrique pendant les essais mécaniques macroscopiques. Nos résultats ont montré que l'imagerie SHG sous traction permet d'élucider le lien entre la réponse macroscopique des tissus et leur structure microscopique. Enfin, nous avons développé un modèle théorique pour relier l'anisotropie du signal P-SHG à l'ordre orientationnel submicrométrique des harmonophores dans le tissu. Nous avons testé ce modèle par des mesures P-SHG sur un tendon soumis à une élongation croissante. Nous avons alors caractérisé avec succès les variations d'organisation des fibrilles dans le tendon en fonction de l'élongation.

Cette thèse se situe à l'interface de plusieurs disciplines, dans le cadre du programme de recherche Silent Wall qui a pour vocation d'élaborer un système isolant acoustique et thermique pour le bâtiment, à base de matériaux fibreux. La problématique d'isolation acoustique étant le fil rouge de ce travail, différents domaines de recherche sont abordés dans l'étude des propriétés microstructurales de ces matériaux. Un matériau fibreux de référence, le Thermisorel, élaboré par procédé papetier à base de fibres de bois, est retenu par le consortium Silent Wall pour ses bonnes propriétés d'isolation phonique et thermique. Des images 3D de ce matériau, réalisées par microtomographie aux rayons X, sont analysées par morphologie mathématique afin de caractériser la microstructure de ses phases fibreuse et porale. Un modèle booléen de cylindres aléatoires permet de simuler un tel matériau fibreux. L'adéquation des mesures morphologiques des milieux ainsi simulés, avec celles du Thermisorel valident ce modèle morphologique. Enfin, les propriétés thermo-acoustiques de cellules périodiques élémentaires microscopiques de milieux fibreux 3D simplifiés et composés de fibres parallèles, sont estimées par éléments finis, afin de relier leurs performances en absorption acoustique, à la taille des fibres et à l'épaisseur de l'échantillon. Après comparaison, les coefficients d'absorption acoustique des milieux fibreux simulés sont en adéquation avec les valeurs expérimentales mesurées sur des échantillons de Thermisorel. Ainsi, notre démarche globale de caractérisation, et de modélisations morphologique et thermo-acoustique à l'échelle de la microstructure, est validée par les propriétés morphologiques et acoustiques de panneaux de Thermisorel, et ouvre la voie à l'optimisation des performances acoustiques macroscopiques de tels matériaux fibreux par modification de leur microstructure.

Le cortex préfrontal (CPF), habituellement connu pour son implication dans le contrôle cognitif supérieur, apparaît particulièrement impliqué dans le maintien de l’effort physique. Si cette implication suggère l’existence d’une composante psychologique dans la capacité à tolérer et maintenir l’exercice, les mécanismes neurocognitifs sous-jacents demeurent relativement méconnus. Des propositions théoriques récentes envisagent que l’arrêt de l’exercice soit déterminé par un processus décisionnel contrôlé par le CPF. L’intégration et l’évaluation consciente des coûts (i.e, sensations désagréables de fatigue) et des bénéfices (e.g., récompenses) associés à la tâche d’effort conditionneraient cette décision. Le maintien de l’effort serait dynamisé lorsque les bénéfices estimés augmentent ou que les coûts perçus diminuent. Toutefois, la manière dont le fonctionnement cognitif et le CPF pourraient moduler l’intégration de ces informations pour favoriser une décision orientée vers la poursuite de l’exercice reste à clarifier. Le niveau d’attention accordée aux coûts et aux bénéfices jouerait un rôle dans ce processus. De plus, les sensations désagréables de fatigue seraient limitées via une fonction inhibitrice implémentée au niveau du CPF. L’objectif de ce travail doctoral était de préciser l’implication des dimensions neurocognitives et notamment du CPF dans l’intégration et le traitement des coûts et des bénéfices susceptibles de moduler le maintien de l’effort. Les résultats de l’étude 1 n’ont pas permis de révéler l’implication du CPF dans l’endurance physique via l’engagement de sa fonction cognitive d’inhibition. Toutefois, les résultats des études 2, 3 et 4 ont indiqué que l’orientation de l’attention, plus ou moins dirigée vers les coûts ou les bénéfices, modulait les performances d’endurance et l’activité des régions du CPF impliquées dans l’intégration et la régulation de ces informations. Une focalisation de l’attention sur les bénéfices monétaires a amélioré les performances comparativement à une focalisation sur les coûts de l’effort ou à une tâche de distraction cognitive. Les focalisations sur les coûts et les bénéfices ont induit une intensification de l’activité des régions antérieures et inférieures du CPF impliquées dans l’interprétation de ces informations (étude 3). De plus, la réalisation d’une tâche de distraction cognitive a repoussé la décision d’arrêter l’exercice et a entrainé une diminution de l’activité inhibitrice de régions préfrontales susceptibles de réguler les coûts de l’effort (étude 2). Cette partie de nos résultats suggère la capacité de l’attention à repousser l’arrêt de l’exercice en favorisant l’intégration consciente des bénéfices (via une focalisation vers ces informations) et en perturbant celle des coûts (via une distraction cognitive). Elle tend aussi à souligner l’implication du CPF dans la régulation des coûts perçus et le traitement des coûts et des bénéfices associés à l’effort d’endurance. De manière relativement contradictoire, une focalisation sur les coûts n’a pas nécessairement conduit à un arrêt plus précoce de l’effort (comparativement à une condition de distraction cognitive) mais à une amélioration de l’endurance musculaire chez les individus disposant des meilleures capacités aérobies (étude 4). Faciliter l’intégration consciente des coûts de l’effort s’avérerait ainsi favorable au maintien de l’exercice chez certains individus. Les résultats de ce travail renforcent l’idée d’une implication des processus neurocognitifs dans le maintien de l’effort physique. Chercher à identifier les stratégies attentionnelles favorisant l’engagement dans l’exercice physique et le maintien de l’effort chez différentes populations constitue une perspective de recherche intéressante, notamment chez des individus sédentaires pour qui la pratique physique représente un réel enjeu de santé
The prefrontal cortex (PFC), usually known for its involvement in higher cognitive control, appears to be particularly involved in maintaining physical effort. While this involvement suggests the existence of a psychological component in the ability to tolerate and maintain exercise, the underlying neurocognitive mechanisms remain relatively unknown. Recent theoretical proposals speculate that exercise termination is determined by a decision-making process, controlled by the PFC. The integration and conscious evaluation of the costs (i.e., unpleasant feelings of fatigue) and benefits (e.g., rewards), associated with the physical task, would control this decision. Maintaining an effort would be facilitated when estimated benefits increase or perceived costs decrease. However, how cognitive functioning and the PFC may modulate the integration of this information to support a decision to continue exercise remains to be clarified. The level of attention given to costs and benefits could play a role in this process. In addition, the unpleasant sensations of fatigue would be limited via an inhibitory function implemented at the level of the PFC. The objective of this doctoral work was to clarify the involvement of the neurocognitive dimensions and in particular of the PFC in the integration and processing of costs and benefits likely to modulate maintaining an effort. The results of study 1 failed to reveal the involvement of the PFC through the engagement of its inhibitory cognitive function in physical endurance. However, the results of studies 2, 3 and 4 indicated that the orientation of attention, more or less directed towards the costs or the benefits, modulated the endurance performance and the activity of the regions of the PFC involved in the integration and regulation of this information. Attention focused on monetary benefits improved performance compared to a focus on the costs of the effort or a cognitive distraction task. The focus on costs and benefits led to increased activity in the anterior and inferior regions of the PFC involved in interpreting this information (study 3). In addition, performing a cognitive distraction task delayed the decision to stop the exercise and resulted in decreased inhibitory activity in prefrontal regions that may regulate exercise costs (study 2). These results suggest the ability of attention to delay exercise cessation by facilitating the conscious integration of benefits (through focusing on that information) and disrupting that of costs (through cognitive distraction). It also tends to emphasize the involvement of the PFC in the regulation of perceived costs and the processing of costs and benefits associated with endurance effort. In a relatively contradictory way, a focus on costs did not necessarily lead to an earlier cessation of the effort (compared to a cognitive distraction condition) but to an improvement in muscular endurance in individuals with the best aerobic capacities (study 4). Facilitating the conscious integration of the costs of the effort would thus prove favorable in maintaining the exercise in certain individuals. The results of this work reinforce the idea that neurocognitive processes are involved in maintaining physical effort. Identifying attentional strategies that could facilitate engaging in physical activity and exercise pursuit in different populations is an interesting research perspective, particularly in sedentary individuals for whom physical activity represents a real health issue

Une étude expérimentale systématique de la formation des microstructures de solidification d’alliages métalliques (Al-Cu) a été effectuée par application de la radiographie X synchrotron. La radiographie X-Synchrotron nous a donné accès à des observations in situ et en temps réel qui nous ont permis d’analyser de manière quantitative les phénomènes physiques impliqués au cours de la solidification (vitesse de croissance, redistribution du soluté, interaction entre grains équiaxes etc.). Elle nous a également permis de mettre en évidence l’influence de la convection naturelle et de la gravité sur ces différents paramètres physiques et par conséquent sur la formation de la microstructure de solidification. Nous avons comparé nos résultats expérimentaux avec des modèles de prédiction de la croissance dendritique et ensuite avons montré l’intérêt des expériences en microgravité. Nous avons enfin effectué des séries de tests du dispositif expérimental conçu et développé par SSC (Swedish Space Corporation) dans le cadre du projet XRMON (In situ X-Ray MONitoring of advanced metallurgical processes under microgravity and terrestrial conditions) de l'ESA-MAP en vue d’une expérience in situ et en temps réel de solidification en microgravité à bord d’une fusée sonde Maser12. Cette expérience prévue en Novembre 2011. Les résultats obtenus lors des séries de tests valident le dit dispositif en termes de comportement thermique et d’imagerie X par radiographie
A systematic experimental study of the formation of solidification microstructures of metallic alloys (Al-Cu) was carried out by the application of synchrotron X-ray radiography. Synchrotron X-ray radiography gave access to in situ and real time observations which allowed us to quantitatively analyze the dynamical physical parameters involved in the solidification process (growth rate, solute redistribution, equiaxed grain interaction etc). It also allowed to show the influence of natural convection and gravity on these various physical parameters and consequently on the formation of the solidification microstructures. Our experimental results were compared with models predictions of the dendritic growth and the necessity of microgravity solidification experiments was evidenced. Finally series of tests were carried out on the experimental setup designed by the Swedish Space Corporation (SSC) in the framework of the project XRMON (In situ X-Ray MONitoring of advanced metallurgical processes under microgravity and terrestrial conditions) of ESA-MAP for in situ and real time solidification experiments under microgravity conditions on board a sounding rocket Maser12. Maser12 mission is scheduled for November 2011. The tests results validated the experimental setup in term of imaging and thermal behaviour

Cette étude porte sur la compréhension du lien existant entre l’architecture microstructurelle et les propriétés effectives de conductivité dans les électrodes des batteries Li-ion. Les batteries Li-ion sont très intéressantes pour des domaines tels que le transport électrique. En effet, elles présentent une grande densité d’énergie et de puissance ce qui en fait de bons substituts pour les moteurs thermiques. Cependant, même si elles sont maintenant assez largement utilisées dans beaucoup de domaines, il y a toujours besoin d’en optimiser les performances. Ceci passe par une meilleure compréhension de l’impact de la microstructure sur les propriétés effectives pour réduire l’écart entre théorie et pratique. L’attention est portée ici sur les électrodes positives des batteries lithium-ion. Les caractéristiques tridimensionnelles telles que la percolation des phases, leur tortuosité ou encore leurs dimensions caractéristiques ont un fort impact sur les propriétés à l'échelle macroscopique. Leur étude nécessite l’utilisation de techniques d’imagerie 3D comme la tomographie aux rayons X et la tomographie sériée par faisceau d’ions focalisés et MEB (FIB/SEM) pour obtenir des données quantitatives et en interpréter les propriétés de transport de charge. Ces volumes sont alors traités (segmentation et analyses morphologiques) et utilisés comme base pour des simulations numériques. La méthode FFT (Fast Fourrier Transform) avec opérateur de Green « discret » est choisie. Ces simulations permettent, soit de remonter aux propriétés de conduction électrique des phases, à partir de la mesure de la conductivité de l’électrode, par méthode inverse, soit de prédire la conductivité effective de l’électrode, en utilisant des propriétés mesurées expérimentalement sur les phases prises séparément. Les microstructures 3D numériques peuvent également être altérées afin de prédire l’impact, sur ses propriétés effectives, de changements de composition dans la formulation de l’électrode. De nouveaux outils consacrés à la meilleure compréhension de la relation entre microstructure, propriétés effectives et performance des batteries lithium-ion sont développés
Li-ion batteries are interesting for applications such as electric vehicles. They have indeed a high energy and power density, which makes them good substitutes for internal combustion engines. However, even if they are now quite widely used in many fields, there is still a need to optimize their performance. This requires a better understanding of the impact of the electrodes microstructure on their effective properties to narrow the gap between ideal and practical performance. Three-dimensional characteristics such as the carbon additive percolation or the tortuosity of the porosity have a strong impact on the electrode charge transport properties and power performance. The use of 3D imaging techniques such as X-ray tomography and serial focused ion beam and SEM tomography (FIB/SEM) is very powerful to quantify the electrode microstructures and interpret their charge transport properties. Furthermore, by processing the reconstructed volumes, one can use them as a basis for numerical simulations. We have chosen the FFT (Fast Fourrier Transform) method with "discrete" Green operator for numerical computations. These simulations can either be used to back calculate the phase (active material or conducting additive/binder) conduction properties from macroscopic electrical measurements by inverse method, or to predict the electrode effective conductivity from the phase conductivities. The 3D numerical microstructures obtained can also be modified in order to predict the influence of compositional changes in the electrode formulation on its properties. This study sets new tools to understand better the relationships between microstructure, effective electrical properties and the performance of Li-ion battery composite electrodes

Les alliages de titane β-métastables comme le Ti-10V-2Fe-3Al se substituent progressivement aux alliages α/β dans les applications aéronautiques du fait de leur résistance spécifique améliorée. Leurs microstructures d'emploi sont cependant complexes et multi-échelles, constituées d'une matrice β (de grains millimétriques) partiellement transformée en nodules primaires αp (micrométriques) et en lamelles secondaires αs (sub-micrométriques). Les propriétés finales peuvent être très sensibles aux variations locales de microstructures et sont souvent non maîtrisées lors du forgeage de pièces massives. De plus la matrice β qui représente ~40% du volume et qui a un comportement élastique et plastique fortement anisotrope, comme la phase α, complique la compréhension des mécanismes de déformation en jeu. Le premier objectif de cette thèse est de mettre en œuvre des techniques de caractérisation multi-échelles (la diffraction des neutrons, l'imagerie électronique couplée à l'analyse d'image et l'EBSD, la reconstruction des microtextures de haute température β/αp) pour analyser efficacement la microstructure/texture des constituants β/αp/αs et caractériser leurs hétérogénéités au sein de demi-produits et de pièces obtenues par matriçage. Les résultats permettent d'analyser la fragmentation des grains β en sous-grains, les macrozones αp, le maintien de relation d'orientation entre β/αp et l'organisation des lamelles αs en colonies ou paniers tressés, en pointant les différences de taille de domaines révélés par la cristallographie et l'imagerie standard. Le second objectif est d'appliquer cette méthodologie à l'analyse de facies de rupture d'éprouvettes présentant un comportement singulier (en traction ou en fatigue) pour caractériser les configurations microstructurales à l'origine de l'amorçage de fissures. Cette analyse a principalement été réalisée par polissage manuel du faciès couplé à des acquisitions EBSD mais également en exploitant le potentiel de l'imagerie 3D par MEB-FIB (Focus Ion Beam) et la technique TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) sur lame mince prélevée au niveau d'un site d'amorçage par FIB. Enfin, cette étude expérimentale a été complétée par une première approche en simulation micromécanique sur une microstructure modèle 100% β. L'objectif était d'évaluer l'influence de l’anisotropie élastique de la phase β sur la genèse de contraintes d'incompatibilités dans les régimes élastique et élasto-plastique. L'ensemble des résultats contribue à une meilleure compréhension des variations de propriétés mécaniques en lien avec la microstructure locale
The β-metastable titanium alloys such as Ti-10V-2Fe-3Al are gradually replacing α/β alloys in aeronautical applications thanks to their improved specific strength. However, their microstructures are complex and multi-scale, consisting of a β matrix (of millimetric grains) partially transformed into primary αp nodules (micrometric) and secondary αs lamellae (sub-micrometric). The final mechanical properties are very sensitive to local variations of the microstructure, which are not always fully controlled during forging of massive parts. Moreover, the β matrix, which represent 40% of the volume and whose elastic and plastic behavior is strongly anisotropic (like the α phase) complicates the understanding of the mechanisms of deformation. The first objective of this thesis was to efficiently characterize the microstructure/texture of the different constituents (β/αp/αs) and their heterogeneities within half-finished products and forged parts by using techniques of multi-scale characterization (neutron diffraction, electronic imaging coupled with image analysis and EBSD, reconstruction of high temperature microtextures β/αp). As a result the fragmentation of the β grains into subgrains, the αp macrozones, the destruction of the orientation relation between β/αp and the organization of the αs lamellae in colonies or basket weave was quantified and the differences in size of domains revealed by crystallography and by standard imaging were pointed out. The second objective is to apply this methodology to the analysis of fracture surfaces of samples exhibiting singular behavior (in tension or in fatigue) in order to characterize the microstructural configurations leading to early cracking. This analysis was mainly performed by manual polishing coupled with EBSD acquisitions but also by using 3D imaging by SEM-FIB (Focus Ion Beam) and TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) technique on a thin foil FIB-extracted from the crack initiation site. Finally, this experimental study was completed by a micromechanical simulation on a 100% β model microstructure. The objective was to evaluate the influence of the elastic anisotropy of the β phase on the genesis of incompatibility stresses in the elastic and elasto-plastic regimes. The overall results contribute to a better understanding of the variations of mechanical properties related to the local microstructure

Dans cette thèse, nous proposons l'utilisation d'un nouveau type de fibre à cristal photonique, la fibre Kagomé à coeur creux, pour la livraison d'impulsions ultra-courtes en endoscopie non linéaire. Ces fibres permettent la livraison d'impulsions sans distorsion sur une large bande spectrale, avec un faible bruit de fond, grâce à la propagation dans le cœur creux. Nous avons résolu le problème de la résolution spatiale, à l'aide d'une microbille en silice, insérée dans le cœur de la fibre Kagomé. Nous avons développé un système d'imagerie compacte, qui utilise un tube piézo-électrique pour le balayage du faisceau, un système achromatiques de microlentilles et une fibre Kagomé double gaine, spécialement conçue pour l'endoscopie. Avec ce système, nous avons réussi à imager des tissus biologiques, à l'extrémité distale de la fibre (endoscopie), en utilisant des différentes techniques tels que TPEF, SHG et CARS, un résultat qui ne trouve pas d'égal dans la littérature actuelle. L'intégration dans une sonde portable (4,2 mm de diamètre) montre le potentiel de ce système pour de futures applications en endoscopie multimodale in-vivo
In this thesis, we propose the use of a novel type of photonic crystal fiber, the Kagomé lattice hollow core fiber, for the delivery of ultra-short pulses in nonlinear endoscopy. These fibers allow undistorted pulse delivery, over a broad transmission window, with minimum background signal generated in the fiber, thanks to the propagation in a hollow-core. We solved the problem of spatial resolution, by means of a silica micro-bead inserted in the Kagomé fiber large core. We have developed a miniature imaging system, based on a piezo-electric tube scanner, an achromatic micro-lenses assembly and a specifically designed Kagomé double-clad fiber. With this system we were able to image biological tissues, in endoscope modality, activating different contrasts such as TPEF, SHG and CARS, at the distal end of the fiber, a result which finds no equal in current literature. The integration in a portable probe (4.2 mm in diameter) shows the potential of this system for future in-vivo multimodal endoscopy

Suite à la découverte d’environ 2000 naines brunes au cours des deux dernières décennies, on commence à bien comprendre la physique de ces objets de masse intermédiaire entre les étoiles et les planètes. Malgré tout, les modèles d’atmosphère et d’évolution de ces objets peu massifs peinent toujours à reproduire fidèlement leurs caractéristiques pour les âges les plus jeunes. Ce travail propose la caractérisation de quatre compagnons de masse sous-stellaire (8-30 MJup) en orbite à grande séparation (300-900 UA) autour d'étoiles jeunes (5 Ma) de la région de formation Upper Scorpius. De nouveaux spectres (0,9-2,5 um) et de nouvelles mesures photométriques (YJHKsL') sont présentés et analysés, dans le but de déterminer la masse, température effective, luminosité et gravité de surface de ces compagnons, tout en évaluant la fidélité avec laquelle les spectres synthétiques tirés de deux modèles d’atmosphère récents reproduisent les spectres observés.
Following the discovery of about 2000 brown dwarfs over the past two decades, we begin to understand the physics of these objects of mass intermediate between stellar and planetary masses. Nevertheless, the atmosphere and evolution models for these low-mass objects are still struggling to reproduce their characteristics at young ages. This work presents the characterization of four sub-stellar mass (8-30 MJup) companions orbiting at large separation (300-900 AU) around young stars (5 Myr) in the Upper Scorpius formation region. New spectra (0,9-2,5 um) and new photometric measurements (YJHKsL') are presented and analyzed in order to determine the mass, effective temperature, luminosity and surface gravity of these companions, while assessing the fidelity with which the synthetic spectra from two recent atmosphere models reproduce the observed spectra.