Дисертації з теми "Chauffe laser"

Ce travail, essentiellement expérimental, concerne l'étude des écoulements d'air en cavité différentiellement chauffée de rapport de forme vertical 4. Afin d'agir sur les transferts de chaleur, une perturbation thermique est introduite par l'intermédiaire d'un petit tube chauffé et refroidi périodiquement en amorce de la couche limite chaude. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'examen de deux régimes d'écoulements obtenus sans excitation thermique. Des mesures par LDV-2D et par thermocouples ont permis de comprendre le comportement de ces écoulements de base naturels et d'apprécier l'influence des conditions limites pariétales sur le mouvement de fluide. La manipulation de ces écoulements laminaires instationnaires et chaotiques, par l'intermédiaire d'une perturbation thermique périodique est entreprise dans la seconde partie du manuscrit. La DNS de l'effet d'une excitation sinusoi͏̈dale de température dans la zone de développement des couches limites démontre la possibilité d'agir sur le transfert thermique. A l'aide de mesures par PIV et par un fluxmètre original mis au point à cette occasion, la dynamique et les coefficients d'échange de chaleur locaux ont été comparés pour différents modes de l'excitation introduite dans la cavité. L'efficacité de l'excitation est ainsi caractérisée
Mainly experimental, this work contributes to the study of natural convection flows in differentially heated cavity of vertical aspect ratio 4. An original method to act on the heat transfer is presented: a thermal perturbation introduced at the bottom of the hot wall by a small tube periodically heated and cooled. First part of this thesis is devoted to detailed investigation of two rates of flows without perturbation. Some results of velocity (LDV-2D) and temperature (thermocouples) measurements allow to understand the importance of walls conduction and radiation exchanges on the whole fluid flow and on the thermal stratification in the cavity. Second part presents the result of the manipulation of this unsteady and laminar or chaotic flow with a thermal perturbation. The analyses of the results performed with 2D direct numerical simulation show that the heat transfer could be modify. With PIV and fluxmeter measurements the dynamical and heat coefficient have been compared for different amplitudes and frequencies of temperature. In this way the efficiency of thermal excitation is characterised

Simulation numérique de l'écoulement laminaire bidimensionnel créé par un fil chaud placé sous une surface libre. Le code de calcul inclut les convections naturelle et de Marangoni, les transferts de chaleur à l’interface ainsi que la viscosité interfaciale. Analyse linéaire de stabilité dans le cas d'une couche liquide horizontale d'extension infinie, limitée par une paroi rigide et une surface libre. Modélisation

L’essentiel de mon travail de recherche porte sur l’étude des instabilités thermoconvectives en convection mixte. Il comporte aussi bien des aspects expérimentaux que numériques. Dès qu’un fluide est chauffé, en présence ou non d’un écoulement forcé, des instabilités apparaissent en fonction des différents paramètres (thermiques, opératoires, géométrie,. . ). Pour ce qui est des dispositifs parcourus par un écoulement de convection mixte, la bibliographie est très riche concernant les écoulements de fluides tel que l’air mais reste limitée pour tout ce qui est écoulement d’eau et surtout dans les configurations avec une condition aux limites de flux imposé. Récemment, ces études ont suscité un intérêt pour les applications industrielles telles que la CVD et les échangeurs de chaleur en général et certains phénomènes naturels tels que la météo. Faisant suite à une série d’études d’écoulements de convection mixte, notamment en conduite cylindrique soumise à un flux uniforme à la paroi (coexistence de gradients thermiques horizontal et vertical), rectangulaire avec un gradient thermique horizontal et rectangulaire avec un gradient thermique vertical ; dans ce dernier cas, le rapport d’aspect considéré était égal à 2 ce qui a introduit des effets de bords non négligeables sur le développement des instabilités. L’objectif de mon travail était de comprendre le déclenchement des instabilités dans le cas du gradient thermique vertical sans subir les effets de bords. Ainsi, j’ai étudié l’écoulement de convection mixte dans un canal horizontal, à section rectangulaire, de grand rapport d’aspect transversal (B=10), chauffé uniformément par le bas à flux constant pour les paramètres de fonctionnement suivants : 20 ≤ Re ≤ 200, 0 ≤ Ra ≤ 106, Pr = 7. Les techniques de visualisation que j’ai mises en place m’ont permis de mettre en évidence l’existence de deux mécanismes d’initiation des rouleaux longitudinaux dans ce type de configuration. Pour les faibles valeurs du nombre de Rayleigh, les rouleaux sont initiés le long des parois latérales et se propagent progressivement jusqu’à envahir toute la section droite par un effet de cascade visqueuse. Au-delà d’une valeur critique du nombre de Rayleigh, de nombreuses paires de rouleaux apparaissent simultanément à une même abscisse, dans la zone centrale de la section droite, indépendamment du premier mécanisme grâce à une instabilité du type Rayleigh Bénard. Ces deux mécanismes d’initiation ont été observés expérimentalement et numériquement. La condition de flux imposé à la paroi basse fait que l’établissement thermique n’est jamais atteint ; nous assistons dans ce cas à une évolution longitudinale du régime d’écoulement qui peut s’étaler le long du canal. Ainsi, j’ai mis en évidence quatre zones d’écoulement : une zone I d’entrée ou de formation des rouleaux ; une zone II établie où les rouleaux longitudinaux ont envahi toute la section droite, ces rouleaux sont stationnaires ; une zone III correspondant au régime déstabilisé où les rouleaux adoptent un comportement chaotique et enfin la zone IV qui correspond au régime turbulent, les rouleaux ne sont plus identifiables. J’ai déterminé en fonction des paramètres de contrôle les longueurs caractéristiques pour les différentes zones et proposé des corrélations permettant de les calculer en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh. Pour l’analyse thermique de ce type d’écoulement, j’ai développé et exploité une technique de fluorescence induite par plan laser (PLIF) pour déterminer le champ thermique dans les différentes sections transversales du canal pour les différentes gammes des paramètres. Cette caractérisation a également été effectuée numériquement. Les champs de température obtenus dans les différentes sections droites fluide ont permis la détermination du transfert de chaleur, notamment le nombre de Nusselt. J’ai déterminé le nombre de Nusselt à la paroi chauffée, moyenné dans la direction transversale Y et représenté sa variation selon la direction longitudinale X pour diverses valeurs du nombre de Rayleigh et de Reynolds. On retrouve la signature des deux mécanismes d’initiation au travers du profil longitudinal du nombre de Nusselt. On peut observer que le transfert convectif est fortement accru en convection mixte par rapport à la convection forcée pure, d’un rapport de 5 à 10 selon les valeurs des nombres de Reynolds et de Rayleigh. L’ensemble des résultats expérimentaux que j’ai obtenus ont permis, en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh, l’établissement de corrélations du nombre de Nusselt, valables en convection mixte pour ce type d’écoulement. Ces corrélations ont été établies pour le régime d’entrée et le régime établi. La PLIF semble être une technique performante pour la mesure de la température du fluide. L’ensemble de ces résultats ont été rédigés en deux articles et ont été soumis pour publication
The stability of Rayleigh–Benard–Poiseuille flow has been studied in a large transverse aspect ratio channel fitted with lateral soft walls. Several numerical results have been experimentally confirmed. Although the comparisons of these results are mostly qualitative because of measurement limitations, all the expected phenomena have been effectively observed in the system. Longitudinal rolls were observed as predicted by the theory for moderate Reynolds numbers. The onset of longitudinal rolls is observed ; two mechanisms of roll initiation are highlighted in a horizontal channel flow, uniformly heated from below, at constant heat flux (C = 10, Pr = 7, 50 < Re < 100, 0 < Ra < 106). The first mechanism is the classical one, it occurs for low Rayleigh numbers and is initiated by the lateral wall effect. The second occurs for higher Rayleigh numbers and combines the previous effect with a supercritical vertical temperature gradient in the lower boundary layer, which simultaneously triggers pairs of rolls in the whole zone in between the two lateral rolls. We have found that in the present configuration, the transition between the two roll initiation mechanisms occurs for Ra/Re2≈ 18. Consequently, the heat transfer is significantly enhanced compared to the pure forced convection case owing to the flow pattern responsible of the continuous flooding of the heated wall with cold fluid. The present results show that there are two ways in which longitudinal rolls are initiated. For low and moderate Rayleigh numbers, rolls are initiated by the thermal perturbation induced at the lateral walls (local horizontal temperature gradient) which is obviously due to the finite spanwise-size-effect (C = 10). In this case, rolls progressively develop inwards from sidewalls to the central zone. On the other hand, for high Rayleigh numbers (actually for a higher Ra/Re2 ratio), rolls are induced by two mechanisms; those close to the lateral walls, are initiated in the same way as for low and moderate Rayleigh numbers, and those in the centeral part are initiated by the vertical thermal gradient. The present work deals with a mixed convection flow in a channel uniformly heated from below (for high Rayleigh numbers) and with a spanwise aspect ratio C = 10. Indeed, for Ra/Re2 ratios less than roughly 18, the well-known classical initiation mechanism is due to free convection triggered by a lateral wall effect (finite spanwise effect). It first induces two longitudinal rolls close to the lateral walls, which progressively provoke a cascade of rollpairs until they invade the whole cross section for X = Le. For Ra/Re2 ratios greater than 18, a Rayleigh–Benard like instability takes place in the central zone (far from the side wall). Again, as in the first case, the lateral wall effect generates the first two longitudinal rolls, but instead of the consecutive cascade, the vertical temperature gradient in the lower boundary layer simultaneously triggers pairs of rolls in the whole central zone. In this case, natural convection sets up over the whole cross section, at the same time and at the same location Le. Furthermore, the resulting flow structure impacts favorably on the heat transfer; the obtained Nusselt number is significantly increased compared to the pure forced convection case. This enhancement is induced by the longitudinal rolls, which contribute to a continuous flooding of the heated wall with cold fluid. The heat flux imposed at the lower wall leads to the situation where the thermal establishment is never reached, In this case we assist that the longitudinal evolution of the flow regime can spread all along the canal. During my research I managed to observe and investigate four zones of flow; zone I: onset and formation of rolls; zone II: where the longitudinal rolls are established and have invaded the whole transversal cross section, these rolls are stationary; zone III: which correspond to the destabilization of the regime where the rolls adopt a chaotic behavior and finally; zone IV: which corresponds to turbulent zone, where rolls are no longer identified. I determined the characteristic lengths for the different zones as function of control parameters, and I proposed correlations to determine these lengths according to Reynolds numbers and Rayleigh. For the thermal analysis of this type of flow, I have developed and operated a non-intrusive laser technique, using the planar laser induced fluorescence (PLIF), to determine the thermal field in different cross sections of the channel for different ranges of parameters. This characterization was also performed by numerical simulations. The temperature fields obtained in different sections allowed the determination of heat transfer, and then the Nusselt number at the heated wall, averaged in the transverse direction Y and represented its variation along the longitudinal direction X for various values of Rayleigh and Reynolds numbers. We also found the signature of both mechanisms of initiation through the longitudinal profile of the Nusselt number. This led us to observe that the convective heat transfer is greatly increased in mixed convection compared to the pure forced convection, with a ratio about of 5 to 10 depending on the values of Reynolds and Rayleigh numbers. My experimental findings, based on Reynolds numbers and Rayleigh, led to the establishment of correlations of Nusselt number, which are valid for mixed convection in this type of flow. These correlations have been established for the onset and the steady states. During flow characterization, we observed a destabilized regime with chaotic behavior similar to the "knot instability" observed in the theoretical study of Busse but has not been observed experimentally before. This will be subject of future investigation. The PLIF seems to be a powerful technique for measuring the bulk temperature of the fluid. We hope to study further this technique to explore thermal fields of fluids for some complex flow phenomena met in convection. The above findings were written in two manuscripts and has been submitted for publication

L'interaction d'impulsions lasers brèves et intenses avec un plasma est une source intéressante d'ions énergétiques. Les travaux effectués au cours de cette thèse s'articulent autour de deux grandes thématiques : la production de protons par laser, et leur utilisation pour le chauffage isochore, avec, pour principal outil d'étude, la simulation à l'aide de codes numériques (cinétique particulaire et hydrodynamique). Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement de l'énergie cinétique maximale des protons qu'il est possible d'accélérer avec le mécanisme du Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), en régime sub-ps, en fonction de différents paramètres, notamment de la durée d'impulsion laser. Nous avons montré que l'allongement de la durée d'impulsion, à énergie laser constante, est responsable du préchauffage et de la détente du plasma avant l'arrivé du pic d'intensité. Les gradients de densité ainsi produits (face avant et face arrière) peuvent favoriser, ou au contraire pénaliser, le gain en énergie cinétique des protons. Les résultats obtenus ont servi à l'interprétation d'une étude expérimentale réalisée au Laboratoire d'Optique Appliquée. Nos efforts se sont ensuite concentrés sur l'élaboration d'un modèle semi-analytique rendant compte de l'énergie cinétique maximale des protons accélérés par le biais du TNSA. Ce modèle permet de retrouver l'ordre de grandeur des intensités nécessaires, de l'ordre de 6x1021 W/cm², pour atteindre des énergies de proton supérieures à 150 MeV avec des impulsions laser de quelques joules et plusieurs dizaines de fs. Dans la dernière partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'utilisation de ces faisceaux de protons pour le chauffage isochore. Nous avons caractérisé, dans un premier temps, les fonctions de distribution produites par des cibles composées d'un substrat lourd (A >> 1) sur la face arrière duquel est déposé un plot d'hydrogène (schéma d'Esirkepov). Ensuite, à partir de simulations hydrodynamiques, nous avons étudié le temps caractéristique de détente de la cible chauffée en modifiant des paramètres tels que la distance à la source de protons, l'intensité et la tache focale du laser, et la densité surfacique du plot. Nous avons enfin étendu cette étude aux cibles cylindriques et nous avons montré qu'il est possible de réduire les effets liés à la divergence naturelle du faisceau de protons et ainsi d'obtenir des températures plus élevées.

Ce travail est consacre a l'etude et au developpement de la technique de chauffage par laser dans son application a la dosimetrie beta. Il presente le developpement de dosimetres specifiques realises par couchage de divers materiaux thermoluminescents sur des supports souples de kapton (5 mg?cm##2): le caso#4:dy et mn prepare au laboratoire et le borate mgb#4o#7:dy. Nous avons aussi presente le developpement du lecteur laser de dosimetres thermoluminescents. Nous donnons quelques resultats sur la reponse de nos dosimetres et plus particulierement, nous presentons leur reponse en fonction de l'energie du rayonnement beta utilise pour leur irradiation, dans la gamme 200 kev, 3 mev

Le present travail porte sur l'application de la technique de thermoluminescence (tl) par chauffage laser a la mesure de la dose beta delivree par des sources externes (147pm, 204tl, 90(sr/y)) et le developpement d'un detecteur thermoluminescent adapte. Des exemples ont ete donnes pour des mesures d'homogeneite d'un champ d'irradiation, la determination d'un profil de dose dans un materiau equivalent tissu et des dependances energetiques et angulaires de la dose beta. Les resultats obtenus avec des detecteurs tl tres fins (caso4: dy sur kapton) sont compares aux resultats obtenus avec des pastilles de mgb4o7: dy charge au carbone, et aux mesures avec une chambre a extrapolation. La contamination par des sources radioactives inhomogenes de petite dimension, en contact avec la peau (particules chaudes), a ete analysee. Le debit de dose eleve delivre par ces particules (jusqu'a quelques 100 gy/h) et depose dans une zone localement tres restreinte (taille de la source 200 m) necessite un dispositif dosimetrique par cartographie avec une resolution laterale et une dynamique de reponse suffisantes. Les resultats des mesures sur films tl ont ete compares aux mesures utilisant des films radiochromiques. Les normes d'irradiation et quantites operationnelles, utilisees en dosimetrie, et leur developpement historique ont ete resumes. Les instruments et methodes utilises en dosimetrie beta et la synthese du caso4: dy, developpee au laboratoire, ont ete indiques

Étude de l'intéraction d'une onde laser à électrons libres, polarisée sur le mode ordinaire, avec le plasma du tokamak alcator C. On considère le modèle "slab" pour la description spatiale du plasma toroïdal. Les résultats obtenus par un code à éléments finis confirment que la fonction de distribution des vitesses des particules se déforme au cours du temps et en chaque point de l'espace sous l'effet de l'onde. On note l'apparition d'effets quasi linéaires, qui réduisent localement l'absorption de l'énergie de l'onde. L'effet prédominant de l'absorption résonnante est l'augmentation de la température perpendiculaire des électrons dont la vitesse parallèle est de l'ordre de 3 fois la vitesse thermique

L'objectif de ce travail etait de caracteriser le chauffage et le transport des electrons et des ions lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec un plasma dense. Le principal outil de cette etude est la simulation numerique, a base de codes cinetiques particulaires. Lors de l'interaction, les electrons de la surface de la cible sont acceleres a de hautes energies vers l'interieur de celle-ci. Nous avons montre que les mecanismes d'acceleration electronique dependent fortement de la deformation du profil de densite due au mouvement ionique. Ce dernier a aussi ete etudie et differents mecanismes d'acceleration ont ainsi ete caracterises : enfoncement de la surface du plasma par la pression de rayonnement du laser, acceleration par choc electrostatique ou par deferlement d'une onde acoustique ionique, acceleration par le champ de rappel cree par l'expulsion radiale des electrons hors du canal laser creuse dans un plasma faiblement surcritique. Les electrons et les ions acceleres a la surface du plasma penetrent a l'interieur de la cible et interagissent avec celle-ci. La competition entre la focalisation due au champ magnetique auto-genere par le fort courant electronique et l'effet dispersif des collisions a ete analysee. Dans un plasma homogene chaud, un courant optimal pour lequel la longueur de propagation sans diffusion est maximale est ainsi obtenu. Nous avons aussi montre que l'effet de rappel du au champ electrique auto-genere est plus important que la friction due aux collisions. Dans une cible deuteree, les ions acceleres interagissent avec les ions de la cible et produisent des neutrons. Une forte correlation entre le mode d'acceleration ionique et la distribution angulaire et energetique des neutrons produits a ete ainsi mise en evidence.

Ce travail de modélisation/simulation concerne l'étude d'un laser XUV généré par le schéma OFI dans des cibles gazeuses (krypton a 32. 8 nm et xenon a 41. 8 nm) étudié expérimentalement de façon intensive au LOA (ENSTA, Palaiseau). Le milieu amplificateur est créé dans un état fortement hors équilibre suite a l'interaction avec un laser infra-rouge de haut flux et très bref. L'examen des étapes de la création et de l'évolution de la cinétique atomique a permis de caractériser le plasma et d'envisager l'étude de l'amplification et le transport du rayonnement XUV. Ce dernier point a été considéré en fonction de différents paramètres (pression du gaz, intensité de pompe,. . . ). Un accent particulier a été mis sur l'influence de la dynamique des ions sur la raie d'émission. En effet, la composante ionique du plasma génère par OFI est initialement fortement couplée. Le modèle OCP applique a ce cas prédit des températures ioniques de quelques eV. L'étude des propriétés du laser a la sortie du plasma a montré que le chauffage ionique peut accroitre l'énergie du laser jusqu'a 20% dans le domaine des pressions d'intérêt pratique. D'autre part, des simulations basées sur des équations Maxwell-Bloch ont permis la comparaison entre les cas de très faible cohérence spatiale (ASE) et celui de forte cohérence spatiale (injection des harmoniques dans un amplificateur OFI). Dans ce dernier cas, l'approximation semi-adiabatique peut décrire l'amplification sur de longues distances. Aussi, l'approche semi-adiabatique, permet, même dans le cas injecté, de retrouver les caractéristiques des valeurs moyennes du signal XUV, mais pas celles du profit temporel ou spectral a forte saturation
This work deals with a theoretical study of an optical-field-ionized soft-x-ray laser generated in gas targets (krypton at 32. 8 nm, xenon at 41. 8 nm). These sources are experimentally studied intensively at the LOA (ENSTA, Palaiseau). The amplifying medium is created in a highly nonequilibrium state due to the interaction with a short and intense infrared beam. The steps of creation of the plasma and evolution of the atomic kinetics in the medium were investigated in order to characterize the plasma and to study the amplification and transport of XUV radiation. This latter point was considered depending on different parameters (gas pressure, pump intensity,. . . ). Particular emphasis was placed on the influence of the ion dynamics on the emission line. The ionic component of the OFI plasma is initially strongly coupled. The OCP model applied to this case predicted ion temperatures of the order of a few e V. The properties of the output XUV laser showed that the ionic heating can increase the laser energy up to 20% in the range of pressures of practical interest. On the other hand, simulations based on Maxwell-Bloch equations allowed US to compare the case of very low spatial coherence (AS E) with that of high spatial coherence (injection of harmonics in an OFI amplifier). In this latter case, the semi-adiabatic approximation can describe the amplification over long distances of propagation. Also, the semi-adiabatic approach, allows, even in the case of injected regime, to describe the characteristics of the average values of the XUV signal, but not those of the temporal or spectral profile at saturation

Il est important de bien connaitre le comportement des combustibles nucléaires dans des conditions extrêmes afin d’assurer la sureté des réacteurs et de prévoir les conséquences d’un éventuel accident. L’objectif principal de cette thèse est l’étude des transitions de phase à très haute température de matériaux envisagés pour les combustibles nucléaires de quatrième génération. Dans ce but, une méthode a été développée à l’institut européen des transuraniens (ITU) pour étudier ces matériaux à des températures excédant 2500K. La technique utilisée consiste à chauffer l’échantillon à l’aide d’un laser de haute puissance et à mesurer sa température par pyrométrie. Le signal d’un second laser réfléchi par la surface de l’échantillon est aussi étudié afin de mieux caractériser les transitions de phase. Les avantages de cette technique résident dans la rapidité des expériences (de quelques dizaines de ms à quelques secondes), et dans le contrôle de l’atmosphère, ce qui permet de limiter les effets d’évaporation ou d’oxydation/réduction de l’échantillon. Il convient de signaler que seule la partie centrale de l’échantillon est fondue, la phase liquide sondée est ainsi confinée au sein de l’échantillon lui-même, ce qui évite toute interaction avec le système de fixation. Nos résultats sur les carbures d’uranium sont en accord avec ceux de la littérature, et ont permis d’affiner le calcul des diagrammes de phase pour ces matériaux stables à haute température. La technique que nous avons mise au point a été utilisée, pour la première fois, pour étudier des matériaux de haute activité. Des résultats originaux ont été obtenus sur les systèmes PuO2, NpO2, UO2-PuO2 et Pu-C
Understanding the behaviour of nuclear materials in extreme conditions is of prime importance for the analysis of the operation limits of nuclear fuels, and prediction of possible nuclear reactor accidents, relevant to the general objectives of nuclear safety research. The main purpose of this thesis is the study of high temperature phase transitions in nuclear materials, with special attention to the candidate fuel materials for the reactors of the 4th Generation. In this framework, material properties need to be investigated at temperatures higher than 2500K, where equilibrium conditions are difficult to obtain. Laser heating combined with fast pyrometer is the method used at the European Institute for Transuranium Elements (JRC – ITU). It is associated to a novel process used to determine phase transitions, based on the detection, via a suited low-power (mW) probe laser, of changes in surface reflectivity that may accompany solid/liquid phase transitions. Fast thermal cycles, from a few ms up to the second, under almost container-free conditions and control atmosphere narrow the problem of vaporisation and sample interactions usually meet with traditional method. This new experimental approach has led to very interesting results. It confirmed earlier research for material systems known to be stable at high temperature (such as U-C) and allowed a refinement of the corresponding phase diagrams. But it was also feasible to apply this method to materials highly reactive, thus original results are presented on PuO2, NpO2, UO2-PuO2 and Pu-C systems

La maitrise de l'histoire thermique lors de la En particulier, son comportement en réflexion est dépose automatisée de bandes composites à matrice analysé en fonction de la direction des fibres et de thermoplastique est incontournable pour prédire la l'angle d'incidence. D'autre part, un dispositif qualité des pièces produites. La mesure directe de expérimental est développé pour caractériser les température étant difficile dans la configuration du transferts thermiques lors du chauffage d'un pli par procédé, elle est généralement estimée par des une diode laser. Une métrologie spécifique est méthodes numériques. Du fait de la faible épaisseur déployée pour permettre la mesure de la température des plis, de leur anisotropie, mais aussi de l'utilisation de surface et du flux transmis sur des temps courts croissante de diodes laser infrarouge comme source (25 ms). On montre qu'il est nécessaire de considérer de chauffage, la définition réaliste des conditions à la la microstructure des plis afin de rendre compte des limite aux différentes interfaces reste un enjeu mécanismes d'absorption du flux laser en surface et important de la modélisation thermique. L'objectif de de transmission du flux thermique à l'interface avec ce travail est de mener une étude du comportement un outil métallique. L'étalement et la position de la thermique d'un pli dans les conditions de procédé. zone impactée dépendent alors de la dispersion des D'une part, les propriétés radiatives du matériau, fibres. nécessaires à l'établissement du bilan de l'interaction avec le laser, sont caractérisées par spectroscopie infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde et de température du procédé
When manufacturing a composite part by Automated A special care is given to the surface reflective FLber Placement, a fine understanding of the laminate behavior, and its evolution with fibers orientation and thermal history throughout the process is required in beam incident angle. On the other hand, an order to predict its final performances. Yet, direct experimental device is developed for measuring heat temperature measurements on the placement head is transfers occurring in the ply when heated by an uneasy, and the evolution of thermal fields is often infrared laser diode. A specific metrology had to be obtained via numerical simulations. Due to the implemented for measuring surface temperature and thinness of the ply, its anisotropy, and the lay-up transmitted flux on short time ranges (25 ms). lt was motion, the various boundary conditions have to be shown that the ply microstructure must be taken into carefully set-up when modelling heat transfer in AFP. account to model the flux absorption on its top This works aims at analyzing heat transfer occurring surface, and the flux transmission at its interface with at a single ply scale during AFP process. On one the stainless steel mold. Both zones thickness hand, the radiative properties of the composite characterize the fiber dispersion inside the polymer material are characterized with infrared spectroscopy, matrix. in the process spectral and temperature range

Le faisceau d'un laser CO2, continu et de basse puissance (40-80 W), focalisé sur une cible de nitrure de bore (BN) hexagonal, n'induit pas d'ablation, mais un gradient de température stable, radial le long de la surface avant. Un tel chauffage, sous basse pression d'azote, produit une croissance macroscopique de nano-tubes de BN. Les tubes croissent sur un anneau autour de l'impact, formant une couronne de tubes enchevêtrés perpendiculaire à la surface de la cible. Cette méthode est efficace pour synthétiser des nano-tubes de BN ainsi que des nano-particules sphériques de BN, souvent riches en bore. Les tubes sont extrêmement longs (mesurés jusqu'à 120 microns), fins (typiquement 2 a 4 couches) et souvent assemblés en cordes. Dans les tubes, le BN est stœchiométrique, et bien cristallisé. Les particules sphériques sont des oignons facettés de nitrure de bore, contenant souvent un nano-cristal de bore à l'intérieur de leur cavité. La méthode de synthèse est simple et peu coûteuse. La croissance se produit à température élevée, mais pas directement depuis les plaquettes de h-BN. Après dissociation puis évaporation, le bore condense dans l'atmosphère d'azote, en formant les particules sphériques riches en bore, qui se déposent autour de l'impact. Le bore se recombine ensuite avec l'azote gazeux si et seulement si le bore est liquide; d'où une croissance sur un anneau de température déterminée. En formant des coquilles de BN, certaines particules sphériques évoluent vers des extrusions tubulaires. L'évolution d'une particule sphérique vers un tube peut être entraînée par la chute de sa température. Un gradient de température se forme le long du tube, essentiellement à cause du rayonnement thermique. Le gradient décroît exponentiellement avec la longueur du tube, de l'ordre de 200 K, sur une distance de quelques dizaines de microns. La vitesse de croissance diminue aussi rapidement avec la longueur de tube. Elle est de l'ordre de 10 µm/s en début de croissance
The beam of a CO2 laser, both continuous and low power (40-80 W), focused on a hexagonal boron nitride (h-BN) target (hot pressed powders), induces no ablation, but a stable temperature gradient, radial along target surface. Such a heating, in low nitrogen pressure, produces a macroscopic growth of BN nano-tubes. Tubes grow on a ring around impact, forming a crown of entangled tubes, perpendicular to target surface. This method is efficient to synthesise BN nano-tubes and other nano-spherical BN particles, often rich in boron. Tubes are extremely long (measured up to 120 microns), mostly thin (typically 2 to 4 layers) and self-assembled in ropes. In a tube, BN is stoichiometric and well crystallised. Spherical particles are faceted BN onions, often containing a boron nano-crystal inside their cavity. The synthesis method is simple and low cost. Quantity produced may be extended for commercial purposes, by scanning the laser beam (or the target), by using a higher laser power, or by collecting the material dropped from the target,. . . Growth occurs at bigh temperature but not directly from h-BN platelets. After dissociation and evaporation, boron condenses in nitrogen atmosphere, forming spherical particles, rich in boron, which spread around impact. Then, boron recombines with gaseous nitrogen if and only if boron is liquid, and hence, growth occurs on a ring of specific temperatures. While forming BN shells, some spherical particles evolve toward tubular extrusions. The evolution of a spherical particle toward a tube can be driven by its temperature decrease. A temperature gradient forms along the tube, essentially because of thermal radiation. The gradient is exponentially decreasing with tube length, by an order of 200 K over a few tens of microns. Growth speed also decreases quickly with tube length. It is of an order of 10 µm/s in the beginning of the growth

Ce travail porte sur l'etude et la caracterisation du fluorure de calcium dope manganese ou dysprosium en vue de son utilisation en cartographie de doses de rayonnements ionisants. Partant de poudres thermoluminescentes elaborees au laboratoire ou achetees dans le commerce, nous presentons nos dosimetres specifiques developpes au laboratoire realises par couchage des materiaux tld (densite de depot variant entre 6 et 10 mg. Cm##2) sur des supports rigides (verre) ou souples (kapton: 10 mg. Cm##2). Nous presentons notre lecteur a chauffage laser (co#2:10,6 m) destine a la topographie de doses de rayonnements ionisants en utilisant comme dosimetres des plaques de grandes dimensions (2020 cm#2). Nous donnons enfin quelques resultats types de la reponse de nos dosimetres pour diverses applications en dosimetrie

Ce travail essentiellement experimental a ete consacre a une etude, dans le cas d'une couche limite supersonique, des effets de variations de densite provoques par des perturbations qui proviennent soit d'un chauffage parietal, soit d'une onde de choc incidente de faible ou forte intensite, ou encore de la superposition de ces deux causes. La qualification de l'influence du chauffage a ete effectuee par differentes approches: spectres, echelles integrales, coefficient de correlation vitesse temperature. . . Il est mis en evidence que le champ de vitesse est moins affecte que le champ de temperature, et que, de plus, la structure de la turbulence ne se trouve pas modifiee par le chauffage. Enfin, les resultats obtenus ont montre experimentalement la possibilite d'utiliser, en ecoulement chauffe, un schema de diffusion a gradient de la temperature par la vitesse. L'ecoulement s'est donc simplement adapte aux conditions de paroi avec les nouvelles valeurs des parametres cles: densite, densite a la paroi, vitesse de frottement. L'etude menee sur l'interaction de cette couche limite avec une onde de choc, conjuguee ou non a un chauffage parietal, constitue une premiere approche de cette situation. Un nombre important de sections a du etre traite afin de cerner les principales regions de l'ecoulement, et l'etude de la zone directement en aval du choc incident a ete abordee. Sur les grandeurs fluctuantes, l'analyse de l'influence du chauffage a montre que celle-ci etait plus marquee dans l'interaction de faible intensite. Il a pu etre confirme notamment que le chauffage augmente l'etendue de la zone d'interaction vers l'amont. Les conclusions de notre travail experimental, sont orientees vers la caracterisation de l'anisotropie et son evolution. Ainsi, on observe pour l'interaction avec decollement un changement de signe de la correlation uv dans la region centrale. L'etude de l'anisotropie dans l'interaction a fait apparaitre qu'elle etait surtout affectee dans l'interaction avec decollement

Les impacts de gouttes sur paroi chaude sont présents dans de multiples domaines, tels que l'injection de diesel sous forme de spray dans des moteurs à combustions internes, ou le traitement thermiques de l'acier dans le domaine de la sidérurgie. L'étude de l'interactions goutte/paroi permet de mieux comprendre les phénomènes thermiques mis en jeu, et ainsi d'aboutir à des économies d'énergies et d'eau. De nombreux travaux portent sur cette thématique, mais ils présentent des résultats divergents et uniquement basés sur l'étude de la paroi chaude. Cette thèse a pour but d'apporter des mesures expérimentales sur les caractéristiques inconnues en étudiant les gouttes. Pour cela, un dispositif expérimental a été mis au point afin de mener à bien l'ensemble des mesures souhaitées. Les diverses techniques de mesures de température utilisées sont présentées, et une attention plus particulière a été portée sur le développement de la technique de fluorescence induite par plan laser qui permet d'accéder au champ de température des gouttes durant leur impact. Cette méthode, combinée à une technique de thermographie par caméra infrarouge couplée à un modèle de conduction inverse, permet d'extraire les paramètres concernant l'aspect thermique, et de déterminer de nouvelles caractéristiques inédites, telles que l'échauffement des gouttes, l'évaporation relative de celles-ci ou encore l'efficacité de refroidissement. Les parts respectives jouées par la chaleur sensible et l'évaporation des gouttes sont tirées de cette dernière. Enfin, l'aspect dynamique est également abordé aboutissant au développement d'une technique d'ombroscopie rapide. Cette dernière a permis, grâce à la combinaison de mesures de diamètres précises et d'une fréquence d'acquisition élevée, d'extraire les paramètres dynamiques de l'impact tels que la vitesse et taille des gouttes, ou d'autres paramètres relatif au type d'impact rencontrés à l'aide d'un algorithme de suivi de particules développé durant la thèse
The droplet impact onto a heated wall interaction can be found in mutiples fields, such as internal combustion engines or the steel industry, specially in the thermal treatment of the steel where high energy dissipation rate is required. The study of this interaction should grant a better understanding of this phenomena, and thus, allow the enhancement of these processes and reduce the energy and water consumption. Several studies have already been carried out on this subjet but a great majority of them, whose results present great divergence, only consider the heated wall, neglecting the outgoing of the droplet. This thesis put the emphasis on the liquid phase where currently no data exist to our knowledge, with the help of multiples experimental technics that have been developped. A general experimental setup has been made in order to make all the wanted measurements. The measurement techniques used in this study are first presented, to begin with the planar laser induced fluorescence, which allow us to know the droplet temperature during the impact. Used with an infrared thermography technique coupled with an inverse conduction model, it is possible to extract some important parameter regarding the thermal aspect, such as the droplet heating, the relative evaporation ratio or the cooling efficiency. This latter can be written as the sum of the two major contributions of the cooling: the sensible heat and the evaporation of the droplet. Finally, a high speed shadow imagery technique is presented. It has been developped in order to study the dynamic aspect of the droplet impact. This technique can determine several dynamic parameters such as the droplet speed and diameter, or other parameter regarding the type of impact encountered

La convection naturelle en cavité étant un phénomène chaotique, l'influence de différents paramètres sur l'écoulement et le transfert de chaleur est donc essentielle à connaître. Ce mémoire regroupe trois études expérimentales complémentaires de convection naturelle en cavité différentiellement chauffée. L'influence des variations du taux de CO2 dans l'air contenu dans l'enceinte sur l'écoulement de convection naturelle, caractérisé par un nombre de Rayleigh de 1,5. 10^9 (pour l’air pur) a été analysée. Le taux de CO2 n'affecte pas l'écoulement de convection naturelle, que ce soit sur la stratification thermique dans le coeur de l'enceinte ou sur le débit massique du fluide circulant dans les couches limites. De même, lorsque cette cavité est munie d'un linteau au plafond, le débit massique circulant dans l'enceinte ne change pas malgré le doublement des pertes de charge potentielles. L'écoulement principal suit les parois sans décollement apparent. Le linteau introduit seulement localement des écoulements secondaires 3D plus importants, notamment dans les angles. Une étude expérimentale pour un nombre de Rayleigh voisin de 10^11, effectuée dans une cavité différentiellement chauffée de grande taille (4m de hauteur), a permis de quantifier les grandeurs essentielles caractérisant la dynamique et de la thermique de la convection naturelle dans une configuration géométrique peu commune. Cette expérience a permis d'étendre sur près de 4 décades de variation du nombre de Rayleigh des cavités différentiellement chauffées, la loi unique d’évolution du nombre de Reynolds, basé sur le débit massique circulant, en fonction du nombre de Rayleigh élevé à la puissance 1/3
Natural convection in cavity is a chaotic phenomenon, so the influence of different parameters on the flow and the heat transfer is essential to know. This thesis presents three experimental complementary studies of natural convection in differentially heated cavity. The first part studied the influence of the changes in the CO2 rate in the enclosure air on the natural convection flow, characterized by a Rayleigh number of 1. 5×10^9 (for pure air). The CO2 rate has almost no influence on the natural convection flow, whether on the thermal stratification in the heart of the cavity or on the mass flow rate circulating in the boundary layers. Likewise, when a lintel is stuck at the ceiling of this same cavity, the mass flow rate does not change despite the pressure loss doubling. The main flow follows the walls without distinguishable separation. The lintel introduces, only locally, 3-D secondary flows more important, especially in the angles. An experimental study for a Rayleigh number close to 10^11, realized in a large differentially heated cavity (4m high), has enabled to quantify the essential natural convection parameters characterizing dynamics and thermics in an unusual geometric configuration. This experiment has enabled to expand nearly 4 decades of Rayleigh number variation in differentially heated cavities, the only evolution law of the Reynolds number, based on the circulating flow rate, according to Rayleigh number exponent 1/3

Le travail de ma these est dedie au developpement de nouvelles techniques d'investigation de la matiere dense et chaude, aussi connue sous l'acronyme WDM (pour Warm Dense Matter en anglais). Ce regime se situe a la frontiere entre la physique de la matiere condense et la physique des plasmas. Il est characterise par des densites comprises entre 0.1 et 100 fois la densite du solide et des temperatures dans l'intervalle 0.1-100 eV. Notre connaissance du comportement de la matiere dans ce regime est peu precise bien que sa comprehension soit indispensable dans differents domaines de la physique. En particulier, la connaissance de la relation entre la pression, la densite et la temperature, qui definit l'equation d'etat (EOS) est un point clef dans des domaines aussi importants que la fusion par confinement inertiel (FCI), lgeophysique, l'astrophysique, et la planetologie.

Pour comprendre les phénomènes physiques du noyau externe de la Terre, il est nécessaire d’étudier les propriétés structurelles et thermodynamiques des matériaux liquides qui y sont présents. Ainsi, les courbes de fusion du nickel et du cobalt permettent de contraindre la température à la frontière entre le noyau externe et le noyau interne (ICB). Cette Thèse présente l’étude de la courbe de fusion et de la structure locale du nickel et du cobalt liquide en conditions extrêmes de pression et température. L’analyse expérimentale a été effectuée par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), technique bien adaptée à l’étude de la structure locale de la matière. Des calculs ab-initio permettent de valider le critère de fusion utilisé et de fournir une fonction de distribution radiale initiale pour l’analyse de la structure locale.Les courbes de fusion sont déterminées à partir des données d’absorption en utilisant un critère de fusion récemment proposé pour le fer. Ce critère est appliqué au cas du nickel et du cobalt. Le critère de fusion est basé sur la disparition de l’épaulement situé dans le seuil d’absorption des métaux 3d, et sur la disparition simultanée des deux premières oscillations du spectre d’absorption. Une sonde ionique focalisée (FIB) couplée à un microscope électronique à balayage (SEM) sont utilisés pour détecter post mortem les changements d’état de l’échantillon et confirmer ainsi le critère de fusion. Les courbes de fusion du nickel et du cobalt sont présentées jusqu’à des pressions de 1 Mbar. L’utilisation du critère de fusion est généralisable à tous les métaux 3d. La comparaison entre les courbes de fusion du nickel et du cobalt et celle du fer montre que la présence de ces deux matériaux dans le noyau externe de la Terre peut être négligée pour la détermination du profil de température dans la planète.Les calculs ab-initio montrent que la disparition des deux premières oscillations XANES est due au changement de densité des états électroniques p lors de la fusion et à la perte de l’ordre structural dans le liquide. Les calculs ab-initio valident le critère de fusion empirique utilisé lors des mesures XAS. Ces calculs permettent également d’évaluer la compression du cobalt liquide à 5000 K en fournissant une fonction de distribution radiale initiale pour l’analyse expérimentale du spectre d’absorption.Les oscillations EXAFS de la phase liquide du nickel et du cobalt sont analysées, permettant ainsi de déterminer la distance des premiers voisins en fonction de la pression. Les résultats expérimentaux montrent une compressibilité inférieure à celle prévue par les calculs ab-initio. Cette différence peut être interprétée comme une liaison atomique plus rigide entre premiers voisins ou comme une augmentation de 10 à 20% de la coordinence. Nos observations expérimentales, combinées aux calculs ab-initio, semblent montrer que la structure locale du nickel et du cobalt liquide dévie du model des sphères rigides.En conclusion, nous avons développé un protocole expérimental et théorique qui permet de valider le critère de fusion d’une structure donnée. Nous l’avons appliqué aux métaux 3d fcc afin de déterminer les courbes de fusion du nickel et du cobalt. La similitude entre ces courbes de fusion et celle du fer montre que la présence du cobalt et du nickel dans le noyau externe de la Terre peut être négligé pour la détermination de la température à l’ICB. L’étude des oscillations EXAFS des liquides à haute pression et haute température permet de déterminer la distance entre premiers voisins. Ces méthodes peuvent maintenant être appliquées à des liquides d’alliages complexes, plus pertinents pour les applications géophysiques
Understanding the physical phenomena of our planet requires the capability to investigate the structural and thermodynamic properties of liquid-state materials present in the Earth's outer core. Thus, the melting curves of nickel and cobalt allow to constrain the temperature at the inner core boundary (ICB).This Thesis presents the study of the melting curves and the local structure of nickel and cobalt under extreme conditions. The experimental analysis was performed by X-ray absorption spectroscopy (XAS), technique ideal for the study of the local structure. Ab-initio calculations were performed as well in order to validate the melting criterion adopted and to provide starting radial distribution function for the analysis of the local structure.The melting curves of nickel and cobalt were determined with the XAS melting criterion recently proposed for iron. The criterion consists in the flattening of the shoulder and the disappearance of the first two oscillations in the X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES). It has been validated with Focused Ion Beam (FIB) coupled with Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis on the recovered samples, by means of a detection of textural changes in the sample. The melting temperature was detected for nickel and cobalt at different pressures, thus providing a measurement of the melting curve up to 1 Mbar for the two materials.A comparison of the melting curves of nickel and cobalt with iron shows that the presence of these two materials in the outer core of Earth gives a negligible contribution for the determination of the geotherm at the inner core boundary.Ab-initio calculations performed on cobalt provided an additional confirmation of the XAS melting criterion adopted. Moreover they permitted to understand that the flattening of the oscillations in the XANES is due to the smearing of the structures in the density of the p states linked to the different environments surrounding each absorbing atom in the liquid.These calculations allowed as well to evaluate the compression of liquid cobalt at 5000 K and provided a starting radial distribution function for the analysis of the experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) extracted from the measured XAS.The EXAFS of the liquids along the melting curve was analysed providing a measurement of the first neighbour distance in the liquid as a function of pressure for both nickel and cobalt. In the two cases our experimental results show slightly less compression than theoretically predicted. This can be interpreted as a first neighbour bond that at higher pressures is slightly more rigid than predicted or as due to an increase of 10-20% of the coordination number.Combined to theory, our experimental observation suggests that the local structure of liquid Co and Ni increasingly deviates from a hard sphere model with P and T along the melting curve.In conclusion, we have developed a protocol that allows validating the melting criterion for a given solid structure. In this work it has been applied to 3d metals with fcc structures and it can be applied to other structures.The presence of nickel and cobalt in the outer core of Earth was found to be irrelevant for the determination of the temperature at the ICB.XAS was shown to be an adequate technique to measure the first neighbour bond under extreme conditions, although both experiment and theory have large margin for improvement. The application of this method to more complex liquid alloys opens the way to investigation of relevant geophysical systems

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de l'écoulement en aval d'un obstacle chauffé ou non (cylindre circulaire ou ruban) dans une gamme de nombres de Reynolds où le sillage 2D-périodique est caractérisé par l'existence d'une allée de Benard-Von Karman. Cette étude a été entreprise dans l'air et dans l'eau, en utilisant l'ADL pour la mesure des vitesses et la thermométrie à fil froid ou à thermocouple à fil fin pour la mesure des températures. Des études antérieures ont montré que ce type d'écoulement était très sensible au chauffage de l'obstacle, conduisant à une stabilisation dans le cas des gaz et à une déstabilisation dans le cas des liquides. L'objectif principal de cette étude a été de prendre en compte l'influence du chauffage sur le régime de l'écoulement quand ce contrôle thermique est uniquement dû aux modifications des propriétés physiques du fluide. Après une étude du champ de vitesse en aval d'un obstacle non chauffé, la même étude est entreprise dans le cas où l'obstacle est chauffé. Pour appréhender l'effet du chauffage sur le régime d'écoulement, les notions de température effective et de nombre de Reynolds effectif re#e#f#f ont été développées. L'ensemble des résultats obtenus dans l'air et dans l'eau montre que les caractéristiques de l'écoulement sont similaires dans des situations ou les re#e#f#f sont identiques, pour des valeurs différentes des vitesses amonts et du chauffage. L'utilisation de re#e#f#f permet également de comparer les champs thermiques dans l'air et dans l'eau. L'effet du nombre de Prandtl se traduit par des largeurs initiales des sillages thermiques beaucoup plus faibles dans l'eau que dans l'air et des écarts de température moyenne et des intensités des fluctuations de température beaucoup plus élevées dans l'eau que dans l'air. En revanche le nombre de Nusselt de l'obstacle chauffé dépend d'un nombre de Reynolds intermédiaire entre re#f#i#l#m et re#e#f#f.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'états intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique
This PHD work aims at developing a micro-fabricated ion trap for quantum information and computation purposes. Laser cooled trapped ions are indeed among the most promising Systems to study and develop quantum information protocols: they have long coherence time and their quantum state may be entirely controlled. However ion trapping experiments are not easily scalable and trap miniaturization is an experimental challenge. This work contains a introduction to quantum information experiments with trapped ions and study the original case of quantum repeaters based on single trapped ions. In a second part, trap miniaturization is discussed emphasizing the optimization of the trap geometry. An analytical model is introduced to take into account surface charge induced fluctuating electric field in the planar ion trap geometry. The scaling of these fluctuations with the ion to electrode surface distance is discussed, as we as a possible optimization protocol based on atomic force microscopy measurements. Finally the experimental developments and results are presented, including clean room trap micro-fabrication optimization, single ion trapping and cooling in a linear Paul trap and preliminary heating rates measurements

La compréhension des phénomènes se déroulant lors de l’impact d’une goutte sur une paroi chaude est essentielle à l’optimisation des systèmes de refroidissement par sprays. Lorsque la température de paroi est élevée, un film de vapeur se forme quasi-instantanément entre la goutte et la paroi chaude. Ce film modifie le comportement hydrodynamique des gouttes et réduit considérablement les échanges de chaleur et de masse par rapport à un impact mouillant. La modélisation de ces phénomènes est complexe en raison des nombreux couplages entre les transferts de chaleur et de masse et la dynamique d’impact de la goutte. Pour aborder ce sujet, des techniques de mesure optiques ont été développées spécifiquement. L’imagerie de fluorescence induite par plan laser à deux couleurs permet de caractériser la distribution de la température à l’intérieur des gouttes. Des images du champ de température, résolues à la fois spatialement et temporellement, sont rendues possible grâce à l’utilisation d’un nouveau couple de colorants fluorescents conservant une grande sensibilité à la température quand ils sont excités par un laser pulsé nanoseconde d’une énergie de plusieurs centaines de mJ. En parallèle, la thermographie infrarouge a été utilisée pour déterminer la température de la surface d’impact en saphir. Pour cela, cette dernière est recouverte d’une couche de quelques centaines de nanomètres de TiAlN, émissif dans l’IR alors que le saphir est transparent. Les images haute cadence sont analysées par un modèle d’inversion, prenant en compte la conduction thermique dans le saphir, afin d’estimer la densité de flux thermique au niveau de la surface d’impact. L’épaisseur du film de vapeur est également déduite de ces mesures sous l’hypothèse, justifiée a posteriori, d’une conduction thermique prépondérante dans le film de vapeur. Une étude de l’impact de gouttes d’eau est réalisée en faisant varier la vitesse d’impact et la température des gouttes avant impact, ainsi que la température de paroi. Dans la plupart des cas, la chaleur extraite à la paroi est comparable à celle transférée au liquide pour l’échauffer. Lorsque la température de paroi se rapproche et dépasse la température de Leidenfrost, les transferts de chaleur deviennent de plus en plus sensibles au nombre de Weber, et de moins en moins dépendant de la température de paroi. L’épaisseur du film de vapeur est affectée par des instabilités, dont les caractéristiques (longueur d’onde, amplitude) sont étudiées à partir des images IR. Finalement, un modèle 1D semi empirique est proposé pour décrire l’échauffement des gouttes et la croissance du film de vapeur. La pression exercée par la goutte sur le film de vapeur se dissipe très vite à l’impact, si bien que la croissance du film de vapeur est gouvernée par la conduction de la chaleur vers la goutte et non par la dynamique de l’impact
The understanding of phenomena occurring at the impact of a droplet onto a hot wall is crucial for the optimization of spray cooling systems. When the temperature of the wall is high, a vapor layer appears quasi-instantaneously between the droplet and le wall. This film of vapor modifies the hydrodynamic behavior of the droplet and highly reduce the heat and mass transfers in comparison with a wetting impact. Modelling these phenomena is complex because of the numerous coupling between the heat and mass transfers and the fluids dynamic. To get some insights into this phenomenon, optical diagnostic techniques have been developed. Two color planar laser induced fluorescence imaging allows characterizing the distribution of the temperature inside the droplet. Images of the temperature fields, resolved both spatially and temporally, are recorded thanks to the use of a couple of fluorescent dyes keeping a high temperature sensitivity even when they are excited by a nanosecond pulsed laser with and an energy of hundreds m J. In parallel, the infrared thermography is used to determine the temperature of the impinged surface made of sapphire. For that, this surface is coated with a thin film (about 300 nanometers) of TiAlN, highly emissive in the IR domain as opposed to the sapphire which is transparent in it. High frame rate image sequences are analyzed thanks to an analytical inversion model, taking into account the thermal conduction in the sapphire, in order to estimate the heat flux density at the impact surface. The thickness of the vapor layer was also deduced from this measurements thanks to the hypothesis of a dominant thermal conduction in the vapor layer. A study of water drop impact was performed with different impact speeds, wall temperatures and different drop injection temperatures. In most of the cases, the heat flux extracted from the wall in close to the flux transferred to the liquid phase of the droplet. When the wall temperature approaches or exceeds the Leidenfrost temperature, the transfers become more sensitive to the Weber number and less sensitive to the wall temperature. The vapor layer thickness is affected by instabilities whose caracteristics (wavelengths, amplitude) were investigated from the IR images. Eventually, a 1-Dsemi-empirical model is given for describing the heating of the liquid part of the droplet and the growth of vapor layer. The effect of the pressure exerted by the droplet onto the vapor film rapidly decreases during the impact process, so that the growth of the vapor film is only driven by the heat transferred by conduction to the droplet and not by dynamical parameters such as the impact velocity

Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.

Dans ce manuscrit, nous présentons l'étude d'un banc de fusion-étirage de fibres optiques par laser CO2 et four. Nous expliquons notamment comment réaliser la fusion et l'étirage laser de 2 fibres de façon adiabatique, en s'appuyant sur une compréhension physique des spécificités de l'étirage laser par rapport à des étirages réalisés dans un four régulé en température (modèles thermiques) et en introduisant différents moyens instrumentaux de diagnostic et optimisation. Nous évaluons alors les performances de différents dispositifs à base de réseaux de Bragg photo-inscrits dans les fibres effilées et les coupleurs à fibres fusionnées-étirées (Multiplexeur d'Insertion/Extraction) à la fois sur le plan théorique (modélisations optiques à l'aide d'outils originaux adaptés) et expérimental, ainsi que la structuration thermique de réseaux à long pas par laser CO2, en faisant ressortir l'intérêt du procédé laser pour leur réalisation
Ln this dissertation, a set-up is presented to taper and fuse optical fibers by CO2 laser and fumace. We explain in particular how to achieve fusion and tapering of 2 identical fibers in an adiabatic way, through physical understanding of the specificities of laser stretching compared to stretching inside thermally-controlled fumace (thermal models) and introducing various instrumental tools for diagnosis and optimization. The performances of several devices based on Bragg gratings photo-imprinted in tapered fibers and fused-fiber couplers (Optical Add-Drop Multiplexer) are then evaluated, both on theoreticallevel (optical modelings using adapted original tools) and experimental level, together with the inscription of Long Period Gratings by CO2 laser, while emphasizing the benefits of the laser process for their realization

Une impulsion laser intense se propageant dans un plasma sous-dense (ne< 10¹⁸ W.cm⁻²) et de durée très courte (τ₀< 100 fs), , on atteint le régime de la bulle. Les champs électriques dans ces bulles, de l’ordre de 100 GV/m, peuvent accélérer un faisceau d’électrons jusqu’au GeV sur des distances de l’ordre du centimètre. Dans ce régime, les électrons expulsés par la force pondéromotrice du laser forment une fine et dense couche à la surface d'une cavité d'ions restés immobiles. Les propriétés de ce régime sont examinées par l’intermédiaire d’un modèle analytique, que nous avons développé en nous inspirant du travail de W. Lu et S. Yi. En nous plaçant dans ce régime prometteur, nous avons étudié les mécanismes d’injection et de piégeage dans l'onde de sillage. Dans l’injection optique, les polarisations parallèles ou circulaires positives conduisent respectivement à une injection mettant en jeu du chauffage stochastique, ou à l’injection froide. Un paramètre de similarité est introduit, celui-ci permet de déterminer la méthode d’injection la plus appropriée pour maximiser la charge injectée. Enfin, le modèle analytique présenté en première partie est étendu afin d’étudier l’onde de sillage dans le régime de la bulle lorsqu’un champ magnétique longitudinal initial est appliqué au plasma. Lorsque le plasma est magnétisé deux phénomènes remarquables se manifestent, d'une part une ouverture apparaît à l'arrière de la bulle et d'autre part un mécanisme d'amplification du champ magnétique longitudinale est induit par la variation du flux magnétique. Les prédictions de notre modèle analytique sont confrontées aux résultats de simulations PIC 3D issues du code CALDER-Circ. La conséquence immédiate de la déformation de l'onde de sillage est la réduction, voire la suppression de l'auto-injection. L’application d’un champ magnétique longitudinal, combinée à un choix judicieux des paramètres laser-plasma, permet de réduire la dispersion en énergie des faisceaux d’électrons produits après injection optique
An intense laser pulse propagating in an under dense plasma (ne< 10¹⁸ W.cm⁻²) and short(τ₀< 100 fs), the bubble regime is reached. Within the bubble the electric field can exceed 100 GV/m and a trapped electron beam is accelerated to GeV energy with few centimetres of plasma.In this regime, the electrons expelled by the laser ponderomotive force are brought back and form a dense sheath layer. First, an analytic model was derived using W. Lu and S. Yi formalisms in order to investigate the properties of the wakefield in the blowout regime. In a second part, the trapping and injection mechanisms into the wakefield were studied. When the optical injection scheme is used, electrons may undergo stochastic heating or cold injection depending on the lasers’ polarisations. A similarity parameter was introduced to find out the most appropriate method to maximise the trapped charge. In a third part, our analytic model is extended to investigate the influence of an initially applied longitudinal magnetic field on the laser wakefield in the bubble regime. When the plasma is magnetized two remarkable phenomena occur. Firstly the bubble is opened at its rear, and secondly the longitudinal magnetic field is amplified - at the rear of the bubble - due to the azimuthal current induced by the variation of the magnetic flux. The predictions of our analytic model were shown to be in agreement with 3D PIC simulation results obtained with Calder-Circ. In most situations the wake shape is altered and self-injection can be reduced or even cancelled by the applied magnetic field. However, the application of a longitudinal magnetic field, combined with a careful choice of laser-plasma parameters, reduces the energy spread of the electron beam produced after optical injection

Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

Lors d’un accident grave dans un réacteur nucléaire à eau pressurisée, le combustible nucléaire va réagir avec le gaines en Zircaloy, les absorbants neutroniques et les structures métalliques environnantes pour former un mélange partiellement ou complètement fondu. Ce cœur fondu peut ensuite interagir avec la cuve en acier du réacteur pour former un mélange appelé corium en cuve. Par la suite, le corium peut percer la cuve et venir se déverser sur le radier en béton en-dessous du réacteur. En fonction du scénario considéré, le corium qui va réagir avec le béton peut être constitué soit d’une seule phase liquide oxyde ou de deux liquides, métallique et oxyde. L’objectif de la thèse est l’étude de la thermodynamique du corium en cuve, prototypique U-Pu-Zr-Fe-O. L’approche utilisée est basée sur la méthode CALPHAD, qui permet de développer un modèle thermodynamique sur ce système complexe à partir de données expérimentales thermodynamiques et de diagramme de phases. Des traitements thermiques sur le système O-U-Zr ont permis de mesurer deux conodes dans la lacune de miscibilité à l’état liquide à 2567 K. De plus, des températures de liquidus ont été mesurées sur trois échantillons riches en Zr, en utilisant le montage de chauffage laser de l’ITU. Par la même méthode, des températures de solidus ont été obtenues sur le système UO2-PuO2-ZrO2. L’influence de l’atmosphère réductrice ou oxydante sur le comportement à la fusion de ce système a été étudiée pour la première fois. Les résultats montrent que la stœchiométrie en oxygène de ces oxydes dépend fortement du potentiel d’oxygène et de la composition en métal des échantillons. La lacune de miscibilité à l’état liquide a également été mise en évidence dans un échantillon U-O-Zr-Fe. L’ensemble de ces nouvelles données expérimentales avec celles de la littérature a permis de développer le modèle sur le système U-Pu-Zr-Fe-O. Pour tous les échantillons, des calculs de chemin de solidification avec ce modèle ont servi à interpréter les microstructures de solidification observées. Un bon accord est obtenu entre les calculs et les résultats expérimentaux. Des traitements thermiques sur deux échantillons de corium hors cuve ont permis de montrer l’influence de la composition du béton sur la nature des phases liquides formées à haute température. Les microstructures de solidification ont été interprétées à l’aide de calculs avec la base de données TAF-ID. En parallèle, un nouveau montage expérimental appelé ATTILHA, utilisant la lévitation aérodynamique et le chauffage laser, a été conçu et développé pour mesurer des données de diagramme de phase à haute température. Ce montage a été validé avec des systèmes oxydes bien connus. De plus, cette méthode a permis d’observer in-situ à l’aide de la caméra infra-rouge la formation de la lacune de miscibilité à l’état liquide dans le système O-Fe-Zr lors de l’oxydation d’une bille d’alliage Fe-Zr. La prochaine étape du développement est la nucléarisation du montage pour effectuer des mesures sur des échantillons contenant de l’uranium. La mise en place d’une caméra ultra rapide (5000 Hz) pour l’étude de propriétés thermo-physiques de mélanges de corium en cuve et hors cuve est également envisagée. La synergie entre le développement de ces outils expérimentaux et de calcul devrait permettre d’améliorer la description thermodynamique du corium et des codes de calcul sur les accidents graves utilisant ces données thermodynamiques
During a severe accident in a pressurised water reactor, the nuclear fuel can interact with the Zircaloy cladding, the neutronic absorber and the surrounding metallic structure forming a partially or completely molten mixture. The molten core can then interact with the reactor steel vessel forming a mixture called in-vessel corium. In the worst case, this mixture can pierce the vessel and pour onto the concrete underneath the reactor, leading the formation of the ex-vessel corium. Furthermore, depending on the considered scenario, the corium can be formed by a liquid phase or by two liquids, one metallic the other oxide. The objective of this thesis is the investigation of the thermodynamics of the prototypic in-vessel corium U-Pu-Zr-Fe-O. The approach used during the thesis is based on the CALPHAD method, which allows to obtain a thermodynamic model for this complex system starting from phase diagram and thermodynamic data. Heat treatments performed on the O-U-Zr system allowed to measure two tie-lines in the miscibility gap in the liquid phase at 2567 K. Furthermore, the liquidus temperatures of three Zr-enriched samples have been obtained by laser heating in collaboration with ITU. With the same laser heating technique, solidus temperatures have been obtained on the UO2-PuO2-ZrO2 system. The influence of the reducing or oxidising on the melting behaviour of this system has been studied for the first time. The results show that the oxygen stoichiometry of these oxides strongly depends on the oxygen potential and on the metal composition of the samples. The miscibility gap in the liquid phase of the U-Zr-Fe-O system has been also observed. The whole set of experimental results with the literature data allowed to develop the thermodynamic model of the U-Pu-Zr-Fe-O system. Solidification path calculations have been performed for all the investigated samples to interpret the microstructures of the solidified samples. A good accordance has been obtained between calculation and experimental results. Heat treatments on two ex-vessel corium samples showed the influence of the concrete composition on the nature of the liquid phases formed at high temperature. The observed microstructures have been interpreted by means of calculation performed with the TAF-ID database. In parallel, a novel experimental setup named ATTILHA based on aerodynamic levitation and laser heating has been conceived and developed to obtain high temperature phase diagram data. This setup has been validated on well-known oxide systems. Furthermore, this technique allowed to observe in-situ, by using an infrared camera, the formation of a miscibility gap in the liquid phase of the O-Fe-Zr system by oxidation of a Fe-Zr sample. The next step of the development will be the nuclearization of the apparatus to investigate U-containing samples. The implementation of a very fast visible camera (5000 Hz) to investigate the thermo-physical properties of in-vessel and ex-vessel corium mixtures is also underway. The synergy between the development of experimental and calculation tools will allow to improve the thermodynamic description of the corium and the severe accident code using thermodynamic input data

Ce travail est dédié à l’étude de la dynamique structurelle des métaux sous excitation laser femtoseconde en utilisant la technique de spectroscopie de photoémission résolue en temps (Tr-PES). Quand un matériau est irradié avec un pulse infrarouge bref, un régime hors-équilibre est établi entre les électrons chauds et le réseau atomique froid. La complexité de ce régime appelle des études expérimentales permettant d’améliorer notre connaissance des propriétés thermodynamiques des matériaux. Néanmoins, l’utilisation du diagnostic Tr-PES s’accompagne d’importants défis. Quand un métal est irradié avec un pulse laser très intense, des effets non-linéaires, comme l’ionisation multi-photonique, peuvent donner lieu à une émission de photoélectrons à des énergies cinétiques de dizaines d’eV. Le spectre, issu de l’impulsion pompe, peut masquer et déformer le spectre de photoélectrons de la sonde par interactions Coulombiennes, appelées « effet de charge-espace ». Pour surmonter cet effet, trois actions ont étés menées. Une ligne de lumière à 100 eV a été conçue et construite pour éviter la superposition des spectres pompe et sonde. L’effet de charge-espace a été étudié en profondeur de façon théorique et expérimentale. Enfin, l’émission issue de la pompe a été drastiquement réduite en ajustant judicieusement les paramètres expérimentaux. Cela nous a amené à réaliser des mesures Tr-PES de la dynamique structurelle sur des échantillons en cuivre en suivant l’évolution du spectre sonde de photoélectrons. Cette expérience démontre que la spectroscopie de photoémission résolue en temps est un diagnostic utile concernant l’étude des matériaux sous excitation intense
This work aims to study the lattice structural dynamics of metals under laser femtosecond excitation using time-resolved photoelectron spectroscopy (Tr-PES). When irradiated by short infrared laser pulses, the thermal out-of-equilibrium state established between hot electrons and a cold lattice rises specific dynamics where the thermodynamic properties of matter are still subject to debate. The theoretical description of highly excited materials is difficult and appeals new experimental results to improve the understanding of these physical processes and material properties. Nonetheless, important challenges arise from the use of Tr-PES. When metals are irradiated with strong femtosecond infrared laser pulses, non-linear effects, like multiphoton ionization, can take place and produce photoelectrons with tenths of eV of kinetic energy. This pump photoelectron background can conceal the probe-induced photoelectron spectrum, and perturb the probe spectrum via Coulomb interactions (called space-charge effect). To overcome these challenges three actions were carried out. We designed and built a 100 eV beamline to avoid the superposition between the pump background and the probe photoelectron spectrum. The pump/probe space-charge effect was extensively studied theoretically and experimentally. Finally, the pump photoemission was greatly reduced in our experiments by carefully tuning the experimental parameters. This led us to perform Tr-PES measurements on copper samples of the lattice structural dynamics following the evolution of the photoelectron spectrum. The experiment constituted a proof-of-principle of the Tr-PES technique to study materials under strong excitation

Cette thèse concerne l'étude du diagramme de phase du fer en conditions extrêmes de pression et température. La Terre possède un noyau interne solide et un noyau externe liquide, qui sont principalement composés de fer. Une détermination fiable de la température de fusion du fer à 330 GPa, pression au-delà de laquelle le noyau terrestre est solide, permet de contraindre la température du noyau, ce qui est essentiel pour comprendre la dynamique terrestre. Le diagramme de phase du fer a été étudié jusqu'à 200 GPa en cellule à enclumes de diamant chauffée par laser utilisant la diffraction par rayon X comme diagnostic de l¿apparition de la fusion. Les températures obtenues sont en accord avec celles mesurées par compression dynamique, aux incertitudes expérimentales près, et sont plus élevées que celles obtenues lors de précédentes expériences statiques utilisant un critère de fusion différent. L'appareil, les méthodes et la métrologie utilisés pour les expériences en cellule à enclume de diamant chauffée par laser sont présentées ainsi que les problèmes rencontrés dans les expériences statiques à de telles conditions extrêmes. La possibilité d'utiliser le signal de diffraction des rayons X du joint en Re à des fins d'étalonnage de la pression pour l'expérimentation dans le domaine du multi-Mbar est aussi abordée. Dans ce but, l'équation d¿état du Re a été mesurée à 144 GPa. En fin, un test préliminaire a été effectué pour vérifier la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'absorption des rayons X en dispersion d'énergie comme une technique complémentaire à la diffraction des rayons X pour la détermination de la courbe de fusion du fer
This thesis concerns the study of the phase diagram of iron at extreme conditions of pressure and temperature. Iron is the main constituent of the terrestrial planetary cores. In particular, the Earth has a solid inner core and a liquid outer core which are mainly composed of iron. The accurate determination of the melting temperature of iron at the inner core boundary pressure, 330 GPa, would provide an important constraint on the temperature of the core, which is essential to understand how the dynamic Earth works. The phase diagram of iron has been investigated in laser-heated diamond anvil cell experiments up to 200 GPa using synchrotron-based fast X-ray Diffraction as a primary melting diagnostic. The obtained melting temperatures agree within the experimental uncertainties with the ones obtained from shock wave experiments and are higher than those reported by previous static experiments, where a different melting criterion was used. The apparatus, methods and metrology used in the static laser heated diamond anvil cell are discussed together with the issues encountered in static experiments at such extreme conditions. The possibility of using the X-ray diffraction signal of Re gasket for pressure calibration purpose for experiment in the multi-Mbar range is also discussed. For this purpose, Re equation of state has been measured up to 144 GPa. Finally, a preliminary test has been performed to check the possibility of using energy dispersive X-ray absorption spectroscopy as a technique complementary to fast X-ray diffraction in the investigation of the melting curve of iron

Le caractère éminemment cinétique et hors équilibre de l'interaction laser-plasma et du transport électronique nécessite de résoudre le système complet des équations de Vlasov-Maxwell. Cette thèse se concentre sur les méthodes PIC (‘‘Particle-In-Cell''), et vise à en accroître le régime de fonctionnement. Tout d'abord, nous présentons l'analyse de stabilité linéaire d'un algorithme PIC explicite incluant l'effet de la discrétisation spatio-temporelle. Cette analyse met en exergue l'instabilité d'aliasing, que nous relions au problème, plus général, du chauffage numérique dans les codes PIC en régime surcritique. Nous montrons l'influence bénéfique de la montée en ordre du facteur de forme pour réduire ce chauffage, permettant ainsi d'atteindre des régimes de densité jusque là inaccessibles. Les codes PIC implicites ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de stabilité que leurs équivalents explicites. En particulier nous ne sommes plus tenus de résoudre les modes haute fréquence électroniques. Une telle propriété est particulièrement précieuse lorsqu'on modélise l'interaction entre un laser à ultra-haute intensité et un plasma fortement sur-critique. Nous présentons ici l'extension relativiste de la méthode implicite dite directe, en y incluant un paramètre d'amortissement ajustable et des facteurs de forme d'ordre élevé. Ce formalisme a été implémenté dans le code ELIXIRS, 2D en espace et 3D en vitesse. Ce code est validé sur de nombreux problèmes de physique des plasmas, allant de l'expansion d'un plasma à une ou deux températures électroniques, à l'interaction laser-plasma à haut-flux, en passant par les instabilités ‘‘deux faisceaux'' et de filamentation en régime relativiste. Nous montrons notamment la capacité du code à capturer les principales caractéristiques de l'interaction laser-plasma, malgré une discrétisation spatio-temporelle dégradée, autorisant ainsi des gains substantiels en temps de calcul.

La fracturation des roches concerne plusieurs applications industrielles, telles que les tunnels, l’excavation, l’extraction de blocs de roches et l'industrie minière. Les techniques classiques pour fracturer la roche sont associées à des inconvénients ceux qui restreignent leur utilisation dans certaines circonstances. Par conséquent, la fracturation par spallation thermique a été suggérée comme une solution alternative. Cela produit des contraintes de compression dans la roche grâce à un flux de chaleur intense. Une fois que ces contraintes dépasseraient la résistance à compression de la roche, la rupture aurait lieu en éjectant des petits éclats. Cette mode de fracturation thermique nécessite une source d’énergie puissante ainsi qu’elle influence négativement les conditions du travail sur le site. Profitant d'une faible résistance à la traction du matériau de roche, le présent travail propose une méthode basée sur un chauffage rapide de la matière rocheuse par un rayonnement micro-ondes, suivi par un refroidissement rapide par de l'eau pour fracturer la roche. Au cours de ce processus, une dilatation thermique est produite à l'intérieur de la zone traitée, qui est ensuite suivie d'une contraction thermique. Cette contraction produit des contraintes de traction, ce qui pourrait conduire à la rupture de la matière de roche. Le processus d'échauffement/refroidissement sera analysés grâce à un modèle numérique ce qui décrit les événements physiques et l'influence de différents paramètres. Expérimentalement, le processus sera examiné du point de vue thermique.‎
The issue of rock fracturing concerns several industrial applications, such as tunneling or excavation ‎in rock material, extraction of rock blocks and the mining industry. The conventional techniques to ‎fracture the rock material are associated with disadvantages restrict their use in certain circumstances. ‎Consequently, the fracture by thermal spallation was suggested as an alternative solution. This ‎solution basically depends on exceeding the compressive strength of the rock material by compressive ‎stresses induced by heating effects. This necessitates high temperature at the rock surface, which ‎requires high power supply and it degrades the work conditions. Profiting from low tensile strength ‎of the rock material, the present work proposes a method based on a rapid heating of the rock ‎material by microwaves radiation followed by a rapid cooling by water to fracture the rock material. ‎During this process, a thermal dilatation is produced within the treated zone, which is then followed ‎by a thermal shrinkage. This shrinkage produces tensile stresses, which could lead to fracturing the ‎rock material. The heating/cooling process will be analyzed through numerical model describes the ‎physical events and the influence of different parameters. Experimentally, the process will be ‎examined from thermal point of view.‎

Le caractère éminemment cinétique et hors équilibre de l'interaction laser-plasma et du transport électronique nécessite de résoudre le système complet des équations de Vlasov-Maxwell. Cette thèse se concentre sur les méthodes PIC (‘‘Particle-In-Cell''), et vise à en accroître le régime de fonctionnement. Tout d'abord, nous présentons l'analyse de stabilité linéaire d'un algorithme PIC explicite incluant l'effet de la discrétisation spatio-temporelle. Cette analyse met en exergue l'instabilité d'aliasing, que nous relions au problème, plus général, du chauffage numérique dans les codes PIC en régime surcritique. Nous montrons l'influence bénéfique de la montée en ordre du facteur de forme pour réduire ce chauffage, permettant ainsi d'atteindre des régimes de densité jusque là inaccessibles. Les codes PIC implicites ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de stabilité que leurs équivalents explicites. En particulier nous ne sommes plus tenus de résoudre les modes haute fréquence électroniques. Une telle propriété est particulièrement précieuse lorsqu'on modélise l'interaction entre un laser à ultra-haute intensité et un plasma fortement sur-critique. Nous présentons ici l'extension relativiste de la méthode implicite dite directe, en y incluant un paramètre d'amortissement ajustable et des facteurs de forme d'ordre élevé. Ce formalisme a été implémenté dans le code ELIXIRS, 2D en espace et 3D en vitesse. Ce code est validé sur de nombreux problèmes de physique des plasmas, allant de l'expansion d'un plasma à une ou deux températures électroniques, à l'interaction laser-plasma à haut-flux, en passant par les instabilités ‘‘deux faisceaux'' et de filamentation en régime relativiste. Nous montrons notamment la capacité du code à capturer les principales caractéristiques de l'interaction laser-plasma, malgré une discrétisation spatio-temporelle dégradée, autorisant ainsi des gains substantiels en temps de calcul
Laser-plasma interaction and electronic transport are pure kinetic processes thus requiring to solve the complete Vlasov-Maxwell system of equations. This thesis focuses on PIC (‘‘Particle-In-Cell'') methods, and is intended to widen the operating regime of such methods. First, we present the linear stability analysis of an explicit PIC algorithm including spatial and temporal step size effects. This study highlights the aliasing instability, which we link to the more intricate issue of numerical heating in PIC codes in the overcritical regime. We show the beneficial influence of using an increasingly high order weight function to drop this heating, thereby allowing to reach overcritical regimes relevant for comparison with experiments. Implicit PIC codes are not submitted to the constraints affecting their explicit counterparts. Particularly we can relax the need to solve high frequency electronic modes. Such a property is extremely valuable when we model the interaction between a high intensity laser and a highly overcritical plasma. Here, we give the relativistic extension of the direct implicit method, provided with an adjustable damping parameter and high order weight functions. This formalism was implemented in the code ELIXIRS, 2D in space and 3D in velocity. This code was validated for various plasma physics configurations, among them one or two electronic temperatures plasma expansions, high intensity laser-plasma interaction, and also beam-plasma instabilities in the relativistic regime. Especially, we prove the capability of the code to catch the main characteristics of the aforementioned phenomena, despite a crude spatio-temporal discretisation, thus providing significant gains of computation time

Les thèmes de ma recherche sont de quantifier et comparer les caractéristiques de combustion et les émissions polluantes associées des pellets de bois naturel et des pellets noirs torréfiés.En contrôlant tous les paramètres de combustion (air entrant primaire et secondaire, débit de pellets, puissance de la chaudière), les principaux objectifs sont de :- Quantifier et comparer les caractéristiques de combustion des pellets de bois naturels et des pellets torréfiés sur un banc d'essai de combustion bien contrôlé.- De mesurer les émissions de polluants à l'aide d'analyseurs physicochimiques et par diagnostics laser in-situ dans la chambre de combustion et dans la cheminée.- Évaluer les avantages technico-économiques des deux types de granulés sur l'ensemble de la chaîne de valeur et offrir des conseils professionnels aux chauffagistes et combinateurs sur l'utilisation la plus économique et la plus respectueuse de l'environnement des granulés de biomasse
The themes of my research are to quantify and compare the combustion characteristics and the associated polluting emissions of natural wood pellets and roasted black pellets.By controlling all the combustion parameters (primary and secondary incoming air, pellet flow, boiler power), the main objectives are to:- Quantify and compare the combustion characteristics of natural wood pellets and roasted pellets on a well-controlled combustion test bench.- To measure pollutant emissions using physicochemical analyzers and by in-situ laser diagnostics in the combustion chamber and in the chimney.- Assess the technical-economic advantages of the two types of pellets across the entire value chain and offer professional advice to heating engineers and combinators on the most economical and environmentally friendly use of biomass pellets

Le but de cette étude expérimentale est la caractérisation détaillée de la combustion dans une chaudière modèle fonctionnant au gaz naturel. La température a été déterminée par thermocouples à fil fin, compensés numériquement pour les pertes par rayonnement et l'inertie du fil fin. Les thermocouples ont été protégés contre l'écoulement réactif à l'aide d'un revêtement d'oxydes inertes. Les mesures de vitesse ont été réalisées par la technique de vélocimétrie par images de particules. La précision de cette technique a été améliorée grâce a un post-traitement tenant compte des zones sans particules présentes dans un écoulement laminaire. Les champs thermiques et dynamiques obtenus ont permis de caractériser et de comparer différentes structures de flammes. Plusieurs flammes ont été étudiées : des flammes bidimensionnelles de type Bunsen partiellement et totalement prémélangées ainsi qu'une flamme en V. L'influence de la composition du prémélange et des conditions thermiques et dynamiques initiales a été mise en évidence. De plus, une analyse des fluctuations présentes dans l'écoulement a été réalisée. Enfin, l'effet de thermophorèse a été estimé pour différentes conditions et son influence sur les mesures de vitesse a été quantifiée.

Ce travail porte sur l'étude du comportement sous sollicitation de fretting sirnple à haute température de superalliages monocristallins à base de nickel MC2 et CMSX-4. Il trouve son application dans le domaine aéronautique, plus précisément au niveau de la turbine haute pression des moteurs d'hélicoptère. Celle-ci a pour fonction de convertir l'énergie cinétique des gaz brûlés en un couple qui entraîne en rotation le compresseur. Elle participe ainsi directement à l'entretien du cycle de combustion du moteur ce qui fait d'elle un organe clé. Située directement en aval de la chambre de combustion, la turbine haute pression (HP) est composée d'un disque central polycristallin et d'aubages monocristallins rapportés, liés au disque par une liaison dite pied de sapin. La rotation de la turbine et la température élevée des gaz de combustion va générer sur les aubes, le disque et l'attache qui les relie，des sollicitations thermomécaniques importantes. Du fait de la force centrifuge et du défilement des aubes devant les étages fixes des distributeurs, l'attache pied de sapin est la cible d 'oscillations dynamiques à l'origine de phénomènes d'endommagement par fretting. Ce fretting,, l'interface de contact entre l'aube et le disque fait l'objet d'une attention toute particulière，ce qui a motivé la conduite de ces travaux. Après une première phase et développement et de validation d'un banc d'essai innovant qui a nécessité la mise en place d'un dispositif de chauffage par induction, un soin tout particulier est apporté à la préparation des échantillons. La nature monocristalline du matériau constitutif des aubes nécessite en effet de respecter précisément l'orientation de la microstructure par rapport aux axes de sollicitation et la surface de contact. Pour cela une mesure systématique de la désorientation des axes primaires et secondaires des barreaux bruts est réalisée. La désorientation relevée est ensuite compensée au cas par cas lors du prélèvement par électroérosion des échantillons. Le lot d'échantillons obtenu peut dès lors être considéré comme homogène en terme d'orientation, malgré le fait que les barreaux bruts présentent des désorientations différentes. [...]
The aim of this work is to study the behavior of MC2 and CMSX-4 nickel based superalloys when subjected to fretting load at high temperature. Since it drives the compressor shaft, the high pressure turbine is a key part of the helicopter engine. 1n order to increase the global reliability and efficiency of the engine, single crystal nickel based superalloys are employed for turbine blades while disk parts are made of polycrystalline materials. Each turbine blade is attached to the central disk via a special link called fir tree root. Due to high temperature and dynamic oscillations, the contact zone between blades and disk is subjected to high thermomechanical stresses. 1t causes fretting phenomena that can lead to wear and cracking damage. This work focuses on both the partial slip and gross slip regime in order to study the damage process of single crystal MC2 and CMSX-4 materials. To perform the mechanical tests, an innovative fretting device is designed to fit the specifications. The use of an induction heat system allows an accurate control of high temperatures. To be consistent with the real flying parts,，the specific orientation of the microstructure of the material with respect to the contact loading direction is taken into account. The microstructure misalignement of raw material bars is measured and compensated as the specimens are machined for extraction. Consequently the obtained set of samples is considered to be of homogeneous microstructure orientation even if their source material contains deviations in orientation. Four material states are investigated: precision grinding conventional shot-peening ultrasonic shot-peening and nitriding process. The results show that for the partial slip régime, shot peening processes are very useful for turbine blade applications. As a matter of fact, the risk for crack nucleation and extension are reduced by the introduction of residual stresses beneath the surface in spite of the high temperature. 1nvestigating the gross slip regime results show that wear of material leads to the formation of a third body and then to the formation of a thin layer called "glaze layer)) with low friction coefficient. To describe the formation process of the "glaze layer)) halted trials are performed. The results allow the drafting of a scenario in which wear debris are stuck and sintered beneath the contact

Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de l’optimisation du procédé de dépôt de couches minces sur un fil d’acier inoxydable en mouvement. Deux magnétrons cylindriques inversés (ICM) sont utilisés pour étudier différents aspects de la pulvérisation cathodique. Dans un premier temps, un modèle analytique permettant l’évaluation des contributions thermiques à l’échauffement du substrat est confronté à des séries de mesures. Les résultats obtenus sont concluants mais souffrent de l’inhomogénéité du champ magnétique, lequel est à l’origine de pertes localisées d’électrons secondaires de haute énergie. Afin de limiter la contribution thermique des charges sur le substrat, des anodes auxiliaires, destinées à récupérer le flux d’énergie, sont ajoutées à chaque extrémité des magnétrons. Leur influence sur la distribution du plasma, sur la microstructure et sur la composition chimique des dépôts est alors discutée. Dans une seconde partie, l’étude des magnétrons lors de dépôts réactifs met en avant la nécessité d’homogénéiser le champ magnétique dans les cathodes. Une discussion est alors conduite sur l’influence du champ magnétique sur la distribution des vitesses de dépôt au sein des magnétrons et un modèle analytique, ayant pour but de reproduire les profils de dépôt, est développé sur la base des résultats obtenus. Une étude paramétrique (pression, distance cible – substrat, intensité du champ magnétique) est aussi réalisée afin de déterminer les conditions de dépôt optimales dans un ICM. Finalement, de la modélisation par éléments finis à l’aide d’un logiciel commercial vient clore le manuscrit
The work presented in this manuscript deals with the optimization of the process of deposition of thin films on a moving stainless steel wire. Two inverted cylindrical magnetrons (ICMs) are used to study different aspects of sputtering. At first, an analytical model allowing the evaluation of the thermal contributions to the heating of the substrate is confronted with series of measurements. The results obtained are conclusive but suffer from the inhomogeneity of the magnetic field, which is responsible for the localized loss of high energy secondary electrons. In order to limit the thermal contribution of the charges on the substrate, auxiliary anodes designed to recover the energy flow, are added to each end of the magnetrons. Their influence on the plasma distribution, the microstructure and the chemical composition of the coatings is then discussed. In a second part, the study of reactive sputter deposition with ICMs highlights the need to homogenize the magnetic field in the cathodes. A discussion is then conducted on the influence of the magnetic field on the distribution of deposition rates within the magnetrons and an analytical model, aimed at reproducing the deposition profiles, is developed on the basis of the results obtained. A parametric study (pressure, target – substrate distance, magnetic field strength) is also performed to determine optimal deposition conditions in an ICM. Finally, finite element modeling using commercial software closes the manuscript

La structuration des liquides près d'interfaces est liée aux forces d'interactions liquides/interface à des distances de quelques dimensions moléculaires. Cet effet universel joue un rôle primordial dans divers domaines tels que le transport de chaleur, le transport de particules à travers les membranes biologiques, la nanofluidique, la microbiologie et la nanorhéologie.Le but principal de cette thèse est de réaliser l'échographie par laser de liquides nanostructurés près d'une interface, afin de mieux comprendre les propriétés physiques de liquides confinés à des échelles moléculaires. La méthode utilisée est la technique d'acoustique picoseconde, qui est une technique tout optique impliquant des lasers impulsionnels pour la génération et la détection d'ultrasons picosecondes. Nous avons adapté la technique pour étudier les propriétés acoustiques longitudinales à haute fréquence des liquides ultra-minces. Les résultats de la diffusion de Brillouin dans le domaine temporel sont utilisés pour déterminer le profil de distribution de la température dans le volume de liquide étudié qui peut être extrapolé aux dimensions nanométriques. Les résultats sur le changement de la fréquence de Brillouin aussi bien que sur l’atténuation acoustique en fonction de la puissance du laser donnent un aperçu de la relation entre les propriétés thermiques et mécaniques des liquides. L'analyse de Fourier des résultats pour différentes épaisseurs de liquide donnent l'information sur la vitesse du son et de l’atténuation aux fréquences GHz. Ce nouveau schéma expérimental est une première étape vers la compréhension des liquides confinés mesuré par l'échographie d'ultrasons aux fréquences GHz
The phenomenon of liquid structuring near interfaces is related to the liquid/interface interaction forces at distances of some molecular dimensions. Despite the fact that this universal structuring effect plays a key role in various fields such as heat transport, particle transport through biological membranes, nanofluidics, microbiology and nanorheology, the experimental investigation of liquid structuring remainschallenging.The aim of this PhD thesis is the experimental study of the structuring/ordering of liquids at nanoscale distances from their interfaces with solids. In this context, we have adapted the experimental technique of picosecond laser ultrasonics to investigate high-frequency longitudinal acoustic properties of ultrathin liquids confined between solid surfaces of different types. At first, we will present results of time-domain Brillouin scattering (TDBS) used to determine the temperature distribution profile in the investigated liquid volume which can be extrapolated to nanometer dimensions. Results for the evolution of the extracted Brillouin scattering frequencies and attenuation rates recorded at different laser powers give insight to the intrinsic relationship between thermal and mechanical properties of liquids. Second, we will describe our results for the measurements of mechanical properties of ultrathin liquids with a nanometric resolution. Fourier analysis of the recorded TDBS signals for different liquid thicknesses yield the value of the longitudinal speed of sound and attenuation at GHz frequencies. This novel TDBS experimental scheme is a first step towards the understanding of confined liquids measured by GHz ultrasonic probing