Suivi de notre développement ou encore la compréhension de l’Univers. Deux technologies de capteurs d’image sont actuellement utilisées dans les missions d’imagerie de la Terre et de l’espace : les imageurs CCD (Charge Coupled Device) et CMOS. L’environnement radiatif spatial est constitué de particules énergétiques qui dégradent les performances des imageurs. Et il s’avère que les dégradations réelles observées en vol dépendent fortement des conditions orbitales et de fonctionnement et sont donc très difficiles à prédire. L’étude menée dans le cadre de cette thèse a pour objet la compréhension des dégradations subies par les capteurs CCD et CMOS lorsqu’ils sont soumis à l’environnement radiatif spatial et la proposition de méthodes d’évaluation mieux adaptées pour obtenir une meilleure prédiction de la dégradation réelle d’un imageur en orbite à partir de tests d’irradiation réalisés au sol. La démarche entreprise a tout d’abord consisté à identifier les paramètres d’essais au sol pouvant potentiellement être à l'origine des différences observées entre les résultats sol et vol. Un plan d’essai d’irradiation aux rayons y et aux protons a ainsi été défini afin d’évaluer la dégradation des imageurs CCD et CMOS dans des conditions de fonctionnement et d’irradiation proches de celles en vol. Nous avons étudié l’impact des conditions de mise en opération du composant durant l’irradiation (polarisation, rapport cyclique, etc.) mais aussi l’impact des conditions d’irradiation (débit de dose, énergies des protons, etc.). Le périmètre de cette thèse se limite à l’étude des effets sur le courant d’obscurité, sur la dispersion pixel-à-pixel du courant d’obscurité et sur l’apparition des pixels chauds, qui sont, au premier ordre, les principaux critères de performances dégradés d’un imageur par les radiations. L’étude de l’influence du débit de dose de l’irradiation a montré un phénomène ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) pour la première fois sur un capteur CCD polarisé dynamiquement avec un rapport cyclique ON/OFF. Les conditions de polarisation dynamique évaluées sur les APS ont démontré que la dégradation est d’autant plus importante que la fréquence d’activation et le rapport cyclique sont grands. Les irradiations aux protons sur les imageurs CMOS ont aussi montré l’apparition et la guérison de pixels chauds après irradiation à température ambiante ainsi que l'apparition du bruit de signal aléatoire télégraphique (RTS). Ces deux modes de dégradation ont été analysés plus en détail afin d'évaluer leur comportement en guérison pour le premier et extraire les statistiques d'apparition sur l'autre, sur un grand nombre de pixels. En parallèle, un code de simulation de l’effet de dose dans les oxydes de structures élémentaires MOS, ACDC (Accumulation des Charges en Dose Cumulée), a été adapté et utilisé. Ce code a permis de mettre en évidence les constantes de temps impliquées dans la dégradation par effets ionisants dans ces structures. Ces constantes de temps sont utilisées pour l'interprétation des effets de la polarisation dynamique. Les résultats expérimentaux obtenus sur les capteurs d’image CCD et CMOS ont un impact sur l’assurance durcissement. Les irradiations aux protons des imageurs CMOS ont notamment montré un phénomène de guérison des pixels chauds plus marqué que sur les autres pixels, montrant l'intérêt d'une caractérisation de plusieurs semaines après irradiation. Pour les irradiations au Co60 des imageurs CMOS, il est recommandé de ne pas utiliser des temps de polarisation ON trop courts (périodes de cycle petites) car cela peut conduire à une sous-estimation de la dégradation (charge piégée et états d'interface). / Two imaging sensor technologies are presently used in Earth and space imagery missions: Charge Couple Devices (CCD) and CMOS detectors. The space radiation environment is composed of energetic particles that degrade imaging sensor’s performances. It has been shown that real in-orbit degradation of imaging sensors are strongly dependent of orbital and operating conditions and are, as a consequence, difficult to predict. The work performed in this thesis has for purpose an understanding of space radiation-induced degradations for both CCD and CMOS technologies and the proposal of better suited assessment methods for these specific devices in order to better prediction of real in-orbit detector’s degradation from on-ground irradiation tests. The first step of the work focused on the identification of on-ground test parameters that could possibly explain the differences observed between inorbit and on-ground data. Thus an irradiation test plan to y-rays and proton particles has been defined in order to assess the imaging sensor’s degradation for both CCD and CMOS technologies in operating and irradiation conditions close to in-orbit ones. The effects of detector’s operation conditions during irradiation (bias, duty cycle, etc.) but also the irradiation conditions (dose rate, proton energy, etc.) have been studied. The present work focuses on effects on dark current, on its pixel to pixel dispersion and on the presence of hot pixels, which are, at first order, the main performance parameters of an imaging sensor that is degraded by space radiations. The study of the irradiation dose rate influence has shown an Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS) phenomenon observed for the first time on a CCD imager under dynamic bias condition with a ON/OFF duty cycle. The tested bias conditions CMOS image sensors have demonstrated that the higher the activation frequency and duty cycle, the higher is the degradation. Besides, the proton irradiations performed on CMOS detectors have induced hot pixels that anneal just after irradiation at room temperature. A random telegraphic signal (RTS) behaviour of the dark current has also been shown on CMOS sensors. In parallel to the irradiation tests, a simulation code of ionizing dose effects on oxides of MOS elementary structures has been adapted and used. This program, called ACDC (Accumulation des Charges en Dose Cumulée), has allowed to assess the quantification time constants of physical mechanisms that induce ionizing dose degradation on these structures. These time constants are used for the interpretation of dynamic bias effects.

L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont encore sources de découvertes et de mystère pour la communauté scientifique et pour l’humanité en général. Ces observations sont actuellement principalement basées sur la mesure d’ions et de particules in-situ qui constituent ces milieux. Les instruments d’observation intègrent des détecteurs spatiaux, utilisés pour convertir l'énergie des particules en charges électriques mesurables. Ces derniers sont étroitement liés à leur électronique analogique ou Analog-Front-End (AFE) et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées « sensor heads ». Depuis quelques années, la volonté d’améliorer les résolutions spatiale et spectrale des détecteurs nécessite la conception d’une électronique intégrée multivoies. Ainsi, une électronique spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée. Cela permet d’une part de s’adapter au mieux à chaque détecteur pour en optimiser les performances ; et d’autre part de bénéficier des multiples avantages inhérents à l’utilisation d’une technologie CMOS : diminuer les dimensions et les temps de transit des signaux, intégration multifonctions, réduction des coûts pour une fabrication de masse et effets parasites étudiés et bien connus. Cependant les contraintes spatiales exigent une qualification draconienne du circuit. En effet, ces environnent radiatifs peuvent endommager les systèmes électroniques embarqués à bord des missions spatiales. Grâce à la réduction des dimensions, il ne semble plus opportun aujourd’hui d’utiliser des technologies dédiées au spatial (type SOI ou biCMOS spécifiques) mais plutôt de mettre en œuvre des techniques de durcissement par design (RHBD) sur des technologies standards qui sont moins onéreuses et plus performantes. L’objectif de cette thèse est la conception de nouvelles chaînes d’instrumentations intégrées multivoies pour le spatial. Ce travail, co-financé par le CNES et le CNRS, s’est inscrit dans le cadre d’un projet soutenu par le Réseau Thématique de Recherche Avancée Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace (RTRA STAE) entre 2008 et 2011, intitulé CASA (Chaines AStrophysiques et leur instrumentation Associée). Au cours de cette thèse nous avons conçu 2 ASICs associés à 2 types de détecteurs spatiaux bien distincts. Le premier permet de compter les électrons en sortie d’une microchannel plate (MCP) tandis que le deuxième permet de quantifier le niveau d’énergie perdu par les e- en pénétrant dans un SC. L’étude de ces différents détecteurs doit d’abord être faite afin de les modéliser pour une parfaite adéquation avec leur électronique de détection. Ensuite, une optimisation des chaînes de conversion en vitesse, bruit et consommation est réalisée. Enfin, une méthodologie de savoir faire au niveau du traitement des informations doit être développée pour pérenniser l’expérience emmagasinée durant ces travaux. / The solar system exploration and study of the distant universe are still sources of discovery and mystery to the scientific community and for humanity in general. These observations are currently mainly based on the measurement of ions and particles in-situ forming these environments. The observation instruments incorporate spatial sensors, used to convert particles energy into electrical charges measurable. These are closely related to their electronic analog or Analog-Front-End (AFE) and the combination form chains astrophysical detection called "sensor heads". In recent years, the desire to improve the spatial and spectral resolution detectors requires the design of a multichannel integrated electronics. Thus, a spatial-type electronic Application Specific Integrated Circuit (ASIC) should be developed. This allows one hand to best adapt to each detector to optimize performance, and on the other hand to benefit from multiples advantages inherent in the use of CMOS technology: reducing the size and transit time signals, multi-function integration, cost reduction for mass production and interference effects studied and well known. However, the spatial constraints require a drastic qualification of the circuit. Indeed, the surrounding radiation can damage electronic systems on board the space missions. By reducing the size, it seems more appropriate today to use technologies for the space (or BiCMOS SOI specific) but rather to implement hardening design techniques (RHBD) on standard technologies that are less expensive and more efficient. The objective of this thesis is the design of new integrated multi-channel instrumentation for space. This work, co-funded by CNES and CNRS, has registered as part of a project supported by the Advanced Research Thematic Network Science and Technology for Aeronautics and Space (RTRA STAE) between 2008 and 2011, called CASA (Channels Astrophysics and their associated instrumentation). In this thesis we have designed two ASICs associated with two types of distinct space detectors. The first is used to count the electrons at the output of a MicroChannel Plate (MCP) and the second quantifies the amount of energy lost by e- by entering in a SC. The study of these different sensors must first be made to model them for a perfect match with their detection electronics. Then the chain optimization in conversion speed, noise and consumption is achieved. Finally, a methodology of knowledge in the processing of information must be developed to sustain the experience stored in this work.

Dans cette thèse, nous présentons des modèles appartenant au domaine de l’intelligence artificielle afin de prédire l’indice magnétique global am à partir des paramètres du vent solaire. Ceci est fait dans l’optique de fournir des modèles opérationnels basés sur les données enregistrées par le satellite ACE situé au point de Lagrange L1. L’indice am ne possède pas à l’heure actuelle de modèles de prédiction. Pour prédire cet indice, nous avons fait appel à des modèles non-linéaires que sont les réseaux de neurones, permettant de modéliser le comportement complexe et non-linéaire de la magnétosphère terrestre. Nous avons dans un premier temps travaillé sur le développement et l’optimisation des modèles de réseaux classiques comme le perceptron multi-couche. Ces modèles ont fait leurs preuves en météorologie spatiale pour prédire aussi bien des indices magnétiques spécifiques à des systèmes de courant comme l’indice Dst, caractéristique du courant annulaire, que des indices globaux comme l’indice Kp. Nous avons en particulier étudié un réseau temporel appelé Time Delay Neural Network (TDNN) et évalué sa capacité à prédire l’indice magnétique am à une heure, uniquement à partir des paramètres du vent solaire. Nous avons analysé la sensibilité des performances des réseaux de neurones en considérant d’une part les données fournies par la base OMNI au niveau de l’onde de choc, et d’autre part des données obtenues par le satellite ACE en L1. Après avoir étudié la capacité de ces réseaux à prédire am, nous avons développé un réseau de neurones encore jamais utilisé en météorologie spatiale, le réseau Long Short Term Mermory ou LSTM. Ce réseau possède une mémoire à court et à long terme, et comme le TDNN, fournit des prédictions de l’indice am uniquement à partir des paramètres du vent solaire. Nous l’avons optimisé afin de modéliser au mieux le comportement de la magnétosphère et avons ainsi obtenu de meilleures performances de prédiction de l'indice am par rapport à celles obtenues avec le TDNN. Nous avons souhaité continuer le développement et l’optimisation du LSTM en travaillant sur l’utilisation de fonctions de couplage en entrée de ce réseau de neurones, et sur le développement de réseaux multisorties pour prédire les indices magnétiques am sectoriels ou aσ, spécifiques à chaque secteur Temps Magnétique Local. Enfin, nous avons développé une nouvelle technique combinant réseau LSTM et processus gaussiens, afin de fournir une prédiction probabiliste jusqu’à six heures des indices magnétiques Dst et am. Cette méthode a été dans un premier temps développée pour l’indice magnétique Dst afin de pouvoir comparer les performances du modèle hybride à des modèles de référence, puis appliquée à l’indice magnétique am. / In this thesis, we present models which belongs to the field of artificial intelligence to predict the geomagnetic index am based on solar wind parameters. This is done in terms to provide operational models based on data recorded by the ACE satellite located at the Lagrangian point L1. Currently, there is no model providing predictions of the geomagnetic index am. To predict this index, we have relied on nonlinear models called neural networks, allowing to model the complex and nonlinear dynamic of the Earth’s magnetosphere. First, we have worked on the development and the optimisation of basics neural networks like the multilayer perceptron. These models have proven in space weather to predict geomagnetic index specific to current systems like the Dst index, characteristic of the ring current, as well as the global geomagnetic index Kp. In particular, we have studied a temporal network, called the Time Delay Neural Network (TDNN) and we assessed its ability to predict the geomagnetic index am within one hour, base only on solar wind parameters. We have analysed the sensitivity of neural network performance when considering on one hand data from the OMNI database at the bow shock, and on the other hand data from the ACE satellite at the L1 point. After studying the ability of neural networks to predict the geomagnetic index am, we have developped a neural network which has never been used before in Space Weather, the Long Short Term Memory or LSTM. Like the TDNN, this network provides am prediction based only on solar wind parameters. We have optimised this network to model at best the magnetosphere behaviour and obtained better performance than the one obtained with the TDNN. We continued the development and the optimisation of the LSTM network by using coupling functions as neural network features, and by developing multioutput networks to predict the sectorial am also called aσ, specific to each Magnetical Local Time sector. Finally, we developped a brand new technique combining the LSTM network and gaussian process, to provide probabilistic predictions up to six hours ahead of geomagnetic index Dst and am. This method has been first developped to predict Dst to be able to compare the performance of this model with reference models, and then applied to the geomagnetic index am.

Ce mémoire de thèse traite des effets singuliers produits par les milieux radiatifs sur les capteurs d’images CMOS. Le travail se concentre sur les effets provoqués par les ions lourds sur les capteurs utilisant des pixels 3T à photodiode standard et des pixels 4T et 5T à photodiodes pincées. Dans un premier temps, l’étude se concentre sur l’environnement spatial et l’architecture des capteurs. La comparaison avec la littérature met en évidence les effets les plus critiques sur les capteurs : le SEL et les SET. Les capteurs testés expérimentalement valident les travaux théoriques. Les SET sont comparés aux simulations de l’outil de modélisation STARDUST, et montrent un bon accord pour toutes les puces et les ions. Il est expliqué pourquoi les SET sur les puces 3T sont insensibles aux variations de conception de la photodiode, et pourquoi l’utilisation d’un substrat épitaxié diminue grandement les SET. Une méthode de réduction des SET est implémentée avec succès sur les puces 4T et 5T, et le composant responsable du latchup est identifié. L’ensemble des mécanismes explorés permet de connaitre les paramètres importants pour durcir les imageurs. / This thesis studies the single event effects of space environment in CMOS image sensors (CIS). This work focuses on the effects of heavy ions on 3T standard photodiode pixels, and 4T and 5T pinned photodiode pixels. The first part describes the space radioactive environment and the sensor architecture. The most harmful events (SEL and SETs) are identified thanks to the scientific literature. The experimentally tested sensors agree with the theoretical work. SETs are compared to STARDUST simulations with a good agreement for all ions and sensors. The work explains why the SETs on 3T pixels are insensitive to the various photodiode designs, and they are decreased when an epitaxial substrate is used. A method using anti-blooming was successfully used in 4T and 5T pixels to prevent the spread of the SETs. The mechanism of latchup in 4T pixel sensors is described. All the identified mechanisms are very useful to provide hardening methods for the CISs.

Les capteurs d'images sont utilisés dans diverses applications spatiales : observation spatiale, calcul d'attitude etc. Ces capteurs évoluent dans l’environnement spatial dont les rayonnements entraînent une dégradation de leurs performances. Parmi les paramètres impactés, nous nous intéressons au courant d'obscurité des pixels. Ce courant parasite correspond à la génération de porteurs de charges sans lumière par simple excitation thermique, induisant l'augmentation du bruit de fond des images. Les pixels fortement dégradés sont particulièrement pénalisants pour les missions spatiales. Cet effet pousse donc la communauté spatiale à développer des méthodes de prédiction performantes. L'ONERA a développé une méthode originale de prédiction des courants d'obscurité basée sur la méthode de Monte Carlo et la librairie GEANT4. L’objectif de la thèse est d’améliorer la prédiction de l’outil. Dans un premier temps, nous avons modifié l'outil numérique pour des cas extrêmes de modélisations pour lesquels les modélisations Monte Carlo sont trop longues. Pour cela, nous avons développé des méthodes utilisant des simplifications statistiques. Dans un second temps, nous avons étudié l’influence de la géométrie du pixel sur le courant d'obscurité. L’idée est de suivre les cascades de dégradations générées par les particules spatiales et de déterminer si ces cascades restent confinées au sein du pixel impacté ou si elles se propagent dans les pixels voisins. Enfin, nous avons élaboré dans notre outil un modèle simulant les mécanismes liés au champ électrique potentiellement responsables des dégradations les plus élevées, les effets Poole-Frenkel et tunnel assisté par phonons. / Image sensors are used in various space applications: space and earth observations, attitude calculation etc. Those sensors are very sensitive to the space environment whose radiations lead to a degradation of their performances. Among the different impacted parameters, we are interested in the increase of dark current in the pixels. This parasitic current is caused by the thermal generation of charge carriers without any light excitation inducing the increase of the background noise on the images. Some pixels exhibiting the highest degradation are particularly disadvantageous for space missions. They can be critical for some missions and impose to the space community to develop effective prediction methods. ONERA developed an original method to predict dark current induce by the space radiations, based on a Monte Carlo method and the GEANT4 library. The objective of the PhD is to improve the performances of the tool. The approach of this work is first to modify the numerical tool for extreme cases of modelling (i.e. high fluencies or huge pixel volume) for which the Monte Carlo simulations are too long. In order to reduce this computation time, we developed calculation methods using statistical simplifications. In a second part, we studied the influence of the pixel geometry on the dark current. The idea is to follow the degradation cascades created by space particles and to determine if those cascades are contained in the impacted pixel or if they reach neighbor pixels. Finally, we modelled in our tool the physical mechanisms potentially responsible of the highest degradations linked to the electric field, the Poole-Frenkel effect and the phonon assisted tunneling.

L’imagerie constitue un axe majeur de l’exploration de l’univers et de la Terre depuis l’espace, que l’on se trouve dans le domaine du visible ou non. Ainsi dans le domaine spatial, les données sont le plus souvent récupérées par un capteur CCD (Charge-Coupled Device, ou Dispositif à Transfert de Charge (DTC)) qui fournit des tensions analogiques vers un convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la sortie sera transmise à une chaîne de traitement, puis envoyée sur terre. Ainsi, les CAN sont des éléments clés dans l’imagerie par satellite. De leur précision et de leur vitesse va dépendre la qualité de la représentativité de la chaîne de signaux binaires. Il est donc crucial de réaliser une conversion de données de grande qualité (vitesse, précision) tout en s’assurant de la résistance du CAN à l’environnement radiatif. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la robustesse à l’environnement spatial, tout en optimisant les performances, de plusieurs fonctions élémentaires d’un convertisseur analogique-numérique de type pipeline 14bits,5MS/s, réalisées en technologie XFAB 0,18µm. Les trois fonctions ciblées sont les interrupteurs (notamment la résolution des problèmes liés au phénomène d’injection de charges en environnement spatial), les comparateurs (durcissement) et l’amplificateur à capacités commutées (amélioration du gain par une technique prédictive sans pénaliser la puissance consommée). / Imaging is a major issue in the observation of the Universe and the Earth from space, whether in the visible domain or not. Thus, in the spatial field, data is often gathered by a CCD (charge-Coupled Device) sensor, that supplies analog voltages to an Analog-to-Digital Converter (ADC), which outputs will be delivered to a processing chain, and then sent to earth. Consequently, ADCs are key elements in satellite imaging. Their precision and speed will indeed define the quality and the representativeness of the binary signal. It is then crucial to perform a high quality (speed & precision) conversion of the data, while making sure that the ADC can cope with the harsh irradiative environment. The purpose of this thesis is to improve the robustness to the space environment (hardening), while optimizing the performances, of several elementary devices that compose a 14 bits, 5MS/s pipeline ADC, made with the XFAB 180nm technology. The three targeted functions are the switches (especially the problems linked to coping with the charge injection problems in a space environment), the comparators (hardening) and the switched-capacitor amplifier (gain boosting through a predictive architecture with no penalty on the power consumption).

Cette thèse est consacrée à l'étude de la robustesse/sensibilité d'un algorithme auto-convergeant face aux SEU's. Ces phénomènes appelés aussi bit-flips qui se traduit par le basculement intempestif du contenu d'un élément mémoire comme conséquence de l'ionisation produite par le passage d'une particule chargée avec le matériel. Cette étude pourra avoir un impact important vu la conjoncture de miniaturisation qui permettra bientôt de disposer de circuits avec des centaines à des milliers de cœurs de traitement sur une seule puce, pour cela il faudra faire les cœurs communiquer de manière efficace et robustes. Dans ce contexte les algorithme dits auto-convergeants peuvent être utilis afin que la communication entre les cœurs soit fiable et sans intervention extérieure. Une étude par injection de fautes de la robustesse de l'algorithme étudié a été effectuée, cet algorithme a été initialement exécuté par un processeur LEON3 implémenté dans un FPGA embarqué dans une plateforme de test spécifique. Les campagnes préliminaires d'injection de fautes issus d'une méthode de l'état de l'art appelée CEU (Code Emulated Upset) ont mis en évidence une certaine sensibilité aux SEUs de l'algorithme. Pour y faire face des modifications du logiciel ont été effectuées et des techniques de tolérance aux fautes ont été implémentés au niveau logiciel dans le programme implémentant l'algorithme. Des expériences d'injection de fautes ont été effectués pour mettre en évidence la robustesse face aux SEUs et ses potentiels « Tallons d'Achille » de l'algorithme modifié. L'impact des SEUs a été aussi exploré sur l'algorithme auto-convergeant implémenté dans une version hardware dans un FPGA. L'évaluation de cette méthodologie a été effectuée par des expériences d'injection de fautes au niveau RTL du circuit. Ces résultats obtenus avec cette méthode ont montré une amélioration significative de la robustesse de l'algorithme en comparaison avec sa version logicielle. / This thesis is devoted to the study of the robustness/sensitivity of a self-converging algorithm with respect to SEU's. These phenomenon also called bit-flips which may modify the content of memory elements as the result of the silicon ionization resulting from the impact of a charged particles. This study may have a significant impact given the conditions of miniaturization that will soon have circuits with hundreds to thousands of processing cores on a single chip, this will require make the cores communicate effectively and robust manner. In this context the so-called self-converging algorithm can be used to ensure that communication between cores is reliable and without external intervention. A fault injection study of the robustness of the algorithm was performed, this algorithm was initially executed by a processor LEON3 implemented in the FPGA embedded in a specific platform test. Preliminary fault injection from a method the state of the art called CEU showed some sensitivity to SEUs of algorithm. To cope with the software changes were made and techniques for fault tolerance have been implemented in software in the program implementing the self-converging algorithm. The fault injection experiments were made to demonstrate the robustness to SEU's and potential problems of the modified algorithm. The impact of SEUs was explored on a hardware-implemented self-converging algorithm in a FPGA. The evaluation of this method was performed by fault injection at RTL level circuit. These results obtained with this method have shown a significant improvement of the robustness of the algorithm in comparison with its software version.

Dans le domaine du spatial, des sources laser à forte puissance sont déjà employées dans le cadre d’activités scientifiques. On peut citer par exemple l’analyse à distance de la composition chimique des roches sur Mars par LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) et le sondage atmosphérique par Lidar (Light Detection And Ranging) pour l’amélioration des prédictions météorologiques. Cependant l’endommagement laser (LID) et la contamination induite par laser (LIC) sur les composants optiques des systèmes demeurent des risques difficiles à anticiper. En ce qui concerne la LIC, l’interaction du flux laser avec les optiques de l’instrument en orbite peut provoquer des dégradations irréversibles, liées à la création de dépôts organiques absorbants qui peuvent induire des endommagements laser dans le temps. L’effet LIC reste donc aujourd’hui un obstacle au développement de sources laser de puissance pour les applications sans maintenance possible et possédant des durées de vie raisonnables. Une étude paramétrique de l’effet LIC est proposée dans cette thèse afin de progresser dans la compréhension des mécanismes mis en jeu / Since their first implementation in satellite systems, lasers have proven to be very versatile devices in space applications. They are key components of a variety of space-based instruments performing altimetry, light detection and ranging, laser sensing, and laser communication. However, laser induced damage (LID) and laser-induced contamination (LIC) of optical surfaces are a major failure risk for space-bound laser instruments. Regarding the LIC effect, the interaction of the laser with slight traces of organic compounds on the optical surface leads to the formation of a highly absorbing nanometric deposit on the laser footprint. Under certain conditions, this deposit may cause laser induced damage. Today, mainly the LIC effect remains an obstacle for the development of reliable and long-living spaceborne lasers. A parametric study concerning this effect was carried out in this work in order to enhance our understanding of the various mechanisms involved

Les imageurs CMOS représentent un outil d’avenir pour de nombreuses applications scientifiques de haut vol, tellesque l’observation spatiale ou les expériences nucléaires. En effet, ces imageurs ont vu leurs performancesdémultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent aussi desavantages indéniables qui les destinent à remplacer les CCDs dans les futurs instruments spatiaux. Toutefois, enenvironnement spatial ou nucléaire, ces imageurs doivent faire face aux attaques répétées de particules pouvantrapidement dégrader leurs performances électro-optiques. En particulier, les protons, électrons et ions présents dansl’espace ou les neutrons de fusion nucléaire peuvent déplacer des atomes de silicium dans le volume du pixel et enrompre la structure cristalline. Ces effets de déplacement peuvent former des défauts stables introduisant des étatsd’énergie dans la bande interdite du silicium, et ainsi conduire à la génération thermique de paires électron-trou. Parconséquent, ces radiations non-ionisantes produisent une augmentation permanente du courant d’obscurité despixels de l’imageur et donc à une diminution de leur sensibilité et de leur dynamique. L’objectif des présents travauxest d’étendre la compréhension des effets de déplacement sur l’augmentation du courant d’obscurité dans lesimageurs CMOS. En particulier, ces travaux se concentrent sur l’étude de la forme de la distribution de courantd’obscurité en fonction du type, de l’énergie et du nombre de particules ayant traversé l’imageur, mais aussi enfonction des caractéristiques de l’imageur. Ces nombreux résultats permettent de valider physiquement etexpérimentalement un modèle empirique de prédiction de la distribution du courant d’obscurité pour une utilisationdans les domaines spatial et nucléaire. Une autre partie majeure de ces travaux consiste à utiliser pour la première foisla technique de spectroscopie de courant d’obscurité pour détecter et caractériser individuellement les défautsgénérés par les radiations non-ionisantes dans les imageurs CMOS. De nombreux types de défauts sont détectés etdeux sont identifiés, prouvant l’applicabilité de cette technique pour étudier la nature des défauts cristallins généréspar les effets de déplacement dans le silicium. Ces travaux avancent la compréhension des défauts responsables del’augmentation du courant d’obscurité en environnement radiatif, et ouvrent la voie au développement de modèles deprédiction plus précis, voire de techniques permettant d’éviter la formation de ces défauts ou de les faire disparaître. / CMOS image sensors are envisioned for an increasing number of high-end scientific imaging applications such asspace imaging or nuclear experiments. Indeed, the performance of high-end CMOS image sensors has dramaticallyincreased in the past years thanks to the unceasing improvements of microelectronics, and these image sensors havesubstantial advantages over CCDs which make them great candidates to replace CCDs in future space missions.However, in space and nuclear environments, CMOS image sensors must face harsh radiation which can rapidlydegrade their electro-optical performances. In particular, the protons, electrons and ions travelling in space or thefusion neutrons from nuclear experiments can displace silicon atoms in the pixels and break the crystalline structure.These displacement damage effects lead to the formation of stable defects and to the introduction of states in theforbidden bandgap of silicon, which can allow the thermal generation of electron-hole pairs. Consequently, nonionizingradiation leads to a permanent increase of the dark current of the pixels and thus a decrease of the imagesensor sensibility and dynamic range. The aim of the present work is to extend the understanding of the effect ofdisplacement damage on the dark current increase of CMOS image sensors. In particular, this work focuses on theshape of the dark current distribution depending on the particle type, energy and fluence but also on the imagesensor physical parameters. Thanks to the many conditions tested, an empirical model for the prediction of the darkcurrent distribution induced by displacement damage in nuclear or space environments is experimentally validatedand physically justified. Another central part of this work consists in using the dark current spectroscopy techniquefor the first time on irradiated CMOS image sensors to detect and characterize radiation-induced silicon bulk defects.Many types of defects are detected and two of them are identified, proving the applicability of this technique to studythe nature of silicon bulk defects using image sensors. In summary, this work advances the understanding of thenature of the radiation-induced defects responsible for the dark current increase in space or nuclear environments. Italso leads the way to the design of more advanced dark current prediction models, or to the development ofmitigation strategies in order to prevent the formation of the responsible defects or to allow their removal.

Le confort humain devient un enjeu primordial en relation aux questions sur la chaleur urbaine liées aux changements globaux du climat qui émergent dans les climats nordiques. Les centres urbains rassemblent généralement un nombre élevé de piétons et représentent toujours le cœur dense d'une ville. Ces centres-ville présentent une densité de population élevée qui augmente graduellement la quantité de piétons se déplaçant dans les rues. Cette recherche étudie les ambiances lumineuses et thermiques pour évaluer et représenter la chaleur urbaine à l'échelle des piétons dans un centre urbain de la ville de Québec, Canada, qui se classe dans les régions à climat froid. Une étude sur les îlots de chaleur urbains est réalisée dans les quartiers de Saint-Jean-Baptiste et de Cap-Blanc pour visualiser la perception de la chaleur urbaine par les piétons en été. La recherche utilise une balade architecturale, la promenade urbaine, pour réaliser un sondage des propriétés physiques de l'environnement. La promenade urbaine désigne l'expérience sensorielle in situ d'un piéton en ville. Une stratégie innovante de représentation spatio-temporelle des données caractérise les résultats de la recherche. Les résultats sont ainsi tous présentés selon un axe spatial en ordonnée et un axe temporel en abscisse. La prise de mesures qualitatives et quantitatives selon le champ de vision de l'humain rythme la promenade urbaine. La méthodologie utilisée permet d'établir un protocole expérimental captant et représentant les données physiques environnementales (températures de surfaces et de l'air) et données photographiques. Les résultats permettent de localiser les éléments favorisant le phénomène d'îlot de chaleur urbain à travers l'étude des matériaux utilisés en surface. La spatio-temporalité des résultats présentés permet d'effectuer une comparaison des différentes typologies urbaines rencontrées durant la promenade urbaine dans la ville de Québec. L'analyse (des résultats) permet de réaliser d'une part une étude comparative de deux typologies urbaines à travers la réaction lumineuse et thermique des surfaces et d'autre part une étude sur l'expérience d'un piéton pendant une promenade urbaine complète. / Human comfort is essential in relation to urban heat issues related to global climate changes. City centers generally associate with a high concentration of pedestrians and still represent the district prone to urban heat. This research studies lighting and thermal atmospheres to evaluate and represent urban heat at the pedestrian scale in an urban center of Quebec City, Canada, which consists of a cold climate. The study on urban heat islands in the Saint-Jean-Baptiste and Cap-Blanc districts was performed at the pedestrian scale to visualize the perception of urban heat in summer. The research uses an architectural stroll, the urban walk, to carry out a survey of the environment physical properties. The urban walk designates the in situ sensory experience of a pedestrian in the city, La promenade urbaine. An innovative spatio-temporal representational strategy characterizes the results of the research. The results are thus synthesized along a spatial axis in ordinate and a temporal axis on the abscissa. Qualitative and quantitative measurements according to the human field of vision describe the urban promenade. The developed methodology enables to establish an experimental protocol linking environmental physical data (surface and air temperatures) and photographic data. The results allow locating the physical elements favoring the phenomenon of urban heat island through the study of the materials used on the surface. The spatio-temporality of the results compares the different urban types encountered during the urban walk in Quebec City. Results illustrate two different levels of environmental interpretations of the ambient evaluations in relation to urban heat island. The first level consists of a comparative study of two urban types through lighting and thermal reactions of surfaces while the second consists of a longitudinal study on the experience of a pedestrian during a complete urban walk.