Des couches minces co-deposées de Titanium Zirconium Vanadium (TiZrV) sont utilisés dans les accélérateurs de particules et les sources de lumière synchrotron pour maintenir les conditions d’ultravide. Elles sont pulvérisés sur les parois internes des chambres à vides, transformant celles-ci en « pompe chimique de gaz ». La tendance dans la conception d’accélérateurs d’électrons consiste à approcher les pôles des aimants de direction au plus près du faisceau d’électrons. Cela implique la réduction du diamètre des tubes hébergeant le vide et nécessite l’utilisation de très petits diamètres pour les chambres à vide. L’application du dépôt par vaporisation physique (PVD) dans un aussi faible diamètre devient alors très difficile. Le but de ce projet est de développer une nouvelle procédure de dépôt couplé à l’assemblage, en utilisant un mandrin sacrificiel en aluminium comme substrat de la couche mince en même temps que la création autour de lui de la chambre à vide elle-même par électroformage de cuivre. La première partie de l’étude concerne la production et la caractérisation de chambre de cuivre électroformées. La robustesse mécanique de l’assemblage complet a été validée, et les caractéristiques du film lui-même sont etudièes par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX), spectrométrie de fluorescence-X (XRF) et spectrométrie de photoélectrons X (XPS). De plus, les performances de « pompage chimique des gaz » des nouvelles chambres à vide ainsi élaborées sont mesurées et comparées avec des valeurs de références de revêtements déposés par des procédures classiques dans des tubes de plus grand diamètres. La deuxième partie de l‘étude concerne l’évaluation des impuretés incluses lors des différentes étapes du procédé : le revêtement PVD, l’électroformage et l’étape de dissolution chimique du mandrin. La spectrométrie de désorption thermique et les profils de composition en épaisseur par XPS permettent de quantifier les impuretés dans le cuivre électroformé et dans le film de TiZrV. De plus, la présence d’hydrogène emprisonné dans le cuivre électroformé est étudiée à partir de différents bains à base de sulfate de cuivre. L’un d’entre eux, sans additifs, nécessite l’utilisation de courants pulsés. Le comportement électrochimique du bain permet la sélection de différents paramètres de séquences de pulses, dérivées de situations typiques des courbes transitoires. Finalement, le développement de prototypes de taille réelle a été atteint avec la création de chambres à vide revêtues de TiZrV de 2 mètres de long et 4mm de diamètre, ce qui n’a pas d’équivalent à ce jour. / Titanium Zirconium Vanadium (TiZrV) thin film coatings are used in particle accelerators and synchrotron light sources to maintain ultra-high vacuum conditions. They are deposited on the internal walls of the vacuum chambers, transforming them from a gas source into a chemical pump. The trend in electron accelerators design consists in approaching the poles of the steering magnets close to the electron beam. This implies reducing the bore hosting the vacuum chamber and using very small diameter vacuum pipes. The application of physical vapor deposition (PVD) in such small diameter chambers becomes then very difficult. The aim of this project is to develop a novel procedure of coating/assembly, using a sacrificial aluminium mandrel as substrate of the thin film together with the creation of a surrounding copper chamber by electroforming. The first part of the study deals with the production and characterization of the electroformed chambers. The mechanical robustness of the assembly is checked, and the film characterization is performed by secondary electron microscopy (SEM), X-ray diffraction analysis (XRD), X-ray Fluorescence Spectroscopy (XRF) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Moreover, the pumping performance is measured and compared with reference values of coatings produced by the standard PVD technique. The second part of the study evaluates the impurities included during the different steps of the process: PVD coating, electroforming and chemical etching of the mandrel. Thermal desorption spectroscopy and XPS depth profiling allow to quantify the impurities in the electroformed copper and the TiZrV thin film. Furthermore, the presence of hydrogen trapped in the electroformed copper is studied for different copper sulphate baths. One of them, without additives, require the use of pulse currents. The electrochemical behaviour of the bath allows the selection of different pulse parameters, derived from typical situations on the transient curves. Finally, the development of real-scale prototypes was achieved with the creation of a 4 mm diameter, 2 meters TiZrV coated vacuum chamber, which is unrivalled up to date.

La mitigation du risque hydrogène encouru lors du transport de déchets radiolysables est une problématique majeure dans le domaine du nucléaire. Les getters métalliques réagissent spontanément avec l'hydrogène gazeux pour le piéger sous forme solide avec des capacités volumiques et des cinétiques de réaction élevées dans les conditions de température et de pression de l'application. Cette réaction implique cependant une étape de dissociation de l'hydrogène en surface qui peut être fortement affectée par la présence de molécules de gaz inhibiteurs tels que l'azote ou le monoxyde de carbone. Aussi, un système original de couplage entre un hydrure métallique et une membrane permsélective à l'hydrogène a été proposé dans ce travail afin d'éviter la contamination de la surface de l'alliage et d'optimiser le piégeage de l'hydrogène en présence de mélanges de gaz. Des alliages de zirconium des systèmes Zr-Fe et Zr-Ti-V, connus pour leur relative tolérance aux gaz contaminants, ont été synthétisés dans un four à induction haute fréquence par cofusion d'éléments purs. L'analyse structurale et chimique des échantillons a été réalisée par diffraction des rayons-X et microsonde de Casgtaing. L'hydrogénation par la méthode de Sievert en présence de différents mélanges de gaz a confirmé l'influence néfaste du monoxyde de carbone sur les cinétiques et les capacités d'absorption des hydrures.Parallèlement, des membranes de silice microporeuse et de polyimide dense ont été élaborées. Leurs propriétés de perméation et de sélectivité à l'hydrogène ont été caractérisées dans les conditions de température et de pression correspondant à l'application. L'enrobage d'un alliage hydrurable dans une membrane permsélective à l'hydrogène a été proposé. L'intérêt de ce couplage sur les cinétiques d'absorption de l'hydrogène en présence de CO a été démontré / Mitigation of the hydrogen risk generated by radiolysis during nuclear waste transportation is a major safety concern in the nuclear industry. Intermetallic compounds act as getters to trap hydrogen in solid state spontaneously in wide ranges of temperatures and pressures including waste transport conditions. The hydrogenation reaction proceeds through a dissociation step at the metal surface and the presence of inhibiting gas molecules such as nitrogen or carbon monoxide can strongly affect the gettering performances of the material. Therefore, an innovative system has been proposed in this work to protect alloy surfaces and optimize hydrogen gettering in the presence of gas mixtures using a hydrogen permselective membrane. Structure and chemical composition of zirconium alloys from the Zr-Fe and Zr-Ti-V systems, known to be relatively tolerant to contaminants gas, have been investigated using X-ray diffraction and electron microprobe analysis. The hydrogen sorption properties have been studied and confirmed the hindering effects of carbon monoxide on the kinetics and the absorption capacity of those hydrides. Meanwhile, microporous silica membranes and dense polyimide have been developed. Their permeation and selectivity properties to hydrogen have been characterized in temperature and pressure conditions close to the foreseen application. Embedded hydrides into a permselective polymeric matrix were finally proposed. This coupling showed benefits on the absorption kinetics in the presence of CO

Le packaging sous vide des capteurs résonants (accéléromètres, gyromètres), des oscillateurs à quartz utilisés dans les références de temps ou encore des bolomètres est indispensable pour obtenir de très hautes performances et les maintenir dans le temps. Le faible volume de la cavité sous vide nécessite un pompage in-situ pour compenser les fuites et maintenir le vide pendant toute la durée de vie des dispositifs. Ce pompage peut être réalisé par l'insertion dans la cavité de matériaux getter, qui constituent un système intégré de pompage à l'état solide par adsorption et piégeage des molécules de gaz.Nous avons étudié les phénomènes d’interdiffusion et comparé la capacité de sorption de films getters de titane, vanadium ou zirconium protégés par une couche ultramince d'or. Les propriétés des films ont été analysées en utilisant différentes techniques: mesure de résistivité 4 pointes, XRD, MEB, XPS et SIMS après différents traitements thermiques. Les résultats montrent que le système Au/Zr est le meilleur candidat à la fonction de matériau getter grâce au démouillage de l'or après traitement thermique : 70 nm de Zr est oxydé en ZrO2 après un recuit à 300 °C pendant 1h, ce qui correspond à 7,5 10-7 moles d'oxygène absorbées. Toutefois ce système Au/Zr réagit déjà à 200 °C-1h, une température qui peut s'avérer trop basse pour des applications de packaging sous vide. Ainsi, l'empilement Au/Zr/V/Zr a été proposé pour mieux cibler la température d'activation autour de 300°C tout en gardant une capacité de sorption importante. / The vacuum packaging of resonant sensors (accelerometers, gyroscopes) and quartz oscillators which are used for time references or bolometers is needed in order to reach high performances on a long term. The low volume of the cavity requires an in-situ gas pumping to compensate the leaks and maintain the vacuum during all the lifetime of the device. This pumping can be achieved by the integration of getter materials into the cavity, behaving as an integrated solid state pumping system based on the adsorption and the trapping of the gas molecules.We have studied the interdiffusion phenomena and compared the sorption capacity of titanium, vanadium or zirconium getter film protected by a thin gold layer. The properties of these films were analysed by various techniques: 4 point probe resistivity measurement, XRD, SEM, XPS and SIMS after different thermal treatments. The results show that the Au/Zr system is the best candidate thanks to the gold dewetting after thermal treatment: 70 nm of Zr has been oxidized to ZrO2 after annealing at 300 °C-1h, which is corresponding to the absorption of 7,5 10-7 moles of oxygen. However Au/Zr system already reacts at 200 °C-1h, a too low temperature for packaging applications under vacuum. Thus, the multilayer Au/Zr/V/Zr was proposed to target an activation temperature around 300 °C while keeping a high sorption capacity.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are a promising technology in the power-generation sector because of their ability to use either hydrocarbons or pure hydrogen. However, introducing hydrocarbons to SOFCs has the negative effect of poisoning the anode of the SOFC with carbon molecules. These carbon deposits in the anode place mechanical stress on the anode and crack the anode interrupting the nickel-based electron percolation network. Gradual interruption of this network increases anode electrical resistance and can eventually lead to complete SOFC functional failure. However, one technology that may reduce premature anode failure due to carbon deposition is the use of a getter anode. A getter anode intercepts the carbon prior to deposition on the functional anode. In this work, A CFD model was modified to incorporate a getter anode, and the functional anode in the study saw a roughly 60% drop in carbon deposition with the addition of a 0.1mm getter anode, compared to the baseline. Also a trend was found that total carbon deposited on the functional anode decreased as the porosity of the getter anode decreased. However, lengthening the getter anode and decreasing its porosity can potentially starve the functional anode of hydrogen fuel, so a tradeoff exists removing carbon and maintaining fuel cell performance.

Plusieurs catégories de MEMS nécessitent un environnement sous vide pour fonctionner de manière optimale, tel le micro-bolomètre. Le fonctionnement optimal de ce détecteur, à la base des imageurs infrarouge non refroidis, nécessite qu’il soit thermiquement isolé, et donc qu’il évolue dans une atmosphère raréfiée (< 10-2 mbar). Le maintien sous vide d’une matrice bolométrique durant la durée de vie d'une dizaine d’années du composant est réalisé par une encapsulation dans un boîtier de très faible volume (de 0,5 à 30 µL).Cette encapsulation sous vide fait appel à deux techniques complémentaires : le scellement hermétique sous vide et l’intégration d’un dispositif d’absorption du gaz dans la cavité, appelé getter. La technique de scellement donnant un joint de scellement suffisamment hermétique (<10-14 atm.cm3.s-1) est la soudure métallique. Le getter est un film mince métallique à base de métaux de transition. Il acquiert une activité de sorption lorsqu’il est chauffé.Les procédés d’encapsulation sous vide de l’état de l’art permettent l’encapsulation de micro-bolomètres à des températures de 300°C. Mais il est fort probable que les futurs matériaux micro-bolométriques en cours de développement ne supporteront pas des températures de recuit supérieures à 280°C. Leur encapsulation demande donc la mise à disposition d’un nouveau procédé de scellement sous vide à plus basse température et d’un nouveau film getter s’activant aussi à basse température.Ces deux techniques ont par conséquent été développées, au moyen de caractérisations en laboratoire et de tests sur composants industriels. / Some kinds of MEMS like micro-bolometers require vacuum to operate optimally. This IR sensor is the cornerstone for uncooled infrared detection. Its best sensing capacity is achieved by thermal insulation, which is realized by placing it under vacuum (< 10-2 mbar). The vacuum is maintained throughout the camera lifetime thanks to a microvolume packaging (0.5 to 30 µL).The MEMS vacuum packaging implies the combination of two complementary technical solutions: first hermetic sealing, then getter device integration absorbing internal gas. The sealing technique retained (which enables leak rate <10-14 atm.cm3.s-1) is the metallic bonding. The getter is a thin transition metal film. When activated by an annealing, its surface traps gaseous molecules. The sorption process of the getter is ideally activated during the sealing process of the bonding.The typical temperature packaging process for micro-bolometers is 300°C. It is expected that sensibility of new types of micro-bolometers materials will be degraded if they are exposed to temperatures higher than 280°C. Consequently, their encapsulation require the elaboration of a new low temperature packaging technology.Such a technology has been developed based on experimental studies in laboratory and tests under industrial conditions.

In adults, the availability of certain kinds of cues prior to a recognition task facilitates performance (often called “priming”). Studies have found that conceptual and perceptual priming improves neural efficiency and thus shortens response time in adults. In infant research, various visual and auditory/visual events are used as attention getters to orient the infant to a screen and alert them to upcoming information for their detection, discrimination, and/or recognition. However, the influence of attention-getters on infants’ performance has rarely been systematically evaluated, even though these attention cues could be acting as perceptual/conceptual primes. This study investigated the effect of priming on infants’ preferences for infant-directed speech (IDS) compared to adult-directed speech (ADS). IDS, an inherently social event, can be described as a moderator between attention systems and later language development. Thus, if the attentional network is primed in advance of hearing IDS, it is possible that the magnitude of the IDS preference may change. In this study, 20, 12- to 18-month old infants were provided with either a nonsocial or social prime in an infant-controlled, speech preference procedure with both IDS and ADS speech types. The infant’s total looking duration to IDS relative to ADS was compared for the social versus nonsocial prime condition. Results indicated a main effect for speech and overall IDS preference. However, no significant effect of prime was detected. Results are discussed in terms of future directions to investigate social priming of language in infancy. / Master of Science / In infant research, short duration events are used before the task of interest to orient infants to the screen, increase their attention, and prepare them for the following information to come. These events are called “attention getters” in developmental research, and are used internationally as a way to garner infants’ attention before the main test of interest. Labs use different attention getters based on their prior experience of what works best, and these attention getters vary in content (e.g., social, nonsocial), and format (e.g., audio, visual, audiovisual). The effect of the content of the attention getter on infants’ subsequent performance has never previously been studied, although the content could be acting as a prime for the following task. This study investigated the effect of a social, as opposed to nonsocial, attention getter on infants’ subsequent performance on a speech preference task. Infants (N = 20, 12- to 18-month olds) received both infant-directed speech (IDS; or how caregivers speak to their infants, characterized by shorter sentences, slower rate of speech, and exaggerated vowels) and adult-directed speech (ADS; or how adults speak to other adults, characterized by complex grammar, faster rates of speech, and shorter vowel sounds) which were preceded by either a social (woman saying “Hi Baby” in IDS) or nonsocial (swirling target with chimes) attention getter to investigate their preferences for speech type. It was predicted that infants who received a social prime would demonstrate a stronger preference for IDS over ADS relative to infants who received the nonsocial prime. Results indicated a main effect for speech and overall IDS preference. However, no significant effect of attention getter was detected, and the interaction between speech type and attention getter was not significant. Thus, our predicted results were not supported; the content of the attention getter did not attenuate or augment infants’ speech type preferences. Results are discussed in terms of future directions to better detect social priming in infancy.

L'objectif de cette thèse est d'établir les liens entre élaboration, microstructure et comportement des getters non-évaporables (NEG) en couches minces, en vue de leur utilisation dans le cadre du packaging collectif des MEMS sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Après une étude bibliographique sur l'herméticité des MEMS et l'effet getter, la modification du comportement de piégeage de gaz par les NEG couches minces, engendré par l'ajout de sous-couches métalliques, est mise en évidence. Afin d'expliquer cette influence, la microstructure des couches minces est étudiée, notamment sa dépendance aux paramètres d'élaboration et aux traitements thermiques. Ensuite, le comportement macroscopique de piégeage de l'azote est caractérisé, de même que les mécanismes microscopiques d'activation et de pompage. Ces derniers permettent finalement d'élaborer quelques recommandations pour l'intégration des NEG couches minces dans les MEMS. / Whilst satisfying low-cost requirements, performances and lifetime of many MEMS can be enhanced by performing wafer-level packaging of devices under vacuum or controlled atmosphere conditions. However, this implies the use of non-evaporable getters (NEG) inside MEMS cavities for residual gases removal. Relationships between elaboration, microstructure and pumping behavior of NEG thin films are investigated in this thesis. After a literature review on MEMS hermetic sealing and getter effect, NEG thin films pumping behavior modification by metallic sub-layers addition is presented. Then, in order to explain this modification, elaboration parameters and thermal treatments influence on thin films microstructure is analyzed. Lastly, nitrogen gettering behavior of NEG is characterized, as well as activation and pumping mechanisms. From these results, some recommendations for NEG thin films integration in MEMS are finally proposed.

L'élaboration de silicium de qualité solaire par une autre route que la voie chimique semble aujourd'hui prometteuse pour réduire les coûts et garantir l'approvisionnement en matériau de la filière photovoltaïque. Un plasma inductif (Ar+H2+O2) couplé à un brassage électromagnétique du silicium liquide permet d'extraire une impureté critique : le bore. La compréhension de la volatilisation du bore a été étudiée via des calculs thermodynamiques sous FACTSAGE ainsi que des analyses chimiques en ligne des gaz de sortie par ICP-OES. L'étude du procédé a été divisée en deux étapes. Le brassage électromagnétique a fait l'objet d'une étude numérique et expérimentale. La répartition des espèces réactives à la surface a été étudiée en remplaçant le silicium par du graphite afin d'obtenir une image spatiale de la répartition des espèces à la surface. L'optimisation du procédé a permis d'obtenir un silicium avec une teneur en bore acceptable. Les caractérisations chimiques et électriques du matériau purifié ont révélées une quantité trop élevée d'aluminium, d'oxygène et de phosphore. Toutefois le matériau produit est utilisable par l'industrie, le rendement cellule est supérieur à 14% sur la partie p du lingot.

L'objectif de cette thèse est d'établir les liens entre élaboration, microstructure et comportement des getters non-évaporables (NEG) en couches minces, en vue de leur utilisation dans le cadre du packaging collectif des MEMS sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Après une étude bibliographique sur l'herméticité des MEMS et l'effet getter, la modification du comportement de piégeage de gaz par les NEG couches minces, engendré par l'ajout de sous-couches métalliques, est mise en évidence. Afin d'expliquer cette influence, la microstructure des couches minces est étudiée, notamment sa dépendance aux paramètres d'élaboration et aux traitements thermiques. Ensuite, le comportement macroscopique de piégeage de l'azote est caractérisé, de même que les mécanismes microscopiques d'activation et de pompage. Ces derniers permettent finalement d'élaborer quelques recommandations pour l'intégration des NEG couches minces dans les MEMS.

This document gives an overview of the proposed MSc study. The main goal of the study is to model the cases listed in the code benchmark study of the International Atomic Energy Agency CRP–6 fuel performance study (Verfondern & Lee, 2005). The platform that will be employed is the GETTER code (Keshaw & van der Merwe, 2006). GETTER was used at PBMR for the release calculations of metallic and some non–metallic long–lived fission products. GETTER calculates the transport of fission products from their point of fission to release from the fuel surface taking into account gas precursors and activation products. Results show that for certain experiments the codes correspond very well with the experimental data whilst in others there are orders of magnitude differences. It can be seen that very similar behaviour is observed in all codes. Improvements are needed in updating the strontium diffusion coefficient and in understanding, on a deeper level, the transport of silver in TRISO particles and how it deviates from simple diffusion models. / Thesis (M.Sc. Engineering Sciences (Nuclear Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012.