En focalisant une onde sonore intense dans un liquide ultra-pur, nous avons étudié la cavitation homogène, c'est-à-dire la dépression limite au delà de laquelle ce liquide devient intrinsèquement instable au profit de sa vapeur. Il existe deux liquides particulièrement purs, parce qu'ils sont plus froids que tous les autres, l'hélium 4 et l'hélium 3. Les propriétés de ces deux liquides sont si bien connues que la théorie a permis de calculer les " limites spinodales " près desquelles la cavitation doit avoir lieu : -9,5 bar pour l'hélium 4 et -3,1 bar pour l'hélium 3. Grâce à une étude en pression, nous avons montré que la cavitation avait bien lieu dans l'hélium 4 entre -8 et -10,5 bar et dans l'hélium 3 entre -2,4 et -2,9 bar. Par ailleurs, une étude précédente avait montré que, dans l'hélium 4, il existe une transition entre un régime classique (où la cavitation est aléatoire et dépend de la température ; en effet, la nucléation des bulles résulte du passage au dessus d'une barrière d'énergie sous l'effet des fluctuations thermiques) et un régime quantique (où la nucléation a lieu par effet tunnel à travers la barrière). En réalisant pour la première fois les mesures sur l'hélium 3, nous avons découvert qu'il n'existait pas de transition vers un régime de cavitation quantique à la température prévue ; au contraire la pression de cavitation devient brusquement plus négative à 40 mK. Nous avons alors proposé l'interprétation suivante : à basse température, l'hélium 3 est un " liquide de Fermi " où seule l'énergie des fluctuations de grande longueur d'onde diminue lorsqu'on s'approche de la limite spinodale ; celle des fluctuations de courte longueur d'onde reste élevée en raison de l'existence d'une rigidité quantique responsable du " son zéro ". Pour que la nucléation des bulles ait lieu à basse température, il faut donc amener l'hélium 3 beaucoup plus près de sa limite spinodale qu'on ne le croyait jusqu'à présent, afin que la taille du germe critique soit grande.

Cette thèse présente le développement d'un simulateur de processus cryogéniques de grande taille appliqué aux installations cryogéniques de l'accélérateur de particules LHC (Large Hadron Collider) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ce simulateur est basé sur une approche de modélisation orientée objet où chaque équipement (échangeur, turbine, compresseur, etc.) est représenté à partir d'un ensemble d'équations physiques algébro-différentielles. L'architecture de contrôle du CERN est également simulée en intégrant le contrôle réalisé par des automates programmables (PLC) avec le système de supervision. Ce simulateur à été développé pour servir différents desseins comme l'entraînement des opérateurs, la vérification des programmes automates (virtual commissioning) et l'optimisation des stratégies de contrôle. Le système cryogénique d'un détecteur de particules a d'abord été simulé pour valider les modèles, puis un liquéfacteur d'hélium a été modélisé pour réaliser un virtual commissioning. Les réfrigérateurs à hélium à 4,5 K du LHC ainsi que les unités de réfrigération à 1,8 K avec la ligne de distribution cryogénique du LHC ont également été modélisés et simulés. Le développement d'une nouvelle loi de commande basée sur un contrôle à modèle interne (IMC) en utilisant une commande robuste H infinie est présenté pour améliorer la régulation de la haute pression des réfrigérateurs à hélium du LHC. De plus, un système de pressions flottantes a été développé à partir du simulateur de manière à adapter automatiquement la puissance de réfrigération à la charge. Cette technique a pour principal objectif de réduire la puissance électrique des compresseurs.

Dans ce travail nous avons étudié le problème du rapport signal à bruit (RSB) en IRM à très bas champ magnétique et exploré des applications potentielles en utilisant du gaz 3He hyperpolarisé. Nous avons comparé deux méthodes d'élargissement de bande passante sans perte de RSB : une contre-réaction et un couplage inductif de la détection. Nous avons mis en œuvre la contre-réaction, plus appropriée à très bas champ. Des mesures d'atténuation par diffusion dans un gaz d'3He en géométrie cylindrique ont été faites par échos multiples de spin ou de gradient dans une large gamme de conditions correspondant à la diffusion dans les voies aériennes des poumons. Un bas champ permet d'utiliser des faibles gradients sur des durées longues, sans influence de la susceptibilité des matériaux. Nos mesures fournissent un ensemble de données destiné à une comparaison directe avec des modèles théoriques et d'autres résultats publiés. Une nouvelle séquence (Slow Low Angle Shot, SLASH) est proposée pour l'imagerie de gaz à bas champ. Des séries d'images à 2D dans des fantômes montrent qu'elle offre une résolution d'image et un RSB meilleurs que pour une séquence FLASH. Par ailleurs, des cartes de diffusion apparente dans des poumons fixés de petit animal ont été obtenues à partir d'images 2D et 3D. Les résultats sont compatibles avec ceux des mesures globales de diffusion par échos de spin dans ces mêmes poumons, et sont similaires aux résultats in vivo publiés. Ces poumons fixés sont donc un fantôme commode et pertinent pour des études méthodologiques. Les mesures de diffusion en bas champ, insensibles aux effets de susceptibilité, ont été faites sur une large gamme de temps de diffusion.

Cette thèse porte sur la mise en place, sur un imageur clinique, de nouveaux protocoles adaptés à l'IRM de l'hélium3 hyperpolarisé et sur leur validation au cours d'études précliniques et cliniques. L’IRM de l’hélium3 hyperpolarisé étant non invasive et non ionisante, elle est bien adaptée à l'utilisation chez l'enfant, dès le plus jeune âge, et aux suivis longitudinaux. Pourtant, les protocoles d’imagerie sont le plus souvent réalisés pendant l’apnée, rendant la technique difficilement applicable chez de jeunes enfants. La première contribution de cette thèse porte sur un protocole de respiration spontanée, sa modélisation et sa validation préclinique, préalables à une application chez des patients non coopératifs. La deuxième étude traite de l'application conjointe de l'IRM proton et hélium3 hyperpolarisé à un modèle de pathologie aiguë chez le lapin, maladie jusqu’à présent non étudiée en IRM de l’hélium3 hyperpolarisé. Enfin, la troisième étude s’intéresse à l’évaluation de la sensibilité de la technique et de l'influence d'une séance de drainage bronchique, chez des enfants atteints de mucoviscidose dont la fonction pulmonaire est asymptomatique. / This work deals with the design, on a clinical scanner, of new protocols for helium3 MRI and with their application to preclinical and clinical studies. Allowing for a virtually unlimited number of acquisitions, helium3 MRI is well adapted for longitudinal or pediatric studies. Acquisitions, however, are mostly performed under breath-hold, precluding the application to non cooperative patients. The first part of this thesis addresses the use of a free-breathing protocol, validated in vivo on rabbit and optimized using a model of gas exchange. A second study tackles the joint use of helium3 and proton MRI to study acute diseases, using a rabbit model of Acute Respiratory Distress Syndrome. Finally, the third study demonstrates the sensitivity of helium3 MRI and evaluates the influence of chest physical therapy on cystic fibrosis children with normal respiratory function.

Le liner métallique à confiner le matériau combustible des plaques GenIV doit, pour tenir son rôle, supporter « l'agression » des flux de neutrons rapides et d’impuretés implantées (produits de fission, hélium). Le travail de thèse présenté a contribué à la compréhension des mécanismes de fragilisation dans les métaux sous irradiation : il propose un modèle pour la nucléation et la croissance de bulles de gaz tels que l’hélium. L’approche utilisée couple une démarche de modélisation à une démarche expérimentale. Des mesures de relâchement obtenues par les techniques de spectrométrie de masse (TDS) et d’analyse par la réaction nucléaire (NRA) ainsi que des caractérisations par microscopie électronique en transmission (MET) ont été réalisées. Le développement d’un modèle simplifié de dynamique d’amas a permis d’interpréter le couplage entre la dynamique de relâchement de l’hélium et celle des bulles. Ce modèle a permis d’une part, de simuler les expériences d’implantation/récuit à partir d’un jeu de grandeurs physiques cohérentes avec celle de la littérature, et d’autre part, de mettre en évidence un couplage fort entre les concentrations des espèces libres (atomes d’hélium et lacunes) et la composition moyenne des bulles. Les dynamiques singulières de relâchement du gaz observées expérimentalement ont pu être expliquées par le mûrissement d’une population de bulles, initialement « surpressurisées », qui poursuivent leur croissance en réduisant leur concentration totale et leur pression / The metal liner dedicated to continue the fuel assembly of the Gas Fast Reactor, is intended to resist to a fast neutron flux and the implantation of impurities such as helium and the fission products. This PhD work contributes to the understanding of one of the mechanisms inducing the metal embrittlement under irradiation; it deals with a model that predicts the nucleation and growth of gas bubbles, such as helium, into a metal. The approach of the thesis relies on both theoretical and experimental works. The gas release measurements have been performed with the Nuclear Reaction Analysis (NRA) method and the Thermal Desorption Spectrometry (TDS); the bubbles characterization performed by Transmission Electronic Microscopy (TEM). The development of a simple model for the description of the cluster dynamic (clusters composed by defects and gas atoms) proposes some explanations for the coupling between the dynamics of the helium release and the bubbles evolution. This model enables to simulate the implantation experiments and the following annealing sequences, with a relevant physical dataset and coherent with the literature. Moreover it enhances the strong inference between the species concentration into the bulk (vacancies and helium atoms) and the mean composition of the bubbles. The peculiar dynamics of the gas release observed during the experiments, initially rapid and then significantly reduced , would be due to the ripening of the bubbles, pressurized after the room temperature implantation, which keep on growing and reducing their concentration and internal pressure

Ce mémoire de thèse décrit la création expérimentale et la caractérisation d'une source de paires d'atomes corrélés. Cette source ajustable repose sur l'utilisation du mélange à quatre ondes dans un réseau optique. Les paires ainsi créées sont similaires aux paires de photons produites par conversion paramétrique et ouvrent la porte à la réalisation d'expériences élaborées d'optique atomique quantique. En plaçant un condensat de Bose-Einstein dans un réseau en mouvement, les conditions d'accord de phase sont vérifiées et des atomes jumeaux sont alors produits spontanément. Grâce à un détecteur d'atomes uniques résolu à trois dimensions nous avons pu caractériser la source de paires obtenue. Nous avons ainsi étudié en profondeur les conditions d'accord de phase, prouvant que les atomes sont diffusés de manière préférentielle dans deux fines classes de vitesses qui conservent l'impulsion et l'énergie. En modifiant la vitesse et la durée du réseau par rapport aux atomes, il est possible de choisir les modes de sorties et leurs populations ce qui rend ce processus ajustable. De plus, nous avons pu mettre en évidence l'importance des interactions et en particulier des effets de champ moyen qui viennent modifier la conservation de l'énergie. La détection d'atome unique permet également d'étudier les propriétés statistiques des atomes jumeaux, nous avons ainsi pu mettre en évidence de fortes corrélations entres les atomes issus d'une même paire. Nous avons également observé une réduction sous le bruit de grenaille du bruit sur la différence du nombre d'atomes dans les modes corrélés. Cette réduction est une indication forte du caractère non classique des paires produites

La structure des nucléons et des noyaux a été intensivement étudiée au cours duvingtième siècle au travers de la diffusion élastique d'électrons (mesure des facteurs deforme électromagnétique) et de la diffusion profondément inélastique (mesure des distributionsde partons). Le formalisme des distributions généralisées de partons (GPD)a permis d'unifier les facteurs de forme et les distributions de partons. Ce lien procureune source d'information unique sur la dynamique des partons, telle la distribution desforces nucléaires et de moment orbital au sein des hadrons. L'accès expérimental le plussimple aux GPD est la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS), correspondantà l'électroproduction dure d'un photon réel. Tandis que plusieurs expériences sesont déjà focalisées sur la réaction DVCS sur le nucléon, les expériences sur une ciblenucléaire s'avèrent plus rares. Cette thèse se concentre sur l'étude du canal DVCS cohérentsur l'hélium 4, avec pour objectif l'extraction des parties réelle et imaginaire dufacteur de forme Compton via l'asymétrie de spin du faisceau.

Cette thèse étudie deux caractéristiques de l'atome hélium métastable importantes pour le refroidissement radiatif. Dans une première partie, on mesure le taux de pertes à deux corps dans un piège magnéto-optique. Ces pertes, accentuées en présence d'une irradiation quasi-résonante, sont principalement dues aux collisions ionisantes entre deux atomes métastables. On mesure le taux de pertes en étudiant l'évolution du nombre d'atomes dans le piège magnéto-optique par observation de la fluorescence ou des ions produits par les collisions. Nous étudions aussi les variations de ce taux en fonction du désaccord des lasers piège. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la description des expériences de mesurer les taux de transition des raies intercombinaison: 2^3P_1 vers 1^1S_0 et 2^3P_2 vers 1^1S_0. Le taux 2^3P_1 vers 1^1S_0 est mesuré en excitant une petite fraction d'atomes contenus dans un piège magnéto-optique vers l'état 2^3P_1. On observe une baisse de la durée de vie du piège magnéto-optique qui est la signature de la fuite vers l'état fondamental. Dans une deuxième expérience, on mesure le rapport des taux de transition de 2^3P_2 et 2^3P_1 vers 1^1S_0 en effectuant le rapport des flux de photons UV associés à la transition.

Les progrès en pompage optique (PO) par échange de métastabilité (EM) dans de l'hélium-3 gazeux à forte puissance laser, dont les applications sont variées, mais aussi à forte pression p3 et fort champ magnétique B ont fortement motivé la reprise d'investigations pour comprendre les processus limitant cette technique puissante. Nous présentons une étude systématique, expérimentale et théorique, de l'efficacité du POEM et des mécanismes de relaxation à B≤30 mT et p3=0.63−2.45 mbar. La polarisation nucléaire M de l'hélium-3 est mesurée par absorption en configuration longitudinale, en utilisant des faisceaux à 1083 nm de faible puissance, parallèles à B et à l'axe de la cellule, et de polarisations circulaires opposées pour sonder la distribution des populations dans l'état métastable. Nos tests détaillés montrent que cette méthode est fiable pour l'étude de la dynamique du POEM malgré la redistribution des populations par la lumière de pompage. La perte de M associée à l'émission de lumière polarisée par la décharge qui crée le plasma nécessaire au POEM décroît au-dessus de 10 mT, comme attendu, à cause du découplage hyperfin dans les états très excités. Pourtant cela n'améliore pas l'efficacité du POEM à forte puissance laser. Par contre, nous avons mis en évidence une relaxation supplémentaire liée à la présence du laser pompe. Les pertes importantes de M renforcées par PO, qui limitent actuellement les performances du POEM, sont étudiées quantitativement avec une approche basée sur un bilan de moment angulaire et un modèle détaillé, récemment développé, qui décrit les effets combinés du PO, de l'EM et de la relaxation, validé par comparaison aux résultats expérimentaux.

Cette thèse présente la première réalisation expérimentale d'un condensat de Bose-Einstein d'hélium métastable. L'énergie interne de 20 eV des atomes d'hélium métastable permet l'utilisation d'un système détection électronique des atomes, très rapide et efficace. Ce manuscrit décrit la démarche expérimentale adoptée pour parvenir à la condensation, à partir du transfert dans le piége magnétique du nuage atomique prérefroidi. Des études du champ magnétique de piégeage, en particulier de la décroissance du champ à la coupure du piège, sont réalisées in situ en venant sonder directement les atomes. Des mesures de spectroscopie du piège magnétique sont également effectuées afin de tester l'équilibre des atomes dans le piège. Pour initier ensuite un refroidissement évaporatif efficace, il faut un taux de collisions élastiques entre atomes piégés suffisamment élevé. Ne disposant pas de donnée expérimentale suffisante pour connaître la valeur de ce taux de collisions, nous avons effectué des mesures de thermalisation sur l'échantillon atomique. Celles-ci consistent à placer le nuage piégé hors-équilibre, puis à regarder la dynamique de relaxation vers un nouvel équilibre, atteint sous l'influence des collisions entre atomes piégés. La modélisation de ces expériences permet de remonter, à partir des résultats expérimentaux, au taux de collisions élastiques. La valeur déduite nous a encouragés à poursuivre le refroidissement évaporatif du nuage atomique, aboutissant finalement à la formation d'un condensat de Bose-Einstein. L'allure des signaux expérimentaux observés, influencés par la coupure des champs magnétiques, est expliquée. L'exploitation de ces signaux permet de déduire une valeur de la longueur de diffusion. La visualisation du signal d'ions produits par le condensat constitue une méthode d'observation non-destructive du condensat, donnant accès à sa cinétique de formation.