Cette thèse de doctorat à été réalisée au sein du Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) et du Service des Basses Températures du CEA de Grenoble. Ce travail expérimental a porté sur l'étude comparative de la turbulence classique et quantique à très grand nombre de Reynolds d'un écoulement turbulent de jet d'hélium liquide normal (HeI) et superfluide (HeII) entre 2.3K et 1.78K. Le travail s'est en premier lieu concentré sur le développement des moyens d'essais (une soufflerie cryogénique à boucle fermée pressurisée et régulée en température) et sur l'adaptation de la technique de l'anémomètrie à fil chaud aux basses températures. L'étude s'est poursuivie par l'analyse statistique du champ de vitesse en He I et, plus particulièrement, des incréments spatiaux de vitesse en fluide normal montrant un bon accord avec la littérature et fournissant un véritable point de départ pour la mise en évidence de comportements différents en HeII. Les résultats obtenus en superfluide montrent d'une part un comportement classique à grande échelle et, d'autre part, des écarts aux petites échelles qui dépendent de la température du fluide (i.e. de la fraction variable de superfluide). L'effet le plus évident se manifeste par un changement du signe de la fonction de structure d'ordre 3 des incréments de vitesse.

Cette thèse de doctorat à été réalisée au sein du Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) et du Service des Basses Températures du CEA de Grenoble. Ce travail expérimental a porté sur l'étude comparative de la turbulence classique et quantique à très grand nombre de Reynolds d'un écoulement turbulent de jet d'hélium liquide normal (HeI) et superfluide (HeII) entre 2.3K et 1.78K. Le travail s’est en premier lieu concentré sur le développement des moyens d'essais (une soufflerie cryogénique à boucle fermée pressurisée et régulée en température) et sur l'adaptation de la technique de l'anémomètrie à fil chaud aux basses températures. L’étude s’est poursuivie par l'analyse statistique du champ de vitesse en He I et, plus particulièrement, des incréments spatiaux de vitesse en fluide normal montrant un bon accord avec la littérature et fournissant un véritable point de départ pour la mise en évidence de comportements différents en HeII. Les résultats obtenus en superfluide montrent d'une part un comportement classique à grande échelle et, d’autre part, des écarts aux petites échelles qui dépendent de la température du fluide (i.e. de la fraction variable de superfluide). L'effet le plus évident se manifeste par un changement du signe de la fonction de structure d'ordre 3 des incréments de vitesse. / This experimental work is focused on the the statistical study of the high Reynolds number turbulent velocity field in an inertially driven liquid helium axis-symmetric round jet at temperatures above and below the lambda transition (between 2.3 K and 1.78 K) in a cryogenic wind tunnel. The possibility to finely tune the fluid temperature allows us to perform a comparative study of the quantum HeII turbulence within the classical framework of the Kolmogorov turbulent cascade in order to have a better understanding of the energy cascade process in a superfluid. In particular we focused our attention on the intermittency phenomena, in both He I and He II phases, by measuring the high order statistics of the longitudinal velocity increments by means of the flatness and the skewness statistical estimators.A first phase consisted in developing the cryogenic facility, a closed loop pressurized and temperature regulated wind tunnel, and adapting the classic hot-wire anemometry technique in order to be able to work in such a challenging low temperature environment. A detailed calibration procedure of the fully developed turbulent flow was the carried out at 2.3 K at Reynolds numbers based on the Taylor length scale up to 2600 in order to qualify our testing set-up and to identify possible facility-related spurious phenomena. This procedure showed that the statistical properties of the longitudinal velocity increments are in good agreement with respect to previous results.By further reducing the temperature of the working fluid (at a constant pressure) below the lambda point down to 1.78K local velocity measurements were performed at different superfluid density fractions. The results show a classic behaviour of the He II energy cascade at large scales while, at smaller scales, a deviation has been observed. The occurence of this phenomenon, which requires further investigation and modelling, is highlighted by the observed changing sign of the third order structure function of the longitudinal velocity increments. The intermittency phenomena is also observed and a quantitative analysis is carried out by measuring the scaling behaviour of the velocity increments flatness which is consistent with results obtained in Navier-Stokes fluids. This Ph.D. thesis has been carried out at the LEGI (Laboratoire des Écoulement Géophysiques et Industriels) laboratory in Grenoble and at the CEA Low Temperature Department (SBT) in Grenoble.

Cette thèse présente des résultats de recherche sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume travaillant à températures cryogéniques (de 3K à 15K dans un réfrigérateur à tube pulsé) ainsi que sur les systèmes construits autour de ces composants. Le premier aspect concerne le fonctionnement de différents composants, dont en particulier le résonateur. Le comportement de ce dernier a fait l'objet d'une étude plus systématiquement sur la gamme de fréquence [1−90 MHz]. Des facteurs de qualité de 417 * 106 et des produit Q* f (facteur de qualité Q à la fréquence f) pouvant atteindre 3, 07*1016 Hz ont été mesurées pour les résonateurs à quartz, valeurs exceptionnelles qui sont des records mondiaux pour cette classe de composants. Il est montré que le facteur de qualité Q ne dépend pas de la fréquence f à ces températures, conformément à la théorie de Landau-Rumer. Les problèmes et avantages de travailler à de telles températures sont évalués. Les limitations qui s'y rattachent sont discutées. D'autres composants passifs ou actifs, tels que des transistors, sont aussi d'étudiés. Le choix des composants appropriés est fait sur la base de comparaisons de leur comportement à 4K. Les résultats sont confirmés par une modélisation d'amplificateurs cryogéniques, réalisée avec succès. Le deuxième aspect mis en lumière dans ce travail est la modélisation et la simulation des composants et des systèmes étudiés. Le rapport présente un modèle rigoureux du bruit de phase des composants à onde acoustique de volume prenant en compte les non linéarités et basé sur la méthode de la moyenne. Ce modèle du résonateur, de type MIMO (multiple-input and multiple-output) est utilisé pour en déduire l'impact des différents paramètres d'un oscillateur sur son bruit de phase et expliquer les résultats expérimentaux. Les modèles établis pour les différents autres composants sont aussi utilisés pour simuler et optimiser des amplificateurs et oscillateurs cryogéniques. Le troisième aspect concerne des sources de fréquence basées sur ces résonateurs à ondes de volume cryogéniques : référence passive et oscillateur cryogéniques. Les systèmes réalisés ont permis de mesurer et caractériser le bruit du résonateur dans des conditions spécifiques. Certaines sources de bruit ont ainsi été identifiées. Les systèmes à boucle d'asservissement testés ont une stabilité relative de fréquence de 4 * 10−13 à 100 secondes et restent à mieux que 1 * 10−12 entre 1 et 2000 s. L'oscillateur réalisé a une stabilité de 1.5 * 10−12 à 200 s et meilleure que 1 * 10−11 pour des temps d'intégration plus grands que 80 ms. Les limitations de ces systèmes sont discutées sur la base des données obtenues.

La spectroscopie d’émission est un outil puissant pour obtenir des informations sur lesprocessus microscopiques dans un plasma de décharge hors-équilibre (décharge couronne)dans des milieux denses tels que le gaz supercritique à haute pression et les liquides. Lesobservations spectroscopiques de la lumière émise à partir d'une zone d'ionisation créée parune décharge entre une pointe fine et un plan sont utilisées pour caractériser l'environnementlocal des atomes ou des molécules émettrices. Les caractéristiques spectrales observablesétant sensibles à l'environnement immédiat de l'espèce émettrice, rend la spectroscopieoptique très utile pour l'étude du plasma hors-équilibre en fonction des paramètres du milieu(pression et température).Dans ce travail, nous avons étudié les caractéristiques courant-tension et lacomposition spectrale d’un cryoplasma initié par une décharge couronne dans l'hélium liquideet gazeux à des températures cryogéniques. Ces expériences ont été effectuées pour un certainnombre de températures fixes de 300 K à 4,2 K dans une plage de pression de 0,1 à 10 MPa.Ces conditions couvrent une large région des états thermodynamiques de la matière avec unedensité d'environ 1019 cm-3 pour le gaz à une densité de 2*1022 cm-3 pour le liquide. / Fluorescence spectroscopy is a powerful tool to obtain information on microscopicprocesses in non-equilibrium discharge plasma (corona) in dense media such as high pressuresupercritical gas and even liquids. Spectroscopic observations of the light emitted from anionization zone near a tip electrode can be used to determine structural information of thelocal environment of the emitting atoms or molecules. The spectral features observable aresensitive to the immediate surroundings of the emitting species, which makes emissionspectroscopy very useful for study of the cold nonequilibrium plasma varying the pressureand the temperature.In this work, we have studied the current-voltage characteristics and spectralcomposition of helium cryoplasma initiated with a corona discharge in gaseous and liquidhelium. A cryoplasma has been realized in laboratory conditions using corona discharge ingaseous and liquid Helium at cryogenic temperatures of the matter. Experiments were carriedout at a number of fixed temperatures from 300 K down to 4.2 K within the pressure range0.1÷10 MPa. The conditions covered a wide region of thermodynamic states of the mattersuch as from a gas with density of ~1019 cm-3 up to liquid Helium with density of 2*1022cm-3.