Selon l'American Lung Association, dans les dernières années, les maladies pulmonaires sont devenues la troisième cause mondiale de décès après les maladies cardiovasculaires et le cancer. Et il est prévu que la position augmente dans ce classement au cours des dix prochaines années. Les maladies pulmonaires telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose interstitielle affectent des millions de personnes dans le monde, tuant des milliers d'entre eux chaque année tandis que de nouveaux cas sont signalés. Aujourd'hui, il n'y a pas de diagnostic précoce des maladies pulmonaires. Celles-ci se manifestent essentiellement par une modification des propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire qui ne peut être détectée par les techniques usuelles appliquées généralement sur les autres organes. La tomodensitométrie par rayons X et la biopsie pulmonaire chirurgicale peuvent indiquer la maladie. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire la progression de cette dernière ni de déterminer la durée optimale de la thérapie, ni encore d'explorer l'administration d'autres agents potentiellement moins toxiques que ceux utilisés de nos jours. Les causes et les mécanismes de la maladie ainsi que les facteurs génétiques associés ne sont pas encore déterminés. Les enjeux sociétal et médical sont énormes. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction-même de l'organe. Elles pourraient être des biomarqueurs pulmonaires très sensibles puisqu'elles dépendent de la structure des tissus, des conditions biologiques, et qu'elles sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. Toutefois, l’auscultation et l’exploration tactile couramment utilisées ne peuvent pas localement les sonder in vivo. Dans ce travail de thèse, une nouvelle modalité a été développée pour cartographier les propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire afin de détecter, quantifier et classer les maladies qui les modifient. Cette nouvelle méthode d'imagerie, l’élastographie par résonance magnétique de l'hélium-3 hyperpolarisé, bénéficie de l'innocuité et de la sensibilité de la technique ainsi que de l'importance du signal d'hélium-3 hyperpolarisé dans les poumons.Tout d'abord, la technique a été validée sur des fantômes de poumons préservés de cochon. D'une part, les hypothèses de confinement du gaz et de l'indépendance à la composition du gaz qui sous-tendent l'élastographie IRM quantitative de l'hélium-3 ont été confirmées. D'autre part, la sensibilité de la technique a été éprouvée par rapport à l'inflation des poumons et à leur dépendance à la gravité. Puis, un mode d'excitation original a été développé et les protocoles d'acquisition IRM ont été optimisés pour réaliser l'élastographie IRM de l'hélium-3 in vivo. Les premières mesures de propagation d'ondes de cisaillement ont été obtenues à la fois dans des poumons de rat et d'humain. Les modules d'élasticité de cisaillement obtenus s'accordent assez bien avec les valeurs de rigidité obtenues ex vivo par les techniques alternatives. Ce travail ouvre une voie unique d'exploration in vivo de la physiopathologie pulmonaire. / According to the American Lung Association, for the last few years, lung diseases have become the third most common cause of death worldwide after cardiovascular disease and tumors, and it is expected to rise up the ranking position in the next ten years. Lung diseases such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease and interstitial fibrosis affect millions of people worldwide, killing thousands of them every year while new cases are reported. Today, there is no early diagnosis of these pulmonary diseases. They effectively manifest by a modification of the viscoelastic properties of the lung parenchyma which cannot be detected by usual techniques that are applied to other organs. X-ray computer tomography and surgical lung biopsy can state the disease. However, it is not yet possible to predict its progression, to determine the optimal length of the therapy, or to explore the administration of other agents potentially less toxic than those used nowadays. Causes and mechanisms of the disease, associated genetic factors are not determined yet. The social and medical issues are huge. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the basic function of the organ. They could be very sensitive pulmonary biomarkers as they depend on the tissue structure, the biological conditions, and they are dramatically altered by most lung diseases like cancer, emphysema, asthma, or interstitial fibrosis. However, current auscultation and tactual explorations fail to regionally probe them in vivo.In this PhD work, a new modality was developed to regionally measure the viscoelastic properties of the lung parenchyma in order to detect, quantify, and classify diseases that modify them. This new imaging approach, hyperpolarized helium-3 Magnetic Resonance Elastography (MRE), benefit from the innocuity and the sensitivity of the technique as well as from the huge hyperpolarized helium-3 signal in the lung. First, the technique was validated on preserved pig lung phantoms. On the one hand, the assumptions of gas confinement and gas content independence that support quantitative helium-3 MRE were assessed. On the other hand, the sensitivity of the technique was challenged with respect to lung inflation and gravity dependence. Second, original means of mechanical excitation were developed and MR acquisition protocols were optimized to perform helium-3 MRE in vivo. First measurements of shear wave propagation were achieved in both rat and human lungs. Resulting shear elasticity agrees fairly well with stiffness values found ex vivo by alternative measurement techniques. This work opens up promising insights into lung pathophysiology in vivo.

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction.

Le phénomène de précession cohérente de l'aimantation dans l'hélium 3 superfluide a été découvert en 1984. Il se caractérise par la précession libre de l'aimantation du superfluide sur des échelles de temps très longues (dans certains cas, des heures). Ce phénomène est une signature de la superfluidité de spin, l'analogue magnétique de la supraconductivité ou de la superfluidité. La superfluidité de spin peut se décrire en termes de condensation de Bose-Einstein des excitations magnétiques du superfluide : les magnons. Ce formalisme permet de déterminer simplement les conditions dans lesquelles une telle condensation peut apparaître dans les différentes phases de l'hélium 3 superfluide. Ce travail présente comment l'utilisation d'aérogel anisotrope nous a permis de manipuler le paramètre d'ordre du superfluide et d'obtenir ainsi de nouvelles phases dans lesquelles la condensation de Bose-Einstein des magnons peut être observée. Nous avons ainsi étudié expérimentalement la précession cohérente de l'aimantation dans ces nouvelles phases. Nous avons également étudié l'influence de l'aérogel sur la transition de phase superfluide. Enfin, nous détaillons comment il est possible d'obtenir la précession cohérente de l'aimantation sur les différents niveaux d'un puits de potentiel pour les magnons. / The phenomenon of coherent precession of magnetization in superfluid helium 3 was discovered in 1984. It is characterized by the free precession of the magnetization of the superfluid on very long timescales (up to hours). This phenomenon is a signature of spin superfluidity, the magnetic analogue of superconductivity or superfluidity. Spin superfluidity can be described in terms of Bose-Einstein condensation the magnetic excitations of the superfluid: the magnons. This formalism makes it possible to determine easily the conditions in which such a condensation can appear in the different phases of superfluid helium 3. This work shows how the use of anisotropic aerogel permitted us to manipulate the order parameter of the superfluid and thus to obtain new phases in which the Bose-Einstein condensation of magnons can be observed. We were able to study experimentally the coherent precession of magnetization in these new phases. We also studied the influence of the aerogel on the superfluid transition. Finally, we detail how one can obtain the coherent precession of magnetization on different levels of a potential well for magnons.

L'expérience E89-044, réalisée dans le Hall A du Jefferson Lab, a mesuré les sections efficaces de la réaction 3He(e,e'p).<br> L'extraction des fonctions de réponse longitudinale et transverse de la réaction de désintégration à deux corps 3He(e,e'p)d en cinématique parallèle doit permettre l'étude des propriétés électromagnétiques du proton à l'intérieur du noyau d'3He ainsi que des mécanismes nucléaires mis en jeu au-delà de la description en ondes planes, pour des impulsions manquantes de 0 et +- 300 MeV/c et des quadrimoments transférés de 0.8 à 4.1 GeV2. Les sections efficaces préliminaires ont été obtenues après calibration du dispositif expérimental en utilisant une méthode d'ajustement des modèles théoriques intégrés sur l'espace de phase expérimental à l'aide d'une simulation Monte-Carlo. L'erreur systématique de 8% sur les sections efficaces est principalement liée à la normalisation absolue de la densité de la cible : l'analyse des données en diffusion élastique permettra de réduire cette erreur. Les résultats préliminaires font apparaître certains désaccords avec les prédictions théoriques pour les cinématiques aux angles avant à petite impulsion manquante (<100 MeV/c), notamment à grands Q2, et des comportements sensibles aux effets d'interaction dans l'état final ainsi qu'aux fonctions d'ondes de l'3He utilisées pour les impulsions manquantes voisines de 300 MeV/c. La séparation des composantes longitudinale et transverse déjà amorcée devrait contraindre plus fortement les modèles.

One major step needed for fusion to become a reliable energy source is the development of materials for the extreme conditions (high temperature, radioactivity and erosion) caused by hot plasmas. The main goal of the present study is to use and optimise ion beam methods (lateral resolution and sensitivity) to characterise the distribution of hydrogen isotopes that act as fuel. Materials from the test reactors JET (Joint European Torus), TEXTOR (Tokamak Experiment for Technology Oriented Research) and Tore Supra have been investigated. Deuterium, beryllium and carbon were measured by elastic recoil detection analysis (ERDA) and nuclear reaction analysis (NRA). To ensure high 3D spatial resolution a nuclear microbeam (spot size &lt;10 µm) was used with 3He and 28Si beams. The release of hydrogen caused by the primary ion beam was monitored and accounted for. Large variations in surface (top 10 µm) deuterium concentrations in carbon fibre composites (CFC) from Tore Supra and TEXTOR was found, pointing out the importance of small pits and local fibre structure in understanding fuel retention. At deeper depths into the CFC limiter tiles from Tore Supra, deuterium rich bands were observed confirming the correlation between the internal material structure and fuel storage in the bulk. Sample cross sections from thick deposits on the JET divertor showed elemental distributions that were dominantly laminar although more complex structures also were observed. Depth profiles of this kind elucidate the plasma-wall interaction and material erosion/deposition processes in the reactor vessel. The information gained in this thesis will improve the knowledge of first wall material for the next generation fusion reactors, concerning the fuel retention and the lifetime of the plasma facing materials which is important for safety as well as economical reasons.

Interactions between an intense laser pulse and cluster targets are investigated using the recent experimental results of the cluster fusion experiments on the Texas Petawatt Laser (TPW). We achieved about 2x10⁷ DD fusion neutrons per shot on the TPW by optimizing the laser and gas jet parameters. A few different types of cluster targets were used on the TPW including deuterium clusters, deuterated methane clusters, deuterium cluster + helium-3 mixture, and deuterated methane cluster + helium-3 mixture. We designed our own neutron detectors and proton detectors for the measurements of the fusion yields. The calibration method of neutron detectors is described in detail. Through the yield measurements of the 2.45 MeV neutrons from the DD fusion reactions and 14.7 MeV protons from the D-³He fusion reactions in the deuterium-helium-3 mixture target, we successfully measured the ion temperature of the fusion plasma at the time of the fusion reactions. / text

The study of the nucleon structure has been a major research focus in fundamental physics in the past decades and still is the main research line of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). For this purpose and to obtain statistically meaningful results, a highly efficient polarized target is essential. This means high polarization and high relative density of polarized material. This dissertation presents the principles and usage procedures of a Hydrogen Deuteride (HD) target that presents both such characteristics. Although the HD target has been shown to work successfully under a high intensity photon beam, it remained to be seen if the target could stand an electron beam of reasonably high current (nA). In this perspective, the HD target was tested for the first time in its "frozen spin" mode under an electron beam during the g14 experiment in the Jefferson Lab's Hall B in 2012. Two methods of polarimetry are also discussed in this dissertation : one with Nuclear Magnetic Resonance of this HD target during the electron beam tests, and another with the elastic scattering of electrons off a polarized target by using data taken on helium-3 during the E97-110 experiment that occurred in Jefferson Lab's Hall A in 2003.

Thesis (Ph.D.); Submitted to Massachusetts Inst. of Tech., Cambridge, MA (US); 1 Sep 2003. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "JLAB-PHY-03-167" "DOE/ER/40150-2745" Marat Rvachev. 09/01/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Helium-3 surface spin echo spectroscopy (HeSE) has been used to measure the diffusive dynamics of adsorbates on close-packed metal surfaces, namely hydrogen on Cu(111), Pd(111) and Ru(0001), carbon and oxygen on Ru(0001), and oxygen on Cu(111). Chapter 2 reviews the HeSE technique and describes the relevant dynamical models and statistical methods used to interpret data in later chapters. The performance of the ionizing detector is analysed, with a focus on the signal-to-noise ratio. In Chapter 3 expressions for the classical intermediate scattering function (ISF) are introduced for open and closed systems. The effects of corrugation and surface-perpendicular motion on the amplitude of different components in the ISF are modelled analytically and compared with simulation. The exact ISF for a particle on a flat surface, obeying the Generalized Langevin Equation with exponential memory friction, is calculated analytically. In Chapter 4 the analytical ISF is calculated for quantum Brownian motion and for coherent tunneling dynamics in a tight binding system. The bounce method for calculating quantum mechanical hopping rates in dissipative systems is applied to model diffusion of hydrogen on Ru(0001). Chapter 5 presents the first HeSE measurements of carbon and oxygen diffusion. C/Ru(0001) diffusion is assigned to a small carbon cluster. The jump rate has an activation energy $E_{A}=292\pm7\,$meV in the temperature range $550\,\textrm{K}\leq T \leq 1300\,$K. Oxygen diffusion is significantly slower. By comparison of literature data with the new HeSE results, the activation energy for oxygen diffusion at low coverage is estimated as $650\pm10$meV. Oxygen measurements at high coverage $\theta\approx0.22\,$ML are consistent with strong mutual O-O interactions. Surface diffusion is also observed after exposing Cu(111) to oxygen. Chapter 6 presents low-coverage measurements of protium (H) and deuterium (D) diffusion on Ru(0001), Pd(111) and Cu(111). In the quantum activated regime there is evidence for multiple jumps in all three systems, suggesting a low dynamical friction. The measurements on Ru(0001) indicate that the deep tunneling rate is much slower for D than for H.

No description available.