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University, Diss., 2006--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

La magnétocardiographie (MCG) et la magnétoencéphalographie (MEG) sont deux techniques d'imagerie non-invasives mesurant respectivement les champs magnétiques cardiaques et cérébraux. Les dispositifs actuels utilisent des capteurs supraconducteurs de haute performance mais nécessitant un dispositif de refroidissement cryogénique, engendrant de fortes contraintes tant techniques que financières. Les magnétomètres à pompage optique (OPM) tendent à constituer une réelle alternative. Parmi eux figurent ceux développés au CEA-LETI, basés sur l'utilisation de l'hélium 4. Cette thèse a pour objectif de développer des magnétomètres vectoriels à 4He (fonctionnant à température ambiante) dédiés aux applications MCG et MEG.Après une optimisation des paramètres-clés d'un prototype non-miniaturisé préexistant, une sensibilité inférieure à 100 fT/sqrt(Hz) a pu être obtenue suivant deux axes. Afin de respecter les besoins spécifiques de la MCG et de la MEG une étape de miniaturisation a dû être menée et une architecture gradient-métrique a été mise en place. Parallèlement, des tests précliniques menés à Clinatec nous ont permis de concevoir un nouveau conditionnement du prototype, ainsi qu'un système réduisant les perturbations magnétiques. Une analyse des principales sources de bruit a révélé que les deux principaux contributeurs au bruit sont le laser et le système de décharge HF. Nous avons ainsi envisagé plusieurs pistes d'amélioration du niveau de bruit dont une nouvelle technique de détection. Le prototype issu de ces travaux comporte une pièce élémentaire (la cellule) d'un centimètre de côté, et présente une sensibilité intrinsèque de 350 fT/sqrt(Hz).Le dispositif a ensuite été testé avec succès dans le cadre de mesures MCG sur un sujet sain, précédées de tests sur fantôme ayant permis de prouver l'opérabilité de nos capteurs dans un environnement clinique. Par ailleurs, la reproductibilité des résultats ainsi que la possibilité de réduire à 30 s le temps d'acquisition des données ont pu être démontrées. Une optimisation spécifique de la partie optique du prototype a permis d'obtenir une sensibilité de l'ordre de 210 fT/sqrt(Hz) entre 3 et 300 Hz, compatible avec l'application MEG. Après des tests menés avec succès sur fantôme, trois séries d'essais ont été réalisées sur un sujet sain. Nous avons pu ainsi détecter des potentiels évoqués auditifs, visuels ainsi qu'une modulation de l'activité cérébrale spontanée sous l'effet de l'ouverture des paupières. L'ensemble des résultats obtenus constitue les premières preuves de concept cliniques du dispositif en MCG et MEG. / Magnetocardiography (MCG) and magnetoencephalography (MEG) are non-invasive techniques consisting in measuring respectively cardiac and brain magnetic fields. Despite their performance, the sensors currently used need a cryogenic cooling system which engenders technical and financial constraints. New cryogenic-free sensors have recently emerged: the OPMs (Optically-Pumped Magnetometers). Among them, vector 4He magnetometers developed by CEA-LETI which work at room-temperature. This thesis is focused on the development of 4He magnetometers dedicated to MCG and MEG.After having optimized the key-parameters of a first non-miniaturized prototype, a sensitivity inferior to 100 fT/sqrt(Hz) has been obtained along two axes. In order to meet biomedical constraints, a miniaturization of the device has been processed. In parallel, preclinical tests were carried out which have enabled us to design a gradiometer mode, a new packaging, and a magnetically isolated system. A noise analysis revealed that laser and HF discharge were the main sources of disturbance, and lead us to consider improvements such as a new detection mode. Eventually, a sensor, with a 1cm-sided cell, and an intrinsic sensitivity of 350 fT/√Hz has been developed.Then, device has been successfully tested in the frame of the MCG application from a healthy subject, preceded by a simulation study with a phantom which enables us to demonstrate its operability within a clinical environment. Moreover, we have proved the reproducibility of the measurements and the possibility to detect the main features of the cardiac cycle within a 30 s recording time. A specific optimization of the optical part has enabled us to obtain a 210 fT/sqrt(Hz) sensitivity between 3 and 300 Hz, suitable for the MEG application. After having tested our device with a phantom, three MEG experiments were performed with a healthy subject: auditory evoked field, visual evoked field and spontaneous activities have been detected. The obtained results form the first clinical proof of concept of the device for MCG and MEG applications.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(理学) / 乙第13217号 / 論理博第1562号 / 新制||理||1638(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 永江 知文, 教授 鶴 剛, 准教授 成木 恵 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

When bulk helium-4 is cooled below T = 2.18 K, it undergoes a phase transition to a superfluid, characterized by a complex wave function with a macroscopic phase and exhibits inviscid, quantized flow. The macroscopic phase coherence can be probed in a container filled with helium-4, by reducing one or more of its dimensions until they are smaller than the coherence length, the spatial distance over which order propagates. As this dimensional reduction occurs, enhanced thermal and quantum fluctuations push the transition to the superfluid state to lower temperatures. However, this trend can be countered via the proximity effect, where a bulk 3-dimensional (3d) superfluid is coupled to a low (2d) dimensional superfluid via a weak link producing superfluid correlations in the film at temperatures above the Kosterlitz-Thouless temperature. Recent experiments probing the coupling between 3d and 2d superfluid helium-4 have uncovered an anomalously large proximity effect, leading to an enhanced superfluid density that cannot be explained using the correlation length alone. In this work, we have determined the origin of this enhanced proximity effect via large scale quantum Monte Carlo simulations of helium-4 in a topologically non-trivial geometry that incorporates the important aspects of the experiments. We find that due to the bosonic symmetry of helium-4, identical particle permutations lead to correlations between contiguous spatial regions at a length scale greater than the coherence length. We show that quantum exchange plays a large role in explaining the anomalous experimental results while simultaneously showing how classical arguments fall short of this task.

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes). / Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).

L’étude des vortex trouve sa justification dans le rôle que ces derniers jouent dans la turbulence quantique. L’équation de Gross-Pitaevskii ne peut pas nous permettre de modéliser convenablement l’Hélium superfluide, mais on peut l’utiliser pour obtenir le paramètre d'ordre d’un superfluide modèle, ayant le maximum de propriétés en commun avec l’Hélium, notamment une courbe de dispersion identique, par la modification du terme d’interactions.En supposant que le minimum roton influence l’essentiel de la physique, on détermine la forme du paramètre d’ordre loin de la perturbation créée par le vortex rectilinéaire axisymétrique par deux approches différentes - il apparaît alors que seuls deux paramètres sont nécessaires pour caractériser entièrement le profil.Le modèle proposé par Pomeau-Rica, qui offre la possibilité d’étudier le superfluide près de la cristallisation, met en lumière l’impact de la profondeur du minimum roton sur l’amplitude des oscillations. Par comparaison avec les résultats obtenus ab initio par Reatto, les résultats donnés par le modèle de Berloff-Roberts exhibent un déphasage marqué, qui semble être une conséquence non-physique de la forme du spectre d’excitation. Les calculs énergétiques laissent à penser que les oscillations portent une faible fraction de l’énergie du vortex, l'énergie cinétique dominant.Le calcul du paramètre d’ordre est effectué pour un anneau de grande taille par rapport à la distance interatomique, à vitesse nulle et à vitesse non-nulle. La détermination des énergies potentielle et cinétique permet d’accéder à la vitesse maximale atteinte par l’anneau en fonction de son rayon et de la comparer à la vitesse critique de Landau. / Vortices study's justification lays in the fact that those former play an important part in quantum turbulence. The Gross-Pitaevskii equation can't be a proper model for superfluid helium, but we can still use it to determine the order parameter of a theoretical superfluid, which has then the maximum amount of properties in common with liquid helium, and in particular, the same dispersion relation, thus gained by modifying the interaction terms.We then make the assumption that all the physical properties of the superfluid are triggered by the existence of the roton minimum, which allows us to calculate the order parameter far from the perturbation created by an axisymmetric rectilinear vortex, using two different methods. At that point, it appears that only two parameters are needed to fully characterize vortex profil.Pomeau-Rica's model offers the possibility to study the superfluid near crystallization and reveals the influence of the roton minimum's shape and depth on oscillations' amplitude. Results are subsequently compared to those given by Reatto's ab initio calculations. In Berloff-Roberts' model, profil displays a strong phase shift, which seems to be a non-physical consequence of the dispersion relation's shape at high frequencies. Energies reckoning leads us to think that oscillations carry a small fraction of the total vortex' energy, meaning that the kinetic energy is dominant.The order parameter for a vortex ring, whose radius is much larger than the interatomic distance, is calculated at zero and nonzero speed. Potential and kinetic energies are estimated and help us obtain the maximal speed reached by such a ring, depending on its radius and finally discussed this speed in regard to the Landau critical speed.

Plusieurs technologies de magnétomètres atomiques ont été développées depuis les années 60. Afin d’obtenir une technologie capable de mesurer des champs magnétiques inférieurs à 50 nT et compatible avec notre magnétomètre scalaire isotrope, nous avons du concevoir un magnétomètre atomique dans une configuration qui n'a jamais été publiée.Nous avons calculé les résonances caractéristiques de ce magnétomètre et réalisé un prototype. Son bruit est inférieur à 1 ou 0.1 pT/√Hz, respectivement pour les versions tri axiales ou mono-axiales.Une façon de réduire le bruit du magnétomètre de 7 dB a été identifiée et le principe de ce magnétomètre pourrait offrir d’intéressantes perspectives pour les horloges atomiques. / Several technologies of atomic magnetometers have been developed since the60s. To obtain a technology capable of measuring magnetic fields lower than 50 nT and compatible with our isotropic scalar magnetometer, we had todevelop an atomic magnetometer in a configuration that has never been published.We calculated the resonances characteristic of the magnetometer with the formalism of the dressed atom and realized a prototype. The noise of the resulting magnetometer is lower than 1 or 0.1 pT/√Hz, on the monoaxial or triaxial versions respectively.One way to reduce the noise of the magnetometer of 7 dB has been identified and the principle of this magnetometer could offer interesting perspectives for atomic clocks.

L'exploitation des réserves d'eau douce, principalement contenues dans les aquifères est une préoccupation croissante dans les zones où elle se traduit par une baisse des niveaux piézométriques.Ce travail de thèse propose de caractériser l'évolution du Système Aquifère du Saharan Septentrional (SASS), et plus particulièrement le Continental Intercalaire (CI) à l'aide d'un couplage entre des outils de modélisation hydrogéologique et de traceurs géochimiques (36Cl, 234U/238U). Situé dans une région semi-aride à aride et s'étendant sur plus d'un million de km2, le CI présente un potentiel d'enregistrement d'une variabilité climatique à grande échelle en plus des baisses piézométriques anthropiques.Nous avons amélioré la définition de la recharge moderne du SASS à l'aide d'une méthode basée sur des données de télédection (entre 0 et 6.75 mm an−1 sur la période 2003-2010) ainsi que de la localisation zones de recharge du Sud Tunisien à l'aide de traceurs isotopiques (14C, 36Cl, 234U). Ces traceurs fournissant un lien évident mais complexe entre les conditions hydrodynamiques présentes et passées, nous nous sommes efforcés d'interpréter les informations paléoenvironnementales apportées par le 36Cl et le 4He sur l'ensemble de la zone tunisienne du CI. Introduites dans un modèle hydrogéologique du CI, les données de 36Cl nous ont permis d'améliorer des hypothèses sur des scénarios de recharge (variant entre 0.5 et 60 mm an−1) pendant les huit derniers cycles interglaciaires-glaciaires (0-775 ka).A partir d'informations complémentaires (échantillons d'eau, affleurements, zone climatique) nous avons finalement construit une représentation "hydro-climato-geochimique" du CI. / Concerns about freshwater availability increase with the rise of populations demands and decrease of piezometric levels in some aquifers. However, this "instantaneous" variability is complicated by a long-term climatic variability that impacts hydrodynamics on timescales of thousands to hundred of thousands of years.This study characterizes the evolution of a large aquifer (extending over more than a million of km2), the Continental Intercalaire (CI), from hydrogeological and geochemical viewpoints, over several hundreds thousand years. For this purpose, we combined hydrogeologic modeling and geochemical tracing methods (36Cl, 234U/238U. . .).The CI is the main aquifer of the North Western Saharan Aquifer System (NWSAS). Located in a semi-arid to arid region, its presence suggests potential records of climatic variability on large temporal and spatial scales. Our results corroborate previous assessment of the modern recharge, which fluctuates between 0 and 6.75 mm yr−1, over the entire NWSAS. We also improve the understanding of previously poorly characterized recharge areas in the South of Tunisia. Isotopic tracers can provide a strong but complex link between past and present hydrodynamic conditions, so we struggled to investigate chlorine-36 and helium-4 paleorecords. In our hydrogeologic model of the CI, chlorine-36 data allowed us to propose some hypotheses about recharge scenarios (varying between 0.5 and 60 mm yr−1) during height of the last interglacial-glacial cycles (0-775 ky). By using multi-scale information (groundwater samples, outcrops and climatic areas), we developed a "hydro-climatic-geochemical" representation of the CI.

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