Résumé Les premiers d´etecteurs aptes `a faire de l'imagerie dans le domaine de l'infrarouge thermique (5-25 µm) depuis le sol sont apparus dans les ann´ees 90. Comme nous connaissons relativement mal les ob jets astrophysiques `a ces longueurs d'onde, il y a avait l`a un tr`es fort potentiel de nouvelles d´ecouvertes sur les ob jets “ti`edes” (100-500 K) ou faiblement enfouis. Ce manuscrit d´ecrit mes travaux de recherche durant les dix derni`eres ann´ees dans les domaines de l'instrumentation infrarouge thermique sur grand t´elescopes au sol et les applications astrophysiques centr´ees essentiellement sur de domaine de l'observation de disques circumstellaires autour d'´etoiles de pr´e-s´equence principale de type Herbig Ae. En particulier, l'imagerie infrarouge `a haute r´esolution angu- laire de ces disques (0.25-1.0 arcsec) m'a permis d'en ´etudier la g´eom´etrie `a relativement grande ´echelle (30-500 UA). La diversit´e de g´eometries rencontr´ee montre que ces disques ont chacun leurs particularit´es et que l'on commence aujourd'hui `a ˆetre capables de mettre en ´evidence leurs processus ´evolutifs. En outre, certaines structures observ´ees, comme des anneaux brillants d'´emission, pourraient ˆetre en lien ´etroit avec le processus de formation plan´etaire. Le dernier chapitre est consacr´e `a l'´etude des perspectives scientifiques concernant l'observation en in- frarouge moyen depuis le sol en lien avec le domaine de la plan´etologie. Je montre qu'un instrument infrarouge moyen install´e sur un Extremely Large Telescope aura la capacit´e de d´etecter et de caract´eriser les plan`etes g´eantes extra-solaires les plus proches (d< ∼20 pc). En outre, un tel instrument pr´esentera des capacit´es uniques pour ´etudier la formation plan´etaire dans les disques protoplan´etaires.

L'ébullition est présente dans la vie de tous les jours et elle a été par conséquent le sujet de beaucoup d'études, mais pour la plupart en régimes stationnaires. Néanmoins, l'intérêt de connaître les caractéristiques de l'ébullition transitoire est aussi important notamment pour la prévention des accidents nucléaires majeurs. C'est justement dans l'optique de mieux comprendre les phénomènes d'ébullition qui se produisent lors d'un RIA (Accident d'Insertion de Réactivité) que cette thèse a été financée par l'IRSN. Le RIA est un accident qui peut résulter d'une défaillance du mécanisme de la grappe contrôlant la réaction nucléaire. La réaction s'emballe pendant quelques dizaines de millisecondes (pulse de puissance) provoquant une augmentation rapide de la température du crayon de combustible et donc l'évaporation du liquide qui l'entoure. Des tests ont été faits par le passé soit sur des crayons de combustibles, soit sur des tubes chauffés ayant les mêmes dimensions qu'un crayon, afin d'améliorer la connaissance de ce phénomène. Par contre, les mesures étaient entachées d'incertitudes importantes, dues à des techniques de mesure non appropriées à des phénomènes si rapides. L'objectif de ce travail a été de concevoir et mettre en place une expérience capable de simuler un RIA à petite échelle, pour mieux comprendre les caractéristiques de l'ébullition lorsque la paroi monte en température très rapidement. De plus, ce dispositif expérimental devait être apte à étudier des montées en température moins violentes pour améliorer la connaissance de l'ébullition transitoire en général. Cette expérience a été conçue à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Elle est constituée d'une feuille métallique d'acier de 50µm d'épaisseur, formée en demi cylindre (8mm de diamètre et 200mm de longueur) et chauffée par effet Joule. Elle est entourée par du fluide réfrigérant HFE7000, qui permet de travailler en similitude par rapport au cas réel en eau. Le fluide est confiné par un deuxième demi cylindre en verre, ayant 34mm de diamètre. Les expériences peuvent être en vase ou avec écoulement, écoulement qui a été caractérisé par des mesures PIV. Plusieurs débits peuvent donc être employés et le sous-refroidissement du liquide est aussi ajustable. L'emploi d'une alimentation pilotable et très flexible permet d'obtenir des chauffages du métal jusqu'à 2500K/s, mais aussi des montées en température plus faibles, pour tracer des courbes d'ébullition stationnaires ou faiblement transitoires. La température de la paroi est mesurée grâce à une caméra infrarouge, couplée à des visualisations rapides et à des mesures de pression et température dans le liquide. / Boiling phenomena can be found in the everyday life, thus a lot of studies are devoted to them, especially in steady state conditions. Transient boiling is less known but still interesting as it is involved in the nuclear safety prevention. In this context, the present work was supported by the French Institute of Nuclear Safety (IRSN). In fact, the IRSN wanted to clarify what happens during a Reactivity-initiated Accident (RIA). This accident occurs when the bars that control the nuclear reactions break down and a high power peak is passed from the nuclear fuel bar to the surrounding fluid. The temperature of the nuclear fuel bar wall increases and the fluid vaporises instantaneously. Previous studies on a fuel bar or on a metal tube heated by Joule effect were done in the past in order to understand the rapid boiling phenomena during a RIA. However, the measurements were not really accurate because the measurement techniques were not able to follow rapid phenomena. The main goal of this work was to create an experimental facility able to simulate the RIA boiling conditions but at small scale in order to better understand the boiling characteristics when the heated-wall temperature increases rapidly. Moreover, the experimental set-up was meant to be able to produce less-rapid transients as well, in order to give information on transient boiling in general. The facility was built at the Fluid-Mechanics Institute of Toulouse. The core consists of a metal half-cylinder heated by Joule effect, placed in a half-annulus section. The inner half cylinder is made of a 50 microns thick stainless steel foil. Its diameter is 8mm, and its length 200mm. The outer part is a 34mm internal diameter glass half cylinder. The semi-annular section is filled with a coolant, named HFE7000. The configuration allows to work in similarity conditions. The heated part can be place inside a loop in order to study the flow effect. The fluid temperature influence is taken into account as well. A flexible power supply that can generate a free-shape signal, allows to get to a wall-temperature increase rate up to 2500 K/s but also to obtain lower rates, which permits to study weaker transients and steady state conditions. The thermal measurements are realised by means of an infra-red camera and a high-speed camera is employed in order to see the boiling phenomena at the same time. From the voltage and current measurements the heat flux that is passed to the fluid is known.

Dosage du polyisoprène et des résines de la biomasse de guayule (Parthenium argentatum) par spectroscopie proche infrarouge (SPIR) Méthodes d'extraction par solvant de référence Un protocole basé sur l'extraction accélérée (ASE) avec l'acétone (EA) (résine) puis l'hexane (EH) (polyisoprène, PI) a été sélectionné et optimisé (rendement maximal; adapté à l'analyse de séries) ; quantification d'abord basée sur le poids de l'extrait (gravimétrie). L'EH est maximal à 120°C après étapes avec l'acétone à 40°C (plan d'expérience). La contamination croisée a été confirmée par SEC et FTIR (5 à 29%), conduisant à une deuxième méthode basée sur résine et PI et non plus sur EA et EH, incluant le PI de faible masse molaire (Mw) de l'EA. Ces 2 méthodes de référence ont servi à calibrer la SPIR (chimiométrie/PLS, coeff. beta) afin de relier signature spectrale, PI, résine. ASE-SPIR, couplés ici pour la première fois, ont été plus performants (R² 0.96; 0.98; RPD 4.8; 4.6; EA et EH resp.) que les méthodes de la littérature, grâce aux 215 échantillons représentatifs (génotypes, saison, âge du guayule, climat). La méthode tenant compte de la contamination est moins performante (erreur exp. due aux analyses SEC et FTIR; variation de composition des résines). Ayant montré la dégradation du PI au cours de l'extraction, un autre protocole a été étudié (biomasse humide, un solvant, une seule étape, 20°C) afin d'accéder au Mw «natif », donnant 2.106 g au lieu de 6.105 avec la biomasse séchée; il faut donc être prudent face aux Mw de guayule de la littérature. Ce travail montre la nécessité de tenir compte de la complexité de la biomasse de guayule (échelle cellulaire/PI vacuolaire, résine des canaux; moléculaire/instabilité chimique) lors de l'extraction du PI pour l'analyse structurale. Ces méthodes analytiques ont contribué à produire des prototypes (gant non allergisant, pneu) à haut Mw et à l'acclimatation en Europe dans le cadre du projet EU-Pearls. / Measurement of resin and polyisoprene in Parthenium argentatum (guayule) biomass using near infrared spectroscopy (NIRS) -Associated solvent-based reference methods .A protocol based on sequential extraction with acetone (resin) and hexane (polyisoprene, PI) with accelerated solvent extraction (ASE) was optimized and selected (maximized yield; adapted to large series) instead of Soxhlet and homogenizer. Quantification was first based on extract weight (gravimetry). Hexane extract was maximized at 120°C, after acetone steps at 40°C, through an experimental design. Cross contamination was confirmed and quantified (5 to 29%; SEC and FTIR). This gave a second method based on resin and PI, instead of crude extracts, accounting for low average molar mass PI (Mw) extracted by acetone instead of hexane. Both reference methods were used for calibrating NIRS applied to powdered biomass, with chemometric tools (PLS loadings, beta coefficients) to interpret spectral bands vs PI-resin relationship. ASE, not used before as reference, is highly reliable, and calibration with gravimetry (R² 0.96; 0.98; RPD 4.8; 4.6; for acetone and hexane extract) better than published data, thanks to the 215 samples covering genotypes, harvest date, plant age, climate. The method using cross contamination was less efficient because of higher experimental error induced by additional SEC and FTIR, and change in resin composition. Having set NIRS methods, a new protocol (single solvent THF, minimized processing, 20°C, fresh biomass) was designed to avoid degradation, yielding PI extracts with Mw above 2.106g/mole, closer to in vivo structure (6.105 when using dried guayule); caution to sample preparation in literature dealing with guayule PI structure. This calls for considering the complex structure of guayule biomass (PI in cells; resin in ducts; chemical instability) when extracting PI. These methods allowed producing high PI Mw glove and tire prototypes and domesticating this new crop in Europe within the EU-Pearls project.

Les lasers solides dopés terres rares ont certains avantages: ils sont compacts, possèdent un fort rendement et leur faisceau est de bonne qualité. Le principal problème limitant la puissance est la production de chaleur inhérente au processus laser. Cette thèse comporte un premier volet consacré à l'étude de nouveaux matériaux à forte résistance à la puissance de pompage: GdVO4 :Yb et CaGdAlO4 :Yb en particulier. Des émissions laser quasiathermiques et des impulsions ultra-brèves ont été obtenues dans ce dernier. Dans un second volet, une nouvelle méthode d'assemblage par voie sol-gel a été étudiée pour créer des sources composites permettant une dissipation efficace de la chaleur. Avec cette technique, les homo-assemblages (matériaux de même nature chimique) présentent les mêmes capacités de résistance que ceux obtenus par la méthode de soudage par diffusion. Les hétéroassemblages (deux matériaux différents) sont difficiles à obtenir par diffusion mais, avec une interface issue du procédé sol-gel, ils ont résisté jusqu'à 200°C et 15 W de pompage. Les pertes lasers à l'interface sont négligeables et la température dans le matériau est abaissée de près de 40%.

L'objectif de cette thèse est de réaliser des revêtements de nitrure de bore sur différents types de substrats comme le graphite, le quartz, le pyrex, en allant jusqu'aux métaux et en particulier le titane. Le choix de la voie PDCs s'avère intéressant grâce à la maîtrise du précurseur de départ au niveau atomique d'une part et à la facilité du procédé de dépôt, d'autre part. Nos objectifs étaient d'étudier la faisabilité de réaliser des revêtements BN sur différents types de substrat en utilisant un traitement thermique résistif et de mettre en place un dispositif qui nous permette de pyrolyser les films polymériques sur métaux sans dommage pour le substrat, en vue de leur protection contre l'oxydation ou d'autres applications mécaniques. Dans ce sens, nous avons démontré la possibilité d'utiliser un traitement thermique alternatif par lampe halogène émettant dans l'infra-rouge pour densifier les revêtement BN déposer sur substrats métalliques.

Les précipitations résultent d'un phénomène atmosphérique caractérisé par une variabilité spatiale et temporelle forte. Cette variabilité dans la distribution des pluies et des évènements intenses a des impacts en hydrologie de surface variés selon les régions du monde. Toute modification du climat tropical est associée à une modification du cycle de l'eau et de l'énergie dans ces régions. Dans un contexte de changement climatique, il est donc important de développer des outils permettant d'estimer quantitativement les précipitations, à l'échelle du globe, à la fois sur les surfaces continentales et les surfaces océaniques. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'observation des précipitations depuis l'espace. En effet, la mesure des pluies nécessite une densité d'observations élevée qui, sur l'ensemble des Tropiques, n'est accessible qu'à partir d'observations spatiales. Depuis plusieurs décades, les moyens satellitaires à disposition ont beaucoup évolué et offrent aujourd'hui une densité d'observations de plus en plus fortes. Grâce aux nouvelles missions déployées telles que Megha-Tropiques au sein de la future constellation GPM (Global Precipitation Measurement), on a accès à un ensemble de systèmes d'observations qui amène à une densité accrue d'observations spatiales. L'estimation quantitative des précipitations n'était possible qu'à l'échelle mensuelle, il est maintenant envisageable d'estimer la pluie par satellite à des échelles de temps de plus en plus fines. Cette thèse s'intéresse aux échelles 1 ̊/1-jour, échelle clé pour les études météorologiques et hydrologiques. Il existe un large spectre de méthodes d'estimation de précipitations par satellite, de qualité inégale. Dans un premier temps, une analyse des produits issus des développements les plus récents montre que leur qualité a atteint un degré suffisant pour être utilisé de manière quantitative aux échelles de temps pertinentes en météorologie. Il apparaît également qu'à ces échelles de temps, il est nécessaire d'utiliser les estimations de cumuls de précipitations conjointement avec leurs barres d'erreurs. Une nouvelle méthode d'estimations de précipitations sur l'ensemble de la ceinture tropicale, appelée TAPEER (Tropical Amount of Precipitation with an Estimate of ERrors), est donc développée dans le but d'estimer des cumuls de pluie et leurs erreurs associées à l'échelle 1 ̊/1-jour. Cette approche est fondée sur une méthode de fusion de données de l'imagerie Infrarouge d'une constellation de satellites géostationnaires et d'estimations de taux de pluie issues de radiomètres Micro-ondes d'une constellation de satellites défilant. Des techniques de modélisations sont mises en oeuvre afin d'associer une erreur aux cumuls de pluie produits. Une investigation détaillée du bilan d'erreur de la méthode TAPEER montre que les sources principales d'incertitudes sont liées à l'échantillonnage et aux biais systématiques sur les taux de pluie d'intensité moyenne. Une étude sur l'été 2009 révèle l'importance de l'utilisation de la barre d'erreur dans l'analyse de la distribution des pluies, en particulier pour les plus forts cumuls sur la ceinture tropicale.

Th.--Sci.--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 20.

Ce travail avait pour objectif principal l’étude par spectroscopie vibrationnelle Raman et IR, couplée à l’analyse statistique de type ACP, la détection des changements moléculaires induits par différentesclasses d’antibiotiques (ampicilline, céfotaxime,tétracycline et ciprofloxacine) vis-à-vis de deux bactéries modèles (E. coli et V. parahaemolyticus). Dans le cas d’E. coli, l’ampicilline et le céfotaxime ont provoqué une baisse des bandes protéiques en Raman et IR, une augmentation des carbohydrates en IR.L’addition de la tétracycline a entraîné une augmentation des acides nucléiques, une forte baisse de la phénylalanine en Raman, une diminution des bandes protéiques et une augmentation de l’ADN en Raman et IR. Concernant la ciprofloxacine, une augmentation des acides nucléiques en Raman, une augmentation des bandes protéiques et de l’ADN en IR ont été observées. Chez V. parahaemolyticus, le céfotaxime a provoqué une baisse des protéines en Raman et Infra-rouge, une augmentation des polysaccharides en Infra-rouge. L’addition de la tétracycline a entraîné une baisse de la phénylalanine en Raman, une baisse des protéines en Raman et Infra-rouge, une augmentation des polysaccharides en Infra-rouge. Concernant la ciprofloxacine, une augmentation des polysaccharides et une diminution des bandes protéiques en Raman et IR ont été détectées. Une nette discrimination entre les échantillons traités aux antibiotiques et le témoin a été enregistrée chez E. coli et V. parahaemolyticus. Pour cette dernière, le profil de résistance à l’ampicilline a aussi été observé. Ce travail jette les bases d’une compréhension des mécanismes d’antibio-résistance dans les systèmes bactériens. / The present study aimed to explore Raman and IR in combination with PCA to detect molecularchanges induced by different classes of antibiotics(ampicillin, cefotaxime, tetracycline and ciprofloxacin) against two bacterial models (E.coli and V. parahaemolyticus) In E. coli,ampicillin and cefotaxime treatments led to a decrease of protein bands in both Raman and IR,an increase of carbohydrates in IR. Tetracycline addition caused an increase of nucleic acids, a sharp decrease of phenylalanine in Raman, a decrease of protein bands and an increase of DNA in both Raman and IR. For ciprofloxacin, an increase of nuleic acids in Raman, an increase of protein bands and DNA in IR were observed. In V. parahaemolyticus, cefotaxime resulted in a decrease of protein bands in both Raman and IR,an increase of polysaccharides in IR. Tetracycline increase of polysaccharides and a decrease of proteins in both Raman and Infra-red were noticed. Clear discrimination of antibiotic-treated samples compared to the control was recorded for the three antibiotic classes in both E. coli and V. parahaemolyticus. For the latter, resistance pattern has also been observed for ampicillin. This work lays the foundations for an understanding of the mechanisms of antibiotic resistance in the bacterial systems.

Les cellules photoacoustiques sont des capteurs optiques qui utilisent l'absorption des photons par des molécules de gaz pour générer une onde de pression proportionnelle à leur concentration. Le signal photoacoustique est également inversement proportionnel au volume de la cellule. La miniaturisation de la cuve permet donc l’amélioration des performances du capteur. Le travail de cette thèse consiste en la conception, la réalisation et la caractérisation de cellules photoacoustiques résonantes différentielles d’Helmholtz (DHR) miniaturisées. Dans un premier temps, des simulations par la méthode des éléments finis de cellules à l'échelle millimétrique ont permis de montrer que la miniaturisation de ce type de résonateur est une voie prometteuse. Aussi, la réalisation ambitieuse d’une cellule DHR sur silicium a été engagée en utilisant les techniques de la microélectronique. Cependant, cette voie de miniaturisation extrême s'est heurtée à des difficultés de réalisation, qui n'ont pas permis d'obtenir des dispositifs fonctionnels. Une alternative de miniaturisation, à l'échelle centimétrique, utilisant des microphones MEMS du commerce, a donc été engagée. Trois cellules fabriquées par différentes méthodes ont été réalisées et testées pour la détection de méthane. La dernière génération a permis la détection d'environ 100 ppb de méthane avec un laser à cascade interbande commercial à 3,357 µm de longueur d’onde. Pour préparer la prochaine génération de cellules, l'optimisation de la géométrie a été effectuée par simulation. Cette optimisation permet d'envisager une augmentation de 43 % du signal par rapport à la cellule la plus performante. / Photoacoustic cells are optical sensors based on the absorption of photons by gas molecules. The pressure wave created by gas relaxation is proportional to the trace gas concentration. Furthermore the photoacoustic signal is inversely proportional to the cell volume. Thus cell miniaturization enables performances improvements. This work consists in designing, realizing and characterizing miniaturized photoacoustic cells, based on the differential Helmholtz resonator (DHR) principle. In a first phase, modeling by the finite element method of millimeter scale cells has shown that the miniaturization of this type of resonator should effectively improve the detection limit. Thus, the ambitious realization of a DHR cell on silicon by the use of microelectronic techniques has been attempted. However, this extreme miniaturization direction encountered design and fabrication difficulties which made the produced devices unusable. To overcome these difficulties, a miniaturization alternative, at the centimeter scale, using commercial MEMS microphones, has been carried out. Three cells have been built by different methods and have been tested for methane detection. The last cell generation can detect around 100 ppb of methane with a commercial interband cascade laser at 3.357 µm of wavelength. Finally, to anticipate the next cell generation fabrication, a geometry optimization has been performed by simulation. This optimization shows that a 43 % signal improvement, compared to the most performant cell already built.

La conception de récepteurs artificiels pour la reconnaissance moléculaire est un domaine très développé de la chimie supramoléculaire. Ce manuscript renferme les premières études réalisées sur une nouvelle classe de récepteurs supramoléculaires: les Discopus. Le Discopus offre un potentiel d’interactions via un cœur polyaromatique triphénylène (interactions p, effet hydrophobe) et une périphérie fonctionnelle flexible (Liaisons hydrogènes, interactions ioniques, hydrosolubilité) qui peut agir en coopérativité. Ces systèmes de reconnaissance peu préorganisés ont montré leur capacité de reconnaissance et leur aptitude à être sélectivif. Plusieurs familles de ces récepteurs ont été élaborées. Une famille de récepteurs phosphorylés reconnaît sélectivement les dérivés catéchol en milieu organique par liaisons Hydrogène et interactions p. Une seconde famille de Discopus carboxylés ont permis la reconnaissance, en milieu aqueux tamponné, de l’acétylcholine et les catécholamines par interactions ioniques et désolvatation de cibles. La préparation de cages à base triphénylène est en cours de réalisation afin d’amplifier le phénomène de reconnaissance. / The conception of artificial receptors is an intense field of research. This manuscript contains the first studies of a new class of receptors named discopus. The discopus can interact through a triphenylene core (p interactions, hydrophobic effect) and their flexible functional arms (hydrogen bonds, ionic interaction) which may cooperatively interact. These binding systems are just a little bit pre-organized and possess selective recognition properties. Several families of receptors have been prepared. Phosphorylated receptors showed a selective for catechol derivatives in organic media, through Hydrogen bond and p- interactions. In buffered media, carboxylated discopus allowed the recognition of acetylcholine and catecholamines through ionic interactions and desolvatation of the targets. The preparation of cages, based on triphenylene moieties, is in progress to increase the phenomenon of recognition.