Au cours des dernières décennies, le contrôle de la corrosion des alliages exposés à des conditions sévères et complexes a été un grand défi pour les applications industrielles. Les coûts de la corrosion sont élevés et les stratégies de prévention sont devenues une demande industrielle importante. Le projet SCAPAC financé par l’ANR, a proposé d’étudier la corrosion lors de deux procédés industriels: le vapo-réformage du méthane et l’incinération des déchets ménagers. Bien que les conditions de fonctionnement de ces deux procédés soient différentes, les approches de modélisation peuvent être similaires. Dans le procédé de vapo-réformage du méthane, les composants métalliques sont soumis à la corrosion par « metal dusting », qui est une forme d’endommagement catastrophique qui affecte les alliages exposés à des températures élevées (400-800 °C) et des atmosphères sursaturées en carbone. De même, les composants métalliques des incinérateurs de déchets qui sont exposés à des atmosphères de combustion sont soumis à la corrosion à haute température sous dépôts de cendres. Le « metal dusting » est un phénomène critique qui a mené à des pertes matérielles importantes et à l’arrêt d’installations industrielles pendant les 50 dernières années. Les mécanismes de cette dégradation ont été identifiés et sont disponibles dans la littérature. Cependant, l'effet de certains paramètres des procédés ne sont pas encore bien compris et nécessitent des compléments d'études. En ce qui concerne la corrosion à haute température, les mécanismes sont bien documentés et une quantité considérable de travaux ont été publiés au cours des dernières décennies. De nombreux matériaux et revêtements ont été développés. Cependant, la performance des matériaux dans des environnements différents n'est pas assez bien comprise pour créer des modèles de prédiction de durée de vie. Une revue bibliographique de ces deux domaines a révélé qu’il existait des approches de modélisation. Néanmoins, il n'y a pas actuellement de modèle prédictifs fiables de durée de vie qui soit disponible dans la littérature pour les alliages commerciaux, et pour une gamme étendue de conditions expérimentales. La présente étude présente une méthodologie pour développer des modèles statistiques de prévision de durée de vie. Il s’agit d’évaluer la performance de matériaux soumis au « metal dusting » et à la corrosion à haute température sous dépôt. Deux bases de données ont été construites pour intégrer les résultats expérimentaux du projet SCAPAC, aussi bien que résultats de la littérature. Ceci afin d’avoir suffisant des données pour la modélisation. Ces bases de données ont permis d'analyser plus de 4000 vitesses de corrosion à l’aide de méthodes statistiques appliquées à différents scénarios. La méthodologie de l’Analyse des Composantes Principales (ACP) a été utilisée pour identifier les paramètres clés des mécanismes de corrosion, qui ont été ensuite utilisés pour construire des modèles de prédiction de durée de vie par Régression Linéaire Multiple (RLM). Pour la corrosion à haute température, trois modèles ont été obtenus dans le scénario de gradient thermique pour trois familles d'alliages: des aciers ferritiques, des alliages austénitiques à base de fer et nickel et des alliages à base de nickel, en montrant des résultats encourageants. Pour la corrosion par « metal dusting », deux modèles ont été obtenus pour expliquer le temps d'incubation et la cinétique croissance de profondeur de piqures, avec des résultats satisfaisants. Les modèles statistiques dans les deux cas ont été comparés avec deux résultats expérimentaux et théoriques montrant un bon accord, qui permet l'évaluation de la durée de vie des matériaux dans les conditions définies. / Over the last decades, the corrosion control of alloys exposed to severe and complex conditions in industrial applications has been a great challenge. Currently, corrosion costs are increasing and preventive strategies have become an important industrial demand. The SCAPAC project funded by the French National Research Agency has proposed to study the corrosion for two separate processes: Steam Methane Reforming (SMR) and Waste to Energy (WtE). Although the operating conditions of both processes are different, the modeling approaches can be similar. Metallic components in the SMR process are subjected to metal dusting corrosion, which is a catastrophic form of damage that affects alloys exposed to highly carburising gases (aC>1) at high temperatures (400–800 °C).[1]. Likewise, metallic components in the Waste to Energy (WtE) process are subjected to high temperature corrosion under deposit that takes place in equipment exposed to atmospheres with high content of corrosive products of combustion. Metal dusting corrosion is considered as a critical phenomenon that has led to worldwide material loss for 50 years. A basic understanding of the degradation mechanisms is available. However, the effect of some process parameters is still not well understood in current literature and requires further study. Otherwise for high temperature corrosion, a considerable amount of literature has been published over the last few decades and the mechanisms are well documented. Also many materials and coatings have been developed. However, the material performance in different environments has not been sufficiently well understood to define suitable criteria for lifetime prediction models regarding operating conditions, due to the high complexity of the corrosion phenomena involved. Literature research in both fields revealed modeling approaches in different kinds of complex conditions and applications. Nevertheless, there are no lifetime models currently available in the open literature for commercial materials that consider a wide range of conditions and the relative weight of the variables involved in the corrosion processes. This dissertation presents a methodology to develop lifetime prediction models to evaluate materials performance under metal dusting and high-temperature corrosion conditions. Two databases were created to integrate experimental results from the SCAPAC project, as well as results from literature to enable sufficient amount of data for modeling. The databases allowed analyzing approximately 4000 corrosion rates by different statistical methods over different scenarios. The Principal Component Analysis (PCA) methodology was performed to identify the key parameters to create lifetime prediction models using Multiple Linear Regressions (MLR). For high-temperature corrosion, three models were obtained in the thermal gradient scenario for three families of alloys: low alloyed steels, Fe/Ni-based high temperature alloys and Ni-based alloys, showing agreeable results. For metal dusting corrosion, two models were obtained to explain the incubation times and the kinetic of pit depth growing, showing satisfactory results. The statistical models in both cases were compared with experimental and theoretical results showing good agreement with experimental findings, which allows performing the lifetime assessment of materials under defined conditions.

Le récepteur d’une centrale solaire à tour est l’élément clé de la conversion du rayonnement en chaleur. Dans le cadre de la thèse, il s’agit d’un récepteur métallique dans une centrale de type HSGT (Turbine hybride solaire gaz) refroidi par air pressurisé. En condition normale de fonctionnement, le récepteur chauffe l’air de 350 à 750°C. La température de l’air en sortie chute à 400°C en moins de 15 minutes si le soleil est masqué, par un nuage par exemple. L’objectif est de maintenir la température de l’air en sortie supérieure à 600°C durant 15 minutes sans ensoleillement. Pour parvenir à cet objectif, un stockage thermique intégré au récepteur est envisagé. Parallèlement le stockage de chaleur doit prolonger la durée de vie du récepteur en lui évitant de subir d’intenses chocs thermiques. L’étude porte sur la zone la plus chaude du récepteur, atteignant 800°C. Lorsque le soleil brille (le récepteur est insolé), une partie de la chaleur est stockée dans un matériau qui passe de l’état solide à liquide. Cette chaleur est restituée au récepteur lors de la transformation inverse (liquide à solide) si le soleil est masqué. Les variations de la température du récepteur sont ainsi plus douces et le récepteur est épargné des chocs thermiques. L’utilisation d’un matériau à changement de phase tel que le carbonate de lithium (fusion à 723°C) réduit le volume et la masse du stockage installé directement à l’arrière du récepteur. Ce matériau stocke une grande quantité de chaleur sur une gamme de température peu étendue. Cependant les matériaux à changement de phase ne permettent pas de transférer la chaleur rapidement à cause de leur faible conductivité thermique. C’est la raison pour laquelle l’intensification de ces transferts est étudiée. La mise en place d’ailettes en cuivre à l’intérieur du stockage améliore les transferts de chaleur, grâce à la conductivité thermique élevée du métal. Un modèle numérique représentatif du comportement thermique du stockage est développé. Le travail de conception du stockage aboutit à la fabrication d’un banc expérimental. Les résultats obtenus sont comparés au modèle afin de le critiquer. Les conclusions permettent d’envisager la conception d’un stockage thermique de protection à l’échelle du récepteur. / The thesis deals with the problem of thermal inertia and life time of the solar receiver of a Concentrated Solar Power tower plant. A specific attention is paid to the situation of HSGT (Hybridized Solar Gas Turbine) systems using pressurized air as HTF (Heat Transfer Fluid). The intermittence of solar radiation, mainly resulting from cloudy events, causes important temperature fluctuations that contribute to the premature aging. Therefore, a Thermal Energy Storage (TES) is developed for the protection of the receiver. The design focuses on the high temperature section of the receiver. As a consequence of the elevation of temperature in this stage, the expected temperature of the receiver ranges between 600°C and 800°C. Once the receiver is no longer irradiated, the temperature of the outlet air of the receiver, which is 750°C at designed point, decreases below 400°C in less than 15 minutes. The objective is to integrate the TES into the solar receiver to maintain this air temperature higher than 600°C after 15 minutes of discharge. A low capacity TES is targeted. Besides, the storage should enhance the lifetime of the receiver during the operation, by avoiding temperature drops. A test bench is designed based on a technology using both Phase Change Material (PCM) and metallic fins in order to enhance charge and discharge power of the storage unit. The selected metal is copper, because of its great thermal conductivity. The thermal storage medium must operate in the range 600°C – 800°C. The lithium carbonate has been selected mainly because of its phase change temperature, 723°C. A numerical model is developed in order to help the design of the test bench and compare experimental results. The conclusions lead to one-scale design of the thermal storage integrated to the solar receiver.

Les “alliages à haute entropie (de mélange)” (AHE) sont une nouvelle famille de matériaux prometteurs. Ils sont caractérisés par la formation d'une solution solide à 5 éléments (en proportions équiatomiques) de structure cristalline simple. Dans cette thèse, la composition cubique centrée TiZrNbHfTa est étudiée, proposant une caractérisation en profondeur d’un alliage considéré « de référence » dans la famille des AHE réfractaires.Tout d'abord, la microstructure et la structure de l’alliage (dans son état brut de coulée ou recristallisé) sont étudiées. L’environnement local de sous-systèmes de TiZrNbHfTa est analysé par EXAFS. Le traitement des données est effectué par une double approche d’affinement EXAFS et de simulation Reverse Monte-Carlo couplée à une approche d’algorithme génétique. Un mélange quasi-parfait des différents éléments est obtenu à l’échelle locale et la distribution de distance des premiers voisins devient moins bien définie sous l’effet de l’augmentation des différences entre rayons atomiques.Ensuite, l’impact de la solution solide concentrée sur les propriétés mécaniques et les mécanismes de déformation de l’alliage est étudié. Des essais mécaniques spécifiques sont effectués, conduisant à l’obtention des volumes d’activation et à la partition de la contrainte d’écoulement. Une étude MET complémentaire permet d'analyser les microstructures de déformation. Une très haute limite d’élasticité est obtenue, mais la force de friction de Peierls contrôle de manière classique la déformation de cet alliage à la température ambiante, ce qui conduit à un taux d’écrouissage limité. Une nouvelle approche visant à augmenter cette propriété est finalement proposée / High entropy alloys (HEA) are a new promising type of materials. Breaking with the traditional alloying concepts, solid solution(s) based on 5 elements in equiatomic concentration with simple crystal structures are obtained. In this study, the equiatomic composition TiZrNbHfTa is investigated, in order to provide an in-depth characterization of a “reference” body centered cubic refractory HEA.First, the microstructure and structure of the alloy are studied. Thermomechanical treatments procedures are established to access recrystallized microstructures. The local environment is studied by EXAFS in sub-components of the TiZrNbHfTa system. The double approach used, based on EXAFS fit and reverse Monte-Carlo coupled with evolutionary algorithm allowed to quantify both the mixing of the elements at the atomic scale and the lattice distortion. For all the investigated compositions, good mixing is achieved, and the distance distribution of first nearest neighbors becomes less precise with increasing atomic size mismatch.Then, the impact of such concentrated multi-element solid solution on the mechanical properties and the deformation mechanism of the material is investigated by specific tests. The activation volumes and the flow stress partition are extracted. The mechanical results are coupled with a TEM study. This part evidences that the alloy displays an impressive yield strength. However, the high lattice friction controlling the dislocation glide does not differ from classical bcc structures, leading to a rather low work hardening. A new design approach aiming at increasing the work-hardening in such materials is finally proposed, and a proof of concept is given

Nous nous proposons d'explorer les propriétés structurales et vibrationnelles de la glace d'ammoniac en présence de fluor et d'eau sur une large gamme de pression et de température. Ces solides moléculaires et ioniques sont des idéaux afin d'étudier les quatre liaisons hydrogène les plus importantes O-H...O, N-H...N, O-H...N et N-H...F et le mécanisme de transfert de proton le long de ces liaisons. Bien que ces mélanges soient composés de molécules simples, ils sont omniprésents dans l'univers et en particulier à l'intérieur des planètes géantes glacées (Neptune, Uranus) et de leurs satellites (Titan, Ganymède), ce qui a motivé leur exploration sous haute condition de pression et de température. Nous utilisons plusieurs méthodes ab initio afin d'étudier le diagramme de phase de deux cristaux, le fluorure d'ammonium (NH4F) et l'ammoniac monohydraté (NH3.H2O). Après avoir prédit plusieurs structures cristallographiques à 0 K, nous avons pu nous consacrer aux calculs de spectres Raman et infrarouge ainsi qu'à la prise en compte des effets de désordre et dynamique en utilisant la méthode de la dynamique moléculaire ab initio. Nos résultats ont ensuite été comparés à ceux issus des expériences sous enclumes de diamant. Nous avons découvert une transition de type ordre-désordre au sein de NH4F et un diagramme de phase très similaire au diagramme de phase de l'eau. Enfin, nous avons démontré que des conditions thermodynamiques relativement douces étaient suffisantes afin de transformer le mélange NH3.H2O en un cristal exotique où coexiste des molécules d'ammoniac et d'eau avec des ions hydroxyde et ammonium. / In this thesis, we explore the structural and vibrational properties of fluorinated and hydrated ammonia ices over a wide range of pressure and temperature. These crystals are considered as models to study the four main hydrogen bonds O-H…O, N-H…N, O-H…N, N-H…F and proton hopping mechanisms along these bonds. Although these mixtures are composed of simple molecules they are considered to be the major components of the interior of the giant icy planets (Neptune, Uranus) and their satellites (Titan, Ganymede), which has motivated their exploration under high pressure-temperature conditions. Here we investigate the phase diagram of two crystals, ammonium fluoride (NH4F) and ammonia monohydrate (NH3.H2O) by using several ab initio methods. Firstly, we have performed random structural search calculations in order to predict the lowest enthalpy structures at 0 K. On the other hand, we have calculated Raman and infrared spectra of the most promising structures and ab initio molecular dynamics simulations were performed for the understanding of disorder and dynamic effects. Then, our results have been compared to experimental evidence. We have discovered an order-disorder transition in NH4F with a phase diagram surprisingly similar to that of water. Finally, we have demonstrated that relatively mild pressure conditions were sufficient to transform NH3.H2O into an exotic phase where the standard molecular forms of water and ammonia coexist with their ionic counterparts, hydroxide and ammonium ions.

La phase II de l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est constituée de cinq télescopes à imagerie Cherenkov dédiés à l’observation de sources astrophysiques de l’hémisphère sud émettant des photons au-delà de 30 GeV. Cette thèse présente le fonctionnement de cet instrument ainsi que toute la chaîne d’analyse associée avec une attention particulière sur le cinquième télescope mis en opération en juillet 2012. Les méthodes d’étalonnage du système sont détaillées. Ensuite, une méthode d’analyse des données, basée sur un modèle semi-analytique de développement des gerbes électromagnétiques dans l’atmosphère, est expliquée. Une méthode de reconstruction du spectre en énergie des sources de photon gamma de haute énergie est présentée. Les méthodes de sélection des photons gamma parmi le bruit de fond de hadrons sont étudiées. En particulier, le développement d’une nouvelle variable de rejet du bruit de fond utilisant les données temporelles du cinquième télescope est exposé. Une étude systématique des performances de l’analyse ainsi que des coupures de sélection des photons gamma est effectuée dans le but d’atteindre le plus bas seuil en énergie possible en contrôlant la soustraction du bruit de fond. Le Centre Galactique a longuement été observé par H.E.S.S., qui a mis à jour une source ponctuelle très brillante à très haute énergie ainsi qu’une une émission diffuse le long du plan Galactique. Les observations du Centre Galactique par la phase II de H.E.S.S. au cours de l’année 2014 sont présentées. Une reconstruction spectrale de la source centrale est effectuée. / The phase II of the H.E.S.S. experiment (High Energy Stereoscopic System) consists of five imaging atmospheric Cherenkov telescopes to study the southern astrophysical sources above 30 GeV. This thesis present the detector as well as the analysis chain, with a deep look on the fifth telescope commissioned on July 2012. The calibration method are described in detail. Then, an analysis based on a semi-analytical model of the electromagnetic shower development in the atmosphere is explained. A tool to reconstruct the energy spectrum of the very high energy gamma ray sources is presented. The methods of gamma ray selection among the hadron background are studied. Especially, the development of a new variable using the temporal data of the fifth telescope for the background rejection is shown. A systematic study of the analysis performances and of the selection cuts is accomplished, in order to reach the lowest energy threshold while keeping control of the background subtraction. The Galactic Centre has long been observed by H.E.S.S., which has detected a bright and punctual source at very-high energy as well as a diffuse emission along the Galactic plan. The Galactic Centre observations performed by the phase II of H.E.S.S. during the year 2014 are presented. A spectral reconstruction of the central source is performed.

La technique Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) a été adoptée par plusieurs systèmes de télécommunications et de diffusion pour sa robustesse, sa capacité à transmettre de hauts débits dans des canaux radiomobiles et pour son efficacité spectrale. Cependant, les signaux OFDM sont caractérisés par des fluctuations importantes, mesurées par le rapport de la puissance crête sur la puissance moyenne (Peak to Average Power Ratio – PAPR) du signal, qui génèrent des distorsions à la sortie de l’amplificateur non-linéaire de puissance (High Power Amplifier - HPA) et ne permettent pas de l’utiliser dans sa zone optimale afin de diminuer sa consommation énergétique. La deuxième génération de la norme Digital Video Broadcasting (DVB-T2) a notamment adopté la technique Tone Reservation (TR) de réduction du PAPR. Son principe consiste à créer un noyau, à partir d’un ensemble de sous-porteuses réservées, qui est ensuite ajouté d’une manière itérative au signal OFDM de façon à réduire les pics du signal et donc son PAPR. Dans la première partie de la thèse, différents algorithmes permettant d’améliorer les performances de cette solution TR DVT-T2 sont proposés. Un premier groupe de solutions, reposant sur la même définition du noyau, comprend : la technique Partial Oversampling and Fractional Shifted Kernels (POFSK) reposant sur un sur-échantillonnage partiel du signal, la technique Dynamic Threshold (DT) qui effectue un calcul dynamique du seuil de troncature et la technique Enhanced Peak Selection (EPS) qui améliore la sélection des pics à réduire. Le deuxième groupe de solutions comprend tout d’abord la technique Individual Carrier Multiple Peaks (ICMP) qui repose sur une nouvelle définition du noyau et utilise un calcul de phase différent permettant la réduction de plusieurs pics en même temps. La technique GICMP est une version optimisée de la technique ICMP qui, en parallélisant les opérations, permet de réduire le délai de traitement et le nombre total d’itérations. Les résultats de simulations et les mesures effectuées sur une plateforme de transmission réelle montrent que, par rapport à la version TR de DVB-T2, l’algorithme GICMP offrait notamment un gain de l’ordre de 2.5 dB en termes de Modulation Error Rate – MER ou permettait une réduction de 10 % de l’énergie consommée par l’amplificateur de puissance à performances identiques. [...] / Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been adopted by many telecommunication and broadcasting systems for its robustness, high transmission rates, mobility and bandwidth efficiency. However, OFDM signals are characterized by high power fluctuations, measured by the Peak to Average Power Ratio (PAPR), which cause distortions at the output of the non-linear High Power Amplifier (HPA) and prevent the radio frequency designer to feed the signal at the optimal point of the HPA specifications in order to reduce the energy consumption. The second generation of Digital Video Broadcasting (DVB-T2) adopted two PAPR reduction techniques, one of them is Tone Reservation (TR). TR creates a Kernel from a reserved set of subcarriers. The kernel is then iteratively added to the OFDM signal in such a way to reduce its peaks thus reducing its PAPR. In the first part of the thesis, different algorithms offering better performances compared to the DVB-T2 TR solution are proposed. A first group of solutions introduces changes and enhancements to the TR algorithm adopted in DVB-T2 TR but keeps the same kernel definition. This group includes: the Partial Oversampling and Fractional Shifted Kernels (POFSK) technique which is based on a partial oversampling of the signal, the Dynamic Threshold (DT) technique which allows better algorithm convergence by dynamically computing the PAPR reduction threshold for every OFDM symbol, and the Enhanced Peak Selection (EPS) technique which provides additional PAPR reduction by choosing the appropriate signal peaks to reduce and the peaks to skip. The second group of solutions includes the Individual Carrier Multiple Peaks (ICMP) technique which is based on a special kernel definition that changes from one algorithm iteration to another and uses a different phase calculation approach that allows the reduction of multiple peaks at a time. GICMP is an optimized version of ICMP that allows the parallelization of iterations in such a way to reduce the processing delay and the number of algorithm iterations. The simulation results and real hardware platform measurements of the proposed algorithms showed that, compared to the DVB-T2 TR version, the GICMP algorithm allows a Modulation Error Rate – MER gain of up to 2.5 dB or a 10 % reduction in HPA consumed energy with the same performances.

L’usage de l’alliage de vanadium V-4Cr-4Ti comme matériau de gainage du combustible dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na) représente un intérêt tout à fait particulier de par ses propriétés physico-chimiques attractives à savoir : une bonne compatibilité avec le sodium liquide, une transparence neutronique élevée et de bonnes propriétés mécaniques sous irradiation. Toutefois, la dissolution de l’oxygène dans le vanadium conduit à son durcissement de manière considérable et rend, par conséquence, son utilisation conditionnée par l’utilisation de protection externe moyennant des revêtements faisant office de barrière de diffusion à l’oxygène présent dans le sodium liquide à hauteur de quelques ppm. Au cours de ce travail, des revêtements diffusionnels à base siliciures binaires et ternaires sont élaborés essentiellement par cémentation activée en caisse. Leur capacité à protéger le substrat dans des milieux simulant les conditions d’un RNR-Na, caractérisés par un faible potentiel oxydant de O2, est avérée suite à des tests d’oxydation sous hélium impur à 650°C et de corrosion dans le sodium liquide à 550°C (test CorroNa au CEA de Saclay). D’autres tests d’oxydation sous air (cycliques, isothermes et fluage-flexion 3 points) ont montré la bonne résistance des revêtements à des températures au-delà de 900°C grâce à la formation d’une couche protectrice de SiO2, adhérente et compacte. Un autre volet de ce travail a permis d’aborder la stabilité microstructural du système gaine/revêtement dans les conditions accidentelles. Ceci a nécessité le calcul des coefficients d’interdiffusion en s’appuyant parallèlement sur les modèles de croissance multicouche de Wagner et de consommation mutuelle de Buscaglia. En dernier lieu, la coupe isotherme à 1200°C et la projection liquidus du système V-Cr-Si sont étudiés. Cette étape, préliminaire à l’étude du système quaternaire V-Cr-Ti-Si, doit permettre en perspective l’optimisation de l’architecture du revêtement et aider à la compréhension des mécanismes d’oxydation / The use of vanadium alloy V-4Cr-4Ti as fuel cladding in the generation IV sodium cooled fast reactor (SFR) is considered with a great interest thanks to its attractive physico-chimicals properties namely: a good compatibility with liquid sodium, a high neutronic transparency,a good mechanical properties even under irradiation. However, the dissolution of oxygen in vanadium leads to its hardening. This behavior imposes, consequently, the use of on external protection as coatings that can be considered as a barrier against oxygen diffusion contained in liquid sodium at very low concentrations (a few ppm). In this work, binary and ternary diffusional silicides coatings are produced mainly by halide activated pack cementation. Their ability to protect the substrate in media simulating a SFR’s conditions, with a low oxidation potential of O2, is proved according to the results of oxidation tests in impure helium at 650 ° C and corrosion in sodium liquid at 550 ° C (CorroNa test at CEA de Saclay). Other air oxidation tests (cyclic, isothermal and creep-bending 3 points) showed good resistance of coatings at temperatures above 900°C due to the formation of a protective layer of SiO2, adherent and compact. In another part of this work, the microstructural stability of the cladding/coating system in accidental conditions is studied. This required the calculation of interdiffusion coefficients using models of multilayer growth as proposed by Wagner and mutual consumption as proposed by Buscaglia. Finally, the isothermal section at 1200 ° C and the liquidus projection of V-Cr-Si system are studied. This step, preliminary to the study of quaternary V-Cr-Ti-Si system, should allow as a perspective the optimization of the architecture of the coating and help to understand the oxidation mechanisms

Les microrésonateurs à modes de galerie en matériaux amorphes sont faciles à produire par des techniques de fusion. Leur facteur de qualité est cependant limité à quelques 108 du fait du phénomène de contamination de surface ou d'une absorption résiduelle plus importante que celle des matériaux cristallins. Nous avons développé deux méthodes utilisant des micro-résonateurs actifs, fabriqués par fusion de poudres de verres ZBLALiP dopés Erbium, permettant de dépasser cette limite. Il est tout d'abord possible de compenser les pertes en introduisant du gain optique dans le micro-résonateur. Des facteurs de qualité chargés de 5×109 correspondant à un facteur de qualité intrinsèque de 1010 ont ainsi pu être mesurés. En plus d'une augmentation du facteur de qualité, le gain interne offre un paramètre supplémentaire de contrôle du couplage, cela nous a permis d'obtenir tous les régimes de couplage d'un résonateur à partir du sous couplage jusqu'au régime d'amplification sélective. Nous avons atteint en particulier le régime de transparence, un micro-résonateur dans un tel régime peut trouver des applications comme ligne à retard variable transparente ayant un retard de groupe qui peut être modifié en jouant sur le taux de couplage entre le résonateur et la ligne d'accès. La deuxième méthode consiste à augmenter très fortement la valeur de l'indice de groupe du milieu par des effets de lumière lente. Un indice de groupe d'environ 4×106 a été obtenu via le phénomène d'Oscillations Cohérentes de Populations (OCP) ce qui caractérise un très fort ralentissement de la lumière. Ceci nous a permis d'augmenter, dans une micro-cavité, le temps de stockage des photons de 200 ps à 2,5 ms ce qui correspond à un facteur Q de 3×1012. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination or residual absorption which limits their long term quality factor to only about 108. We show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. Moreover it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification by changing the pumping rate. We demonstrate a critically coupled fluoride glass WGM microresonator with a diameter of 220 μm and a loaded Q-factor of 5,3×109. We also show that by introducing slow-light effects in a monolithic WGM microresonator it is possible to enhance the photon lifetime by several orders of magnitude and circumvent fabrication limitations. We experimentally demonstrate Erbium-doped fluoride glass microresonators with a photon lifetime up to 2,5 ms at room temperature, corresponding to a Q-factor of 3×1012 at 1530 nm, by combining WGM resonance effect and population oscillations.

L'identification des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (au-delà de 10^18 eV) constituerait une avancée majeure aussi bien dans le domaine de l'astrophysique que dans celui de la physique des particules. La difficulté principale dans la recherche de telles sources réside dans la perte de l'information directionnelle des rayons cosmiques les moins énergétiques. En effet, leur direction est sujette à des déviations d'amplitude inversement proportionnelle à leur énergie à cause des champs magnétiques qu'il traversent lors de leur propagation jusqu'à la Terre. D'autre part, pour des énergies supérieures à 4x10^(19)eV, l'interaction des rayons cosmiques avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon de leurs sources à l'Univers proche (200 Mpc ou moins). Cette thèse a été effectuée au sein de l’observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques de haute énergie. Elle est dédiée à l'étude, la sélection, la reconstruction, ainsi qu'à l'analyse des évènements de plus haute énergie. D'autre part, les particules de plus bas numéro atomique sont plus susceptibles de garder leur direction mais la composition des rayons cosmiques est inconnue à de telles énergies. Une méthode de sélection des événements les plus similaires aux protons a été élaborée et développée dans cette thèse pour étudier la possibilité de leur utilisation pour une "astronomie protons" / Identifying the sources of the ultra-high energy cosmic rays (UHECRs, above 10^{18} eV), the most energetic particles known in the universe, would be an important leap forward for both the astrophysics and particle physics knowledge. However, developing a cosmic-ray astronomy is arduous because magnetic fields, that permeate our Galaxy and the extra-Galactic space, deflect cosmic rays that may lose the directional information on their sources. This problem can be reduced by studying the highest energy end of the cosmic ray spectrum. Indeed, magnetic field deflections are inversely proportional to the cosmic ray energy. Moreover, above 4x10^{19} eV, cosmic rays interact with cosmic photon backgrounds, losing energy. This means that the sources of the highest energy cosmic rays observed on Earth can be located only in the nearby universe (200 Mpc or less). The largest detector ever built for detecting cosmic rays at such high energies is the Pierre Auger Observatory, in Argentina. It combines a 3000 km^2 surface array of water Cherenkov detectors with fluorescence telescopes to measure extensive air showers initiated by the UHECRs. This thesis was developed inside the Auger Collaboration and was devoted to study the highest energy events observed by Auger, starting from the selection and reconstruction up to the analysis of their distribution in the sky. Moreover, since the composition at these energies is unknown, we developed a method to select proton-like events, since high Z cosmic rays are too much deflected by magnetic fields to be used for cosmic-ray astronomy.

Les synapses chimiques sont des structures spécialisées permettant une transmission d'information unidirectionnelle, d’un élément présynaptique vers un élément postsynaptique. L’organisation des terminaisons présynaptiques permet la conversion d’un potentiel d’action en signal chimique. Elles se présentent sous la forme de varicosités axonales contenant des vésicules synaptiques (VSs) qui concentrent le neurotransmetteur (NT). Une partie des VSs sont apposées (ancrées) à une région de la membrane plasmique, la zone active (ZA ; Bennett et al. 1992, Siksou et al. 2009). La ZA est située face à l’accumulation postsynaptique des récepteurs au NT. La dépolarisation d’une terminaison par un potentiel d’action active des canaux calciques dépendants du voltage. L’influx de calcium qui en résulte entraîne la fusion d’une fraction des VSs ancrées avec la membrane plasmique en moins d’une milliseconde, permettant la libération de NT (Sabatini et Regehr 1996, Lisman et al. 2007). Une endocytose compensatoire permet ensuite la reformation de VSs (Rizzoli et Betz, 2005). Des questions se posent encore quant à ce trafic régulé. Nous avons étudié la régulation de l’ancrage des VSs et développé un outil pour analyser le cycle des VSs en microscopie électronique (ME).La première partie de mon travail de thèse a porté sur la régulation du nombre de VSs ancrées à la ZA. Notre objectif était de savoir si l’ancrage était régulé spécifiquement ou en coordination avec les autres paramètres morphologiques du bouton, et de déterminer le rôle de Rab3-Interacting Molecules (RIMs), protéines centrales de la ZA, dans cette régulation. La régulation de l’ancrage a été étudiée sur un modèle de cultures organotypiques de tranches d’hippocampe dont l’activité est bloquée 3 jours par l’application de tétrodotoxine. Ces tranches ont été immobilisées par congélation sous haute pression (CHP) pour être observées en ME sans les artefacts induits par les fixations aldéhydiques. Le blocage d’activité entraîne une augmentation du nombre de VSs ancrées, de la taille de la ZA, et du nombre de récepteurs postsynaptiques au glutamate de type GluA2. Le nombre de VSs total dans le bouton et la taille du bouton ne changent pas. En immunocytochimie Nous n’avons pas observé de modification de la quantité moyenne de protéines RIM1/2 dans les terminaisons présynaptiques sous l’effet du blocage d’activité. Enfin, les enregistrements électrophysiologiques ne révèlent pas de modification de fréquence des courants excitateurs miniatures malgré l’augmentation du nombre de VSs ancrées. Ces résultats montrent une régulation spécifique de la taille de la jonction synaptique par l’activité neuronale et indiquent que le nombre de VSs ancrées n’est par régulé par la quantité de RIM.La deuxième partie de mon travail a consisté à développer un outil d’étude du cycle des VSs. En effet, la ME ne permet pas d’observer des évènements dynamiques, tandis que la résolution spatiale des microscopes optiques est insuffisante pour observer directement les VSs. Nous avons voulu associer une stimulation optogénétique de neurones avec leur immobilisation rapide par CHP, afin de pouvoir observer en ME les VSs à des temps précis après la stimulation. Nous avons travaillé sur des cultures dissociées de neurones d’hippocampe de rat. Ces neurones ont été infectés avec un Adeno-Associated Virus exprimant une protéine, la ChannelRhodopsine2, pour les rendre activables par des stimulations lumineuses. Une collaboration avec Leica Microsystems a permis de modifier l’appareil de congélation (HPM) pour (i) stimuler les neurones dans l’HPM, et (ii) synchroniser cette stimulation avec la congélation. Ce nouvel outil devrait permettre dans le futur une analyse du trafic des VSs à très haute résolution temporelle et spatiale. / Chemical synapses are highly specialized structures that convey information unidirectionnally, from a presynaptic to a postsynaptic element. Presynaptic terminals convert action potentials into chemical signals. These axonal varicosities contain synaptic vesicles (SVs) filled with neurotransmitter (NT) molecules. A fraction of the SVs are apposed (docked) to a part of the plasma membrane called the active zone (AZ; Bennett et al. 1992, Siksou et al. 2009b). The AZ is located in front of the postsynaptic accumulation of NT receptors. Depolarization of a terminal by an AP activates voltage dependent calcium channels. The resulting calcium influx induces the fusion of a fraction of the docked SVs in less than a millisecond, which release their NT content (Sabatini & Regehr 1996, Lisman et al. 2007). New SVs are then produced through a process of compensatory endocytosis (Rizzoli & Betz, 2005). Unanswered questions remain about the mechanism of this regulated traffic of SVs. We studied the regulation of SVs docking and developed a tool to analyze the cycle of SVs with electron microscopy (EM). The first part of my PhD work was focused on the regulation of the number of docked SVs at the AZ. Our objective was to determine whether SVs docking was regulated specifically or together with other morphological parameters of the bouton. We also investigated the role of Rab3-Interacting Molecules (RIMs), central proteins of the AZ, in this regulation. We worked on organotypic culture of hippocampal slices in which we blocked neuronal activity with tetrodotoxin for 3 days. Slices were immobilized using high pressure freezing (HPF) to avoid artifacts due to chemical fixation, and studied with EM. Activity blockade induced an increase in the number of docked SVs, in the size of the AZ and in the number of GluA2 postsynaptic glutamate receptors. However, the total number of SVs in the bouton and the size of the bouton did not change. With immunocytochemistry we did not detect any change in the mean amount of RIM in presynaptic terminals after chronic activity blockade. Furthermore, electrophysiology recordings showed no increase of the mean frequency of mEPSCs despite the increase in the number of docked SVs. Together these results show a specific regulation of the size of the presynaptic junction by neuronal activity, and indicate that the amount of RIMs does not regulate the number of docked SVs. The second part of my work consisted in the development of a new tool to study the cycle of SVs. Indeed, EM does not allow the visualization of dynamic phenomenon, whereas optical microscopes do not have a sufficient spatial resolution to observe SVs with the required precision. We wanted to associate optogenetic stimulations of neurons with their rapid immobilization by HPF, in order to visualize SVs at precise moments after stimulation. We worked on rats hippocampal dissociated neurons cultures. These neurons were infected with an Adeno-Associated Virus encoding a light sensitive protein channel, the ChannelRhodopsin2, in order to be able to activate them with light stimulations. We collaborated with Leica Microsystems to modify our high pressure machine (HPM), so that we can (i) stimulate the neurons within the HPM, and (ii) synchronize this stimulation with the freezing. In the future, this new tool this system should allow us to analyze the traffic SVs with high temporal and spatial resolution.