Ces dernières années, la Méthode Intégrale de Volume (MIV) a reçu une attention particulière pour lamodélisation des problèmes électromagnétiques en basse fréquence. Son intérêt principal est l’absencedu maillage de la région air, ce qui rend la méthode légère et rapide. Associée aux méthodes decompression matricielle la MIV devient aujourd'hui une alternative compétitive à la méthode deséléments finis pour la modélisation de dispositifs électromagnétiques ayant un volume d'airprépondérant.Ce rapport porte sur le développement de deux formulations intégrales de volume pour la résolution deproblèmes magnétostatiques avec prise en compte des matériaux non linéaires, des aimants, desbobines, des circuits magnétiques avec ou sans entrefer et des régions minces magnétiques. Lapremière est une formulation en flux de mailles indépendantes basée sur l'interpolation par éléments defacette. La deuxième est une formulation en potentiel vecteur magnétique basée sur l'interpolation paréléments d'arête. L'application de ces formulations permet d’une part d'obtenir des résultats précismême en présence d’un faible maillage et d’autre part de résoudre aisément des problèmes nonlinéaires. Des méthodes de calcul de la force magnétique globale ainsi que du flux magnétique dansles bobines ont été également mises en oeuvre. Les développements informatiques ont été réalisés dansla plateforme MIPSE et ont été validés sur des problèmes académiques ainsi que sur quelquesdispositifs industriels. / In recent years, the Volume Integral Method (VIM) has been received particular attention formodeling of low frequency electromagnetic problems. The main advantage of this method is thatinactive regions do not to be discretized, which makes it light and rapid. Associated with matrixcompression methods, the VIM is a competitive alternative to the finite element method for modelingelectromagnetic devices containing a predominant air volume.This PhD thesis focuses on the development of two volume integral formulations for solvingmagnetostatic problems, in the presence of nonlinear materials, magnets, coils, multiply connectedmagnetic regions, and the presence of magnetic shielding. The first one is a mesh magnetic fluxformulation based on the interpolation of facet elements and the second one is a magnetic vectorpotential formulation based on the interpolation of edge elements. The application of theseformulations provides accurate results even with coarse meshes and allows solving straightforwardnonlinear magnetostatic problems. Methods for computing global magnetic force and magnetic fluxthrough a coil were also implemented as part of this work. Developments performed in the MIPSEplatform were validated on academic case-tests as well as some industrial devices.

Ce mémoire présente un nouvel algorithme de compression de fibres développé spécifiquement pour la tractographie. Validé et testé sur un large éventail d’algorithmes et de paramètres de tractographie, celui-ci présente trois grandes étapes : la linéarisation, la quantization ainsi que l’encodage. Les concepts clés de l’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) et de la compression sont également introduits afin de faciliter la compréhension du lecteur.

Le développement de nouveaux dispositifs spintroniques à base de semi-conducteurs (SC) nécessite la création d'une population électronique polarisée en spin dans ces matériaux. De ce point de vue, le germanium est un matériau prometteur pour les applications en spintronique à cause de la forte mobilité des porteurs de charge ainsi que de la symétrie d'inversion du cristal diamant à l'origine de temps de vie de spin très longs. Dans ce manuscrit, nous discutons deux approches pour l'injection et la détection électrique de spins dans le germanium. La première approche consiste à utiliser une barrière tunnel et un métal ferromagnétique (FM) comme injecteur de spin. L'insertion d'une barrière tunnel à l'interface FM/SC permet de résoudre le problème fondamental du désaccord de conductivité. Nous avons utilisé deux injecteurs différents : Py/Al2O3 et CoFeB/MgO. Les mesures sont réalisées en géométrie à trois contacts et l'accumulation de spins dans le germanium est démontrée par la mesure de l'effet Hanle. Dans le cas d'une barrière d'Al2O3, les spins injectés s'accumulent sur des états localisés à l'interface oxyde/Ge et cette accumulation est observée jusqu'à 220 K. Dans le cas d'une barrière de MgO, les spins sont réellement injectés dans le canal de Ge et un signal de 20-30 µV est encore observé à température ambiante. Nous discutons dans la deuxième approche l'utilisation du semi-conducteur magnétique (Ge,Mn) comme injecteur de spins dans le Ge. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés structurales et magnétiques de films minces de (Ge,Mn) fabriqués par épitaxie par jets moléculaires à basse température. En faisant varier les paramètres de croissance, nous avons pu observer des nanocolonnes de GeMn cristallines ou amorphes, ainsi que des films et des nanoparticules de Ge3Mn5. Nous nous sommes concentrés sur l'anisotropie magnétique de ces nanostructures. Finalement, la croissance de (Ge,Mn) sur GOI a été optimisée en vue de son utilisation comme injecteur de spins dans le germanium et différentes méthodes d'intégration de ce matériau dans les dispositifs de spintronique " tout semi-conducteur " sont discutées.

À la fois semi-conducteur et ferromagnétique, le Ga1-xMnxAs offre des potentialités intéressantes pour l'électronique de spin. Cette double propriété est due à l'interaction d'échange entre les spins localisés des atomes de manganèse Mn et les spins des porteurs de charge. Le travail présenté dans cette thèse est centré sur le contrôle de l'aimantation de ces structures magnétiques. Une étude expérimentale, comparative et détaillée, de l'anisotropie magnétique a été menée sur deux séries d'échantillons. Par ailleurs, une méthode d'analyse basée sur l'étude de la densité d'énergie libre magnétocristalline des systèmes observés a été développée en vue de confronter les résultats aux prédictions théoriques. Les mesures d'effet Hall et d'aimantation par SQUID sur des monocouches à aimantation planaire ont permis de mettre en évidence deux types d'anisotropie : une anisotropie cubique pour T < TC/2 avec un retournement d'aimantation par sauts de 90°, et une anisotropie uniaxiale pour des températures TC/2 < T < TC avec un renversement d'aimantation à 180°. La technique du recuit post-croissance réduit cependant l'anisotropie cubique au profit de l'anisotropie uniaxiale. Les structures à aimantation perpendiculaire présentent, quant à elles, un retournement d'aimantation à 180° pour toutes les températures T < TC. Par conséquent, dans ces dispositifs, l'anisotropie magnétique est fortement uniaxiale. En dernier lieu, cette étude porte sur la dynamique des domaines magnétiques et la détermination des vitesses de propagation de parois de domaines, induites par un champ magnétique. Les résultats révèlent une anisotropie de propagation de parois suivant les axes cristallographiques <110> avec deux régimes de vitesses distincts, dont l'un est fortement contrôlé par des défauts de structure. / At the same time semiconductor and ferromagnetic, the Ga1-xMnxAs offers interesting potentialities for spintronic. This double property is due to the exchange interaction between localized spin of Mn atoms and the spin charge carrier. The work presented in this thesis is centred on the magnetization control of these magnetic structures. A comparative and detailed experimental study of the magnetic anisotropy is carried out on two series of samples. An analysis method based on the free energy density study of the observed systems was also been developed to confront the results with theoretical predictions. The Hall effect and SQUID measurements on the structures with planar magnetization allowed us to bring to light two types of anisotropy: a cubic anisotropy for T < TC / 2 with a magnetization reversal by jumps of 90 ° and an uniaxial anisotropy for temperatures TC / 2 < T < TC with a reversal of magnetization in 180°. The structure with perpendicular magnetization present a magnetization switch at 180° for all temperatures T < TC. Consequently in these compounds, the magnetic anisotropy is strongly uniaxiale. Lastly this study deals the magnetic domains structures and the determination of domain wall propagation velocity. The results reveal an anisotropic domain wall propagation along crystallographic axes <110> with two distinct velocity regimes, including one strongly controlled by structural defects.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de l'analyse et la modélisation de la distribution du champ magnétique dans les machines électriques à circuit magnétique feuilleté avec des tôles à grains orientés. L'anisotropie des tôles magnétiques des transformateurs induit des phénomènes 3D complexes au niveau des joints magnétiques où les tôles se chevauchent. Concernant l'augmentation de l'efficacité énergétique des machines tournantes, de nouvelles structures à base de tôles à grains orientés font leur apparition. Néanmoins, simuler finement en 3D un paquet de tôles minces recouvertes d'un isolant de quelques microns d'épaisseur conduit à des temps de calculs très importants.Dans cette optique, nous présentons une méthode d'homogénéisation dont le but est de définir les caractéristiques magnétiques équivalentes d'un empilement quelconque de tôles et d'entrefers. Sa formulation est basée sur la minimisation de l'énergie et la conservation du flux magnétique. Les résultats de cette méthode appliquée à un joint magnétique de transformateur à joints step-lap sont confrontés à des mesures expérimentales et à un modèle élément fini 3D. Ce dernier requiert de connaître les caractéristiques magnétiques des tôles dans les directions de laminage, transverse et normale. La détermination de la perméabilité des tôles dans la direction normale est problématique et constitue un point original de notre étude. Deux méthodes, analytique et numérique, s'appuient sur les mesuresd'un banc de caractérisation en régime statique pour déterminer cette perméabilité normale. / This thesis focuses on the analysis and the modeling the magnetic flux distribution in electrical machines with anisotropic laminated magnetic circuit. The anisotropy of magnetic sheets in transformers induces complex 3D phenomena in step-lap magnetic joints where the sheets are overlapped. Moreover, in order to increase the energy efficiency of rotating machines, new structures based on grain-oriented electrical steel are developed.However, an accurate 3D simulation of a laminated core with thin sheets and insulation of a few microns leads to very large computation time. In this context, we present a homogenization method, which purpose is to define the equivalent magnetic characteristics of any laminated core made of sheets and air gaps. Its formulation is based on the energy minimization and the magnetic flux conservation. The results of this method applied to a step-lap magnetic joint are compared with experimental measurements and a 3D finite element model. The latter requires to know the magnetic characteristics of the sheets in the rolling, transverse and normal directions. The determination of the sheets permeability in the normal direction is problematic and it constitutes an original point of our study.Two methods, analytical and numerical, based on measurements obtained with a static characterization bench makes possible the determination of the normale permeability.

Des décennies d’observation ont permis d’obtenir différentes relations liées à l’activité stellaire. Cependant, il est difficile de reproduire numériquement celles-ci à partir de modèles dynamo, puisqu’il n’y a pas de consensus sur le processus réellement présent dans les étoiles. Nous tentons de reproduire certaines de ces relations avec un modèle global 3D hydrodynamique qui nous fournit le profil de rotation différentielle et le tenseur-α utilisés en entrée dans un modèle de dynamo αΩ. Nous reproduisons ainsi efficacement la corrélation positive entre le rapport P_cyc⁄P_rot et P_rot^(-1). Par contre, nous échouons à reproduire les relations liant ω_cyc⁄Ω et l’énergie magnétique au nombre de Rossby. Cela laisse croire que la variation de P_cyc⁄P_rot avec la période de rotation est une caractéristique robuste du modèle αΩ, mais que l’effet-α ne serait pas le processus principal limitant l’amplitude du cycle. Cette saturation découlerait plutôt de la réaction magnétique sur l’écoulement à grande échelle. / Decades of stellar observations established various relationships related to stellar activity cycles. However, these are difficult to numerically reproduce using dynamo models, since flows important for dynamo action cannot be measured in stars other than the Sun. We model these relationships by extracting the differential rotation profile and the α-tensor from a global 3D hydrodynamical simulation and use them as an input into a αΩ dynamo model. We succeed in reproducing the observed positive correlation between the ratio P_cyc⁄P_rot and P_rot^(-1). On the other hand, we fail to do so for the relationship linking ω_cyc⁄Ω and the magnetic energy to the Rossby number. This indicates that the variation of P_cyc⁄P_rot with the rotation period is a robust feature of the αΩ model, but that the α-effect is probably not the main process limiting cycle amplitude. This saturation is most likely related to the magnetic backreaction on large-scale flows.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse traite de la compensation magnétique de pesanteur. Tout d’abord, des expériences de lévitation magnétique de fluides sont interprétées à l’aide d’un potentiel magnéto-gravitationnel SL. Puis, l’utilisation d’une méthode générale d’analyse de la force magnétique grâce aux harmoniques du champ magnétique est développée. Elle souligne l’importance et le rôle de chacun des trois premiers harmoniques du champ magnétique sur les configurations de forces résultantes inhérentes à la compensation magnétique de pesanteur. En géométrie cylindrique (invariante par translation) diverses combinaisons de forces d’origines magnétique, gravitationnelle et centrifuge offrent des perspectives nouvelles pour la lévitation magnétique. Une combinaison judicieuse des forces magnétiques et centrifuges permet de compenser exactement la pesanteur sur des matériaux diamagnétiques. En géométrie axisymétrique (invariante par rotation), le dimensionnement de stations de lévitation d’oxygène, techniquement réalisables (NbTi@4,2K), est présenté. Ces stations permettent de léviter des volumes d’oxygène supérieurs à 1 litre avec des inhomogénéités inférieures à 1%. La constitution de ces stations rend possible les variations spatiales et temporelles des configurations d’accélérations résultantes. Enfin, la compensation magnétique dynamique de gravité, à l’aide d’une station de lévitation réelle, est étudiée afin de simuler des phases d’accélération ou de décélération d’engins spatiaux / The thesis deals with magnetic gravity compensation. First of all magnetic levitation experiments are explained with the help of a magneto-gravitational potential SL. Next, a general analysis method of the magnetic force is developed which employs magnetic field harmonics. The method underlines both the significance and role of the first three magnetic field harmonics on the resulting forces inherent in magnetic gravity compensation. In cylindrical geometry – with translational invariance – various combination of magnetic, gravitational and centrifugal forces open new possibilities for the magnetic levitation. A suitable combination of both magnetic and centrifugal forces allows exactly compensating gravity on diamagnetic materials. In axisymmetric geometry – with rotational invariance – designs of feasible oxygen magnetic levitation stations are introduced (NbTi@4,2K). Levitation of oxygen volumes more than one litre with inhomogeneities less than 1% can be accomplished within these magnetic levitation facilities. The constitution of the stations makes possible both spatial and temporal variations of the resulting acceleration configurations. At last the dynamic magnetic compensation of gravity with a real coil system is studied so as to simulate both acceleration and deceleration of spaceships

Le développement de nouveaux dispositifs spintroniques à base de semi-conducteurs (SC) nécessite la création d'une population électronique polarisée en spin dans ces matériaux. De ce point de vue, le germanium est un matériau prometteur pour les applications en spintronique à cause de la forte mobilité des porteurs de charge ainsi que de la symétrie d'inversion du cristal diamant à l'origine de temps de vie de spin très longs. Dans ce manuscrit, nous discutons deux approches pour l'injection et la détection électrique de spins dans le germanium. La première approche consiste à utiliser une barrière tunnel et un métal ferromagnétique (FM) comme injecteur de spin. L'insertion d'une barrière tunnel à l'interface FM/SC permet de résoudre le problème fondamental du désaccord de conductivité. Nous avons utilisé deux injecteurs différents : Py/Al2O3 et CoFeB/MgO. Les mesures sont réalisées en géométrie à trois contacts et l'accumulation de spins dans le germanium est démontrée par la mesure de l'effet Hanle. Dans le cas d'une barrière d'Al2O3, les spins injectés s'accumulent sur des états localisés à l'interface oxyde/Ge et cette accumulation est observée jusqu'à 220 K. Dans le cas d'une barrière de MgO, les spins sont réellement injectés dans le canal de Ge et un signal de 20-30 µV est encore observé à température ambiante. Nous discutons dans la deuxième approche l'utilisation du semi-conducteur magnétique (Ge,Mn) comme injecteur de spins dans le Ge. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés structurales et magnétiques de films minces de (Ge,Mn) fabriqués par épitaxie par jets moléculaires à basse température. En faisant varier les paramètres de croissance, nous avons pu observer des nanocolonnes de GeMn cristallines ou amorphes, ainsi que des films et des nanoparticules de Ge3Mn5. Nous nous sommes concentrés sur l'anisotropie magnétique de ces nanostructures. Finalement, la croissance de (Ge,Mn) sur GOI a été optimisée en vue de son utilisation comme injecteur de spins dans le germanium et différentes méthodes d'intégration de ce matériau dans les dispositifs de spintronique « tout semi-conducteur » sont discutées. / Creation of spin polarization in non-magnetic semiconductors is one of the prerequisite for creation of spintronics based semiconductor devices. Germanium is interesting for spintronics applications due to its high carrier mobilities and its inversion symmetry that gives long spin lifetimes. In this manuscript, we discuss two approaches for electrical spin injection and detection in Germanium. The first approach is to use a tunnel barrier and a ferromagnetic metal as a spin injector. The tunnel barrier at the interface circumvents the conductivity mismatch problem. Two different spin injectors are used: Py/Al2O3 and CoFeB/MgO. The measurements are performed in three-terminal geometry and the proof of spin accumulation is given by Hanle measurements. In case of Al2O3, the spin accumulation is predicted to be in localized states at the oxide/Ge interface and the spin signal is observed up to 220 K. However in MgO based devices, true injection in Ge channel is predicted and spin signal of 20-30 µV is observed at room temperature. The second approach of using ferromagnetic semiconductor (Ge,Mn) as spin injector is also discussed. The structural and magnetic properties of (Ge,Mn) thin-films grown by low-temperature molecular beam epitaxy (LT-MBE) are studied. Depending on the growth parameters, crystalline/amorphous GeMn nanocolumns and Ge3Mn5 thin films or nanoclusters have been observed. Magnetic anisotropy in these nanostructures is also studied. Finally, the growth of (Ge,Mn) films on GOI substrates is shown and different ways to use (Ge,Mn) as a spin injector in Ge are discussed to achieve all-semiconductor based spintronics devices.

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiques / The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coil