Ultra-wide Band (UWB) has sparked a lot of interest lately from the industry and academia. The growing capacity of the wireless industry is requires a new communication system that satisfies the high data rate which does not interfere with existing RF systems. UWB promises to be this new technology. UWB also promises low power, low cost and flexibility. The UWB Channel opens up a huge new wireless channel with Giga Hertz Capacities as well as the highest spatial capacities measured in bits per hertz per square meter. When properly implemented UWB channel can share spectrum with traditional radio systems without causing harmful interference. In this thesis we studied and compared several reduced complexity sub-optimal Ultra-Wide Band receivers. These receivers include auto correlation receiver, the square value detector and the absolute value detector are studied. We consider OOK and PPM modulation schemes. We examine these schemes and the receivers on Gaussian and UWB indoor channels. We compare the performance with optimal receivers. A transmitter receiver system using 0.1us pulses implemented using existing hardware. A packet consisting of 24 bits were transmitted and the received signal could be verified in real time using a vector signal analyzer. The results show sub-optimal receivers provide a better trade off between robust, complexity and performance.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

L'intérêt croissant susciter par les applications biomédicales des plasmas non thermiques, inspire le développement de nouvelles sources plasmas. Les décharges à barrière diélectrique (DBD) ou les décharges couronne générées dans l'air ambiant ou dans le flux de gaz rare sont généralement utilisées. Production des plasmas directement dans un liquide a un grand potentiel pour les processus de stérilisation des substances liquides et pour le traitement extracorporel du sang. Les mécanismes physiques de formation d’une décharge électrique dans un milieu liquide ne sont toujours pas entièrement compris .La première partie de cette thèse examine le sujet de l'initiation et le développement de décharge nanoseconde dans les diélectriques liquides (eau déminéralisée, éthanol et n-pentane). La visualisation ombroscopique résolue en temps, la spectroscopie optique d'émission et les mesures électrique sont appliqués à l’étude d’une décharge électrique initiée sur une électrode à pointe positive.Nous avons montré que, selon l'amplitude de tension trois scénarios différents peuvent se produire dans des diélectriques polaires, notamment, la cavitation d'une bulle, le développement de décharge dans une cavité gazeuse (le mode ‘buisson’) et l'initiation de la décharge filamentaire (le mode ‘arborescent’) se propageant directement dans le liquide. La différence dans la formation et la propagation de deux modes de la décharge (‘buisson’ et ‘arbre’) révèle les mécanismes physiques étant très distincts.Dans la deuxième partie de ce travail, nous abordons la question d’interaction entre les plasmas froids atmosphériques avec les cellules vivantes in vitro et in vivo. L’étude porte sur le mécanisme de la mort cellulaire induite par le plasma. Cytométrie de flux avec deux marqueurs AnnexinV (AV) et de l'iodure de propidium (PI) a été appliquée pour l’analyse de la viabilité cellulaire. On montre l’induction de l' apoptose dans les cellules de T lymphocyte humain (Jurkat) et dans les cellules épithéliales (HMEC) traités par le plasma de DBD nanoseconde. Dans les souris nudes l'induction de l'apoptose et de la nécrose en fonction de la dose est observé par la microscopie électronique dans les coupes de l'épiderme. L'analyse histologique montre l’apparition des lésions importantes dans l'épiderme , derme, hypoderme et les muscles en fonction de la durée du traitement. Production de peroxyde d'hydrogène dans le milieu de culture (PBS) exposé au plasma de DBD est mesurée à l’aide d’une sonde fluorescente sélective (Amplex® Red). La viabilité des cellules de la thyroïde humaines ( HTori -3) et des cellules de mélanome (1205Lu) cellules démontre la dépendance nonmonotone de la concentration de H2O2. Le rôle majeur du peroxyde d'hydrogène produit par plasma et du champ électrique de la DBD est suggéré. / Growing interest in biomedical applications of nonthermal plasmas inspires the development of new plasmas sources. Dielectric barrier (DBD) and corona discharges produced in ambient air or in noble gas flow are typically applied. Direct production of plasma in liquids has a great potential for sterilization of liquid substances and extracorporeal blood treatment. The physical mechanisms of discharge formation in liquid medium are not fully understood.The first part of this thesis deals with the initiation and development of the nanosecond discharge in liquid dielectrics (deionized water, ethanol and n-pentane). Time-resolved shadowgraph visualization, optical emission spectroscopy and electrical diagnostics are applied to investigate the discharge formation on point anode.We have shown that depending on the applied voltage amplitude three different scenario can occur in the polar dielectric, namely, cavitation of a bubble, discharge development in the gaseous cavity (bush-like mode) and initiation of the filamentary discharge (tree-like mode) propagating in bulk liquid. Formation of the bush-like and the tree-like discharges is governed by distinct physical mechanisms, resulting in strongly different plasma parameters.In the second part of this work we address the question of how cold atmospheric plasma interacts with living cells in-vitro and in-vivo, and what is the mechanism of plasma induced cell death. Flowcytometry based cell viability assay with two markers AnnexinV (AV) and Propidium iodide (PI), demonstrates a dose dependent induction of the apoptosis for human T lymphocyte (Jurkat) and epithelial (HMEC) cells treated with DBD plasma. In nude mice model, induction of apoptosis and necrosis in dose dependant manner is observed by electron microscopy in thin epidermis sections. Histological analysis shows significant lesions appeared in epidermis, dermis, hypodermis and muscle as a function of treatment duration. Production of hydrogen peroxide in culture medium (PBS) exposed to DBD plasma is measured using selective fluorescent probe (Amplex® Red). Cell viability of human thyroid epithelial (HTori-3) and melanoma (1205Lu) cells demonstrates nonmonotonous dependence on H2O2 concentration. The major role of plasma produced hydrogen peroxide and DBD electric field is suggested.

The design of dyes for NiO-based dye-sensitized solar cells (DSSCs) has drawn attention owing to their potential applications in photocatalysis and because they are indispensable for the development of tandem dye-sensitized solar cells. The understanding of the electron transfer mechanisms and dynamics is beneficial to guide further dye design and further improve the performance of photocathode in solar cells and solar fuel devices. Time-resolved spectroscopy techniques, especially femtosecond and nanosecond transient absorption spectroscopy, supply sufficient resolution to get insights into the charge transfer processes in p-type dye sensitized solar cell and solar fuel devices. In paper I-V, several kinds of novel organic “push-pull” and inorganic charge transfer dyes for sensitization of p-type NiO, were systematically investigated by time-resolved spectroscopy, and photo-induced charge transfer dynamics of the organic/inorganic dyes were summarized. The excited state and reduced state intermediates were investigated in solution phase as references to confirm the charge injection and recombination on the NiO surface. The charge recombination kinetics is remarkably heterogeneous in some cases occurring on time scales spanning at least six orders of magnitude even for the same dye. In this thesis, we also proposed a novel concept of solid state p-type dye sensitized solar cells (p-ssDSSCs) for the first time (paper VI), using an organic dye P1 as sensitizer on mesoporous NiO and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) as electron conductor. Femtosecond and nanosecond transient absorption spectroscopy gave evidence for sub-ps hole injection from excited P1 to NiO, followed by electron transfer from P1●- to PCBM. The p-ssDSSCs device showed an impressive 620 mV open circuit photovoltage. Chapter 6 (paper VII) covers the study of electron transfer mechanisms in a covalently linked dye-catalyst (PB-2) sensitized NiO photocathode, towards hydrogen producing solar fuel devices. Hole injection from excited dye (PB-2*) into NiO VB takes place on dual time scales, and the reduced PB-2 (PB-2●-) formed then donates an electron to the catalyst unit.  The subsequent regeneration efficiency of PB-2 by the catalyst unit (the efficiency of catalyst reduction) is determined to ca. 70%.

De nombreuses études sont menées pour la compréhension et l'utilisation de plasmas hors équilibre pour les procédés industriels capables d'améliorer la combustion, de stabiliser des flammes et de réduire les polluants. En effet, dans le cadre des nouvelles normes européennes, il devient indispensable de pouvoir maîtriser la qualité de la combustion et de réduire ainsi les émissions polluantes. Même si le principe de l'allumage classique par étincelle est depuis longtemps connu et utilisé dans l’industrie automobile, ce système présente néanmoins quelques limites. En effet, le caractère localisé de l’étincelle créée réduit la probabilité de rencontre entre l’étincelle et une zone de mélange inflammable ce qui conduit à des ratés d’allumages et spécialement en mélanges pauvres. Ainsi, l’utilisation de systèmes différents reposant sur des plasmas non-thermiques fournit des avantages significatifs, dont les propriétés de forte réactivité chimique et de faible coût énergétique. L’objet principal de ce travail de thèse est l’étude de l’allumage de mélanges combustibles par un certain type de décharges pulsées nanosecondes. En effet, un des intérêts du déclenchement de combustion par décharges nanosecondes est le développement d’une zone spatiale d’allumage nettement plus étendue que celle obtenue par l’étincelle de la bougie standard. Enfin, un autre avantage des décharges nanosecondes est la création de nombreux radicaux dans le milieu combustible nécessaires à l’initiation directe des cinétiques de combustion en limitant la contribution thermique, souvent impliquées dans les pertes de rendement des allumeurs. Dans notre étude, la décharge nanoseconde pulsée utilisée est caractérisée par l’application d’une surtension très élevée donnant un pulse de tension très court (12 ns), d’amplitude très élevée (50 kV) et un front de montée très raide (2 ns). Au cours de cette étude, nous avons d’abord caractérisé la décharge nanoseconde pulsée dans des mélanges air/propane et air/heptane à pression atmosphérique. Ensuite, nous avons appliqué la décharge au déclenchement de combustion dans les mélanges air/propane et air/heptane dans les proportions stœchiométriques mais aussi en mélanges pauvres et ce toujours à pression atmosphérique, ce qui a montré la réduction des délais de combustion. De plus, les résultats en mélanges stœchiométriques montrent qu’il existe trois modes d’allumage : un ponctuel, un double et un mode cylindrique et ce en fonction de la densité d’énergie. / One growing topic of interest in the field of non-thermal plasmas is the use of pulsed corona discharges for ignition purposes and more specifically the use of discharges generated under very strong overvoltages for car atmospheric engine applications. Because of strong environmental constraints on car exhaust gases, engines to be developed in the future have to run with lean air / gasoline mixtures or diluted with burnt gases. In both cases, it needs the optimization of ignition devices since classical spark gaps become inefficient in these conditions. In this context, the generation of non-equilibrium plasmas on large volumes, with high densities of active species, and the ability to induce fast gas heating is challenging. Our experimental work is dedicated to the understanding of physical mechanisms involved in the ignition of lean mixtures of air and hydrocarbons such as propane and n-heptane, at high pressure, using nanosecond range discharges. Such kind of discharges could improve the energy release in the mixtures, promoting the creation of radicals and excited species instead of direct heat through Joule effect, and thus, it could improve the ignition efficiency. A positive high voltage (50 kV) is applied between a pin electrode and a grounded plane over a short nanosecond range pulse (12 ns) with a steep rise time (2 ns). In this study, the discharge has been characterised in air/propane and air-heptane mixtures. The diffuse regime observed in pure air tends to disappear in mixtures containing few percents of propane or heptane. The experimental results show the ability of the single nanosecond pulsed discharge to ignite air-propane and air-heptane mixtures even at low equivalence ratios. It is strongly correlated to the energy density the discharge is able to release into the gas. Finally, it has been shown that for stoechiometric mixtures show that three different modes of ignition are possible, i.e. a single point, a double point or a cylindrical mode, according to the energy density. Combustion delays are strongly reduced and complete combustion of very lean mixtures can be achieved if the amount of energy is slightly increased.

Ce travail porte sur l’étude de la propagation de décharges couronnes impulsionnelles à pression atmosphérique dans les milieux poreux et/ou alvéolaires. Face à la complexité des phénomènes mis en jeu, liés aux interactions entre la décharge et les surfaces du matériau qui la confine, nous proposons l’étude de décharges confinées par des structures élémentaires. L’étude du confinement radial des décharges, assuré par un large panel de capillaires, a été réalisée. Des diagnostics électriques et optiques de pointe permettent d’étudier la propagation de la décharge au sein des différents capillaires. La corrélation entre ces diagnostics a même permis des mesures de vitesse de propagation au sein de capillaires opaques. Les résultats montrent que la propagation de la décharge dépend grandement de la géométrie des capillaires et des paramètres électriques de génération de la décharge. Dans le cas de sections carrées ou rectangulaires, les arêtes induisent un renforcement local du champ qui attire la décharge. Dans le cas de capillaires cylindriques, le diamètre interne est le paramètre crucial qui détermine aussi bien la structure de la décharge que sa vitesse de propagation. Quelle que soit la nature du capillaire, la propagation présente alors une vitesse optimale à tout autre paramètre constant pour une valeur donnée du diamètre interne. Dans le cas du verre, la vitesse est maximale pour un diamètre interne de 200 µm. L’épaisseur et la permittivité diélectrique du capillaire possèdent également une influence sur la propagation de la décharge radialement confinée. Ainsi, diminuer l’épaisseur ou la permittivité diélectrique engendre une accélération de la décharge. Si l’épaisseur est très faible, la décharge peut même se déconfiner pour se propager à l’extérieur du capillaire. Une étude spectroscopique complémentaire montre que la réduction du diamètre de confinement implique une augmentation de la température du plasma, ce qui pourrait contribuer à l’obtention de ce profil de vitesse en fonction du diamètre de confinement. L’étude du confinement axial des décharges a ensuite été réalisée en insérant des membranes de différentes natures et caractéristiques, perpendiculairement à l’axe pointe plan. Les résultats montrent que la décharge présente une propagation en trois étapes : pointe/membrane, radialement au voisinage de la membrane, puis membrane/plan. Dans cette étude, nous avons mis en évidence l’importance du critère poreux ou non de la membrane. Dans le cas poreux, la propagation de la décharge dans l’ensemble du gap est continue, même pour des pores de l’ordre de la dizaine de µm. Dans le cas non poreux, la propagation est discontinue, et il est nécessaire pour assurer la propagation dans l’ensemble du gap qu’un ré-allumage ait lieu de l’autre côté de la membrane. Après l’instant de l’impact sur la membrane, la décharge marque un arrêt qui correspond à la réorganisation des charges et à la restructuration du champ électrique dans le gap. Elle se propage ensuite radialement au voisinage de la membrane en plusieurs fronts d’ionisation. Si les conditions de claquage sont réunies dans le volume membrane/plan, alors un ré-allumage apparaît à partir de la membrane pour atteindre le plan. L’étude de ces ré-allumages semble montrer l’importance de la position de la membrane au sein de l’espace inter-électrodes et de la dynamique des charges aux surfaces de la membrane. Plus on diminue la distance membrane/plan, plus il est facile d’en observer. Nous montrons également que la diminution de la permittivité diélectrique de la membrane ou l’augmentation de son épaisseur, semble augmenter la probabilité de ces ré-allumages. Dans le cas poreux, nous avons également mis en évidence l’influence de la taille des pores de la membrane sur l’ensemble des étapes de propagation. Lorsque la porosité est inférieure à 100 µm la propagation de la décharge est ralentie du fait de la difficulté de la décharge à traverser directement le matériau. / This study is an attempt to understand the mechanisms involved in the propagation of pulsed corona discharges at atmospheric pressure inside porous and/or alveolar media. Due to the complexity of these phenomena which hardly depends on plasma/surface interactions, the study was focused first on the propagation inside basic structures of confinement, before doing it in more complex media, such as monolithic cordierites or foams. Therefore, capillaries have been used to radially confine the discharge propagation. Thanks to highly resolved optical and current diagnostics, we succeed in describing precisely the propagation. A correlation of these diagnostics allowed us to measure propagation velocity inside opaque media. Results show that geometry is the key parameter which both governs the discharge structure and the propagation velocity. Electrical parameters of the discharge ignition have a great role in the propagation also. In case of square and rectangular capillaries, the local electric field enhancement due to edges attracts the discharge. In case of round capillaries, the internal diameter becomes the key parameter which governs the pattern of the discharge and its velocity. Whatever the kind of capillary used, the velocity of propagation shows an optimal value for a given internal diameter, at all others parameters constants. In case of glass capillaries, this maximum value is obtained for a 200 µm internal diameter. Parameters such as wall thickness or dielectric permittivity have also an influence on the propagation velocity. The decrease of the thickness or the dielectric permittivity implies an increase of the propagation velocity. If the thickness is small enough, we observe that the discharge is able to propagate outside the tube. A complementary spectroscopic study of that kind of discharge shows that the plasma temperature depends on the internal diameter, and warming observed for smallest internal diameters could contribute to the internal diameter/velocity of propagation relation. The study of the axial confinement of the propagation of the discharge has been made thanks to different kinds of dielectric membranes, perpendicularly inserted between the electrodes. Results show that the propagation of the discharge is a three step process: tip to membrane propagation, radial propagation near the membrane surfaces, and membrane to plane propagation under specific conditions. The porous feature of the membrane has a key role in the propagation. In case of porous membranes, the whole propagation in the gap is continuous, even for the smallest porosities under investigations (~10µm). In case of non porous films, the propagation by three step processes is no more continuous, and the propagation in the entire gap needs a re-ignition of the discharge on the other side of the membrane. After its impact on the membrane, the discharge stops on the dielectric while the charges and the electric field are self reorganized. Then a radial propagation of several ionization waves starts near the membrane surface. If the disruptive voltage is reached behind the obstacle, a re-ignition could occur in the membrane/plane gap and reach the cathode. Investigation on these reignition conditions shows that the key parameters seem to be the position of the membrane inside the gap and the dynamics of the surface charges on the membrane. Closer is the membrane to the plane, higher is the probability of seeing re-ignitions. Results also show that the decrease of the dielectric permittivity or the increase of the membrane thickness leads to more re-ignition events. In case of porous membrane, the pore size is the main parameter which will influence the propagation. When the pore size is below 100 µm, the discharge propagation is slower due to the discharge difficulties to penetrate totally inside the material.

Growing resistance of bacteria towards antibiotics resulted in extensive research effort for development and application of new materials and techniques. Due to their unique properties, graphene quantum dots (GQDs) have attracted much attention and are a promising material with potential applications in many fields. One use of GQDs is as a photodynamic therapy agent that generates singlet oxygen. In this work, GQDs synthesized by focusing nanosecond laser pulses into a mixture of benzene and nickel(II) oxide were combined with methylene blue (MB) to eradicate Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Micrococcus luteus. Theoretical calculation of pressure evolution was calculated using the standard finite difference method. Detailed characterizations were performed with transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared (FTIR), UV-Visible (UV-Vis), and photoluminescence (PL) spectra. Furthermore, singlet oxygen generation from MB-GQD mixture was investigated by measuring the rate of 9,10-anthracenediyl-bis(methylene) dimalonic acid photobleaching at 400 nm. Combining MB with GQDs caused enhanced singlet oxygen generation, leading to improved bacterial deactivation rate. The (3-(4,5-dimethylthiazol-2- yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) (MTT) assay was used to determine if GQDs in dark conditions caused human cellular side-effects and affected cancer and noncancer cellular viability. We found that even high concentrations of GQDs do not alter viability under dark conditions. These results suggest that the MB-GQD combination is a promising photodynamic therapy agent that may be useful when antibiotics resistance is present.