La diffusion Compton est un moyen de produire des rayons X en réalisant des collisions entre un faisceau d'électrons relativistes et un faisceau laser. Par analogie avec le rayonnement synchrotron, le faisceau laser joue le rôle d'onduleur, ce qui entraîne les électrons dans un mouvement d'oscillation. Le rayonnement émis par les électrons en mouvement, dont certaines caractéristiques sont proches de celle du rayonnement synchrotron, peut être produit sur des machines relativement compactes. L'installation ELSA du CEA DAM DIF dispose d'un accélérateur d'électrons (17 MeV) et d'un laser (532 nm) dont les caractéristiques sont favorables à la réalisation d'une expérience de production de rayonnement X par diffusion Compton. La faible probabilité d'interaction et les petites dimensions des faisceaux (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) obligent à optimiser avec soin le recouvrement spatial et temporel des impulsions. La visualisation des deux faisceaux en simultanée se fait grâce à un biseau en aluminium renvoyant les images des deux faisceaux vers les caméras CCD et à balayage de fente. La détection du rayonnement X produit (d'énergie < 11 keV) est réalisée par des écrans radio-luminescents à mémoire. Ces écrans, très sensibles au rayonnement de basse énergie, permettent de visualiser le profil du rayonnement et de réaliser la radiométrie du signal. Ces écrans ont également été utilisés en tant que scintillateurs couplés à un photomultiplicateur pour contrôler en temps réel le rendement de l'interaction. L'analyse des résultats expérimentaux obtenus confirme les résultats des simulations.

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques.

La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété de d'offrir, dans le cadre applicatif de l'automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d'un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d'une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d'autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l'onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d'annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d'accroître les performances de l'ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d'une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique.

Le contexte de cette thèse est l'étude de la cohérence partielle dans les faisceaux synchrotron produits par les anneaux de stockage de basse émittance, comme l’ESRF-EBS. L'objectif principal est la compréhension et l'application de la physique sous-jacente pour l'implémentation et le développement d'outils de calcul.Nous développons d’abord une théorie de l'optique-statistique pour les radiations émisses par des anneaux de stockage qui est basée sur le théorème de Kim et sur les contributions de Geloni et al. Nous utilisons ces formules d'une manière détaillée et légèrement différente. Nous insistons sur l'importance des paramètres stochastiques des faisceaux d'électrons pour décrire les propriétés de cohérence. Nous observerons que la longueur du paquet des électrons n’affecte pas les propriétés de la cohérence s’il y a un couplage faible entre la position longitudinal de l’électron et ses autres paramètres.Nous avons construit une description de l'optique statistique pour l’émission synchrotron liée aux modes de cohérence. Nous voyons qu'un ensemble est complètement cohérent si et seulement si ses modes de cohérences se réduisent a un seul mode. Geloni et al. mentionnent que l’émission d’un synchrotron est un processus stochastique gaussien. Nous ajoutons qu’il a une moyenne nulle et il est symétrique circulaire. En conséquence nous pouvons donner une interprétation physique au degré de cohérence spectrale en termes de densité de probabilité conditionnée de forme gaussienne.Nous avons développé et implémenté un algorithme qui calcule la décomposition de la densité spectrale en modes de cohérences. Il peut être appliqué à un faisceau d'électrons avec un paramètre Twiss-alpha fini et une dispersion d’énergie. Nous avons implémenté deux versions de l'algorithme. La première résout l'équation de Fredholm dans une base de fonctions constantes par morceaux. Les calculs pour les hautes harmoniques d'un onduleur et pour des émittances relativement larges demandent une trop grande mémoire pour être calculées. Pour réduire la mémoire requise, nous avons développé une méthode en deux pas. On résout d'abord l'équation pour un faisceau d'électron de divergence nulle, puis on ajoute les effets de la divergence dans un second temps.Nous présentons des tests approfondis qui incluent une distribution des électrons du type fonction delta, des champs électriques gaussiens dont les résultats analytiques sont connus, ainsi qu'une comparaison avec des résultats Monte Carlo produits par SRW.Nous appliquons cet algorithme sur un nombre de cas particuliers. Nous déterminons combien de modes sont nécessaires pour inclure 95% de la densité spectrale et comment le degré de cohérence spectrale change. Nous trouvons que la dispersion d'énergie ajoute des modes de cohérence. Cet effet est négligeable pour des anneaux courants mais pour l’ESRF-EBS elle ajoute des nouveaux modes. Des onduleurs plus courts et des plus hautes harmoniques augmentent le nombre de modes. Une comparaison entre un onduleur placée dans un point avec alpha fini et dans un point symétrique ne montre pas de différences significative. Une réduction artificielle de l’émittance du anneau ESRF-EBS montre un décroit du nombre de mode jusqu’à arriver à un seul mode.Nous avons simulé une ligne de lumière simplifiée focalisant 1:1. Une réduction de la taille de l'ouverture change les valeurs propres du spectre vers des modes de plus en plus petits ce qui entraine aussi une réduction du flux. Nous présentons une comparaison entre la densité spectrale calculée avec l’approximation Gauss-Shell, l’approximation analytique et l’approximation de la séparation. Bien qu'il n'y a pas d'erreurs négligeables entre le calcul exact et l'approximation de la séparation, nous concluons que cette dernière peut être une bonne et rapide solution permettant des calculs sur des ordinateur portables.Nous terminons cette thèse par une discussion/des idées sur de futures recherches. / The context of this thesis is the study of the partial coherence in synchrotron beams produced by ultra low emittance storage rings, like the ESRF-EBS ring under construction. As main objectives we had the understanding, application and development of the underlying physics and the implementation of computer tools able to calculate the relevant parameters.In the first part of this thesis we develop a theory for statistical optics for storage ring radiation. It is based on the brightness convolution theorem by Kim and on the subtle but very important theoretical contributions from Geloni et al. We derive their formulas in a slightly different way or in more a detailed form.We emphasize the importance of the description of the electron beam stochastic for the coherence properties of storage ring emission. We observe that for weak coupling of the longitudinal electron position to the other beam parameters the bunch length is a free parameter in view of coherence properties.We build our description of statistical optics around coherent modes. We show that an ensemble is completely coherent if and only if its coherent mode decomposition is a single mode. Geloni et al. mentioned that the synchrotron storage ring emission is a Gaussian random process. We add that the process has zero mean and is circularly-symmetric. In consequence we can give the spectral degree of coherence a physical interpretation in terms of Gaussian shaped conditional probability densities.We developed and implemented an algorithm that calculates the coherent mode decomposition of the cross spectral density for a given wavelength. It can be applied to electron beams with finite Twiss alpha and with energy spread. We implemented two algorithms. The first version solves the Fredholm equation in a two-dimensional step function basis set. Because of its memory requirements high undulator harmonics or current lattices with high emittances cannot be calculated. To reduce the memory requirements we developed the two-step method that solves the problem first for an electron beam with zero divergence and adds the effects of the divergence in a second step. The algorithms use the eigensolver library SLEPc. The implementations of the algorithms are open source.We present extensive tests of the algorithms. They include a delta-function shaped electron beam, a Gaussian single electron reference electric field, whose results are analytically known, and comparisons to SRW Monte Carlo samplings.We apply the algorithm to some particular cases. We determine how many modes are necessary to incorporate 95% of the spectral density and how the spectral degree of coherence changes. We find that the energy spread adds extra coherent modes. This effect is negligible for current lattices but for the ESRF-EBS lattice it accounts for a significant fraction of the total modes. Shorter undulators and higher harmonics increase the number of modes. A comparison between an undulator placed at a point with finite alpha and at a symmetry point shows no significant differences. A reduction of the ESRF-EBS beam parameters show a decrease of the mode numbers until they reach a single mode. We simulate a simple 1:1 imaging beamline with an aperture in the image plane. A reduction of the aperture size changes the eigenvalue spectrum to fewer and fewer modes that is paid with a decrease of flux. We present a comparison of the calculated cross spectral density with a Gaussian Schell-model, an analytic approximation and a separation approximation. Although there are not negligible errors between the exact calculation and the separation approximation we come to the conclusions that the separation approximation might be a good and quick approximation that allows the calculation on portable computers.We end the thesis with some ideas for future research.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d’énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d’un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd’hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d’électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l’énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l’utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu’à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d’une puissance allant jusqu’au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou « Flying Capacitor » ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd’hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d’une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d’abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d’offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l’estimation des pertes est développée. [...] / This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform.

Cette thèse a pour objet l'étude de la fiabilité de modules de puissance triphasés à IGBTs 200 A - 600 V, destinés à la construction d'onduleurs de traction pour des applications automobiles hybrides ou électriques. Ces travaux visent à évaluer la tenue de ces modules de puissance en régime de cyclage thermique actif à hautes température, en mettant l'accent sur leur résistance à la fatigue thermomécanique. Deux approches complémentaires ont été mises en oeuvre dans ce but: tests de vieillissement accéléré et modélisation numérique. Une compagne d'essais de vieillissement par cyclage actif a été menée avec des profils de température variés, définis par la température ambiante et la variation de température de jonction des IGBTs, utilisés comme facteurs d'accélération des contraintes. Au cours de ces tests, les composants ont électriquement fonctionné dans des conditions semblables à une application réelle (commande MLI). L'objectif était d'identifier les modes de défaillance, d'estimer l'influence des facteurs d'accélération du vieillissement, et d'évaluer la pertinence des indicateurs de défaillance classiques dans ces conditions de stress thermiques sévères. Aussi, afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance responsables de la fatigue de l'assemblage des modules considérés, une modélisation thermomécanique visant à déterminer l'impact des modèles de comportement mécanique sur la durée de vie estimée des brasures, a été développée. La réponse de l'assemblage à des contraintes de cyclage actif similaires à celles appliquées durant les essais a été évaluée par analyse numérique. Les différentes lois de comportement ont été comparées en termes de contraintes, déformations plastiques, et densité d'énergie plastique dans les brasures. / This thesis is dedicated to reliability investigations led on three-phase 200~A~--~600~V IGBT power modules, designed for building drive inverters for hybrid or electric automotive traction applications. The objective was to evaluate the durability of the studied modules when they withstand power cycling in high temperature environments, and especially their resistance to thermo-mechanical fatigue. Two complementary approaches were considered: accelerated aging experiments and numerical modeling.A series of power cycling tests was carried out over a large range of temperature profiles, defined by the ambient temperature and IGBT junction temperature excursion. These quantities are used as thermal stress acceleration factors. Those experiments were led in realistic electrical conditions (PWM control scheme). They aimed at identifying the failure modes of the target devices, assessing the impact of the acceleration factors on their aging process, and evaluating the suitability of standard aging indicators as damage precursors in such harsh loading conditions. Besides, to better understand the failure mechanisms governing the fatigue life of the modules assembly, a thermo-mechanical modeling focusing on solder joints was built. Our simulation efforts concentrated on the appraisal of constitutive modeling effects on solder joints lifetime estimation. Numerical analysis of the assembly response to power cycling in similar operating conditions as practiced in experiments were performed. Behavior laws were then compared on stress, plastic strain, and strain energy density developed within the joints.

L'autonomie est, à l'heure actuelle, un des points les plus bloquants des véhicules électriques. Une optimisation du rendement de la chaîne de conversion est donc un objectif primordial. La thèse s'inscrit donc dans un contexte d'efficacité énergétique et d'intégration en électronique de puissance. Il s'agira d'améliorer les rendements de conversion et la puissance massique à la fois par le choix de technologies adaptées et par la conception de structures de conversion optimisées. Dans un premier temps, nous présentons l’impact de l’évolution de la tension de batterie HT sur le choix des technologies de composants de puissance. Différentes architectures de conversion sont également présentées et l’accent est mis sur un convertisseur en particulier : L’onduleur. Puis, nous comparons les relevés expérimentaux à ceux qui peuvent sont fournis par des fabricants pour certains composants et dans certaines conditions de fonctionnement. Ces essais permettent également d’enrichir les données des fabricants. Enfin, nous comparerons l’impact de la montée en tension des batteries HT sur les performances de différentes structures d’onduleurs (2 et 3 niveaux), pour différentes technologies de composants semi-conducteurs de puissance et pour différents points de fonctionnement de la machine associée. / Currently, autonomy of electric vehicles is one of the most blocking points for developing such mean of transport. An optimization of the efficiency of the power train is thus a primordial objective. The thesis is part of a context of energy efficiency and integration in power electronics. This will improve conversion efficiencies and mass power both by the choice of appropriate technologies and design optimized conversion structures. First, we present the impact of the evolution of the HT battery voltage on the choice of power component technologies. Different conversion architectures are also presented and the focus is on a particular converter: The inverter. Then, we compare the experimental records to those that can be supplied by manufacturers for certain components and under certain operating conditions. These tests also make it possible to enrich the data of the manufacturers. Finally, we will compare the impact of the voltage rise of the HT batteries on the performances of various inverter structures (2 and 3 levels), for different technologies of semiconductor power components and for different operating points of the machine associated.

Les lasers à électrons libres (LEL) X sont aujourd'hui des sources lumineuses cohérentes et intenses utilisées pour des investigations multidisciplinaires de la matière. Un nouveau schéma d'accélération, l'accélérateur laser plasma (LPA), est maintenant capable de produire une accélération de quelques GeV/cm, bien supérieure à celle des linacs radiofréquence. Ce travail de thèse a été mené dans le cadre des programmes de R&D du projet LUNEX5 (laser à électrons libres utilisant un nouvel accélérateur pour l’exploitation du rayonnement X de 5e génération) de démonstrateur LEL avancé et compact avec applications utilisatrices pilotes. Il comprend un linac supraconducteur de 400 MeV de haute cadence (10 kHz) pour l’étude de schémas LEL avancés, et LPA pour sa qualification par une application LEL. La ligne LEL utilise une configuration d’injection avancée dans la plage spectrale 40-4 nm par génération d’harmoniques à gain élevé (HGHG) et schéma d’écho (EEHG) avec des onduleurs compacts cryogéniques à champ élevé de courte période courte. L'étude de solutions adaptées aux applications LEL compactes et avancées est donc examinée. Un premier aspect concerne la réduction du milieu de gain du LEL (électrons dans l'onduleur), le raccourcissement de la période se faisant au détriment du champ magnétique. Les onduleurs cryogéniques compacts à base d'aimants permanents cryogéniques (CPMU), dans lesquels les performances de l'aimant sont améliorées à la température cryogénique sont étudiés. Une deuxième partie du travail développée dans le cadre l’expérience de R&D COXINEL visant à démontrer l’amplification LEL à l’aide d’un LPA. La ligne permet de manipuler les propriétés des faisceaux d’électrons produits (dispersion en énergie, divergence, variation de pointé) avant d’être utilisées pour des applications de sources lumineuses. Le faisceau d'électrons généré est très divergent et nécessite une bonne manipulation juste après la source avec des quadrupôles forts placés immédiatement après la génération d'électrons. Ainsi, des quadrupôles innovants à aimants permanents de gradient élevé réglable appelés «QUAPEVA», sont développés. Ils sont optimisés avec le code RADIA et caractérisées avec trois mesures magnétiques. Un gradient de 200 T/m avec une variabilité de 50 % est obtenu tout en maintenant une excursion du centre magnétique réduite à ± 10 µm, qui a permis un alignement par compensation de pointé du faisceau dans COXINEL grâce au centre magnétique variable des systèmes, avec un faisceau bien focalisé sans dispersion. Les QUAPEVA constituent des systèmes originaux dans le paysage des quadrupôles à de gradient élevé et variable développés jusqu'à présent. Une troisième partie des travaux concerne l’observation du rayonnement d’onduleur monochromatique ajustable sur la ligne COXINEL. Le faisceau d'électrons d'énergie de 170 MeV est transporté et focalisé dans un CPMU de 2 m et de période de 18 mm émettant à 200 nm. Le flux spectral est caractérisé à l'aide d'un spectromètre UV et le flux angulaire mesuré par une caméra CCD. La longueur d'onde est accordée avec l’entrefer. Les distributions spatio-spectrales mesurées en forme de lune du rayonnement de l'onduleur sont bien reproduites par les simulations de rayonnement utilisant les distributions d’électrons mesurées et transportées le long de la ligne. Elles permettent aussi de renseigner sur la qualité du faisceau d’électrons, de son transport et d'en estimer les paramètres tels que la dispersion en énergie et la divergence. Le dernier aspect du travail est lié à la comparaison entre la génération des harmoniques en gain élevé et le schéma d’écho, dans le cadre de ma participation à une expérience réalisée à FERMI @ ELETTRA. Nous avons pu démontrer un LEL de type écho à 5,9 nm, avec spectres plus étroits et une meilleure reproductibilité que le schéma HGHG à deux étages. Cette thèse constitue un pas en avant vers les lasers à électrons libres compacts et avancés. / X-ray Free Electron Lasers (FEL) are nowadays unique intense coherent fs light sources used for multi-disciplinary investigations of matter. A new acceleration scheme such as Laser Plasma Accelerator (LPA) is now capable of producing an accelerating gradient of few GeV/cm far superior to that of conventional RF linacs. This PhD work has been conducted in the framework of R&D programs of the LUNEX5 (free electron Laser Using a New accelerator for the Exploitation of X-ray radiation of 5th generation) project of advanced and compact Free Electron laser demonstrator with pilot user applications. It comprises a 400 MeV superconducting linac for studies of advanced FEL schemes, high repetition rate operation (10 kHz), multi-FEL lines, a Laser Wake Field Accelerator (LWFA) for its qualification by a FEL application. The FEL lines comports enables advanced seeding in the 40-4 nm spectral range using high gain harmonic generation (HGHG) and echo-enabled harmonic generation (EEHG) with compact short period high field cryogenic undulators. The study of compact devices suitable for compact FEL applications is thus examined. One first aspect concerns the reduction of the Free Electron Laser gain medium (electrons in undulator) where shortening of the period is on the expense of the magnetic field leading to an intensity reduction at high harmonics. Compact cryogenic permanent magnet based undulators (CPMUs), where the magnet performance is increased at cryogenic temperature making them suitable for compact applications, are studied. Three CPMUs of period 18 mm have been built: two are installed at SOLEIL storage ring and one at COXINEL experiment. A second part of the work is developed in the frame of the R&D programs is the COXINEL experiment with an aim at demonstrating FEL amplification using an LPA source. The line enables to manipulate the properties of the produced electron beams (as energy spread, divergence, induced dispersion due) before being used for light source applications. The electron beam generated is highly divergent and requires a good handling at an early stage with strong quadrupoles, to be installed immediately after the electron generation source. Hence, the development of the so-called QUAPEVAs, innovative permanent magnet quadrupoles with high tunable gradient, is presented. The QUAPEVAs are optimized with RADIA code and characterized with three magnetic measurements. High tunable gradient is achieved while maintaining a rather good magnetic center excursion that allowed for beam pointing alignment compensation at COXINEL, where the beam is well-focused with zero dispersion at any location along the line. The QUAPEVAs constitute original systems in the landscape of variable high gradient quadrupoles developed so far. A third part of the work concerns the observation of tunable monochromatic undulator radiation on the COXINEL line. The electron beam of energy of 170 MeV is transported and focused in a 2-m long CPMU with a period of 18 mm emitting radiation light at 200 nm. The spectral flux is characterized using a UV spectrometer and the angular flux is captured by a CCD camera. The wavelength is tuned with the undulator gap variation. The spatio-spectral moon shape type pattern of the undulator radiation provided an insight on the electron beam quality and its transport enabling the estimation of the electron beam parameters such as energy spread and divergence. The final aspect of the work is related to the comparison between the echo and high gain harmonic generation, in the frame of my participation to an experiment carried out at FERMI@ELETTRA. At FERMI, we have demonstrated a high gain lasing using EEHG at a wavelength of 5.9 nm where it showed a narrower spectra and better reproducibility compared to a two-stage HGHG. This PhD work constitutes a step forward towards advanced compact Free Electron Lasers.

Aujourd'hui, les Lasers à Electrons Libres (LELs) en simple passage permettent d'étudier la structure de la matière dans le domaine de la femtoseconde. Cependant, le rayonnement produit, l'émission spontanée auto-amplifiée (SASE), bien que hautement brillante, possède une cohérence longitudinale partielle ; les profils temporel et spectral sont composés d'une série de pics, appelés « spikes », et présentent d'importantes fluctuations statistiques. Nous démontrons ici la forte amplification cohérente de la 5ème harmonique d'un laser Ti: Sa (800 nm, 10 Hz, 100 fs) générée dans une cellule de gaz, i.e. 160 nm, puis injectée dans un LEL. Ce phénomène spectaculaire s'accompagne de la génération d'Harmoniques Non Linéaires LELs (HNL) intenses et cohérentes à 54 nm et 32 nm. L'expérience a été réalisée sur le prototype de l'accélérateur SCSS (source SASE compacte de SPring-8, Japon). Cette installation est principalement constituée d'un canon à électrons à cathode thermo-ionique, d'un LINAC et d'un onduleur sous vide (2 sections de 4,5 m de long), au niveau duquel la source externe harmonique est superposée transversalement, spectralement et temporellement avec le faisceau d'électrons (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). Avec une seule section d'onduleur, le rayonnement à 160 nm en mode injecté atteint une intensité de trois ordres de grandeur supérieure à celle obtenue sans injection, et présente une distribution spectrale quasi-Gaussienne. De plus, la longueur de saturation du LEL est deux fois plus courte. Vu le faible niveau d'injection requis, une telle amplification couplée à des schémas HNL permettrait de générer des rayonnements X-mous totalement cohérents jusqu'à la « fenêtre de l'eau ».

Au sein d'un convertisseur la défaillance d'un composant de puissance est un événement critique tant par le risque d'explosion du boitier et sa propagation au sein du système (forte énergie stockée dans l'alimentation) que par l'interruption de service qui en découle (systèmes embarqués, systèmes de production en flux tendu). Ce mémoire de thèse propose un ensemble de solutions nouvelles portant sur la problématique de l'isolement ultime de défauts "derniers secours" d'une part, et sur la connexion "automatique" et à faible "coût" d'un circuit en secours. L'objectif de cette approche globale est de concilier "sécurité électrique absolue" et "continuité de service" pour les systèmes de conversion sensibles devant être intégrés au coeur des applications critiques. Le premier chapitre et son annexe permettent de rappeler les causes et les conséquences des défauts internes au sein d'une structure de base d'onduleur à deux niveaux de tension, laquelle fait l'objet de nombreuses simulations de modes dégradés en configuration variateur de vitesse sur machine synchrone. De cette analyse il ressort qu'une structure d'isolement symétrique à deux voies couplées, placées sur les pôles du bus DC, à déclenchement spontané (fusible) et/ou commande (rupteur), est à même de sécuriser toutes les mailles du circuit, de façon modulaire et non intrusive. / In all these traditional industries, or in more sensitive sectors and high technology, it appears that the safe operation of power systems becomes a critical and strategic area essential. In the area of application that focuses, design dependability and now rests primarily on an approach to reliability of components used, the use of close protection, monitoring alarms and management stop / reset / recovery. In our view, this approach is incomplete quickly when electrical safety and absolute continuity of a permanent mission should be carried out simultaneously in the presence of an internal failure of sensitive functions for low and medium power (eg, orders and bodies actuation of vehicles) or highly critical (nuclear). In this area, topologies and failure modes are at the heart of the problem. In this paper, we will focus primarily on the inverters and choppers structures at two levels of voltage (single-cell arm, <1kV), with simple configuration and multiphase parallel, although the concepts are presented, as examples, partially extrapolated to the structures of three voltage levels (arms multicellular) and rectifier (low-frequency phase control and high-frequency switching PWM). We will highlight the need to limit the intensity of these failures and to electrically isolate the defective cell and symmetrically of this inverter by multipole devices, passive or spontaneous breaking mixed cut ordered in the form of fuses integrated and distributed of multi-channel passive isolators, to imagine and develop. We will show that this process of isolation of the last backup is needed to connect, form series or parallel to the defective cell, a cell rescue in passive redundancy. The cell structure backup connection pooled by spontaneous (automatic) is especially promising as detailed in our eyes because of its simplicity and its integrability. Next, we present the isolation technologies fuse (not included, miniatures, CMS and multilayer chip fuse), their characteristics, their current limitations and operating in a switching cell test. A methodology and design of symmetrical two-way fuse (dual-fuse) on FR4 PCB - Copper will be presented in Comsol ™ and evaluated initially in static thermal IR. A passive two-way switch, relatively original material for integrating energy embedded in FR4 substrate, will be presented and fully dimensioned plans on electrical, thermal and mechanical also using finite element simulations in Comsol ™. Another aspect of exploratory analysis, mainly experimental, or to characterize the failure modes of bullets and casings ultimate power compared between the technologies of encapsulation by epoxy resin (standard discrete case) and a silicone gel (module) is provided under conditions of stress controlled and reproducible. This step is necessary to characterize the resistive mode of a chip based on faulty stresses and stability over time of the residual strength according to the nature of the encapsulant, ie the very sustainability of this failure mode. A mixed-encapsulant resin - gel will be presented and characterized, providing an excellent compromise for medium power applications. Positive results and little known today, will allow us to exploit in the next chapter, this property of stable ohmic mode of the chip failed in a structure to aid automated connection series interesting. In the end, we will detail the demonstrator prototype and introduced to the context with which we will validate the isolation structures and prototypes fuses the property of stable ohmic mode highlighted in the aspect of technological analysis of selected devices. These results allow us to refine the solutions adopted for specifications and guide future management strategy of defects whether internal or external to the topology. Supervisor digital device - sensor for the detection and reconfiguration of internal control orders will be assessed.