Les aérogels sont des matériaux ultra-poreux et nanostructurés aux possibilités d’applications variées. Une nouvelle génération d’aérogels à base de polysaccharides est aujourd’hui en plein essor : les bio-aérogels. Ils sont particulièrement prometteurs pour leur respect de l'environnement et leur biocompatibilité. De nos jours, la production de bio-aérogels sous forme de monolithes est maîtrisée. Pour optimiser leur procédé de fabrication et pour répondre à des besoins spécifiques d'applications (pharmaceutiques, alimentaire, absorption ou adsorption, etc), les aérogels doivent avoir la forme de particules. Ce travail était focalisé sur la préparation et caractérisation de billes d’aérogels à base de cellulose et a été réalisé dans le cadre du projet Européen « Nanohybrids ». Deux objectifs principaux ont été atteints. Le premier était la préparation et la compréhension des propriétés de nouveaux matériaux, tout en diminuant leurs coûts de production. Deux types de matériaux poreux ont été produits et étudiés : • Des xérogels à base de cellulose (en évitant le séchage sous CO2 supercritique), avec des propriétés comparables à celles de leurs homologues aérogels (densité autour de 0,12 g cm-3 et surface spécifique jusqu'à 300 m² g-1). • Des aérogels à base de pâte à papier. L'influence de chaque composant de la pâte (cellulose, hémicellulose, lignine) et de leur teneur sur la structure et les propriétés des aérogels a été évaluée. Le deuxième objectif était le développement de méthodes de mise en forme d'aérogels de cellulose sous forme de billes de différentes tailles. Deux techniques ont été appliquées avec succès : • Le "JetCutting" : des billes d’aérogels à base de cellulose et de pâte à papier, de taille variant de centaines de micromètres à quelques millimètres, dissout dans deux types solvants (NaOH-eau et liquides ioniques) ont été obtenus. • L'émulsification : des particules d’aérogels de cellulose d’une dizaine de micromètres ont été préparé par le développement d'une nouvelle méthode d'émulsification-coagulation. / Aerogels are ultra-porous and nanostructured materials with a wide range of applications. Bio-aerogels is a new generation of polysaccharide-based aerogels. These fast developing materials are particularly promising for their environmental friendliness and biocompatibility. Nowadays, the production of bio-aerogels in the form of monoliths is mastered. To optimize their manufacturing process and to meet specific application needs (pharmaceutical, food, absorption or adsorption, etc.), aerogels must be in the form of particles. This work focused on the preparation and characterization of cellulose aerogel beads and was conducted in the framework of the European project "Nanohybrids". Two main objectives were achieved. The first was the preparation and understanding of the properties of new materials while reducing their production costs. Two types of porous materials were produced and studied: • Cellulose-based xerogels (obviating drying under supercritical CO2), with properties comparable to those of their aerogel counterparts (density around 0.12 g cm-3 and specific surface area up to 300 m² g-1). • Pulp-based aerogels. The influence of each pulp component (cellulose, hemicellulose, lignin) and their content on the structure and properties of aerogels was assessed. The second objective was the development of methods for shaping cellulose aerogels into beads of different sizes. Two techniques were successfully applied: • JetCutting: aerogel beads based on cellulose and pulps, varying in size from hundreds of micrometres to a few millimetres, dissolved in two types of solvents (NaOH-water and ionic liquids) were obtained. • Emulsification: cellulose aerogel particles of about few tens of micrometres were prepared by the development of a new method of emulsification-coagulation.

Avec l’évolution de la microélectronique et la miniaturisation des différents composants à l’échelle nanométrique, la taille des particules critiques à éliminer lors du procédé de fabrication a été drastiquement réduite. En effet, cette taille critique est actuellement de l’ordre de 10nm. Les procédés de nettoyage doivent donc être capables de retirer ces particules sans endommager les surfaces. Afin de répondre à ce challenge, deux méthodes sont étudiées dans ce travail : l’utilisation d’un spray et l’application conjointe d’une couche de polymère et d’un spray.Le spray est utilisé depuis de nombreuses années dans le domaine de la microélectronique. Cependant, le mécanisme de détachement des particules par cette méthode n’est toujours pas assimilé. Le but de cette étude est de mieux le comprendre. Ainsi, différents paramètres vont être étudiés aboutissant à l’élaboration d’un modèle de détachement, faisant apparaître de nouvelles variables liées au procédé de nettoyage, à la contamination (nature et taille des particules) ou encore aux conditions de stockage des surfaces.De son côté, le procédé par utilisation conjointe de couche polymère et de spray est en plein essor mais peu d’informations sont aujourd’hui disponibles. Néanmoins de premières études ont démontré sa capacité à nettoyer des surfaces présentant des motifs et son efficacité quel que soit la taille de la contamination. Dans ce travail, différents procédés de retrait de la couche polymère seront comparés ainsi que certaines propriétés physico-chimiques propres à celle-ci. L’objectif étant de déceler des paramètres clefs influençant le retrait particulaire et de proposer une prémisse d’élucidation des mécanismes physiques mis en jeu. / With the evolution of microelectronics and the miniaturization of the various components at the nanoscale, the size of the critical particles to be removed during the manufacturing process has been drastically reduced. Indeed, this critical size is currently of the order of 10 nm. Cleaning processes must therefore be able to remove these particles without surfaces damage. In order to answer this challenge, two methods are studied in this work: the use of a spray and the joint application of a polymer layer and a spray.The spray has been used for many years in the microelectronics field. However, the mechanism of particles detachment by this method is still not assimilated. The purpose of this study is to better understand it. Thus, different parameters will be studied leading to the development of a detachment model, showing new variables related to the cleaning process, contamination (nature and particle size) or the storage conditions of surfaces.For its part, the process by using a combination of polymer layer and spray is in full development, but little information is available today. Nevertheless, early studies have demonstrated its ability to clean surfaces with patterns and its effectiveness regardless of the size of the contamination. In this work, different methods of the polymer layer removal will be compared as well as some physicochemical properties specific to it. The objective is to detect key parameters influencing particle removal and to propose a premise of elucidation of the physical mechanisms involved.

In preparation for the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) at CERN, the Compact Muon Solenoid (CMS) Detector is undergoing a series of upgrades to its existing infrastructure, and is adding in several completely new subdetector systems. The first of these new systems, called GE1/1, is a series of 144 gas electron multiplier (GEM) detectors, arranged as 36 two-detector "superchambers" in each of the muon endcaps of CMS. These detectors are a subtype of micropattern gas detectors, and consist of three layers of "GEM foils", thin sheets of polyimide coated with 5 um of copper on each side and chemically etched with holes of 50 - 70 um diameter at a pitch of 140 um. These layers are stacked on top of a printed circuit board (PCB) readout and sealed within a gastight volume that is filled with Ar:CO2 70:30, and a high voltage is applied to the foils to create electric fields within the GEM detectors. When a muon enters the detector and ionizes the gas within, the ionized electrons encounter these fields and multiply in Townsend avalanches at each successive foil layer, until they are read out at the readout PCB at a gain of ~10^4. In early 2017, a demonstrator system known as the "slice test" was installed into the negative endcap. Consisting of 10 GEM detectors, the two-year-long slice test served as both a proof of concept for the GE1/1 system and an invaluable learning experience that would permanently impact not only the GE1/1 project, but future GEM systems GE2/1 and ME0 as well. During the slice test, it was observed that readout channels were being lost in the course of operation to such a degree that the operational lifetime of the system was in serious jeopardy. These losses were attributed to damage to the front-end readout ASIC (VFAT) inputs, caused propagating electrical discharges within the detectors, and a dedicated campaign to study the discharges was launched. The results of this study will be presented in this dissertation. A campaign to mitigate these discharges and their resulting damage was launched. In order to protect the sensitive VFAT from damage, several external protection circuits were proposed and thoroughly tested. The results of these tests, which are presented herein, determined that a series of resistors totaling 470 Ohms would be installed on the VFAT hybrid. When coupled with an additional 200 kOhm resistor on the HV filter, this reduced the probability of damage following a discharge from 93% to 3% As GE2/1 and ME0 are not due to be installed for another few years, more complex discharge-prevention measures can be put into place. As such, the following measures have been examined, and results will be discussed herein: A new, larger VFAT hybrid is being manufactured, whose larger surface area can accommodate more robust protection circuits than those considered and used for GE1/1. As well, double-segmented GEM foils, in which both the top and bottom of each foil is segmented into < 100 cm^2 sectors that are separated by resistors, were examined for use in the detectors. These double-segmented foils were found to introduce a cross-talk signal in the detectors that results in false signals being treated as true signals, which causes a saturation of the GEM bandwidth and results in unwanted dead time. These cross-talk signals, as well as the compromises made to reduce the cross-talk while maintaining robust discharge prevention, will be discussed. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La pyrolyse est une étape clé des procédés de synthèse thermochimique des biocarburants de deuxième génération. Notre objectif a été d'améliorer la compréhension des mécanismes impliqués à l'échelle d'une particule. Il apparaît nécessaire en premier lieu d'acquérir de nouvelles données expérimentales en maîtrisant les conditions opératoires, pour dans un second temps valider des modèles. Un dispositif expérimental a été développé pour étudier la pyrolyse d'une particule de bois de taille centimétrique entre 450 et 1050°C. La température interne, la masse et les dimensions de la particule ainsi que les rendements instantanés en gaz ont été suivis en temps réel. Les produits de pyrolyse ont été caractérisés. Le modèle développé dans un système à deux dimensions par l'Université Catholique de Louvain a été utilisé pour décrire les conditions expérimentales et simuler les résultats. Des écarts significatifs entre modèle et expérience ont été observés. La comparaison des données simulées et expérimentales ainsi que l'analyse des résultats d'une étude paramétrique permettent d'identifier des pistes d'amélioration du modèle. Les propriétés thermiques de la particule ont été déterminées expérimentalement. Des corrélations sont proposées pour décrire les variations des chaleurs massiques et des conductivités thermiques du bois et du résidu carboné en fonction de la température de pyrolyse, jusqu'à 1050°C. / Pyrolysis is a key step in the thermochemical conversion processes of biomass for the synthesis of second generation biofuels. The objective is to improve our understanding of the mechanisms of pyrolysis at the particle scale. It appears necessary to first get new data by controlling the operating conditions in order to secondly validate models. An experimental device has been developed to study the pyrolysis of wood centimeter-scale particle between 450 and 1050°C. The internal temperature, the mass and size of the particle, and instantaneous gas yields were monitored continuously. The products of pyrolysis were characterized. The model developed in a two dimensional system by the Catholic University of Louvain was chosen to describe the experimental conditions and simulate the results. Significant differences between model and experiments were observed. The comparison between simulated and experimental results and the results of a parametric study are used to identify ways to improve the reliability and the predictive ability of the simulations. The measurement of the particle thermal properties was one of the identified ways and was studied carefully. Correlations are proposed to describe the variations of both wood and char heat capacities and thermal conductivities with the pyrolysis temperature until 1050°C.

Cette thèse présente deux analyses réalisées avec des évènements où un photon est produit en association avec un jet obtenus avec l'expérience CMS au LHC. Le première analyse présente l'extraction de la calibration de l'échelle en énergie des jets en utilisant la balance en impulsion présente dans ce type d'évènements, la seconde analyse présente la mesure de la section efficace différentielle de production d'évènement ou un photon est émis en association avec un jet de saveur lourde dans les collisions proton proton du LHC / This PhD thesis presents two analysis using photon + jet events with the CMS experiment at the LHC. The first analysis presents the extraction of the jet energy calibration using the momentum balance between the jet and the photon in such events, the second analysis presents the photon + heavy flavored jet differential production cross section with proton proton collision at LHC

La formation des aérosols organiques dans l'atmosphère est étudiée via le développement d'un nouveau modèle de formation d'aérosols organiques secondaires nommé H²O (Hydrohilic/Hydrophobic Organics). Dans un premier temps, une paramétrisation de la formation d'aérosols via l'oxydation de l'isoprène est développée. Cette paramétrisation prend notamment en compte l'influence des concentrations d'oxydes d'azote sur la formation d'aérosols et leurs propriétés hydrophiles. Ensuite, H²O incluant cette paramétrisation et d'autres développements est évalué par comparaison aux mesures de carbone organique sur l'Europe. Prendre en compte les émissions de composés semi-volatils primaires gazeux (qui peuvent former des aérosols organiques secondaires après oxydation ou se condenser lors de baisses de température) améliore les performances du modèle de manière significative. En revanche, si les émissions de ces composés ne sont pas prises en compte, il en résulte une très forte sous-estimation des concentrations d'aérosols organiques en hiver. La formation d'aérosols organiques secondaires sur l'Île-de-France durant la campagne d'été de Megapoli (juillet 2009) a aussi été simulée pour évaluer les performances du modèle en zone urbaine. H²O donne de bons résultats sur l'Île-de-France bien que le modèle prévoit un pic d'aérosols organiques, provenant des émissions du trafic durant les heures de pointe, qui n'apparaît pas dans les mesures. La présence de ce pic dans les résultats du modèle peut être due à la sous-estimation de la volatilité des composés semi-volatils primaires. Il est aussi possible que les composés organiques primaires et les composés organiques secondaires ne se mélangent pas et que les composés semi-volatils primaires ne peuvent pas se condenser sur un aérosol organique majoritairement secondaire et très oxydé. Enfin, l'impact de la chimie aqueuse est étudié. Le mécanisme utilisé inclue notamment, la formation d'aérosols organiques secondaires dans la phase aqueuse des nuages par oxydation du glyoxal, du méthylglyoxal, de la méthacroleine et de la méthyl-vinyl-cétone, la formation de méthyltétrols dans la phase aqueuse des particules ou des gouttes d'eau des nuages et le vieillissement des aérosols organiques dans un nuage. L'impact des dépôts humides sur la formation d'aérosols est aussi étudié pour mieux caractériser l'impact des nuages sur les concentrations d'aérosols organiques / Rganic aerosol formation in the atmosphere is investigated via the developpement of a new model named H²O (Hydrohilic/Hydrophobic Organics). First, a parameterization is developped to take into account secondary organic aerosol formation from isoprene oxidation. It takes into account the effect of nitrogen oxides on organic aerosol formation and the hydrophilic properties of the aerosols. This parameterization is then implemented in H²O along with some other developments and the results of the model are compaired to organic carbon measurements over Europe. Model performance is greatly improved by taking into account emissions of primary semi-volatile compounds, which can form secondary organic aerosols after oxidation or can condense when temperature decreases. If those emissions are not taken into account, a significant underestimation of organic aerosol concentrations occurs in winter. The formation of organic aerosols over an urban area was also studied by simulating organic aerosols concentration over the Paris area during the summer campaign of Megapoli (July 2009). H²O gives satisfactory results over the Paris area, although a peak of organic aerosol concentrations from traffic, which does not appear in the measurements, appears in the model simulation during rush hours. It could be due to an underestimation of the volatility of organic aerosols. It is also possible that primary and secondary organic compounds do not mix well together and that primary semi volatile compounds do not condense on an organic aerosol that is mostly secondary and highly oxidized. Finally, the impact of aqueous-phase chemistry was studied. The mechanism for the formation of secondary organic aerosol includes in-cloud oxydation of glyoxal, methylglyoxal, methacrolein and methylvinylketone, formation of methyltetrols in the aqueous phase of particles and cloud droplets, and the in-cloud aging of organic aerosols. The impact of wet deposition is also studied to better estimate the impact of clouds on organic aerosol concentrations

La pollution atmosphérique, et plus particulièrement la pollution particulaire d’origine anthropique constitue l'un des facteurs de risque environnemental les plus importants impliqués dans l’augmentation croissante de la morbi-mortalité liée aux pathologies respiratoires et cardio-vasculaires. Au coeur du domaine qu’englobent les activités pyrotechniques, que ce soit dans le domaine professionnel, civil ou militaire, les fumigènes sont référencés comme producteur important de particules et jouent donc un rôle non négligeable dans l’augmentation de cette pollution particulaire, exposant leurs utilisateurs aux différents aérosols émis.L’objectif général de cette étude exploratoire a été d’apporter des connaissances sur les caractéristiques physico-chimiques ainsi que sur la toxicité pulmonaire in vitro de particules émises lors d’activités pyrotechniques, et plus précisément de particules issues d’armes de petit calibre et de fumigènes.La caractérisation physico-chimique a démontré les particules de tir possédaient une granulométrie assez grossière (entre 3 et 7,5 μm) et étaient composées majoritairement d’éléments métalliques ; contrairement aux particules de fumigène qui appartiendraient à la classe granulométrique des particules fines (< 0,95 μm) et qui seraient majoritairement composées de molécules organiques différentes selon le type de fumigène. L’évaluation de la toxicité a été réalisée par une approche in vitro en utilisant des cellules épithéliales alvéolaires humaines (A549) exposées aux particules de tir et de fumigènes. Une étude de mutagénicité a été conduite à partir d’extraits organiques des particules de fumigènes. Parmi les particules testées, les particules de tir et du fumigène 1 ont induit une cytotoxicité. Les particules de fumigène 1 ont également induit un stress oxydant (augmentation de l’expression de l’ARNm de HO-1), une initiation de la réponse inflammatoire (augmentation de l’expression de l’ARNm d’IL-6 et IL-8) et des effets mutagènes.Les résultats de cette étude comparative ont démontré que les particules issues d’armes de poing et de fumigènes avaient une granulométrie, une concentration atmosphérique ainsi qu’une composition chimique différentes ; caractéristiques physico-chimiques responsables d’effets mutagènes et cytotoxiques différents ainsi que d’altérations des propriétés oxydantes et inflammatoires intrinsèques. Cette étude a mis en évidence la nécessité d’évaluer la toxicité des particules issues d’activités pyrotechniques en développant des moyens expérimentaux adaptés, depuis la collecte des particules jusqu’à l’évaluation de leurs impacts sanitaires. / Air pollution, and particulary anthropogenic particulate matter, is one of the most important risk factors involved in the high rate of morbidity and mortality related to respiratory and cardiovascular diseases. In pyrotechnic field, be it professional, civil or military activities, smokes constitue an important particle producer playing a major role in particulate matter emmergence and thereby exposing users to the various emitted aerosols.The main purpose of this exploratory study was to provide knowledge on the physicochemical characteristics of particles emitted during pyrotechnic activities, more specifically particles from gunfire and smokes, and to assess their pulmonary toxicity in vitro.On the first hand, the physicochemical characterization demonstrates that firing particles had a rather coarse granulometry (3 to 7.5 μm) and were mainly composed of metallic elemets, despite smoke particles belong to the category of fine particles (< 0,95 μm) and are predominantly composed of different organic molecules according to the smoke type.On the other hand, in order to assess the pulmonary toxicity of particles, we exposed human alveolar epithelial cells (A549) in vitro to particles coming from either gunfire and to two of the four different smokes (smoke 1 and 4). The results of this study showed that some of these particles (gunfire and smoke 1 particles) induced a mutagenic effects from organic extracts, as well as cytotoxicity. Moreover, particles of smoke 1 were also able to give rise to an oxidative stress (increased HO-1 mRNA expression) and to initiate an important inflammatory response characterized by pro-inflammatory cytokine upregulation (increase in IL-6 and IL-8 mRNA expression).The results of this comparative study demonstrated that particles from gunfire and smoke have different particle sizes and chemical composition. These physicochemical characteristics are responsible for different mutagenic and cytotoxic effects as well as alterations of the intrinsic oxidizing and inflammatory properties. This study also made it possible to understand the different methods of toxicological evaluation of smoke particles.

Pas de résumé / No summary

Les transporteurs membranaires jouent un rôle primordial dans la pharmacocinétique de médicaments mais aussi dans le transport de composés endogènes. La maîtrise de modèle in vitro permettant d’évaluer leur implication dans des interactions médicamenteuses, notamment au niveau hépatique, est donc primordiale. L’utilisation de ces modèles permettra aussi de déterminer l’impact potentiel de contaminants environnementaux, comme les particules diesel, sur l’expression fonctionnelle de transporteurs. Nos résultats démontrent la fiabilité de modèles hépatocytaires (hépatocytes et cellules d’hépatome HepaRG) en culture monocouche pour l’étude du transport membranaire de médicaments. Grâce à ces modèles, nous avons mis en évidence que des extraits de particules diesel (DEPe) peuvent modifier l’expression et/ou la fonction de transporteurs membranaires hépatiques, les Organic Anion Polypeptide Transporter (OATP) et les Multidrug Resistance associated Protein (MRP). Au niveau pulmonaire, les DEPe peuvent aussi augmenter l’expression du complexe LAT1/CD98hc, un complexe protéique de transport d’acides aminés souvent associé à de mauvais pronostics dans les cas de cancer du poumon. En conclusion, nos résultats mettent en évidence que les DEPe peuvent intervenir dans la régulation de l’activité et de l’expression de transporteurs membranaires tant au niveau hépatique qu’au niveau pulmonaire. / Membrane transporters play a major role in the pharmacokinetic of drugs and in the transport of endogenous compounds. The development of in vitro models for the study of their expression and activity is therefore important to consider, notably for analyzing their interactions with drugs or environmental contaminants such as diesel exhaust particles. Our results demonstrated the reliability of hepatocytic cells (hepatocytes and highly differentiated hepatoma HepaRG cells) in monolayer culture for the study of membrane transport of drugs. Using these models allowed us to demonstrate that extracts of diesel exhaust particles (DEPe) can alter the expression and / or function of major liver transporters such as organic anion transporting polypeptides (OATP) and Protein Multidrug associated Resistance (MRP). In lung cells, DEPe can increase the expression of complex LAT1 / CD98hc a protein complex, that is associated with poor prognosis in lung cancer. In conclusion, our results demonstrated that DEPe can regulate activity and expression of membrane transporters at hepatic and lung level.

L’avènement des lasers de forte intensité ouvre une nouvelle voie pour la production de réactions nucléaires par laser. En particulier, les impulsions d’intensités supérieures à 10^18 W.cm-2 permettent d’accélérer des faisceaux de protons, et d’ions, caractérisés par un large spectre, une courte durée d’impulsion de l’ordre de la dizaine de picoseconde, un flux (nombre de particules par unité de temps) supérieur de plusieurs ordres de grandeurs aux flux obtenus dans les accélérateurs classiques et des énergies allant jusqu’à plusieurs dizaines de MeV. De telles énergies permettent d’initier des réactions nucléaires ayant des résonances autour de la centaine de keV, telles que la réaction de fusion p-11B qui libère trois particules alpha et ~8,7 MeV, ou encore des réactions à seuil qui produisent des radio-isotopes, utiles pour la médecine nucléaire. Cette thèse a été dédiée au développement d’une plateforme expérimentale sur l’installation laser ELFIE, du LULI (Ecole Polytechnique, France) pour étudier la production de réactions nucléaires dans le cadre du schéma laser suivant : un faisceau de protons est accéléré par laser sur une première cible, par mécanisme TNSA, puis une cible de bore est irradiée par ces protons pour produire les réactions nucléaires. Un second faisceau laser peut être déclenché pour ioniser la cible de bore. Un ensemble de diagnostics complémentaires a été développé pour mesurer et caractériser les produits de réactions. Différents paramètres tels que le flux de protons, le spectre de protons, l’état de la cible de bore (solide ou plasma) ou sa composition, ont été testés afin d’identifier les paramètres physiques qui permettent d’optimiser le nombre de réactions. La compréhension de la physique qui régit la production des réactions nucléaires dans ces conditions est indispensable pour envisager des applications en médecine, ou dans des schémas de fusion pour produire de l’énergie. / The recent development of high-intensity laser beams has stimulated the advent of many schemes to produce nuclear reactions by laser. Laser pulses with intensity higher than 1018 W.cm-2 can particularly be used to accelerate proton and ion beams with interesting characteristics such as a broad spectrum, a short duration (~ 10ps), a large number of particles per picosecond and a high energy cut-off, up to tens MeV. Thus, nuclear reactions with resonances close to hundreds keV can be initiated, such as the p-11B fusion reaction which releases 8.7MeV and three alpha particles, or, such as threshold reactions with produce positron emitters, used in nuclear medicine. This thesis was dedicated to the development of an experimental platform at the ELFIE laser facility, at LULI (Ecole Polytechnique, France) to study the production of nuclear reactions using the following scheme: a proton beam is accelerated by the TNSA mechanism on a first target, and sent into a boron target to induce nuclear reactions. A second laser beam can be used to ionize and heat the boron target. A set of complementary diagnostics has been developed to measure and characterize the reaction products. Several parameters such as the proton flux, the proton spectrum, the boron target state (solid or plasma) and its composition were studied in order to identify the physics parameters that optimize the number of reactions. The understanding of the physics that govern the production of reactions in this scheme is necessary to consider applications in medicine or in fusion schemes, to produce energy.