L’utilisation de la spectroscopie nucléaire comme outil de détection est limitée par le ratio du signal sur bruit. Les méthodes traditionnelles qui permettent d’outrepasser cette difficulté sont d’augmenter l’intensité du signal ou de diminuer le bruit. Pour amplifier le signal, il existe deux méthodes : avoir un émetteur plus intense ou avoir un détecteur de meilleur rapport signal sur bruit . Les techniques typiques de réduction de bruit de fond sont : l’application de filtres numériques et l’ajout de systèmes, tels des circuits de coïncidence, pour favoriser l’étude du signal. Dans le cadre de notre recherche, nous cherchons à détecter des traces d’éléments en utilisant l’activation par neutron. Nous sommes donc limités à avoir des émetteurs d’intensité faible. Beaucoup de chercheurs se penchent déjà sur la création et l’amélioration de détecteurs ayant de meilleures résolutions en énergie. L’approche que nous proposons utilise des détecteurs typiques ayant des résolutions standards et aucun système de suppression de bruit de fond. Nous avons développé un montage expérimental astucieux qui se charge de récolter un maximum d’information. Nous le couplons par la suite à un système d’analyse statistique robuste basé sur l’estimation du maximum de vraisemblance d’un modèle de mixture pour extraire les paramètres d’intérêt. Cette méthode mène à une amélioration flagrante du pouvoir de détection d’un tel système. Les résultats de cette recherche sont par la suite très utiles à tous les systèmes de spectroscopie semblables. Les méthodes d’acquisition et d’analyse développées sont en parfaite synergie avec les travaux de recherche qui se font ailleurs sur des systèmes de détecteurs plus exotiques. / The use of nuclear spectroscopy as a detection tool is limited by signal to noise ratio. The most common ways of overcoming this difficulty are either boosting the signal or dampening the noise. Boosting the signal can either be done by having a more powerful emitter or by having a better signal to noise ratio. Applying digital filters and having special experimental setups are the typical ways of enhancing the signal. In our case, the detection of trace elements with neutron activation analysis, we are limited by the nature of the problem to having small emitter signals. A good amount of research is already being done to develop new and exotic detectors to improve their energy resolution. The approach we propose uses typical detectors with average resolution and no background suppression. We propose an intelligent experimental design intended to extract a maximum of information from the experiment and an analysis algorithm based on a rigorous statistical model using a maximum likelihood approach to solving a mixture model in order to drastically improve detection efficiency. This method can be combined with more complex setups that use higher resolution detectors. As such the results of this project synergize well with what is being done elsewhere in the fields of spectroscopy and detector physics.

L'objectif de cette étude est de valider les mesures prises avec le système de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Dans ce but, l'écoulement dans une conduite à section rectangulaire est ici étudié. Les résultats de Hussain et Reynolds (1975) et de Moser et al (1999) servent d'éléments de comparaison. Des mesures 2D de la totalité de la hauteur de la conduite furent faites avec le système PIV. Les nombres de Reynolds choisis pour ces mesures sont de 32300 et 42600. Les résultats montrent que l'écoulement observé ne semble pas pleinement développé. Par ailleurs, deux modes d'interrogation d'images sont testés, ainsi qu'une validation locale. Le mode d'interrogation qui donne les meilleurs résultats est la corrélation avec décalage des zones d'interrogation. Cependant, les deux modes d'interrogation, pâtissent de l'effet de " peak-locking ". Les structures turbulentes de petite échelle ne sont pas observées dans cette étude.

Cette thèse a pour sujet le développement d’un compteur gamma pour l’imagerie moléculaire. L’objectif principal du projet est de développer, à faible coût, un appareil compact comme outil pour l’obtention d’une quantification robuste de l’image. Celui-ci a été conçu pour caractériser la courbe temps-activité des patients, à savoir la concentration d’un radio-marqueur dans le sang en temps réel. Le prototype construit comporte donc un détecteur de gammas, une pompe péristaltique et un système d’acquisition. Le compteur gamma a été conçu à partir d’un détecteur à semi-conducteur CdZnTe commercial de 6 cm³, 20 x 20 x 15mm³, comportant une anode segmentée en 121 pixels. Cette anode demande un grand nombre de voies d’électroniques ; aussi son instrumentation ne s’inscrit pas facilement dans un design compact et peu coûteux. Une technique innovante d’instrumentation a été développée pour remplir ces objectifs en se basant sur la technique de grille coplanaire. L’anode étant segmentée en 11 x 11 pixels, les pixels des colonnes paires ont été reliés ensemble ainsi que ceux des colonnes impaires afin de former deux peignes imbriqués. Ce nouveau design d’anode virtuelle, nommé grille virtuelle coplanaire, est instrumenté avec une électronique maison. Pour piloter ce détecteur et faire le traitement du signal, la technologie des circuits logiques programmables, FPGA, a été choisie. Elle offre une grande latitude de développement et est aussi utilisée pour contrôler les autres éléments du prototype. Ce détecteur CdZnTe, dans sa nouvelle configuration d’anode virtuelle, affiche une efficacité intrinsèque de 34% à 662 keV avec une grande stabilité d’efficacité de détection (déviation, non significative, inférieure à 0,05%) et une résolution en énergie de 8%. Le prototype construit sur cette base a permis de mesurer la courbe temps-activité d’un patient lors d’un examen TEP avec succès. La sensibilité du prototype a été évaluée à 7; 1 cps=(kBq=ml) avec une activité minimum détectable de 2; 5 kBq=ml pour le 18F. Les performances spectroscopiques du prototype et la grande plage d’énergie couverte ouvrent des perspectives d’utilisation en tomographie d’émission monophotonique. Celui-ci peut aussi être adapté pour des études pré-cliniques chez le petit animal en modifiant le système de prélèvement. / The subject of this thesis is the development of a gamma counter for molecular imaging. The main objective of the project is to develop a low cost device with a compact design with the purpose of producing a robust quantification of a SPECT/PET image. The tool is designed to characterize the time-activity curve of patients, specifically the concentration of a radio marker in the blood in real time. The prototype consists of a gamma detector, a peristaltic pump and an acquisition system. The gamma counter is designed from a commercial CdZnTe semiconductor detector. It is a cubic crystal of size 20 x 20 x 15mm3, containing an anode segmented in 121 pixels. This anode requires a large number of electronic readouts, thus its instrumentation does not easily fit in a compact and low cost design. An innovative technique of instrumentation has been developed to solve this problem based on the coplanar grid technique. The anode being segmented into 11 x 11 pixels, the pixels of the even-numbered columns were connected together, as well as the pixels of the odd columns, to form intercalated bands. This new virtual anode design, named virtual Coplanar Grid, is instrumented with an custom-made electronics. To drive this detector and to process its signal, an FPGA technology was used. It offers wide flexibility for development and is also used to control the other elements of the prototype. The CdZnTe detector, in its new configuration of virtual anode, displays an intrinsic detection efficiency of 34% at 662 keV with a low standard deviation, a non-significant signal drift (< 0.05%) and a 8% energy resolution. The prototype built allowed to successfully measure the time-activity curve of a patient during a PET scan. The device achieves a sensitivity of 7:1 cps=(kBq=mL) with a minimum detectable activity of 2:5 kBq=mL for 18F. The spectroscopic performance of the prototype and the energy detection range open perspectives to be used in single photon emission computed tomography. It can also be adapted for preclinical studies in small animal by changing the sampling system.

La flottation industrielle est un procédé continu qui se déroule souvent en plusieurs étapes et dans lequel des particules d'une espèce de minéral donnée (généralement celles d'intérêt), présentes en différentes tailles, rencontrent une grande quantité de bulles de gaz (normalement de l'air) pour produire des agrégats bulles-particules minérales, qui sont extraits du dispositif de flottation (colonne ou cellule) en tant que produit de valeur (concentré). Le contenu en bulles est décrit par les conditions hydrodynamiques régnant dans le réacteur de flottation. Celles-ci sont reconnues pour leur influence sur la performance de la flottation. Ce projet de recherche porte sur deux sujets majeurs. Le premier est l'analyse de l’impact des particules solides sur les variables hydrodynamiques et l’effet de ces variables hydrodynamiques sur la récupération d’eau au concentré. Pour ce faire, l'effet du solide sur la distribution de la taille des bulles et le taux de rétention de l’air, ainsi que la corrélation entre la distribution de taille des bulles et le taux de rétention de l’air dans une colonne de flottation ont été étudiés. L'effet du taux de rétention de l’air, de la dimension des bulles et du taux surfacique de bulles (Sb) sur la quantité d’eau extraite au concentré a ensuite été analysé. Le second sujet traite de l'utilisation des variables hydrodynamiques pour la modélisation de la cinétique du procédé de flottation selon distribution granulométrique des particules introduites. La surface inter-faciale de bulle (Ib) est introduite à cet égard comme une variable hydrodynamique fournissant plus d'informations sur la distribution de taille de bulle que le taux surfacique de bulles qui est plus couramment utilisé. De plus, la corrélation entre la constante cinétique, la taille des particules et certaines variables hydrodynamiques a été analysée en utilisant une projection de structures latentes (PSL). Les résultats indiquent que l'importance relative des variables hydrodynamiques pour la modélisation de la cinétique de flottation dépend de la distribution granulométrique des particules. Finalement, les variables hydrodynamiques suggérées pour chaque classe granulométrique considérée ont été utilisées pour produire des modèles de régression mono-variable de la constante cinétique. / Industrial flotation is a continuous and often multistage process, where particles of a given mineral species (usually the targeted one), present in different sizes, encounter a large amount of gas bubbles (normally air) to produce mineral–bubble aggregates, which are removed from the flotation device (cell or column) as a valuable product (concentrate). The bubble content inside the cell is characterized by the prevailing hydrodynamic conditions (known as gas dispersion variables), which in turn are known to influence the flotation performance. This research project deals with two major topics. The first one is identifying the effect of mineral particles on hydrodynamic variables, and the effects of hydrodynamic variables on the final water recovery. For this purpose, the effect of solid particles on the bubble size distribution and gas hold-up, as well as the correlation between bubble size distribution and gas hold-up in column flotation were studied. It is followed by an assessment of the effect of the gas hold-up, bubble size and bubble surface area flux (Sb) on the amount of water reporting to the concentrate. The second topic deals with applying appropriate hydrodynamic variables for flotation modeling based on a given introduced particle size distribution. The interfacial area of bubbles (Ib) is introduced to address this issue as a hydrodynamic variable providing more information about the size distribution of bubbles than the commonly used bubble surface area flux. The correlation between the flotation rate constant and particle size as well as given hydrodynamic variables using a Projection to Latent Structures (PLS) has been analyzed. Results suggest that the relative importance of hydrodynamic variables for flotation rate modeling depends on the particle size distribution. Finally the suggested hydrodynamic variables for each of the various particle size-classes considered were used to produce single variable models for the flotation rate constant.

Ce document est une synthèse de mes travaux de recherche en Physique qui s'articule selon trois axes: turbulence hydrodynamique, magnétohydrodynamique et turbulence d'onde. J'ai développé des techniques de mesure originales destinées à l'analyse lagrangienne de la turbulence hydrodynamique: il s'agit de suivre le mouvement de particules entraînées par un écoulement à haut nombre de Reynolds. Malgré le fait que la statistique de vitesse Lagrangienne soit gaussienne avec une décorrélation exponentielle, la modélisation de l'écoulement par une équation de Langevin est insuffisante à cause la très forte intermittence de la vitesse Lagrangienne. Celle-ci se traduit en particulier par un distribution fortement non gaussienne de l'accélération. En comparant les données expérimentales avec un modèle de marche aléatoire multifractale, nous avons mis en évidence le lien entre corrélations temporelles longues de l'amplitude de l'accélération et les propriétés statistiques d'intermittence. Une description multifractale suggère par ailleurs une certaine universalité de l'intermittence Lagrangienne entre différents écoulements expérimentaux ou numériques. Les mêmes techniques expérimentales sont appliquées à l'étude de la dynamique de particules inertielles. Cela permet en particulier d'améliorer la modélisation des effets d'inertie et de taille finie dans les simulations numériques. Finalement, j'analyse le lien entre le mouvement des particules de fluide et les propriétés de transport de scalaire passif. Je participe également à la collaboration VKS dont le but est l'étude expérimentale de l'effet dynamo, c'est-à-dire la génération d'un champ magnétique par le mouvement d'un fluide conducteur (du sodium liquide dans notre cas). Nous avons mis en évidence cet effet en 2006 et montré l'existence de régimes dynamiques du champ magnétique qui, pour certains, ressemblent fortement aux renversements du champ magnétique terrestre. Nous avons montré que les conditions aux limites jouent un rôle crucial. Les régimes dynamiques correspondent au comportement attendu par des systèmes dynamiques de basse dimension malgré le fait que l'écoulement est fortement turbulent et fait donc intervenir un grand nombre de degrés de liberté. Pour étudier la saturation de la croissance du champ dynamo, nous avons mis en oeuvre à l'ENS Paris, une expérience dans le gallium dans laquelle nous étudions l'effet d'un champ magnétique élevé sur un écoulement turbulent. Les effets de freinage magnétique ont été mis en évidence. Finalement, j'ai développé récemment une expérience de turbulence d'onde. La turbulence d'onde présente des ressemblances phénoménologiques avec la turbulence hydrodynamique, avec l'avantage d'une théorie statistique: la turbulence faible. Nous étudions expérimentalement les vibrations d'une tôle mince en acier inoxydable. Une technique de profilométrie par transformée de Fourier à haute vitesse permet de mesurer l'évolution temporelle de la déformation de la plaque résolue à la fois en temps et en espace. Les propriétés statistiques de ces vibrations sont en désaccord quantitatif avec la théorie mais la phénoménologie semble similaire. Ces nouvelles mesures ouvrent de nombreuses perspectives d'interaction avec les théoriciens de la turbulence d'onde.

Afin de simuler la dispersion atmosphérique de polluants (scalaires passifs ou particules) et de<br />prédire les pics de pollution et les interactions entre particules (collisions, coalescence et fragmentation,<br />...), nous avons choisi d'utiliser une simulation des grandes échelles. Cette démarche est particulièrement intéressante pour simuler la dispersion, les réactions chimiques, les interactions entre particules et le mélange turbulent, parce qu'elle permet la prise en compte de l'évolution séparée des grandes échelles ne participant pas nécessairement à une dynamique modélisable simplement.<br />Cependant, de nombreux processus physico-chimiques ont lieu à une échelle beaucoup plus petite que l'échelle minimale résolue par la simulation des grandes échelles. Il est donc nécessaire de modéliser le comportement sous-maille du scalaire passif et des particules transportées. Pour ceci, la simulation des grandes échelles est couplée avec une équation stochastique de Langevin. Le modèle stochastique est reformulé en terme de grandeurs filtrées et il est exprimé uniquement en fonction des grandeurs obtenues par la simulation des grandes échelles. Ce couplage est appliqué à la simulation de la dispersion d'un panache de scalaire passif issu d'une source élevée. L'ensemble est confronté à l'expérience de Fackrell & Robins (1982).<br />L'équation de mouvement d'une sphère rigide dans un écoulement turbulent est introduite. Des particules solides et des gouttelettes sont suivies. Dans l'équation de transport des particules par un écoulement non uniforme, la vitesse du fluide à la position de la particule est donnée par une partie grande échelle et une partie sous-maille. La vitesse sous-maille des particules est déterminée par analogie avec le modèle stochastique de sous-maille pour le scalaire passif. La modification de l'écoulement par la présence des particules ainsi que les collisions interparticulaires sont prises en compte. L'ensemble est confronté aux expériences de laboratoire de Nalpanis et al. (1993) et de Tanière et al. (1997) relatives au transport de particules de sable et à l'érosion éolienne.<br />Un modèle probabiliste de coalescence et de fragmentation, inspiré du modèle stochastique de<br />fragmentation de Apte et al. (2003), est développé. On considère le phénomène de coalescence et<br />fragmentation sous l'hypothèse de symétrie d'échelle, initialement proposée par Kolmogorov (1941).<br />Dans ces conditions, l'évolution de la distribution de taille des gouttelettes satisfait une équation de<br />Fokker-Planck. A chaque pas de temps, la distribution de taille des gouttelettes au sein de la maille est donnée par la solution de cette équation. Les paramètres du modèle sont calculés de manière locale et instantanée, en fonction de la dynamique des gouttelettes. Au sein de chaque maille, la conservation<br />de la masse est appliquée. Le modèle est développé pour une turbulence homogène isotrope et confronée<br />aux résultats de Ho & Sommerfeld (2002) pour le seul cas de la coalescence, a ceux de Apte et al. (2003) pour la fragmentation et à ceux de Lasheras et al. (1998) pour un cas mixte. Une fois la validation terminée, le modèle est introduit dans la simulation des grandes échelles et l'ensemble est appliqué à la dispersion d'un panache de gouttelettes. Les résultats sont comparés aux profils expérimentaux relatifs à un scalaire passif. Il est en effet diffcile d'obtenir des données complètes, relatives au transport atmosphérique de gouttelettes.<br />Afin de mieux comprendre les mécanismes de transport des particules solides ou liquides dans un<br />écoulement de couche limite, l'évolution d'un ensemble de particules qui initialement sont distribuées uniformément dans l'écoulement, est étudiée. Ce cas test simple représente une première approche dans la comprehension des phénomènes ayant lieu à l'intérieur des vents de sable ou lorsque un brouillard<br />se lève sous les effets du vent. La taille et la périodicité des zones de concentration et sédimentation préférentielle sont répertoriées. Ces régions de forte concentration représentent un intérêt majeur pour l'étude de la pollution, car elles peuvent être à l'origine des pics de pollution dans une atmosphère peu polluée par ailleurs.

Les poussières émises par l'industrie métallurgique concourent à la qualité de l'air des zones urbaines voisines. Ces particules, émises par des procédés à "haute température", sont susceptibles d'évoluer rapidement au sein des panaches. L'objectif de l'étude est de caractériser la phase particulaire sur un site d'émission métallurgique et de déterminer la nature et l'amplitude des transformations physico-chimiques subies par ces particules dans les premières minutes de leur émission. Des prélèvements d'aérosols ont été réalisés au sein des cheminées et dans l'environnement proche d'une usine métallurgique (production d'alliage de ferromanganèse), dont l'atelier d'agglomération est le principal émissaire. Le spectre granulométrique des particules dans l'environnement montre un enrichissement de nanoparticules (10-100nm) après survol des masses d'air au dessus du site industriel. Les rejets caractéristiques de l'usine (émission d'oxydes de fer et de manganèse, mais également d'aluminosilicates) se trouvent la plupart du temps sous forme d'agglomérats de composition chimique hétérogène et de structure morphologique complexe. Ces agglomérats semblent évoluer rapidement par adsorption de composés organiques volatils ou de suies. L'étude de la spéciation du Fe et du Mn au sein de ces particules indique qu'elles sont sujettes à des réactions d'oxydation via des mécanismes de conversion gaz/particules au sein même du procédé industriel, aboutissant notamment à une oxydation du fer inversement proportionnelle à la taille des particules. Par contre, aucune évolution significative du degré d'oxydation du Fe et du Mn n'a été observée dans l'environnement proche de l'émissaire.

L’étude des aérosols stratosphériques est importante pour comprendre le bilan radiatif terrestre. A l’heure actuelle, notre représentation des différents types de particules stratosphériques et leurs répartitions spatiale et temporelle n’est pas complète. Au cours de cette thèse, nous tentons de montrer que la mesure de la concentration en particules sous ballon météorologique au moyen d’un nouveau mini compteur de particules, le LOAC, pourrait permettre de rendre compte de la possible variabilité locale du contenu en aérosols stratosphériques dans la gamme de taille 0,2 à 100 μm en diamètre. La première partie de ce travail consiste à caractériser plus précisément les performances du LOAC sous ballon météorologique appliqué à la mesure en stratosphère. La seconde partie propose une analyse comparée du contenu en aérosols stratosphériques obtenu par LOAC, à partir de lâchers de ballons en France régulièrement depuis 3 ans et plus ponctuellement à l’étranger dans des situations particulières (volcan, mousson), et par d’autres types de données (Observations spatiales, lidar sol et simulation globale). Nous montrons alors que l’instrument possède une limite de détection rendant difficile la mesure des particules submicroniques lors de période de fond en moyenne stratosphère pour des concentrations de l’ordre d’une particule par cm3. Dans sa version actuelle, le LOAC permet de documenter les panaches volcaniques en troposphère ainsi qu’en basse stratosphère. En perspective, nous proposons des directions pour la calibration et l’analyse des futures données d’une nouvelle génération de l’instrument en développement. / The study of the stratospheric aerosols is important to our understanding of the terrestrial radiative budget. Our current comprehension of the different types of stratospheric particles and their spatial and temporal distribution is incomplete. In the present study, we try to show that measuring particle concentrations by the means of a new balloon-borne miniature particle counter, the LOAC, may allow us to determine the local variability in stratospheric aerosols in the size range 0.2 – 100 μm in diameter. In that respect, the PhD thesis consists of a first phase of a more accurate characterisation of the LOAC’s performances under balloon-borne measurement. A second phase consists of comparative analysis of stratospheric aerosol content based on a LOAC dataset obtained during a continuous campaign of balloon launches in France, along with some occasional flights abroad under particular circumstances (volcanic eruption, monsoon). Thus we show that the LOAC has a detection limit that restricts the measurement of submicronic particles in volcanic quiescent periods for concentrations lower than typically 1 particle per cm3. In its current version, the LOAC allows us to characterise aerosols in volcanic plumes in the troposphere and lower stratosphere. And, further, we propose directions concerning possible calibration and analysis strategies for the future data from the next generation of the LOAC currently in development.

L’objectif de cette étude était de développer une nouvelle génération de catalyseurs, dits électrochimiques, capables d’abaisser la température de régénération des filtres à particules, et de diminuer les coûts du post-traitement des moteurs Diesel, en évitant notamment une surconsommation en carburant. Pour cela, un banc de mesure a été développé où de forts moyens analytiques pour les phases gazeuses (GC et analyseur de NOx), particulaires (spectromètre de masse à aérosols AMS) et de caractérisations physiques des aérosols (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) ont été couplés. Le catalyseur électrochimique développé est composé d’un catalyseur oxyde de type pérovskite La0.5Sr0.23Ag0.27MnO3±δ (noté LSAM), en contact avec un électrolyte solide conducteur par les ions O2-, la zircone dopée à l’oxyde d’yttrium (YSZ). L’enduction de ce catalyseur électrochimique directement dans les canaux d’un filtre à particule (FAP) en céramique (SiC) a montré des performances permettant d’abaisser la température de régénération des FAP de 100°C voire de 260°C selon le flux de régénération. Ces performances sont le résultat d’un effet de synergie entre les phases de la pérovskite LSAM et du conducteur ionique YSZ / The aim of this study was to develop a new generation of catalysts, called electrochemical, which can lower the regeneration temperature of the particulate filter, and reduce post-treatment costs of Diesel engines, especially avoiding over-consumption of fuel. For this, a test bench has been developed where strong analytical analyzer for gas phases (GC and Nox analyzer), for particles (aerosol mass spectrometer AMS) and for physical characterization of aerosols (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) have been coupled. The electrochemical catalyst developed is composed of a perovskite catalyst La0.5Sr0.23Ag0.27MnO3±δ (denoted LSAM), in contact with a solid electrolyte conductor by O2-ions, yttria stabilised zirconia (YSZ). The coating of the electrochemical catalyst directly into the channels of a particulate filter (DPF) showed performance to lower the DPF regeneration temperature of 100°C or even 260°C depending of the regeneration flow. These performances are the result of a synergistic effect between the phases of the perovskite LSAM and YSZ ionic conductor

Agrégation de l'enseignement supérieur, Orientation sciences / Thèse d'agrégation / info:eu-repo/semantics/nonPublished