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

Lors du fonctionnement d’une machine de fusion, les interactions plasma-parois conduisent à des processus d’érosion des matériaux et à la production de particules. Ces poussières sont principalement composées de carbone et de tungstène. Pour des raisons de sureté et afin de garantir un fonctionnement optimum du réacteur, il est important de garder en quantité raisonnable les poussières dont la taille varie entre 10 nm et 100 $m. La mise en suspension de ces poussières est une étape préliminaire à leur récupération, et le laser est une technique prometteuse pour cette application. Afin d’optimiser le nettoyage, les mécanismes physiques à l’origine de l’éjection induite par laser de ces poussières ont été identifiés. Les agrégats sont directement ablatés par le laser et les gouttelettes métalliques sont éjectées intactes par une force électrostatique induite par les photoélectrons. Nous avons également caractérisé l’éjection des particules pour choisir un système de récupération adapté. / During tokamak operation, plasma-wall interactions lead to material erosion processand dusts production. These dusts are mainly composed by carbon and tungsten, with sizesranging from 10 nm to 100 $m. For safety reasons and to guarantee an optimum reactorfunctioning, the dusts have to be kept in reasonable quantity. The dusts mobilization is a firststep to collect them, and the laser is a promising technique for this application. To optimizethe cleaning, physical mechanisms responsible for dust ejection induced by laser have beenidentified. Some particles, such as aggregates, are directly ablated by the laser. The metaldroplets are ejected intact by an electrostatic force, induced by the photoelectrons. We alsocharacterized the particles ejection to choose an appropriate collection device.

La recherche en médecine et en biologie s'appuie sur des appareils de mesure divers qui facilitent le diagnostic et le suivi du traitement. Parmi ces appareils, ceux visant l'imagerie moléculaire, par exemple la tomographie d'émission par positrons (TEP), se démarquent par leur capacité à apercevoir les signes distinctifs des maladies comme le cancer dès les premiers stades, et ce grâce à des traceurs métaboliques et/ou fonctionnels spécifiques. En plus du diagnostic, ces appareils permettent de mieux comprendre et étudier ces maladies en vue de développer de nouveaux ou meilleurs traitements. Pour appuyer les biologistes et médecins dans leur travail, les développeurs cherchent toujours à améliorer la qualité des images TEP, notamment grâce à la mesure du temps de vol (TDV) des rayons ionisant issus du positron. Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke propose un concept de détecteur novateur destiné aux scanners TEP avec TDV, suivant la chaîne de détection connue d'un cristal scintillateur, un photodétecteur et l'électronique de lecture. L'architecture proposée exploite une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique (PAMP) à numérisation directe plutôt que par somme en courant. Cette méthode permet de distinguer et compter individuellement chaque photon lumineux sortant du scintillateur, à condition que l'électronique frontale soit assez rapide dans les conditions d'utilisation normale. Afin de maximiser ce potentiel, toute l'électronique doit être intégrée à même le photodétecteur. Puisque l'électronique de détection et de traitement partage a priori la même surface de semi-conducteur, les concepteurs doivent choisir un équilibre entre la surface sensible et le niveau d'intelligence intégrée. Or, la densité croissante des canaux de détection TEP exige de plus en plus de traitement en temps réel pour avoir un appareil d'intérêt pour les biologistes. L'intégration verticale apparaît comme la solution naturelle pour ce problème en permettant de placer les circuits intelligents sous la matrice de photodétection. Ce projet de doctorat vise la conception de l'architecture d'acquisition et l'intégration des sous-systèmes électroniques de ce microsystème. Ces travaux ont mené au développement d'un discriminateur de bruit numérique sans dégradation de la mesure temporelle, à la fabrication et la caractérisation d'un prototype d'architecture à intégration verticale avec un circuit de conversion temps numérique (CTN) par canal, et enfin à une étude qui guidera les développements futurs pour la conception de détecteurs à plusieurs CTN. Ces contributions sont détaillées en trois articles distincts intégrés à la thèse. La recherche conclu que pour le cristal LYSO, d'avoir un ou quelques CTN précis et à faible gigue est plus importante que d'en avoir en grand nombre. Par contre, pour les matériaux à venir, ce nombre de CTN aura aussi un impact significatif sur le résultat final, changeant ainsi le paradigme initial de conception du microsystème.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

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

L'objectif de la thèse était d'étudier la mobilité de traceurs particulaires dans des milieuxcomplexes par microscopie confocale à balayage laser (CLSM) combinée avec le suivi demultiple particules (MPT) et le recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP).Tout d'abord, nous avons étudié la diffusion de particules dans les gels formés par des protéinesglobulaires. Dans ce but, des gels avec structures variés ont été préparés en faisant varier lesconcentrations en protéine et en sel. La structure a été caractérisée par l'analyse des imagesobtenues par CLSM en termes de fonction de corrélation de paires. La mobilité de particulesavec une large gamme de tailles (2nm - 1 micron) a été étudiée à la fois dans des gels homogèneset hétérogènes et reliée à la structure du gel.Deuxièmement, nous avons étudié des émulsions eau dans eau préparées en mélangeant dessolutions aqueuses de PEO et de dextran. Il a été montré que lorsque des particules colloïdalessont ajoutées, elles sont emprisonnées à l'interface eau-eau, car elles réduisent la tensioninterfaciale. La structure et le déplacement des particules à l'interface ont été déterminés parCLSM combinée avec MPT. / The objective of the thesis was to investigate the mobility of tracer particles in complex media byConfocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) combined with multiple particle tracking (MPT)and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP).First, we investigated the diffusion of tracer particles in gels formed by globular proteins. Gelswith a variety of structures were prepared by varying the protein and salt concentrations. Thestructure was characterized by analysis of the CLSM images in terms of the pair correlationfunction. The mobility of particles with a broad range of sizes (2nm - 1μm) was investigatedboth in homogeneous and heterogeneous gels and related to the gel structure.Second, we studied water-in-water-emulsions prepared by mixing aqueous solutions of PEO anddextran. It is shown that when colloidal particles are added they become trapped at the waterwaterinterface because they reduce the interfacial tension. The structure and the displacement ofthe particles at the interface were determined using CLSM combined with MPT.

A côté des solides, des liquides et des gaz, le plasma est le quatrième état de la matière. Il est généré en ionisant un gaz. Dans l’univers, 99% de la matière est à l’état de plasma. L’émergence de plusieurs types de plasmas artificiels est due aux multiples et différentes applications, très intéressantes les unes que les autres, des plasmas dans des secteurs aussi variés que l’industrie, l’énergie, le biomédical et la science. Très souvent, des particules solides peuvent se former dans les plasmas. Ceci a tout particulièrement été observé dans ceux utilisés dans l’industrie. La compréhension des mécanismes de leur nucléation et croissance est d’une importance capitale en vue de trouver des solutions pour inhiber leur formation ou d’éviter qu’elles ne se déposent sur les surfaces en cours de traitement. L’objectif du travail de recherche entrant dans le cadre de cette thèse est l’étude de la formation de particules dans un plasma généré par décharge électrique continue. Il a été observé que ce phénomène dépend du flux de gaz neutre injecté dans l’enceinte du réacteur. Nous avons mis en évidence que la fréquence de formation est liée à ce paramètre. Les observations enregistrées à l’aide d’un spectroscope sont complétées et corrélées aux photographies obtenues par microscopie électronique à balayage. L’injection de particules dans le plasma plutôt que de procéder à les faire croitre présente certains avantages. On peut contrôler leur taille y compris du cas de mélanges de particules. On tout particulièrement injecter des particules ayant des tailles beaucoup plus importantes que celles que l’on forme sur des gammes de durées raisonnables des plasmas utilisés. Plusieurs expériences réalisées avec des particules injectées ont mis en exergue le caractère pluridisciplinaire du milieu plasma. Afin de comprendre les interactions mutuelles entre particules il est crucial de déterminer la charge portée par les particules. Plusieurs expériences réalisées au cours de cette thèse et présentées ici ont porté sur la détermination de ce paramètre fondamental. Dans ce cadre une série d’expérience a été réalisée à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) dans le but de déterminer la charge résiduelle des particules dans la phase de post-décharge. Dans la dernière partie, seront présentées et discutées des expériences portant sur l’observation de la rotation de clusters de particules soumis à un confinement supplémentaire. On montre que les particules tendent à former des alignements verticaux dus au faible champ qui se forme en aval de chaque particule. Enfin, les connaissances acquises sur les possibilités de moduler le potentiel d’interaction par l’intermédiaire d’un champ électrique seront discutées. Les résultats sont comparés aux prédictions des simulations. / Plasmas are next to the solid, liquid and gaseous phase the fourth state of matter. It is established by ionizing a gas. About 99% of the visible matter in the universe is in the state of plasma. The industrial, medical and scientific benefits of plasmas led to a variety of artificially produced plasmas. In plasmas dust particles can grow. Especially in industrial plasmas particle formation in the plasma gas phase is very common. The fundamental understanding of the growth is of vital importance in order to suppress undesired particle formation or to deposit particles and films in a certain region. In terms of this thesis the particle growth in a direct current (DC) discharge by using acetylene will be discussed. It has been observed that the particle growth depends on the neutral gas flow fed into the plasma chamber. Depending on the applied flow different growth frequencies and transport phenomena are shown. The observations recorded by a spectrometer will then be complimented by pictures from the particles taken by a scanning electron microscope. Introducing artificial particles into a plasma rather than growing them there yields several advantages. The particle sizes can be controlled, including the possibility of particle mixtures. Furthermore, particles with bigger diameter can be introduced than what can be grown on reasonable time scales in a plasma. Several possible experiments with injected particles underline the interdisciplinary character of the plasma environment. To understand the inter particle interactions the particle charge is a crucial parameter. In this thesis several experiments determining the particle charge will be discussed. In this frame the experiments on board of the International Space Station have been performed to measure the residual charge in the particle afterglow. In the last section experiments on particle cluster rotation as observed in an additional confinement will be discussed. It will be shown that the particles tend to form vertical strings due to the wake field that forms downstream of each particle. Finally the insight gained on the possibilities of tuning of the interaction potential by electric fields will be discussed. The results are then compared to the predictions of earlier simulations.

Optimisation Swarm Particle (PSO) est basé sur une métaphore de l'interaction sociale […] en ajustant les trajectoires des vecteurs individuels, appelés «particules» conceptualisées comme des points se déplaçant dans un espace multidimensionnel. Le poids aléatoire des paramètres de contrôle est utilisé pour provoquer les particules à aller stochastiquement vers une région ayant plus de succès dans un espace tridimensionnel. Les particules itératives ajustent leur vitesse et leur direction en fonction de leurs personnels et des meilleures positions dans l'essaim. PSO a été appliquée avec succès pour optimiser une large gamme de problèmes. Cependant, les algorithmes standard PSO sont facilement piégés dans les points locaux suboptimaux lorsqu'il est appliqué à des problèmes avec de nombreux extrema locaux ou avec des contraintes. Cette thèse présente plusieurs algorithmes / techniques pour améliorer la capacité de l'OPS recherche mondiale: 1) Deux nouveaux algorithmes chaotiques de particules essaim d'optimisation, d'avoir une chaotiques Hopfield Neural Network (HNN) la structure, sont proposées. L'utilisation d'un système chaotique pour déterminer les poids des particules aide des algorithmes OSP pour échapper à des extrema locaux et de trouver l'optimum global. 2) Pour les algorithmes existants OSP, la relation et l'influence compter que sur les composants correspondants dimensions de l'essaim de particules. Pour montrer la relation intérieure entre les différentes composantes d'une particule, les réseaux de neurones peuvent être utilisés pour modéliser les projections d'ordre du problème d'optimisation, et une optimisation des intérieurs entièrement connecté essaim de particules est proposé à cet effet. 3) En raison de la complexité des contraintes, une solution déterministe générale est souvent difficile à trouver. Par conséquent, une particule détendue contrainte optimisation par essaim algorithme est proposé. Cette méthode améliore la capacité de recherche de l'OSP. 4) Pour améliorer les performances de l'optimisation par essaim de particules, une méthode adaptative de particules essaim d'optimisation basée sur les tests d'hypothèses sont proposées. Cette méthode applique un test d'hypothèse pour déterminer si le piège des particules dans un minimum local ou non. 5) Afin de renforcer la capacité du MPSO de recherche globale, une approche adaptative multi-objectif l'optimisation par essaim de particules (MOPSO) est proposé. Les résultats de simulation et d'analyse confirment l'efficacité des algorithmes proposés / techniques par rapport à l'autre état d'algorithmes / Particle Swarm Optimisation (PSO) is based on a metaphor of social interaction such as birds flocking or fish schooling to search a space by adjusting the trajectories of individual vectors, called “particles” conceptualized as moving points in a multidimensional space. The random weights of the control parameters are used to cause the particles to stochastically move towards a successful region in a higher dimensional space. Particles iteratively adjust their speed and direction based on their personal best positions and the best position in the swarm. PSO has been successfully applied to optimise a wide range of problems. However, the standard PSO algorithms are easily trapped in local suboptimal points when applied to problems with many local extrema or with constraints. This thesis presents several algorithms/techniques to improve the PSO's global search ability: 1) Two new chaotic particle swarm optimisation algorithms, having a chaotic Hopfield Neural Network (HNN) structure, are proposed. Using a chaotic system to determine particle weights helps the PSO algoritms to escape from local extrema and to find the global optimum. 2) For the existing PSO algorithms, the relationship and influence only rely on the corresponding dimensional components of the particle swarm. To show the inner relationship among the different components of one particle, neural networks can be used to model the characteristcs of the optimisation problem, and an inner fully connected particle swarm optimisation is proposed for this purpose. 3) Due to the complexity of constraints, a general deterministic solution is often hard to find. Therefore, a relaxed constraint particle swarm optimisation algorithm is proposed. This method improves the PSO's search ability. 4) To improve the performance of particle swarm optimisation, an adaptive particle swarm optimisation method based on hypothesis testing is proposed. This method applies a hypothesis test to determine whether the particles trap into a local minimum or not. 5) To enhance the MPSO's global search ability, an adaptive multi-objective particle swarm optimisation (MOPSO) is proposed. Simulation and analytical results confirm the efficiency of the proposed algorithms/techniques when compared to the other state of the art algorithms

Ce travail concerne la généralisation d'un modèle de dépôt de particules. La première partie présente l'approche de modélisation adoptée pour simuler le dépôt de particules colloïdales et traite du raccord entre le Modèle de Langevin Généralisé qui calcule le transport des particules dans le coeur de l'écoulement et le Modèle de Proche Paroi (MPP) destiné au voisinage de la paroi. Le raccord est assuré par l'équilibre du flux de particules traversant l'interface entre les modèles. La validation est assurée par le passage en particules fluides en vérifiant que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. Ce travail a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d'une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt de particules montrent que le MPP reproduit correctement les résultats expérimentaux pour des écoulements isothermes. Dans un écoulement non isotherme, les particules peuvent faire l'expérience du phénomène de thermophorèse (qui est le mécanisme de déplacement des particules induit par un gradient de température) qui peut considérablement influencer le dépôt de particules. Nous avons choisi de modéliser la thermophorèse dans le MPP. Nous étudions d'abord la thermophorèse en milieu gazeux car elle est très bien expliquée par la théorie cinétique des gaz. L'étude de la thermophorèse en milieu liquide est plus ardue car elle ne dispose pas encore de théorie unifié ni de travaux expérimentaux qui étudient ce phénomène. La dernière partie est consacrée à la prise en compte du phénomène de thermophorèse en liquide dans le MPP. Cette étude fournit de nouveaux résultats numériques de dépôt en milieu liquide / We present new results obtained with the generalisation to non isothermal flows of a Near-Wall particle deposition Model (NWM). This work is divided in two parts. The first part consists in coupling the Generalised Langevin Model used to compute the particles statistics in the core of the flow with the NWM that calculates particles motion in the vicinity of the wall. In order to achieve the coupling, we focus on the balance of fluxes of fluid particles crossing the interface between the models. This amounts to assessing if the coupling is valid in the fluid limit case, as non-physical accumulation of fluid particles can occur at the interface. It has lead to theoretical and numerical developments on the conditional statistics of particles crossing an interface. The particle deposition rate is then computed with inertial particles and the model reproduces satisfactorily experimental studies in isothermal flow. In the case of non isothermal flows, particles can experience thermophoresis (which is a mechanism that induces a particle flux in the presence of a temperature gradient) that may strongly affect the particle deposition rate. We thus choose to model thermophoresis in NWM to predict accurate particule deposition in non isothermal flows. We first investigate thermophoresis in gas as it is well explained. Thermophoresis in liquids is then studied. In contrast to the gases, the theory and experiment of thermophoresis in liquids are far from being well established. The last part of this work, dedicated to the modelisation of thermophoresis in liquids in the NWM has lead to new promising numerical results of particle deposition enhanced by thermophoresis

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented