Plasma railguns are electromagnetic accelerators used to produce controlled high velocity plasma jets. This thesis discusses the design and characterization of a small coaxial plasma railgun intended to accelerate argon-helium plasma jets. The railgun will be used for the study of plasma shocks in jet collisions. The railgun is mounted on a KF-40 vacuum port and operated using a 90 kA, 11 kV LC pulse forming network. Existing knowledge of coaxial railgun plasma instabilities and material interactions at vacuum and plasma interfaces are applied to the design. The design of individual gun components is detailed. Jet velocity and density are characterized by analyzing diagnostic data collected from a Rogowski coil, interferometer, and photodiode. Peak line-integrated electron number densities of approximately 8 × 10¹⁵ cm^-2 and jet velocities of tens of km/s are inferred from the data recorded from ten experimental pulses. / Master of Science / Plasma is a gaseous state of matter which is electrically conductive and interacts with electric and magnetic fields. Plasmas are used in many everyday objects such as fluorescent lights, but some of the physics of plasmas are still not entirely understood. One set of plasma interactions that have not been fully explored are those which occur during high-velocity collisions between plasmas. Experiments aimed to further the understanding of these interactions require the generation of plasmas with specified properties at very high velocities. A device known as a plasma railgun can be used to produce plasmas which meet these experimental demands. In a plasma railgun, a short pulse of current is passed through a plasma located between two parallel electrodes, or "rails". This current generates a magnetic field which propels the plasma forward. The plasma is accelerated until it leaves the muzzle of the railgun. In coaxial plasma railguns, the electrodes are concentric. This paper discusses the design and testing of a small, relatively low power coaxial plasma railgun. Specific elements of the design are examined and the inherent physical and material difficulties of a coaxial design are explored. The experiment which was performed to confirm the properties of the plasma jets produced by the coaxial plasma railgun is explained. The results of this experiment confirm that the design succeeds in producing plasmas which meet targets for plasma properties.

L’imagerie préclinique dans le domaine de la cancérologie est en plein essor. Elle permet grâce à des modèles animaux représentatifs de cancers humains de comprendre les mécanismes de développement des pathologies et d’évaluer l’efficacité thérapeutique d’un nouveau traitement. Le principal objectif de ce travail a été de développer deux modèles orthotopiques de cancer (pancréas et colon) et d’évaluer des traitements de références ainsi qu’une nouvelle stratégie thérapeutique par plasma froid fibré appelée Plasma Gun. Les 2 modèles de cancers développés ont montré une bonne représentativité vis-à-vis des cancers humains, avec l’apparition de métastases à distance et la présence de zones hypoxiques. Le 5-fluorouracile pour le modèle orthotopique de carcinome colorectal HCT116-luc et la gemcitabine pour le modèle d’adénocarcinome pancréatique MIA PaCa2-luc ont induit à faible dose des effets discrets pouvant être mis en évidence grâce aux modalités d’imageries mises en oeuvre. Après validation de nos démarches expérimentales une nouvelle stratégie thérapeutique, le Plasma Gun, a été évaluée et a montré des effets significatifs sur l’inhibition de la croissance tumorale. Le second objectif de ma thèse a été de mettre en oeuvre des outils pour l’induction et la caractérisation des métastases osseuses ainsi que pour l’imagerie haute résolution de la vascularisation. D’une part, les métastases osseuses obtenues par injection de cellules PC3M-luc en intracardiaque ont été évaluées et quantifiées grâce à différentes modalités d’imagerie (bioluminescence, scintigraphie et scanner X). D’autre part, la réalisation d’une imagerie haute résolution de la vascularisation a été possible grâce à la technique de casting qui permet de recréer la structure 3D de l’architecture vasculaire suite à l’injection d’une résine dans la circulation. Les développements réalisés lors de cette thèse ont ainsi permis d’apporter des outils pour l’évaluation préclinique de nouvelles thérapies anticancéreuses. / Preclinical imaging in oncology is booming. It allows, using representative animal models of human cancers, to understand the mechanisms of development of pathologies and to assess the therapeutic efficiency of a new treatment. The main objective of this work was to develop two orthotopic models of cancer (pancreas and colon) and to assess on them the reference treatments as well as a new therapeutic strategy by non thermal plasma so called Plasma Gun. The two cancer models developed showed good representation in relation to human cancers, with the appearance of distant metastases and hypoxia. 5-fluorouracil for the HCT116-luc orthotopic model of colorectal carcinoma and gemcitabine for the MIA PaCa2-luc pancreatic adenocarcinoma model, have induced discrete effects at low dose wich can be detected thanks imaging modalities. After validation of our experimental steps, a new therapeutic strategy, Plasma Gun was evaluated and showed significant effects on tumor growth inhibition. The second objective was to carry out tools for the induction and the characterization of bone metastases and for high resolution imaging of the vasculature. On the one hand, bone metastases obtained by injection of PC3M-luc cells intracardially, was evaluated and quantified with different imaging modalities (bioluminescence, scintigraphy and Computed Tomography). And the other hand, the achievement of a high resolution imaging of vascularization, was possible by the casting method that restores the 3D structure of the vascular architecture following injection of a resin in the circulation.

Hydroxyapatite coatings have been used as a barrier between a metal core of replacement and living tissue for long time in medicine. Plasma spray is a typical technology for preparation these coatings. This thesis concerns a new plasma spray technology with hybrid system of arc stabilization (WSP-H). Simultaneously it uses an innovative method of feeding the initial material in a form of water suspension (SPPS). The aim of this thesis was to produce water solutions of hydroxyapatite and make coatings with WSP-H. These coatings were characterized in terms of their morfology, chemical and phase composition. Their biocompatibility was tested by a cultivation and an analysis of RAW 264.7 and MG-63 cells. The coatings made by SPPS have a very rough surface which is suitable for biological application. The biocompatibility testing discovered that the coatings will by tolerated in a human body very well. This method of production of hydroxyapatite coatings could be a good replacement of older methods after a better optimalisation of the processing parameters and after reaching purity of coating.

L'imagerie préclinique dans le domaine de la cancérologie est en plein essor. Elle permet grâce à des modèles animaux représentatifs de cancers humains de comprendre les mécanismes de développement des pathologies et d'évaluer l'efficacité thérapeutique d'un nouveau traitement. Le principal objectif de ce travail a été de développer deux modèles orthotopiques de cancer (pancréas et colon) et d'évaluer des traitements de références ainsi qu'une nouvelle stratégie thérapeutique par plasma froid fibré appelée Plasma Gun. Les 2 modèles de cancers développés ont montré une bonne représentativité vis-à-vis des cancers humains, avec l'apparition de métastases à distance et la présence de zones hypoxiques. Le 5-fluorouracile pour le modèle orthotopique de carcinome colorectal HCT116-luc et la gemcitabine pour le modèle d'adénocarcinome pancréatique MIA PaCa2-luc ont induit à faible dose des effets discrets pouvant être mis en évidence grâce aux modalités d'imageries mises en oeuvre. Après validation de nos démarches expérimentales une nouvelle stratégie thérapeutique, le Plasma Gun, a été évaluée et a montré des effets significatifs sur l'inhibition de la croissance tumorale. Le second objectif de ma thèse a été de mettre en oeuvre des outils pour l'induction et la caractérisation des métastases osseuses ainsi que pour l'imagerie haute résolution de la vascularisation. D'une part, les métastases osseuses obtenues par injection de cellules PC3M-luc en intracardiaque ont été évaluées et quantifiées grâce à différentes modalités d'imagerie (bioluminescence, scintigraphie et scanner X). D'autre part, la réalisation d'une imagerie haute résolution de la vascularisation a été possible grâce à la technique de casting qui permet de recréer la structure 3D de l'architecture vasculaire suite à l'injection d'une résine dans la circulation. Les développements réalisés lors de cette thèse ont ainsi permis d'apporter des outils pour l'évaluation préclinique de nouvelles thérapies anticancéreuses.