La croissance de matériaux cristallins semi-conducteurs, par la méthode de l'épitaxie, exige le contrôle précis et uniforme du chauffage de l'échantillon. Les technologies actuelles de chauffage maitrisent mal l'uniformité de la température sur la surface de l'échantillon et comportent de fortes pertes d'énergie. Une répartition de température non uniforme au sein de l'échantillon engendre de nombreuses contraintes mécaniques non désirées, entraîne une mauvaise uniformité dans le dépôt de couche et empêche la réalisation de nombreux procédés chimiques et physiques sur le substrat. Beaucoup de ces problèmes ont pu être constatés dans le passé. Il faut dire que le défi de chauffer un substrat de semiconducteur, qui est partiellement transparent, n'est pas trivial. L'étude entreprise, à travers cette maîtrise, a permis de concevoir un modèle numérique permettant de prédire le comportement thermique d'un substrat de semiconducteur dans les conditions de croissance. Le modèle a donné que la température en surface du substrat était fortement non uniforme, de l'ordre de 25 [degrés Celsius] à température de croissance. Les profils de température théoriques ont pu être validés expérimentalement. En effet, des cartographies de température ont été déterminées en associant une caméra infrarouge avec une analyse spectrométrique. Ceci a permis de démontrer une très bonne concordance entre la température à l'extrémité et celle au centre. Toutefois, la variation du profil de température expérimentale n'était pas exactement la même que celle obtenue par le modèle, ce qui a donné une différence maximale inférieure à 5 [degrés Celsius] entre le modèle et la réalité à température de croissance. Néanmoins, la concordance entre la température au centre et celle à l'extrémité permet d'affirmer qu'améliorer l'uniformité de chauffage aura un impact positif sur la réalité. En rendant le porte-échantillon isolant, il a été de possible d'améliorer énormément l'uniformité de température, passant d'une différence de 25 [degrés Celsius] entre le centre et l'extrémité à 14 [degrés Celsius]. À plus long terme, une nouvelle conception a été proposée en combinant une source ponctuelle à un porte-échantillon chauffant, ce qui donne, en optimisant les paramètres, une uniformité de chauffage quasi-parfaite tout en diminuant les pertes énergétiques.

La connaissance des champs de flux thermique sur les composants d'un tokamak estun élément important de la conception de ce type de machines. L'objectif de cette thèse est dedévelopper et mettre en œuvre une méthode de calcul de ces flux à partir des mesures detempérature par thermographie infrarouge. Ce travail repose sur trois objectifs qui concernentles tokamaks actuels et futurs (ITER) : mesurer un champ de température d'une paroiréfléchissante par pyrométrie photothermique (pré-étude), caractériser les propriétésthermiques des dépôts sur les surfaces des composants et développer un calcultridimensionnel et non-linéaire du flux.Une comparaison de différentes techniques de pyrométries monochromatique,bichromatique et photothermique est effectuée sur une expérience de laboratoire de mesure detempérature. Une sensibilité importante de la technique de pyrométrie photothermique auxgradients de température sur la zone observée a été mise en évidence.Les dépôts en surface des composants exposés au plasma, sans inertie thermique, sontmodélisés par des champs de résistance thermique équivalente transverse. Ce champ derésistance est déterminé, en tout point de mesure, par confrontation du champ de températurede paroi issu de la thermographie avec le résultat d'une simulation par un modèlemonodimensionnel linéaire du composant. Une information sur la répartition spatiale du dépôtà la surface d'un composant est alors obtenue.Un calcul tridimensionnel et non-linéaire du champ de flux pariétal sur un composantest développé, par une méthode d'éléments finis, à partir de maillages de composants issus deCAO. La sensibilité du flux calculé à la précision des mesures de températures est discutée.Cette méthode est appliquée à des campagnes de mesures de températurebidimensionnelles par thermographie infrarouge sur des composants du tokamak JET. Leschamps de flux sur les tuiles du divertor, la protection supérieure et les protections poloïdalesinternes et externes sont déterminés et étudiés dans les deux directions, poloïdale ettoroïdale, du tokamak. La symétrie toroïdale du flux, d'une tuile à l'autre, est établie.L'influence de la résolution spatiale des mesures sur les flux calculés est discutée, à partir decomparaisons de résultats obtenus à partir de deux systèmes de thermographie de résolutionsdifférentes.

Le cadre de ces travaux concerne la mesure de température sous choc à l'interface d'un matériau (plomb ou cuivre) et d'une fenêtre en LiF à une pression proche de 8 GPa et à une température inférieure à 550 K maintenues pendant une microseconde. Parmi les différents diagnostics de mesure de température existants, la pyrométrie optique infrarouge est la plus adaptée. La détermination précise de la température réelle de l'interface et celle du matériau étudié reste un problème entier. Il concerne à la fois l'évaluation de l'émissivité de la surface de mesure, mais aussi le rôle de l'interface entre le matériau d'étude et le matériau fenêtre transparent tenus mécaniquement par collage. Pour répondre au critère de précision, l'utilisation des dépôts émissifs à l'interface matériau/fenêtre a été la solution retenue. La complexité de cette nouvelle interface nécessite de comprendre l'origine du rayonnement thermique détecté par le pyromètre et d'analyser les transferts thermiques au sein de différentes couches minces. La confrontation de l'étude numérique et expérimentale a mis en évidence que seule la conduction thermique intervient dans les transferts de chaleur entre le matériau, le dépôt émissif, la colle et la fenêtre. Le dépôt émissif doit donc être caractérisé par une bonne conductivité thermique et déposé sur une faible épaisseur tout en garantissant des critères optiques de bonne émissivité et d'opacité. L'emploi d'un dépôt de ReSi2 en tant que dépôt émissif donne de premiers résultats prometteurs. Inversement, la peinture graphitée, utilisée dans un premier temps, est inappropriée pour cette étude : son épaisseur est trop importante et elle n'est pas opaque.

Dans l'industrie comme dans la Recherche, la température est un paramètre clef pour la maîtrise et la compréhension du comportement des matériaux. Ainsi, dans le Réacteur nucléaire de Recherche Jules Horowitz (RJH), actuellement en construction au CEA Cadarache, un dispositif expérimental est élaboré afin d'étudier le comportement thermomécanique d'une gaine combustible. Celle-ci sera placée dans des conditions qui simulent une situation accidentelle (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire, APRP) pendant laquelle elle s'échauffera rapidement. Le suivi de température, entre 700 et 1200 à ±10°C, doit pouvoir se faire par un capteur pyrométrique déporté par fibre optique. L'enjeu est d'optimiser la mesure en comparant différentes techniques de pyrométrie. Pour cela, l'étude est menée sous l'angle des deux principales difficultés techniques inhérentes à la réalisation du capteur. Le premier défi est lié au comportement des fibres optiques dans un environnement mixte où irradiation et haute température sont intimement liées. La fibre va subir des flux neutroniques de l'ordre de 10^12 nrapide/cm²/s et un débit de dose d'environ 1kGy/s. De plus son extrémité est soumise à une température de paroi élevée, de l'ordre de 800°C. Dans ces conditions, lumières parasites, bandes d'absorption et atténuation fluctuante sont autant de contraintes dont les effets sont à éviter ou à minimiser. Une étude prédictive fait le point sur les recommandations théoriques à suivre pour une mesure optimale.La seconde difficulté, qui concerne la mesure de température par pyrométrie, vient des variations spectrales attendues pour l'émissivité de la cible. Le matériau d'étude, choisi pour son utilisation dominante en France, est le Zircaloy-4. Sous l'effet de l'oxydation, l'émissivité spectrale de cet alliage de Zirconium évolue. Ce manuscrit montre qu'entre 700 et 800°C il est expérimentalement possible d'effectuer une mesure pyrométrique en laboratoire, hors irradiation.En croisant ces différents résultats, il apparaît envisageable d'effectuer une mesure de température dans les conditions du RJH à condition de maîtriser les différents paramètres parasites et de privilégier certaines longueurs d'onde. Ce travail s'inscrit dans une voie prometteuse pour l'utilisation à distance de la pyrométrie optique en milieu nucléaire civil sévère. / In both research and industry, temperature is a key parameter for understanding and characterizing the behavior of materials. To study the thermomechanical behavior of a fuel rod, a test device is designed for the Jules Horowitz Material Testing Reactor (currently under construction in the CEA Cadarache). The device will be placed under accidental conditions (Loss Of Coolant Accident, LOCA) causing rapid overheating. The temperature tracking, between 700 and 1200°C, will be measured by a fiber optic sensor. The aim of the project is to optimize temperature measurement by comparing different pyrometry techniques. This study covers the management of the main difficulties inherent to the design of the sensor.The first challenge consists of predicting optical fiber behavior in such complex environments where irradiation and high temperature are combined. The fiber will be exposed to a neutron dose rate about 10^12 nfast/cm²/s and ϒ dose rate of about 1kGy/s. Moreover its extremity is heated to approximately 800°C. It is shown that under these conditions, light interferences, absorption bands and fluctuating attenuation are obstacles to overcome or to mitigate.The second challenge, concerning pyrometric measurement, comes from spectral variations expected for the rod emissivity. The material of study is chosen for its widespread use in France: Zircaloy-4. Under oxidating conditions the spectral emissivity of this Zirconium alloy evolves. This thesis proves that between 700 and 800°C pyrometric measurement is possible from experimental point of view in laboratory without irradiation.In conclusion rod temperature tracking in JHR conditions may be possible providing that interferences are mastered and wavelengths are chosen. This work makes the use of optical pyrometry under civil nuclear extreme conditions more promising.

Le frittage micro-ondes est connu pour être une technique de frittage prometteuse. En effet, ce procédé présente comme avantages une réduction de la durée des traitements thermiques et un gain énergétique important par rapport aux procédés conventionnels. D'année en année, le frittage dans un environnement micro-ondes est étudié par un nombre croissant de chercheurs. Cependant, les raisons de l'effet bénéfique de ce type de frittage ne sont pas clairement identifiées.Dans ce contexte, l'objectif de ce travail a été de vérifier l'influence d'un champ électromagnétique à la fréquence de 2,45 GHz sur la densification de matériaux céramiques. Cet objectif passe donc par une étude comparative du frittage dans une enceinte micro-ondes et dans un four conventionnel. Cependant, la présence du champ électromagnétique dans un four micro-ondes ne permet pas l'utilisation des méthodes conventionnelles pour suivre le frittage. Ainsi, pour comparer les résultats, un dispositif expérimental original contenant un dilatomètre sans contact de haute résolution a été spécifiquement développé. Ce dispositif, permet aussi un suivi de la distribution de température à la surface de la pièce.Pour des cycles thermiques identiques, obtenus en frittage conventionnel et par micro-ondes, l'évolution de la densification de matériaux aux propriétés différentes a été comparée. Ces matériaux sont : l'alumine pure et dopée par 800ppm d'oxyde de magnésium, l'oxyde de zinc et l'hydroxyapatite silicatée. Pour chacun de ces matériaux, le couplage avec les micro-ondes et la répartition du chauffage à la surface de l'échantillon sont aussi discutés. Un effet bénéfique des micro-ondes sur l'évolution de la densification a été mis en évidence pour l'alumine avec ajout de MgO et de manière plus prononcée pour l'oxyde de zinc.

Cette thèse porte sur les propriétés thermooptiques de matériaux en émission et réflexion depuis les températures cryogéniques jusqu'aux très hautes températures. Afin de dégager des lois générales sur l’émission de rayonnement d’un solide, il faut connaitre les paramètres fondamentaux : indice complexe, fréquence de relaxation, fréquence plasma sur le domaine le plus large possible à la fois en température mais aussi en longueur d’onde. Dans ce but une partie importante du travail de thèse a consisté à développer des moyens de mesure qui permettent d’effectuer des spectres d’émission ou de réflexion de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain et pour les températures de 40K à 3000K.Une fois cet objectif atteint, un des premiers résultats fondamentaux a été d’étudier le zirconium à haute température. La multiplicité des montages nécessaires pour couvrir le domaine de mesure a permis ensuite des applications industrielles très variées, depuis la détermination du facteur d’absorption solaire du Kapton à 77K pour un satellite jusqu'à la cartographie en émissivité et température d’un bain de soudage d’acier. A température proche de l’ambiante la détermination de l’efficacité d’un isolant à bulles métallisé a conduit à mesurer et introduire dans les calculs les propriétés des matériaux dans l’infrarouge lointain. / This study deals with the thermo-optical properties of materials by emission and reflection from cryogenic temperatures up to very high temperatures.To identify the general laws of radiative emission of a solid, some basic parameters should be known: complex index, relaxation frequency, plasma frequency in a wide range of both temperatures and wavelengths. For this purpose, an important part of this work was to develop means to measure emission or reflection spectra from the ultraviolet to the far infrared and for temperatures from 40K to 3000K.When this is achieved, one of the earliest fundamental results was the study of zirconium at high temperature. Various experimentation was then used for a wide variety of industrial applications: from the determination of solar absorptance of Kapton at 77K for a satellite to the cartographies of emissivity and temperature for a bath of welding steel. In order to determine the insulation effectiveness of a bubble plating film near ambient temperature, measurement and introduction of material properties in the far infrared in the calculations have been conducted.

La radiométrie photothermique (PTR) est une technique standard qui mesure les propriétés thermiques en mesurant la réponse thermique d’un matériau à un échauffement optique. Le travail présenté ici développe la théorie PTR en prenant en compte la dépendance non linéaire des émissions thermiques par rapport à la température. Cette théorie PTR est explorée numériquement et expérimentalement dans ce travail en utilisant la dépendance non linéaire du rayonnement thermique en fonction de la température. Une technique de mesure de l'effusivité thermique et deux nouvelles techniques de pyrométrie sont développées et testées expérimentalement. La première technique de pyrométrie permet une mesure précise de l’augmentation de température lors d'une mesure PTR traditionnelle. Cela a de nombreuses applications lorsque l'échantillon est sensible à l’augmentation de température et peut être endommagé en raison d’une surchauffe. La deuxième technique de pyrométrie ne nécessite pas que l’émissivité soit connue, mesurée ou d’être basée sur l’hypothèse d’un corps gris. Cependant la mesure peut être fortement influencée par une erreur sur la bande passante des filtres optiques utilisés et elle est très sensible à toute non-linéarité dans le système de détection. À partir des résultats expérimentaux, des directives de conception sont fournies pour minimiser ces deux inconvénients. La troisième méthode développée permet une mesure directe et sans contact de l'effusivité thermique d'un matériau homogène. Ce type de mesure n'a encore jamais été réalisé avec d'autres techniques. Les résultats expérimentaux d'effusivité de cette technique montrent un excellent accord avec les valeurs de la littérature. / Photothermal radiometry (PTR) is a standard technique which measures thermal properties by measuring a materials thermal response due to optical heating. PTR measures the emitted thermal radiation from a sample to determine the thermal response. The work presented here further develops the PTR theory by including the nonlinear dependence of thermal emission with respect to temperature. This more advanced PTR theory is numerically and experimentally explored in this work. A thermal effusivity measurement technique and two new pyrometry techniques are developed and experimentally tested using the nonlinear dependence in the PTR theory. The first pyrometry technique allows for accurate temperature measurement during a traditional PTR measurement. This has many applications when the sample is sensitive to an increase in temperature and possibly damaged due to overheating. The second pyrometry technique does not require emissivity to be known, measured, or rely on a gray body assumption. The measurement can be influenced greatly by any error in the bandwidth of optical filters used in the measurement, and it is very sensitive to any nonlinearity in the detection system. From the experimental results, design guidelines are provided to minimize these two drawbacks of the technique for future exploration. The direct thermal effusivity measurement developed allows for a non-contact, direct measurement of thermal effusivity of a homogenous material. This type of measurement has not been achieved with any other technique. The experimental effusivity results from this technique show excellent agreement with literature values.

La connaissance des champs de flux thermique sur les composants d’un tokamak estun élément important de la conception de ce type de machines. L’objectif de cette thèse est dedévelopper et mettre en œuvre une méthode de calcul de ces flux à partir des mesures detempérature par thermographie infrarouge. Ce travail repose sur trois objectifs qui concernentles tokamaks actuels et futurs (ITER) : mesurer un champ de température d'une paroiréfléchissante par pyrométrie photothermique (pré-étude), caractériser les propriétésthermiques des dépôts sur les surfaces des composants et développer un calcultridimensionnel et non-linéaire du flux.Une comparaison de différentes techniques de pyrométries monochromatique,bichromatique et photothermique est effectuée sur une expérience de laboratoire de mesure detempérature. Une sensibilité importante de la technique de pyrométrie photothermique auxgradients de température sur la zone observée a été mise en évidence.Les dépôts en surface des composants exposés au plasma, sans inertie thermique, sontmodélisés par des champs de résistance thermique équivalente transverse. Ce champ derésistance est déterminé, en tout point de mesure, par confrontation du champ de températurede paroi issu de la thermographie avec le résultat d’une simulation par un modèlemonodimensionnel linéaire du composant. Une information sur la répartition spatiale du dépôtà la surface d’un composant est alors obtenue.Un calcul tridimensionnel et non-linéaire du champ de flux pariétal sur un composantest développé, par une méthode d’éléments finis, à partir de maillages de composants issus deCAO. La sensibilité du flux calculé à la précision des mesures de températures est discutée.Cette méthode est appliquée à des campagnes de mesures de températurebidimensionnelles par thermographie infrarouge sur des composants du tokamak JET. Leschamps de flux sur les tuiles du divertor, la protection supérieure et les protections poloïdalesinternes et externes sont déterminés et étudiés dans les deux directions, poloïdale ettoroïdale, du tokamak. La symétrie toroïdale du flux, d’une tuile à l’autre, est établie.L’influence de la résolution spatiale des mesures sur les flux calculés est discutée, à partir decomparaisons de résultats obtenus à partir de deux systèmes de thermographie de résolutionsdifférentes. / Knowing the fields of heat fluxes on the components of a tokamak is a key element todesign these devices. The goal of this thesis is the development of a method of computation ofthose heat loads from measurements of temperature by infrared thermography. The researchwas conducted on three issues arising in current tokamaks but also future ones like ITER: themeasurement of temperature on reflecting walls, the determination of thermal properties fordeposits observed on the surface of tokamak’s components and the development of a threedimensional,non-linear computation of heat loads.A comparison of several means of pyrometry, monochromatic, bichromatic andphotothermal, is performed on an experiment of temperature measurement. We show that thismeasurement is sensitive to temperature gradients on the observed area.Layers resulting from carbon deposition by the plasma on the surface of componentsare modeled through a field of equivalent thermal resistance, without thermal inertia. Thefield of this resistance is determined, for each measurement points, from a comparison ofsurface temperature from infrared thermographs with the result of a simulation, which isbased on a mono-dimensional linear model of components. The spatial distribution of thedeposit on the component surface is obtained.Finally, a three-dimensional and non-linear computation of fields of heat fluxes, basedon a finite element method, is developed here. Exact geometries of the component, releasedfrom CAD’s design, are used. The sensitivity of the computed heat fluxes is discussedregarding the accuracy of the temperature measurements.This computation is applied to two-dimensional temperature measurements of the JETtokamak. Several components of this tokamak are modeled, such as tiles of the divertor, upperlimiter and inner and outer poloïdal limiters. The distribution of heat fluxes on the surface ofthese components is computed and studied along the two main tokamak’s directions, poloidaland toroidal. Toroidal symmetry of the heat loads from one tile to another is shown. Theinfluence of measurements spatial resolution on the calculated heat fluxes is discussed bycomparing results obtained from measurements of two systems of thermography.

Le mécanisme de la transition préarc-arc dans les éléments de coupure du type fusible est encore mal connu à ce jour. La compréhension du phénomène requiert encore de nombreuses données fondamentales tels que la température ou la densité des vapeurs métalliques créées. Des hypothèses sont avancées pour expliquer la différence du temps de préarc prévue par les modélisations effectuées au sein du LAEPT avec celui constaté lors des expérimentations menées dans ce même laboratoire. Cet ouvrage tente de les vérifier par une approche expérimentale menées sur des fils explosés et des rubans fusibles. L’étude expérimentale est complétée par une recherche bibliographique sur les fils explosés. Ce complément propose de nouvelles pistes d’investigation pour la compréhension de l’amorçage de l’arc électrique sur les rubans fusibles. Enfin, toutes les méthodes de diagnostic et les grandeurs obtenues dans les tests les plus représentatifs sont données en fin d’ouvrage. / Transition between prearcing and arcing stage remains not well known. Several fundamental data are needed as temperature or density of metalic vapour created to better understand the phenomenon. Hypothesis are mentioned to explain the difference of prearc time between modelisations and experiences that have been made in LAEPT. This study try to verificate them among experiences made on exploding wire and fuses ribbon. Experimental study is completed by a bibliographic review on exploding wires. This review permits to show other lines of investigation to understand the transition between prearcing and arcing stage on fuses ribbon. Finally, all the methods of diagnostic and the results obtained with the most representative tests are given at the end of the thesis.

Le soudage est un procédé clef dans l'industrie nucléaire. L'utilisation de ce procédé d'assemblage est nécessaire pour assurer la continuité physique et chimique indispensable à la sûreté des composants des centrales. Pour la société AREVA, un axe de développement important consiste à augmenter la productivité tout en garantissant une qualité optimale.L'approche expérimentale présentée dans ce travail a pour double objectif de proposer un dispositif de contrôle des températures des zones de métal liquide et de caractériser leur comportement dynamique, dans le cas du soudage MAG. Une méthode de mesure de température, en pyrométrie bichromatique, a été développée pour la mesure textit{in-situ} des champs de température des zones liquides. Les premiers essais réalisés en configuration industrielle permettent d'envisager l'utilisation de ce type de méthode pour le contrôle temps réel d'opérations de soudage. La méthode de pyrométrie bichromatique, couplée à l'observation et à l'étude des déformations des gouttelettes au cours de leur transfert, permet également d'évaluer l'influence de la température sur la tension superficielle, en interaction avec le plasma d'arc. Le rôle majeur de la tension superficielle dans le comportement dynamique des phases liquides apparaît clairement dans les résultats obtenus. Les outils d'investigation et d'analyse développés ont été utilisés pour étudier un procédé de soudage par court-circuit contrôlé (CMT). Il est ainsi possible d'analyser la rupture du pont liquide, mais aussi le comportement du dépôt de métal liquide, qui peut entraîner des défauts de forme, et la dynamique des transferts de masse pour identifier l'apparition des défauts opératoires. / Welding is a key process in nuclear industry. The use of this assembly process is needed to ensure chemical and physical continuity required for installations safety. For the firm AREVA, one of the major axis of development is improving the productivity of nuclear components with the guaranty of optimum quality.Experimental approach presented in the present work has the double objectives of proposing a monitoring device for temperature fields of liquid metal and characterising its dynamic behaviour in GMAW. A two colour measurement method has been developed for textit{in-situ} surface temperature measurement of liquid zones. First tests realised in an industrial configuration allow to consider this method as a possible real-time control device for welding. This two colour pyrometer, coupled to the observation and the study of droplets deformations during their transfer, allows to study the influence of temperature on surface tension, with the interaction of arc plasma. Main role of surface tension on liquid phase behaviour is clearly exposed in the obtained results. The developed investigating and analysis tools have been used to study a GMAW controlled short arc process. So, it is possible to analyse liquid bridge rupture, but also liquid metal deposition behaviour, which can induce shape defects, and mass transfer dynamic to identify the apparition of operative defects.