Les ceintures de radiation de la planète géante Jupiter sont constituées d’électrons, de protons et d’ions lourds de très haute énergie. Ces particules chargées représentent un risque majeur pour les satellites artificiels cherchant à explorer Jupiter. Dans le même temps, comprendre l’origine et la répartition de ces particules est une problématique fondamentale du domaine de la Physique de l’Espace.Le modèle physique Salammbô de l’ONERA répond aux deux enjeux précédents. Il a été développé pour le cas de la planète géante au cours de deux thèses successives qui se sont terminées en 2004 [Santos-Costa, 2001 ; Sicard, 2004]. Les travaux précédents ont permis de mettre en place un modèle d’électron qui s’étend de l’atmosphère de Jupiter jusqu’à l’orbite d’Europe (9 Rj) et un modèle de proton jusqu’à l’orbite de la lune volcanique Io (6 Rj). Depuis cette date, la mission américaine Galileo, qui fut en orbite autour de Jupiter jusqu’en 2003, a livré de nombreuses informations sur les ceintures de radiation et sur l’environnement qui influence celles-ci.Cette thèse revisite le modèle électron et étend le modèle proton jusqu’à l’orbite d’Europe. Cela permet, en particulier, de montrer que les ondes électromagnétiques se propageant entre les orbites des lunes Io et Europe induisent des pertes significatives de particules, celles-ci étant précipitées dans l’atmosphère de Jupiter. Les modèles proposés au cours de cette thèse sont également mieux à même de prédire l’environnement extrême et limitant des ceintures de radiation que les précédents travaux. / The radiation belts of the giant planet Jupiter are populated by very energetic electrons, protons and heavy ions. On one hand, these charged particles represent a major threat to exploration missions. On the other hand, understanding the radiation belt particles origin and distribution is a fundamental question of the broad Space Physics research domain.The physical model Salammbô of ONERA addresses the two previous challenges. It has been developed during two successive previous PhD thesis that ended in 2004 [Santos-Costa, 2001; Sicard, 2004]. Previous work has enabled to predict and study the electrons inward of Europa’s orbit (9 Rj) and the protons inward of the volcanic moon Io (6 Rj). Since 2004, the Galileo mission that was in orbit around Jupiter until 2003 has provided many inputs regarding the Jovian radiation belts and the environment that shape them.This PhD thesis revisits the electron model and expands the proton’s one up to Europa’s orbit. Our modeling effort shows that, in particular, electromagnetic waves propagating between the orbits of the moons Io and Europa create strong particle losses within the radiation belts, as the charged particles are precipitated in the Jovian atmosphere. In addition, our models are better suited than what has been proposed by previous work to predict the harsh radiative environment near Jupiter.STAR

La thèse en physique des particules que j'ai effectuée au sein de l'équipe CMS (Compact Muon Solenoid) du Laboratoire Leprince-Ringuet de l'École Polytechnique porte sur l'analyse de la production de di-bosons pp→ZZ+X et la recherche de couplages anormaux et ce, dans le cadre de l'expérience CMS et des données accumulées à l'aide du grand collisionneur de hadrons du CERN, le LHC. Elle débute avec le démarrage du LHC en fin 2009 et l'étude et l'optimisation de la reconstruction des électrons via la combinaison de deux algorithmes afin d'améliorer les performances à bas moment transverse. Les critères de sélection des événements caractéristiques des désintégrations de bosons Z, assurant une sélection pure d'électrons, ont été étudiés. Les efficacités de reconstruction des électrons pour les données 2010 et 2011 ainsi que leurs erreurs statistiques et systématiques ont été mesurées et ces mesures ont ensuite été utilisées par la collaboration CMS pour les analyses 2010 et 2011. Une étude des caractéristiques des radiations dans l'état final (Final State Radiation) affectant les leptons issus de la désintégration du Z a été menée. Un algorithme en vue de récupérer les photons FSR et reconstruire pleinement la masse du Z a été développé et optimisé. Il corrige 4.2% des cas ZZ→4μ tout en assurant une pureté de sélection des photons FSR de 95.6%. L'analyse physique développée dans cette thèse porte sur la recherche et l'extraction de limites sur les couplages trilinéaires neutres. L'existence de ces couplages est interdite dans le formalisme du Modèle Standard mais peut cependant être introduite dans un Lagrangien effectif par l'ajout de deux termes de couplages f4Z et f5Z dans le cas du couplage ZZZ, en vue de la recherche d'une nouvelle physique. La présence de ces couplages anormaux se traduit généralement par une augmentation de la section efficace de production des di-bosons ZZ ainsi que par les déformations des distributions cinématiques des Z ou encore de la masse des 4 leptons par rapport à l'attendu Modèle Standard. Dans le cadre de l'analyse du canal pp→ZZ→4l, une sélection pure des événements a été établie et les distributions différentielles du moment transverse et de la rapidité des bosons Z sont également présentées. Une recherche des couplages anormaux est effectuée en utilisant une méthode de repondération des distributions simulées et des limites sont extraites par la technique CLs. Les limites obtenues avec un niveau de confiance de 95% sont: -0.0116< f4Z <0.0116 et -0.0119< f5Z <0.0119.

La microcouche de surface (SML) correspond au premier millimètre de la colonne d'eau. Située à l'interface air-eau, la SML est un environnement unique, riche en microorganismes, en matières organiques, en hydrocarbures et présentant des conditions extrêmes par l'impact des radiations UV et les fortes concentrations de polluants. Les échantillons ont été prélevés dans la SML et dans l'eau sous-jacente (UW) à 7 stations de la Baie de Guanabara, Brésil. Cette étude a permis de caractériser l'abondance et la diversité des bactéries et des hydrocarbures présents dans la SML de la baie. L'origine des hydrocarbures a été analysée par des marqueurs chimiques par chromatographie en phase gazeuse. Sur le plan microbiologique, 43 souches bactériennes ont été isolées et identifiées. Leur résistance aux radiations UV a été évaluée à l'aide d'un simulateur solaire. La SML de la baie est bien définie par rapport à l'UW et enrichie en hydrocarbures et en bactéries. Le bactérioneuston est plus diversifié que le bactérioplancton. La plupart des souches testées sont très résistantes aux UV et sont des espèces potentiellement intéressantes sur le plan biotechnologique.

L’environnement radiatif spatial est particulièrement critique pour la fiabilité des circuits intégrés et systèmes électroniques embarqués. Cet environnement chargé en particules énergétiques (proton, électron, ions lourds, etc) peut conduire à des pannes transitoires (SET), ou permanentes (SEU) et dans certains cas destructives (type Latchup, SEL) dans les dispositifs embarqués. L'effet d'une seule particule est identifié comme un événement singulier (SEE). Les contraintes imposées par l'intégration technologique poussent les fabricants micro-électroniques à prendre en considération la vulnérabilité de leurs composants vis-à-vis du Latchup tout en considérant les phénomènes non destructifs tels que la corruption de données (SEU/MBU). Cette thèse est le fruit d'une collaboration entre l'ONERA et Sofradir, fabriquant électronique d'imageurs infrarouge. L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets singuliers (SET/SEU/SEL) de la technologie CMOS utilisée par Sofradir dans des conditions de températures cryogéniques, et plus particulièrement l'effet Latchup. / The spatial radiative environment is particularly critical for the reliability of integrated circuits and embedded electronic systems. This environment loaded with energetic particles (proton, electron, heavy ions, etc.) can lead to transient (SET), or permanent (SEU) and insome cases destructive failures (Latchup, SEL) in embedded devices. The effect of a single particle is identified as a single event effect(SEE). The constraints imposed by technological integration push microelectronics manufacturers to consider the vulnerability of their components to Latchup while consideringnon-destructive phenomena such as data corruption (SEU/MBU). This thesis is the result ofcollaboration between ONERA and Sofradir, an electronic manufacturer of infrared imagers. The aim of this thesis is to study the singular effects (SET / SEU / SEL) of the CMOS technology used by Sofradir under cryogenic temperature conditions, and more particularly the Latchup effect.

L'environnement spatial constitue une contrainte radiative susceptible d'altérer le bon fonctionnement des dispositifs électroniques embarqués à bord des engins spatiaux, engendrant ainsi des défaillances. Dans le cadre de ces travaux, deux types de dysfonctionnements sont répertoriés : les effets cumulatifs dus à une accumulation continue d'énergie déposée tout au long d'une mission et les effets transitoires dus au passage d'une particule unique dans une zone sensible d'un composant ou à un dépôt d'énergie en un temps très court dans le cadre spécifique d'une explosion nucléaire exoatmosphérique. Lors des procédures de qualification des composants électroniques, ces deux effets sont traités séparément et ce, malgré une probabilité non négligeable qu'ils se produisent simultanément en vol. Ces travaux sont dédiés à l'étude de la synergie entre effets cumulatifs et effets transitoires sur différentes technologies bipolaires intégrées. Les résultats obtenus permettent de fournir des éléments de réponse sur l'éventualité d'une évolution des normes de test pour prendre en compte la menace que pourrait représenter ce phénomène. Ces travaux s'attachent également à étendre une méthodologie de simulation, basée sur une analyse circuit approfondie, dans l'optique de reproduire les perturbations transitoires « pire-cas » sur un amplificateur opérationnel à trois étages de plusieurs fabricants, survenues lors des tests sous faisceau laser, ions lourds et flash X. L'influence des effets cumulatifs sur la sensibilité des perturbations transitoires est prise en compte en faisant varier les paramètres internes du modèle en fonction de la dégradation de certains paramètres électriques issue des essais radiatifs des équipementiers. / The space environment is a radiative concern that affects on board electronic systems, leading to failures. It is possible to distinguish two types of effects: the cumulative effects due to continuous deposition of energy throughout the space mission and the transient effects due to the single energetic particle crossing a sensitive area of the component or deposition of energy in a very short time in the specific context of an exo-atmospheric nuclear explosion. During qualification procedures for space mission, these effects are studied separately. However, the probability that they occur simultaneously in flight is significant. As a consequence, this work is about the study of the synergy between both cumulative and transient effects on various integrated bipolar technologies. The present results are used to provide some answers about potential changes of test methods. This work also evaluates the predictive capability of the previously developed model to reproduce accurately both the fast and the long lasting components of transients in circuitry and so to model transients' effects. This simulation methodology is extended to an operational amplifier from different manufacturers and for three different synergistic effects. The comparison between transients obtained experimentally during heavy ions, pulse laser and flash X experiments and the predicted transients validates the investigated methodology. The cumulative effects are taken into account by injecting the internal electrical parameters variations using irradiation exposure.

Este trabalho apresenta a implementação de um material de apoio para o ensino de Física das Radiações, e os resultados obtidos com sua aplicação em sala de aula para alunos do curso técnico em radiologia. Essa proposta tem como marco teórico a Aprendizagem Significativa apresentada por Ausubel. A aplicação do material de apoio em sala de aula fez uso sistemático de recursos computacionais, com destaque à utilização de um CD para promover o aprendizado significativo de conceitos básicos de Física das Radiações. Considerando que o assunto faz parte do curso técnico de radiologia a aplicação e avaliação do referido material de apoio foi realizada como parte do conteúdo básico de Física das Radiações, já prevista na ementa do curso. Como este material foi produzido vislumbrando a possibilidade de sua utilização também no Ensino Médio, a proposta contempla as recomendações dos Parâmetros Curriculares Nacionais no sentido de uma progressiva inserção da Física do Século XX no Ensino Médio. Na expectativa real de que, em um futuro próximo, a Física das Radiações passe a constar de maneira mais efetiva nos programas e conteúdos das escolas, o material de apoio produzido por esta dissertação poderá ser utilizado por professores do Ensino Médio que queiram abordar o assunto em suas aulas regulares em escolas que disponham de recursos de informática. A metodologia utilizada para produção do material de apoio estava focada, inicialmente, em um levantamento preliminar de dados em livros didáticos utilizados no Ensino Médio e Técnico e em artigos publicados em revistas especializadas. Posteriormente, utilizamos os resultados levantados pela aplicação dos questionários (Anexos 2 e 3) para direcionamento e definir os tópicos desenvolvidos no material onde finalizamos a produção do mesmo com um estudo detalhado em 8 bibliografias especializadas. Com o objetivo de analisar e avaliar a aplicação do material de apoio de um ponto de vista geral realizamos o cálculo da porcentagem média geral de acertos e erros obtidos na avaliação prévia e comparamos com a porcentagem média geral de acertos e erros obtidos na avaliação final. A porcentagem média geral de acertos verificado nas 45 questões objetivas aplicadas durante o desenvolvimento da atividade aumentou de 17,0% para 82,3 % e a porcentagem média geral de erros diminuiu de 83,0% para 17,7%. Sendo assim, podemos concluir que, durante a implementação do curso, nosso objetivo foi alcançado onde os resultados indicam que assuntos atuais (que fazem parte da vida cotidiana dos alunos) são bem recebidos por eles e a utilização de um material direcionado para esta realidade produz bom resultado em termos de aprendizagem significativa. / This study presents not only the implementation of support material for teaching Physics of Radiations, but also the results obtained through its application in the classroom with students of the course technician in radiology. This proposal has as its theoretical framework the meaningful learning theory presented by Ausubel, and the application of support material in the classroom has used computational resources systematically, highlighting the utilization of an interactive CD in order to promote meaningful learning of basic concepts of radiations. Considering that the subject makes part of the course technician in radiology, the application and assessment of the referred support material was carried out as part of the basic content of Physics of Radiations already predicted in the course program. In addition, as this material was produced glimpsing the possibility of its utilization in the high school, this work proposal has contemplated the recommendations of National Curricular Parameters with the direction of a progressive insertion of physics of the twentieth century in high school teaching. Whit the real expectation that, in the near future, the Physics of Radiations will appear in a more effective way, in programs and contents of the schools, the support material produced by this dissertation will be available for high school teachers who want to approach the subject in their regular classrooms, which have provided informatics resources. The methodology utilized for the production of support material has been focused, initially, on a preliminary survey of data collected from textbooks utilized in high/technical school teaching and articles published in specialized magazines. Subsequently, the results obtained with the application of the questionnaires (Annexes 2 and 3) were utilized for directing and defining the topics developed in the material, where the production of it was completed within a detailed study in 8 specialized literatures. Then, with the objective of analyzing and assessing the application of this support material, we have carried out, from a general point of view, the calculus of the general mean percentage of accuracy and errors obtained in the previous assessment, and we have compared it with the general mean percentage of accuracy and errors obtained in the final assessment. The general mean percentage of accuracy verified in the 45 objective questions, applied during the development of the activity, increased from 17.0% to 82.3 %, and, the general mean percentage of errors decreased from 83.0% to 17.7%. Therefore, we may conclude that, during the course implementation, our objective was achieved and the results suggest that current physics topics can make part of the routine life of students, as well as that they were well received by them; the utilization of support material, directed for this reality, has produced a good result in terms of meaningful learning.

Ce mémoire de thèse traite des effets singuliers produits par les milieux radiatifs sur les capteurs d’images CMOS. Le travail se concentre sur les effets provoqués par les ions lourds sur les capteurs utilisant des pixels 3T à photodiode standard et des pixels 4T et 5T à photodiodes pincées. Dans un premier temps, l’étude se concentre sur l’environnement spatial et l’architecture des capteurs. La comparaison avec la littérature met en évidence les effets les plus critiques sur les capteurs : le SEL et les SET. Les capteurs testés expérimentalement valident les travaux théoriques. Les SET sont comparés aux simulations de l’outil de modélisation STARDUST, et montrent un bon accord pour toutes les puces et les ions. Il est expliqué pourquoi les SET sur les puces 3T sont insensibles aux variations de conception de la photodiode, et pourquoi l’utilisation d’un substrat épitaxié diminue grandement les SET. Une méthode de réduction des SET est implémentée avec succès sur les puces 4T et 5T, et le composant responsable du latchup est identifié. L’ensemble des mécanismes explorés permet de connaitre les paramètres importants pour durcir les imageurs. / This thesis studies the single event effects of space environment in CMOS image sensors (CIS). This work focuses on the effects of heavy ions on 3T standard photodiode pixels, and 4T and 5T pinned photodiode pixels. The first part describes the space radioactive environment and the sensor architecture. The most harmful events (SEL and SETs) are identified thanks to the scientific literature. The experimentally tested sensors agree with the theoretical work. SETs are compared to STARDUST simulations with a good agreement for all ions and sensors. The work explains why the SETs on 3T pixels are insensitive to the various photodiode designs, and they are decreased when an epitaxial substrate is used. A method using anti-blooming was successfully used in 4T and 5T pixels to prevent the spread of the SETs. The mechanism of latchup in 4T pixel sensors is described. All the identified mechanisms are very useful to provide hardening methods for the CISs.

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