Ce travail de thèse porte sur le couplage d’émetteurs fluorescents (en l’occurrence des nanostructures semi-conductrices colloïdales) à leur environnement optique. Il se décompose en deux parties : dans la première, des structures photoniques (modes de Tamm optiques) sont caractérisées par le biais de la fluorescence de nanocristaux insérés dans ces structures. Dans la seconde, des nanoplaquettes individuelles de CdSe/CdS sont caractérisées par des études de microphotoluminescence sur différents types de substrats. Dans ces deux études, la mesure du diagramme de rayonnement par imagerie dans le plan de Fourier joue un rôle important, et son principe sera présenté en détail. Le mode optique de Tamm est un mode électromagnétique confiné entre un miroir de Bragg et une couche métallique. Nous avons couplé une couche de nanocristaux de CdSe/CdS avec des modes de Tamm optiques 2D et 0D. Le confinement latéral dans le cas du mode 0D est mis en évidence. Nous avons étudié la relation de dispersion de l’émission issue de différentes portions du disque et comparé ces résultats avec les simulations numériques. Enfin, en excitant différentes position sur le disque, nous avons montré que la direction d’émission dépend fortement de la position de la source au sein de la structure. D’autre part, nous avons mis en place une méthode fine pour déterminer la nature dipolaire (dipôle 1D ou 2D) et l’orientation d’un nano-émetteur individuel. L’idée principale est de mesurer à la fois, pour un seul émetteur, le diagramme de rayonnement et la polarisation d’émission. En choisissant un substrat adapté (de l’or ou du verre), ces mesures donnent des résultats théoriques très différents selon la nature et l’orientation du dipôle. Nous avons ensuite appliqué cette méthode sur les émetteurs nanoplaquettes de CdSe/CdS (dimensions 20x20x2 nm). Un accord parfait entre les mesures et les calculs analytiques nous confirme que l’émission d’une plaquette carrée peut être décrite par un dipôle 2D orienté dans le plan de la plaquette. Nous avons ensuite étudié l’émission d’une plaquette rectangulaire et montré une asymétrie dans le dipôle émetteur. Cette étude montre le rôle de la forme de la plaquette sur son dipôle d’émission, qui pourrait être expliqué par un effet d’antenne diélectrique. / Technological progress in the recent 30 years for reducing the size of semi-conductor materials offers the possibility to fabricate devices in which the electrons and holes are confined in a very small volume in three dimensions. When the dimension of the material is small (a few nanometers), the charges experience quantum confinement effects. This kind of nanomaterial is called nanocrystal or quantum dot [1]. These structures have the remarkable property that the energy levels are discretized, in a sense making them artificial atoms. At the beginning of 1980s, Efros, Ekimov et al. started the growth of II/VI semi-conductor nanocrystals in a vitreous matrix [2]. A few years later, colloidal synthesis methods were developed and nanocrystals with increasingly good optical properties were obtained [3-5]. These emitters have drawn intense attention because of their versatile manipulation in solution and biochemical functionalization, high quantum effciency, and photostability, tunable emission wavelength and broad absorption spectrum. By fluorescence microscopy, it is possible to study the optical properties of individual nanocrystals ; non classical effects such as single photon emission (even for nanocrystals at room temperature) are evidenced. Studying individual nano-emitters offers new ways to test the concepts of electromagnetics in the visible domain. Other manipulations are possible by nano structuring the environment around an emitter ; for instance, the use of antennas, which is ubiquitous in the radio and microwave domains, can be extended to nano-photonics, provided that sufficiently precise nano-fabrication techniques are available. The group "Nanophotonics and quantum optics" at the Institut de NanoSciences de Paris (INSP) studies how to manipulate light by coupling fluorescent emitters (individually or collectively) with their optical environment. The emission properties of nanoemitters depend strongly on their optical environment. This is expressed, as for the decay time of a radiating dipole, by Fermi's golden rule: where the initial and final state of the nanoemitter transition are taken into consideration; the polarization of these states can infuence highly the emission properties (determined by the symmetries of the transition and its associated orientation). The local state density which is mainly determined by the optical environment around the emitter and depends on the emission angular frequency. The electric field at the emitter position is included in the Hamiltonian (for a dipolar electric transition). Previously, our team has studied the coupling between the nanocrystal and different nanophotonic structures such as photonic crystals, plasmonic structures, plasmonic patch antennas etc...

Le bassin méditerranéen est sujet à de nombreuses sources d'aérosols présentant une variabilité spatio-temporelle élevée. Ces aérosols interagissent de manière directe avec les rayonnements solaire et thermique, et de manière indirecte avec les nuages et la dynamique atmosphérique. Ils peuvent donc avoir un impact important sur le climat de cette région. Ce travail de thèse, à la frontière entre les projets HyMeX et ChArMEx, considère une approche par la modélisation régionale couplée pour répondre aux questions des interactions aérosols-rayonnement-nuages par rapport à la variabilité climatique de la région méditerranéenne. Afin de mieux caractériser les aérosols méditerranéens, une nouvelle climatologie mensuelle et interannuelle d'épaisseur optique a été développée à partir d'une combinaison de produits satellites et de modèles. Ce jeu de données, disponible pour tous les modèles régionaux de climat en Méditerranée sur la période 1979-2012, a été mis au point dans le but d'obtenir la meilleure estimation possible du contenu atmosphérique en aérosols pour les cinq types considérés (sulfates, carbone suie et organique, poussières désertiques et sels marins). Des ensembles de simulations réalisées sur la période 2003-2009 avec et sans aérosols montrent un impact majeur sur le climat régional. Cet impact se caractérise par un forçage radiatif négatif en surface (dû à la diffusion et l'absorption du rayonnement solaire incident) de -15 W.m−2 en moyenne annuelle sur la mer Méditerranée, par un refroidissement induit en surface à la fois sur mer et sur terre de l'ordre de 0.5◦C en moyenne annuelle, par une diminution moyenne des précipitations ainsi que par des changements de nébulosité. Le cycle saisonnier et les structures spatiales du climat méditerranéen sont ainsi significativement modifiés, ainsi que certaines situations spécifiques comme la canicule de juillet 2006 qui a été renforcée par la présence d'aérosols désertiques. Le rôle essentiel de la température de surface de la mer Méditerranée dans la réponse du climat aux aérosols est mis en évidence, et permet de comprendre les modifications induites des flux air-mer (notamment la diminution de la perte en chaleur latente) et ses conséquences sur le climat régional. La convection océanique en mer Méditerranée est également renforcée par la présence d'aérosols. En outre, on démontre que la diminution des aérosols anthropiques observée depuis plus de trente ans a contribué significativement aux tendances climatiques de rayonnement (représentant 81 ± 15 % de l'éclaircissement) et de température (représentant 23 ± 5 % du réchauffement) observées en Europe et en Méditerranée. D'autre part, un schéma interactif d'aérosols a été mis en place dans le modèle atmosphérique ALADIN-Climat afin de pouvoir comprendre les processus liés aux aérosols à l'échelle quotidienne. On montre ici la capacité de ce schéma de simuler de manière réaliste les aérosols présents en Méditerranée, notamment dans le cas des intrusions de poussières désertiques observées pendant la campagne de mesures ChArMEx/TRAQA. Un exercice d'intercomparaison avec d'autres modèles intégrant les aérosols désertiques confirme la performance du nouveau schéma. De plus, utiliser un schéma prognostique d'aérosols au lieu d'une climatologie mensuelle permet de mieux reproduire les variations quotidiennes et en particulier les extrêmes de rayonnement et de température en surface. Cela induit aussi une modification du climat moyen, dans la mesure où les variations des aérosols et de leurs effets dépendent des régimes de temps et de la nébulosité. Cette thèse conclut ainsi à la nécessité pour les systèmes climatiques de modélisation régionale en Méditerranée de bien prendre en compte les effets radiatifs des aérosols et leur variabilité spatiotemporelle, y compris à haute fréquence. / The Mediterranean basin is affected by numerous and various aerosols which have a high spatiotemporal variability. These aerosols directly interact with solar and thermal radiation, and indirectly with clouds and atmospheric dynamics. Therefore they can have an important impact on the regional climate. This work, located at the boundary between the ChArMEx and HyMeX programs, considers a coupled regional modeling approach in order to address the questions of the aerosol-radiation-cloud interactions with regards to the climate variability over the Mediterranean. In order to improve the characterization of Mediterranean aerosols, a new interannual monthly climatology of aerosol optical depth has been developed from a blended product based on both satellitederived and model-simulated datasets. This dataset, available for every regional climate model over the Mediterranean for the 1979-2012 period, has been built to obtain the best possible estimate of the atmospheric aerosol content for the five species at stake (sulfate, black carbon, organic matter, desert dust and sea salt particles). Simulation ensembles, which have been carried out over the 2003-2009 period with and without aerosols, show a major impact on the regional climate. This impact is characterized by a negative surface radiative forcing (due to the absorption and the scattering of the solar incident radiation) of -15 W.m−2 on annual average over the Mediterranean Sea, an induced surface cooling both over land and sea of about -0.5◦C on annual average, a decrease in precipitation as well as cloud cover changes. The seasonal cycle and the spatial patterns of the Mediterranean climate are significantly modified, as well as some specific situations such as the heat wave in July 2006 strengthened by the presence of desert dust particles. The essential role of the Mediterranean sea surface temperature is highlighted, and enables to understand the induced changes on air-sea fluxes (notably the decrease in the latent heat loss) and the consequences on regional climate. Oceanic convection is also strengthened by aerosols. In addition, the decrease in anthropogenic aerosols observed for more than thirty years is shown to significantly contribute to the observed Euro-Mediterranean climatic trends in terms of surface radiation (representing 81 ± 15 % of the brightening) and temperature (representing 23 ± 5 % of the warming). Besides, an interactive aerosol scheme has been developed in the atmospheric model ALADINClimate in order to better understand aerosol processes at the daily scale. This scheme shows its ability to represent correctly the aerosol patterns over the Mediterranean, especially with regards to dust outbreaks that were measured during the ChArMEx/TRAQA field campaign. An intercomparison exercise with several dust models confirms the performance of the new scheme. Moreover, the use of a prognostic aerosol scheme instead of a monthly climatology enables to better reproduce the daily variations of surface radiation and temperature and related extremes. This also leads to changes in the mean climate, insofar as aerosol variations and their effects depend on weather regimes and cloud cover. Finally this study concludes with the need for regional climate system models over the Mediterranean to take into account the radiative aerosol effects and their spatio-temporal variability, including at high frequency. The impacts of these radiative effects on numerous parameters (radiation, temperature, humidity, ocean-atmosphere fluxes, oceanic circulation, etc.) are indeed shown and understood at different space and time scales (daily variability, seasonal cycle, climate trends, spatial structures). This work has also shown the importance of the coupling between the atmosphere and the Mediterranean Sea for aerosol-climate studies in this region.

L'objectif est la mise au point d'une méthodologie de synthèse des nanoparticules d'or en présence du chitosane sous rayonnement permettant l'obtention d'objet de taille homogène et contrôlée. Dans ce but, nous mettrons l'accent sur l'étude des interactions entre les ions Au(III) et le chitosane en solution avant irradiation. En effet, la coordination entre des unités de glucosamine et l'ion Au(III) favorise la réduction de Au(III) en Au(0) et la formation de nanoparticules d'or. Cela est démontré clairement par l'étude de l'influence du pH sur la formation de nanoparticule lors du vieillissement des solutions d'HAuCl4 en présence de chitosane. Ce phénomène a été avance pour expliquer tout au moins partiellement, le mécanisme de la réduction des ions Au(III) en présence du chitosane sous rayonnement. Il s'agissait de définir si le mécanisme de réduction des ions Au(III) en ions Au(0) suivait un processus classique tels qu'il a été décrit dans les travaux de Belloni et de Henglein, ou si la présence de chitosane influe sur ce processus. L'élaboration des nanoparticules d'or en présence du chitosane utilisé comme agent stabilisant a été réalisée sous irradiation par faisceau d'électrons ou par rayonnement gamma. L'influence des paramètres de synthèse (rapport du [GLA]/[Au(III)], conditionnement des échantillons, effet de la dose d'irradiation, effet du débit de dose, rôle d'un piégeur de radicaux ou d'électrons solvatés) a ensuite été évaluée sur les propriétés caractéristiques des solutions de nanoparticules d'or (taille, charge, résonance plasmon de surface). L'activité catalytique des nanoparticules synthétisées a été testée vis-à-vis de la réaction de réduction du 4-nitrophénol en 4-aminophénol par NaBH4.Mots-clés : or, nanoparticules, chitosane, coordination, irradiation, faisceau d'électrons, rayonnement gamma, 4-nitrophénol. / The goal of this work is to develop a methodology for the synthesis of gold nanoparticles in the presence of chitosan under radiation to obtain a homogeneous object and controlled size. To reach this purpose, we will focus on the study of interactions between the ions Au(III) and chitosan in solution before irradiation. Indeed, the coordination between units of glucosamine and Au(III) promotes the reduction of Au(III) to Au(0) and the formation of gold nanoparticles. This is clearly demonstrated by the influence of pH on the formation of nanoparticles upon aging of HAuCl4 solutions in the presence of chitosan. This formulation has been used to explain the mechanism of reduction of Au(III) in the presence of chitosan in radiation. It was to define whether the reduction mechanism of ion Au(III) ions Au(0) followed a conventional process such as those described by the work of Belloni and Henglein, or if the presence of chitosan affects this process. The development of gold nanoparticles in the presence of chitosan used as a stabilizing agent was produced by the electron beam and gamma radiation. The influence of the synthesis parameters (report [GLA]/[Au (III)], sample conditioning, effect of irradiation dose, dose rate effect, role of a radical scavenger) on the characteristic gold nanoparticles was then evaluated (size, charge, surface plasmon resonance). The catalytic activity of these nanoparticles was tested towards the reduction reaction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by NaBH4.Keywords: gold, nanoparticles, chitosan, coordination, irradiation, electron beam, gamma radiation, 4-nitrophenol.

Les rideaux d'eau sont des milieux semi-transparents constitués de gouttelettes d'eau dispersées dans l'air. Le but de ces rideaux ici n’est pas d’interagir avec la flamme dans une optique d’extinction mais plutôt d’agir en tant que boucliers radiatifs contre une forte source de chaleur. En effet, placés entre une source radiative et une cible à protéger, ils permettent de limiter la propagation du rayonnement grâce notamment au caractère absorbant et diffusant des gouttelettes d’eau. L’intérêt du brouillard d’eau réside dans la présence de fines gouttelettes d'eau. Elles possèdent, à quantité d'eau égale, une capacité d'atténuation du rayonnement largement supérieure à celle des techniques de « sprinklage », utilisant une quantité d’eau abondante constituée de gouttes de gros diamètres. Nous avons travaillé expérimentalement (réalisation d'un pilote) et numériquement (code BERGAMOTE) sur le rôle des conditions d'injection : pulvérisation descendante, ascendante, impactante, jets mutualisés en rampe (avec des systèmes comprenant une seule rampe ou deux rampes associées), etc... pour quantifier et comprendre les phénomènes mis en jeu. On retiendra en particulier le fort couplage entre la dynamique des brouillards ou rideaux d'eau et leur propriété d'écran thermique. Il résulte également de ces travaux qu’une modification de la direction d’injection, tout en conservant la même quantité d’eau injectée, engendre de fortes variations sur la capacité d’atténuation du rideau, s’expliquant par la dynamique des sprays injectés. La taille et la concentration en gouttelettes d’eau (liée au temps de séjour des gouttes dans le domaine) apparaissent alors comme des paramètres cruciaux dans l’optique d’une optimisation de ces systèmes de protection / Water sprays, water curtains, or mists, are semi-transparent media made of droplets dispersed in air. Here, water sprays are not used for the extinction of the flame but for radiative shielding against infrared radiation coming from a hot surface. Indeed, placed between a radiative source and a target to be protected, they are able to limit the radiation propagation, due in particular to the ability of droplets to absorb and to scatter infrared radiation.The advantage of mists consists in the presence of fine water droplets. In fact, with the same water volume, they have a widely superior capacity of attenuation radiation compared to “sprinkler” systems which use much water involved as large droplets. A study has been carried out both experimentally (design of an experimental setup) and numerically (BERGAMOTE code) in order to better understand the role of injection conditions. Therefore downward pulverization, upward pulverization, “impinging” spray, several nozzles in a ramp (with systems including one ramp or two ramps), etc… were investigated in order to quantify and assess the implicated phenomena. In particular, a strong coupling appears between the dynamics of sprays and their property of thermal shield. It was also observed from these works that a modification of injection direction, while conserving the same quantity of injected water, results in a strong variation on the attenuation capacity of water curtain, explained by the dynamics of injected sprays. It is worth noting that diameter and concentration of water droplets (related to the residence time of droplets in the domain) are crucial parameters when optimizing these protection systems

Dévoiler les mystères du système solaire pour comprendre les mécanismes de la formation de la Terre, pour rechercher des signes de vie ou pour développer des colonies sur d’autres planètes, dépend de notre capacité à repousser les limites de l'ingénierie et de la science. Pour cela, il est important de développer des technologies de pointe pour permettre aux véhicules spatiaux de survivre la phase d'entrée ou de rentrée atmosphérique. Lors de l’entrée ou de la rentrée, l’engin spatial peut être exposé à flux radiatifs intenses qui ne peuvent pas encore être prédits avec précision, imposant ainsi des marges de sécurité sur la conception des systèmes de protection thermique. Ces incertitudes augmentent lorsque le bouclier thermique est constitué d'un matériau ablatif car sa dégradation introduit de nouvelles espèces chimiques réagissant avec le plasma produit devant le véhicule, ce qui affecte le rayonnement. Le but de cette thèse est d’étudier les flux de chaleur radiatifs sur un véhicule de rentrée de petite taille en présence d’un bouclier ablatif (Thermal Protection System, ou TPS), en utilisant des simulations numériques et des expériences pour développer un instrument de vol qui sera embarqué à bord du CubeSat QARMAN.Une évaluation de la trajectoire de rentrée du véhicule QARMAN (masse : 5 kg) a été réalisée en utilisant un code maison à 6 degrés de liberté. Un ensemble de simulations Monte Carlo ont permis de quantifier les incertitudes et ont montré un maximum de ± 15% écart par rapport à la trajectoire nominale. Les spectres sans ablation ont alors été déterminés en utilisant une approche découplée avec deux codes : Stagline (VKI) et SPECAIR (EM2C, CentraleSupélec). Ces simulations ont été effectuées pour la trajectoire nominale ainsi que pour la gamme des incertitudes. Elles ont permis de mettre en évidence un comportement non-linéaire des caractéristiques spectrales par rapport aux valeurs nominales, avec une augmentation drastique vers la fin de la mission.Les effets de l'ablation ont été étudiés avec une nouvelle technique de mesure développée au cours de cette thèse. Basée sur deux sondes de mesure de rayonnement, l’une refroidie et l’autre recouverte d’un matériau ablatif, cette méthode permet de quantifier l'émission et l'absorption induite par tout type de TPS ayant des interactions gaz-surface avec l'écoulement, dans l’hypothèse que les raies d’émission et d’absorption des espèces ablatives ne soient pas superposées. La méthode a été validée sur un échantillon de graphite TPS. Elle a ensuite été appliquée à la prédiction du rayonnement attendu lors de la mission QARMAN (Cork P50 TPS). Cette étude a également permis de sélectionner un spectromètre d’émission adapté à la mission QARMAN et aux objectifs de la thèse (plage de 350 à 800 nm pour une masse de 68 g).Un instrument de mesure de rayonnement standard a été testé et les limites de cet appareil ont été établies. Deux nouvelles technologies ont été développées et la charge utile (spectromètre d’émission INES) a été construite et intégrée au véhicule QARMAN. Un étalonnage spectral et thermique dédié a également été développé pour maximiser la qualité du retour scientifique en prenant en compte les variations de température dans la baie de charge utile de QARMAN.L’instrument proposé est, à ce jour, la seule charge utile non intrusive capable d’effectuer des mesures radiatives sans limitations liées à la contamination par les poussières et gaz d'ablation. L’instrument peut aussi fournir des mesures de la récession, de la sublimation et du gonflement du TPS avec une précision d'au moins 0,2 mm. Le fonctionnement de l'appareil a été démontré pour une grande variété de conditions de test, y compris différents profils d'enthalpie, mélanges de gaz et matériaux de TPS. / Unveiling the mysteries of the solar system to understand the mechanisms of Earth’s formation, to search for signs of life, or to develop settlements on other planets, depends on our abilities to push the limits of engineering and science. One of the key aspects of space exploration is the development of advanced technologies to sustain the entry/reentry phase. During entry or reentry, the spacecraft may be exposed to intense radiative fluxes that cannot be accurately predicted yet, thus imposing high safety margins on the design of thermal protection systems. These uncertainties rise when the heat shield is made of an ablative material as its degradation introduces new chemical species reacting with the flow affecting radiation processes. The goal of this thesis is to study the radiative heat fluxes onto a small size reentry vehicle in the presence of an ablative TPS, using numerical simulations and experiments to develop a flight instrument that will be carried onboard the QARMAN CubeSat.An assessment of the reentry trajectory of the 5-kg QARMAN vehicle was performed using a custom 6-degree of freedom code. An extensive set of Monte Carlo simulations allowed to quantify uncertainties and showed a maximum of ±15% deviation from the nominal trajectory. The spectra without ablation were then computed using a decoupled approach with two codes: Stagline (VKI) and SPECAIR (EM2C, CentraleSupélec). These simulations were performed for the nominal trajectory as well as for the range of uncertainties. They showed a nonlinear behavior of the spectral features deviations from nominal with a drastic increase toward the end of the mission.The effects of ablation were studied with a new measurement technique developed during this thesis. Based on two radiation measurement probes, one cooled and the other with an ablative surface, it allows to quantify the emission and absorption induced by any kind of TPS having gas-surface interactions with the flow, provided that the radiative emission or absorption features of the ablative species do not fully overlap. The method was validated on a graphite TPS sample. It was then applied to determine the radiation expected during the QARMAN mission (Cork P50 TPS). This study also allowed to select an emission spectrometer (350-800 nm range for a 68-g mass).A standard radiation instrument was tested and the limits of this device shown. On those lessons learned, two new technologies were developed and an emission spectrometer payload (INES) was built and integrated into the QARMAN reentry CubeSat. A dedicated spectral and thermal calibration was also developed to maximize the quality of the scientific return by tackling the non-standard internal temperature variations of QARMAN’s payload bay.Relying on two inventions made during this study, the apparatus is at the time of writing, the only non-intrusive payload capable of making radiative measurements without limitations due to ablation dust contamination. The instrument can also provide measurements of recession, sublimation and swelling of the TPS with a precision of at least 0.2 mm. Operation of the apparatus was demonstrated for a wide variety of test conditions, including different enthalpy profiles, gas mixtures and TPS materials.

Dans cette thèse, nous présentons la conception et l’étude de performance d’un tomographe par émission de positrons (TEP) corps entier utilisant la radiation Cherenkov avec capacité de temps-de-vol (projet PECHE). Nos résultats et les conclusions sont basés sur la simulation GATE pour la configuration du scanner suivante: cristal de fluorure de plomb attaché à un photomultiplicateur à micro-canaux. C’est un cristal de haute densité, transparent pour les photons ultraviolet, et possède la fraction photoélectrique la plus élevé de 46%. Le photomultiplicateur choisi est un détecteur de grande taille, rapide et pixélisé avec une efficacité quantique raisonnable, de 25% à une longueur d'onde de 400 nm. Grâce à ces propriétés, il est possible d’envisager un détecteur efficace de gamma de 511 keV avec une épaisseur de cristal de 10 mm (une longueur d'interaction) et donc de minimiser la longueur et dispersion des trajectoires de photons, résultant à une résolution temporelle optimisée. Nous avons étudié les configurations différentes de détecteur élémentaire tels que le cristal avec les épaisseurs de 10 et 20 mm, le diamètre de l'anneau de détection de 80 et 90 cm, diverses options de le revêtement de cristal (noir, blanc diffus et poli) et deux interfaces optiques (collage moléculaire et assemblage conventionnel avec un gel optique). Pour une configuration optimale, nous avons choisi un scanner TEP à trois anneaux avec un diamètre de l'anneau de 80 cm, cristal de 10 mm d'épaisseur, et un blindage en plomb. Le collage moléculaire donne une meilleure photo-collection comparée à configuration avec un gel optique. Nous avons estimé le potentiel du scanner envisagé en utilisant les tests recommandés par la norme NEMA NU 2-2012. En particulier, nous avons évalué le taux de comptage de bruit équivalent (NECR), la résolution spatiale, coefficients de recouvrement de contraste de l'image et la variabilité de bruit de fond pour le fantôme de qualité d’image. La reconstruction des images est faite en utilisant l'algorithme itératif temps-de-vol implémenté dans la plate-forme de reconstruction « open source » CASToR récemment développée. Nous avons conclu qu’un scanner corps entier utilisant la lumière Cherenkov pourrait atteindre des performances comparables à celles d'un tomographe classique à scintillation grâce à son excellente résolution temps-de-vol. L'utilisation du rayonnement Cherenkov permet d'atteindre une résolution en temps-de-vol encore meilleure. Il est limité actuellement par la dispersion de temps de transit des photomultiplicateurs existants, un faible nombre de photons optiques détectés et une efficacité de collecte de photons dans un cristal limitée. Les limitations physiques identifiées dans cette étude seront abordées dans le développement du futur photodétecteur amélioré utilisant le radiateur PbWO₄, qui permet de concevoir un scanner TEP corps entier avec une excellente performance temps-de-vols. / In this thesis we present the conception and performance studies of the foreseen Cherenkov whole-body positron emission scanner with time-of-flight potential (PECHE project). Our results and conclusions are based on the GATE simulation for following scanner configurations: lead fluoride crystal coupled with micro-channel-plate photomultiplier. This crystal is characterized by high density, transparency for photons in ultraviolet region, and one of the highest photoelectric fraction of about 46%. The chosen photomultiplier is fast, pixelized detector of a large size with a reasonable quantum efficiency, of 25% for 400 nm photon wavelength. Due to these properties, it is possible to create an efficient 511-keV gamma detector with a crystal thickness of the order of 10 mm(one interaction length) and hence minimize the length and dispersion of the photon trajectories, leading to better time resolution. We considered different configurations of the elementary detectors such as crystal thicknesses of 10 and 20 mm, the detector ring diameter of 80 and 90 cm, various options of the crystal coating (black, diffuse white and polished) and two optical interfaces (molecular bonding and conventional assembling with an optical gel). As an optimal configuration we chose a three-ring pet scanner with diameter of the ring 80 cm, 10 mm-thick crystal, protected with lead shielding. Molecular bonding gives better photo-collection if compare with configuration with optical gel. We estimated the potential of the foreseen scanner following the prescription of the NEMA NU 2-2012 standard. In particular, we evaluated the noise equivalent count rate (NECR), spatial resolution, image contrast recovery coefficients versus background variability for the NEMA image quality phantom. Reconstruction of images is done using iterative TOF algorithm implemented in the recently developed open source reconstruction platform CASToR. We concluded that due to an excellent TOF resolution a crystal-based Cherenkov whole-body scanner could achieve performances comparable with a conventional, scintillation-based tomograph. The use of the Cherenkov radiation allows to achieve even much better TOF resolution, but currently it is limited by the transit time spread of the existing photomultipliers, a low number of the detected optical photons, and a limited photon collection efficiency in a crystal. Limitations identified in this study will be addressed in the future development of the improved photodetector using the PbWO₄ radiator, which allows to conceive a whole-body PET scanner with an excellent TOF performance.

Modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes : étude théorique, applications au radar MIMO et à un contexte RFID. Le couplage mutuel est un phénomène électromagnétique susceptible de se produire dans les réseaux d'antennes. Il est dû aux interactions électromagnétiques qui se produisent entre les éléments d'un réseau d'antennes et induisent une modification des paramètres intrinsèques des antennes. Lorsque la distance inter-élément diminue, les effets du couplage mutuel augmentent. La prise en compte du couplage mutuel dans les réseaux d'antennes, lors de leur conception ou dans les algorithmes de traitement d'antennes, permet d'avoir accès aux caractéristiques de rayonnement réel de chaque élément du réseau, ce qui peut par exemple permettre d'améliorer les performances de détection/localisation de cibles à l'aide d'un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dans un contexte RFID (Radio Frequency IDentification), modéliser le couplage mutuel permet de modéliser le système formé par un ensemble de tags et de statuer sur le comportement du système dans une configuration donnée. Cette thèse porte sur la modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes. Nous avons d'abord proposé une nouvelle méthode de modélisation du diagramme de rayonnement de l'élément actif basée sur la résolution de problèmes d'optimisation au sens des moindres carrés pour trouver les pondérations complexes qui modélisent les interactions électromagnétiques entre les éléments du réseau. Ces pondérations complexes peuvent être utilisées comme des lois d'excitation à appliquer à une antenne isolée décrivant les positions des éléments du réseau, afin d'étudier expérimentalement le comportement d'un réseau d'antennes. Cette modélisation du couplage mutuel est ensuite appliquée dans un contexte radar MIMO où nous montrons qu'il est possible de synthétiser le diagramme de rayonnement de l'élément actif sur une plateforme expérimentale de radar MIMO composée d'une seule antenne émettrice et d'une seule antenne réceptrice qui se déplacent sur des rails en des positions prédéfinies. A la réception, la matrice des signaux reçus est obtenue en appliquant le principe de superposition. Nous avons également cherché à modéliser le couplage mutuel en proposant une formulation théorique de l'impédance mutuelle entre les éléments d'un réseau de dipôles fins aléatoirement répartis dans un plan afin d'appliquer cette modélisation du couplage mutuel à un contexte RFID, où les tags, représentés par les dipôles, sont éparpillés dans un plan et éclairés par un lecteur. Nous avons également proposé une formulation théorique de l'impédance d'entrée du dipôle environné et avons étudié les effets du couplage mutuel sur les deux paramètres intervenant dans le bilan d'une liaison RFID : l'adaptation (la bande passante) et le diagramme de rayonnement du dipôle environné. Nous avons montré qu'il était possible de synthétiser le diagramme de rayonnement du dipôle environné et de trouver la modification de l'adaptation du dipôle environné, ce qui, à terme, permettrait de statuer sur le taux et/ou la distance de lecture d'une communication RFID dans un contexte haute densité / Modeling of the Mutual Coupling Present in an Antenna Array: TheoreticalStudy, Applications to MIMO Radar and RFID ContextMutual coupling is an electromagnetic phenomenon that can occur in antenna arrays. It is due to the electromagnetic interactions that occur between the elements of an antenna array and induce a modification of the intrinsic parameters of the antennas. Taking into account mutual coupling in antenna arrays, when designing them or in antenna processing algorithms, provides access to the real radiation characteristics of each array element which can, for example, improve target detection/localization performance using a Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar. In an RFID (Radio Frequency IDentification) context, modeling mutual coupling makes it possible to model the system formed by a set of tags and to decide on the behavior of the system in a given configuration. This thesis focuses on the modeling of the mutual coupling present in an antenna array. We first new method for the active element pattern synthesis based on solving optimization problems in the least squares sense to find the complex weights that model electromagnetic interactions between network elements. These complex weights can be used as excitation laws to be applied to an isolated antenna describing the positions of the array elements, in order to experimentally study the behavior of an array of antennas. This mutual coupling modeling is then applied in a MIMO radar context where we show that it is possible to synthesize the radiation pattern of the active element on an experimental MIMO radar platform composed of a single transmitting and a single receiving antenna that moves on rails in predefined positions. On reception, the matrix of received signals is obtained by applying the principle of superposition. We also sought to model mutual coupling by proposing a theoretical formulation of the mutual impedance between the elements of an array of fine dipoles randomly distributed in a plane in order to apply this mutual coupling modeling to an RFID context, where the tags, represented by the dipoles, are scattered in a plane and illuminated by a reader. We also proposed a theoretical formulation of the input impedance of the surrounding dipole and studied the effects of mutual coupling on the two parameters involved in the balance of an RFID link: the adaptation (bandwidth) and the radiation pattern of the surrounding dipole. We have shown that it is possible to synthesize the radiation pattern of the surrounded dipole and to find the modification of the adaptation of the surrounded dipole, which, in the long term, would allow to decide on the read rate and/or the reading distance of an RFID communication in a high density context.

L’entreprise Chomarat produit des feuilles en polyoléfine pour les revêtements intérieurs de voitures. Ces feuilles sont grainées afin de leur donner un aspect de surface particulier qui constitue un élément psychosensoriel important pour le consommateur. Les feuilles grainées doivent être thermoformées afin de pouvoir leur imprimer la forme de la structure rigide qui les supportera. L’étape de thermoformage se déroule à haute température et constitue de ce fait une étape critique du processus. En effet, lors de la déformation en température, l’étirement du matériau tend à déformer le grain de façon non homogène, voire à le faire disparaître. Pour obtenir des matériaux avec une bonne tenue du grain, les feuilles grainées sont partiellement réticulées. Ce travail de thèse vise à développer des formulations réticulables répondant à cette problématique. Deux voies de réticulation ont été envisagées : la réticulation par irradiation sous faisceau d’électrons et ou par insolation UV. Cette dernière méthode de réticulation est totalement novatrice dans ce domaine industriel. Les terpolymères éthylène-propylène-diène monomère (EPDM) présentent des caractéristiques favorisant la réticulation. L’effet de l’irradiation (EB ou UV) sur ces élastomères, ainsi que leurs mélanges avec du polypropylène (PP), a été étudiée. Les caractérisations ont principalement été menées par des mesures de rhéologie, des mesures de taux de gel et des calculs de densité de réticulation. Dans un premier temps, seule l’irradiation EB a été testée, sur des EPDM ainsi que sur d’autres types d’élastomères. Ensuite, les effets de l’irradiation UV ont été étudiés à travers la mise en place d’une étude modèle sur des oligomères de faibles masses choisis pour simuler le comportement des doubles liaisons des EPDM. La composition des différentes formulations étudiées comprenait donc un oligomère, un monomère multifonctionnel et un photoamorceur permettant la photoréticulation. Suite à cette étude, les meilleurs couples « photoamorceur / agent de réticulation » ont été transposés à des EPDM, d’abord en utilisant un EPDM de faible masse molaire puis un EPDM de haute masse molaire utilisé couramment dans les formulations au niveau industriel. Enfin, l’ajout du PP et en dernier lieu l’ajout de pigments et d’agents anti-UV ont été étudiés sur l’efficacité de la photoréticulation. / The Chomarat company manufactures polyolefin based sheets for automotive parts. These sheets are grained in order to give them a particular surface pattern which represents an important psycho-sensory aspect for consumers. The grained sheets must be thermoformed to give them the shape of the rigid structure on which they will be set in place. The thermoforming step is proceeded at high temperature and is therefore a critical step of this process. Indeed, while being deformed in temperature, the stretching of the material tends to distort the grained pattern in a non-homogeneous way and even to cancel it. In order to obtain materials that give an acceptable retention of the pattern after being thermoformed, the grained sheet must be partially crosslinked. This thesis work aims to develop crosslinkable formulations that are able to achieve this challenge. Two crosslinking methods have been considered: crosslinking using electron beam (EB) irradiation or UV irradiation. This last method is a pioneering crosslinking pathway in this industrial field. Terpolymers of ethylene-propylene-diene monomers (EPDM) have chemical structures that promote crosslinking. The effect of irradiation (EB or UV) on these elastomers, as well as on their blends with polypropylene (PP) have been studied. The characterisations have been mainly monitored using rheological measurements, gel contents measurements and crosslinking densities calculations. Firstly, only the effects of EB irradiation on EPDM and other types of elastomers have been investigated. Then, the effects of UV irradiation have been studied through a modelling study on low mass oligomers chosen to mimic the behaviour of EPDM double bonds. The different formulations studied were composed of an oligomer, a multifunctional monomer acting as a crosslinker and a photoinitiator allowing the crosslinking. Following this study, the best photoinitiator/crosslinking agent couples were transposed to EPDM, using firstly a low mass EPDM then a high mass one frequently used in formulations in industrial fields. At last, the effects on the photocrosslinking efficiency of adding first PP then pigments and anti-UV agents have been examined.

La transformation d'espace (TE) a été développée par J. B. Pendry et U. Leonhardt en 2006 et suscite un énorme intérêt depuis la démonstration expérimentale de la première cape d'invisibilité en micro-ondes. Cette technique permet de contrôler la propagation des ondes en modifiant les propriétés électromagnétiques de l'espace. Malgré quelques limitations liées à la bande passante ou aux pertes consécutives à l'utilisation de métamatériaux pour les dispositifs TE, cette technique a attiré l'attention de nombreux domaines (optique, microondes, acoustique, etc). L'objectif de cette thèse est de développer des applications de la TE dans le domaine antennaire à l'aide de matériaux conventionnels lorsque cela est possible et aussi d'ouvrir de nouvelles voies dans le contrôle du rayonnement des antennes. Trois applications ont été étudiées: le réflecteur « parabolique plat »; un superstrat tout diélectrique pour contrôler l'ouverture angulaire d'une antenne patch; et finalement un superstrat permettant de modifier drastiquement le rayonnement d'une antenne. Ce travail a été financé par les agences de défense du Royaume Uni et de la France (DSTL et DGA respectivement), dans le cadre du projet MIMiCRA (Metamaterial Inspired Microwave Conformai Radar Antennas). / Transformation Electromagnetics technique was introduced by J. B. Pendry and U. Leonahrdt in 2006 and it has become an emerging research field in physics and engineering in the last few years after the concept was validated experimentally with a invisibility cloak in microwave regime. This technique claims the possibility of an unprecedented technique to control electromagnetic waves interaction with engineered materials to achieve exotic electromagnetic behaviour. Despite some issues about narrow bandwidth or excessive dispersive losses related to the use of metamaterials for realization of TE devices, this technique caught the attention in many research fields (optics microwave, acoustics, etc). The final purpose of this these is to explore and propose applications of Transformation Electromagnetics in the antenna design field by using standard materials with the purpose of controlling the radiation pattern of an antenna. More precisely, three applications were explored : a fiat "parabolic reflector", an all-dielectric superstrate to control the half power beamwidth of a patch antenna and finally a superstrate that allows to control drastically the radiation pattern of a planar antenna This work was funded by France and UK defence agencies (DSTL and DGA respectively), within the framework of MIMiCRA project (Metamateriallnspired Microwave Conformai Radar Antennas).

L'œil est un organe complexe quotidiennement exposé au rayonnement électromagnétique ambiant. Les fonctions sensorielles uniques qu'il assure nécessitent l'acheminement spécifique d'une portion de ce rayonnement, la lumière, jusqu'à la rétine tapissant son fond. À cette fin, le chemin optique est constitué de différents tissus caractérisés par leur remarquable capacité à absorber ou transmettre des longueurs d'onde définies. L'absorption de longueurs fortement énergétiques s'accompagne néanmoins d'un risque de toxicité susceptible de compromettre l'intégrité et la santé des tissus absorbants. Tel est notamment le cas des rayons ultraviolets de type B ou UVB (rayons les plus énergétiques atteignant la surface oculaire en conditions normales). Les effets dommageables des UVB ont été documentés et découlent principalement de processus photochimiques directs. Il est de plus en plus reconnu que deux autres domaines du spectre électromagnétique ambiant, les UVA et la lumière bleue visible à haute énergie (HEV), disposent d'un potentiel significatif de toxicité pour les tissus oculaires. Toutefois, les fondements de cette nocivité sont mal compris. Les UVA, absorbés par la cornée et le cristallin, et la lumière HEV, absorbée au niveau de la rétine, se démarquent par une grande capacité à causer un stress oxydatif, à travers des processus indirects largement dépendants de la présence d'oxygène et de photosensibilisateurs adéquats dans les tissus absorbants. Plusieurs évidences lient leur toxicité à ce stress oxydatif, mais les événements moléculaires sous-tendant ce lien restent à définir. L'objectif global des travaux présentés dans cette thèse était donc d'identifier les déterminants de la toxicité tissulaire reliés à l'effet pro-oxydant de ces rayons. Bien que majoritairement absorbés par le cristallin, la cornée filtre une portion significative des rayons UVA parvenant à la surface oculaire et les conséquences de cette filtration sont très peu documentées. Le premier volet de nos travaux s'est donc penché sur les conséquences précoces d'une exposition de la cornée à ces rayons. L'exposition d'yeux de lapins aux UVA a permis de confirmer que ceux-ci induisent de nombreux phénomènes d'oxydation tout le long du tissu cornéen. Nous avons décrit les altérations moléculaires immédiates causées par ces phénomènes et leur profil de distribution à travers les trois couches cellulaires cornéennes (épithélium, stroma et endothélium). Nous avons ainsi déterminé que dans sa configuration native, la sensibilité aux dommages et la réponse de la cornée aux UVA ne sont pas uniformes d'une région à l'autre du tissu. Par exemple, alors que l'épithélium subit d'importantes altérations moléculaires en réponse à l'exposition, ses cellules limitent efficacement les manifestations immédiates de la toxicité des UVA par des mécanismes compensatoires. En contraste, l'endothélium à la surface postérieure de la cornée, présente une grande susceptibilité à une toxicité immédiate, et l'oxydation induite par une exposition prolongée aux UVA pose un risque particulier pour sa santé. Le second volet visait à déterminer les mécanismes cellulaires mis en œuvre dans l'action toxique de la lumière HEV. Les données disponibles sur la toxicité oculaire de ce rayonnement montrent que celle-ci touche principalement l'épithélium pigmenté de la rétine (EPR) et repose sur une accumulation de photosensibilisateurs endogènes dans ce tissu avec l'âge. Nous avons toutefois identifié un photosensibilisateur exogène de la lumière HEV susceptible de s'accumuler dans l'EPR, l'indénopyrène (IcdP), un hydrocarbure aromatique polycyclique abondant dans la fumée de tabac. Par l'exposition de cellules d'EPR humain à l'IcdP et/ou la lumière HEV, nous avons mis en évidence une synergie toxique émanant de leur interaction. L'IcdP devient au moins 3000 fois plus cytotoxique en présence de doses sous-létales de lumière HEV, causant un stress oxydatif, des altérations structurelles et une mort cellulaire rappelant les événements dégénératifs observés dans la dégénérescence maculaire liée à l'âge (première cause de cécité chez les personnes âgées). L'étude des mécanismes derrière cette synergie révèle que l'interaction IcdP-lumière HEV induit une perte du contrôle synchrone des phases assurant le métabolisme normal du xénobiotique dans l'EPR, ce qui semble précipiter le déclin cellulaire. Nos travaux ouvrent la perspective que la toxicité de la lumière HEV pour l'EPR soit significativement modulée, entre autres, par le style de vie des individus et la pollution environnementale. En évaluant leur toxicité sous des angles nouveaux, cette thèse démontre que le caractère nocif des rayons UVA et de la lumière HEV pour les tissus oculaires est largement sous-estimé. / The eye, a complex organ, faces the ambient electromagnetic spectrum on a daily basis. Its unique sensory functions require the specific delivery of light, a small portion of that spectrum, to the retina, the inside lining of eye fundus. To achieve such specificity, the optical path is made up of different tissues, each showing a remarkable ability to absorb or transmit precise wavelengths. However, high energy wavelengths absorption is associated with a risk of toxicity, which might threaten the integrity of absorbing tissues. This is particularly true for ultraviolet B or UVB (most energetic naturally occurring radiation that reach the ocular surface). UVB deleterious effects have been documented and mainly arise from direct photochemical processes. There is now a growing consensus that UVA and high energy visible blue light (HEV), the wavelengths adjacent to UVB in the spectrum, hold a significant potential for ocular toxicity. However, the basis for such toxicity is poorly understood. UVA rays are absorbed by the cornea and the lens, while HEV light is absorbed by the retina. Both spectral regions are characterized by a strong ability to promote oxidative stress in target tissues through indirect oxygen-dependent processes that rely on the presence of specific photosensitizers in tissues. Several data show that oxidative stress correlates with the toxic effects induced by eye exposure to UVA or HEV light, but the molecular events underlying such correlation remain to be clarified. The overall goal of the work presented in this thesis was therefore to identify key oxidation-related determinants of UVA and HEV light toxicity for ocular tissues. Even if the lens absorbs the majority of UVA rays reaching the ocular surface, the cornea also filters out a significant part of these wavelengths, and there is very little information on the repercussion for the cornea. In the first section of my thesis, we thus sought to determine the early consequences of cornea exposure to UVA. Using UVA-irradiated rabbit eyes as a model, we confirmed the induction of numerous oxidation reactions through corneal entire thickness. We reported oxidatively generated molecular changes occurring in the cornea very shortly after exposure and we described their distribution within the three corneal cellular layers (epithelium, stroma and endothelium). We provide evidence that in corneal native conformation, damage susceptibility and responsiveness to UVA-induced oxidation vary from one layer to another. For example, while corneal epithelial cells are subjected to important modifications in response to UVA exposure, they efficiently limit the early manifestations of UVA-induced toxicity by using compensatory mechanisms. On the other hand, the endothelium, the posterior portion of the cornea, is more susceptible to UVA-induced immediate toxicity. Oxidation resulting from extended exposure of the cornea to UVA is therefore expected to pose a hazard to corneal endothelium integrity. The second section of my thesis aimed to define cellular mechanisms involved in HEV light toxic action. Available data in the literature show that HEV light ocular toxicity primarily affects retinal pigment epithelium (RPE) and relies on the age-related accumulation of endogenous photosensitizers in RPE cells. However, we have identified an exogenous HEV light photosensitizer, indenopyrene (IcdP), an important tobacco smoke derived polycyclic aromatic hydrocarbon, which may accumulate in RPE. Using IcdP and/or HEV light-exposed human RPE cells as a model, we highlighted a toxic synergy between IcdP and HEV light. IcdP is at least 3000 times more toxic for RPE cells when irradiated with sub-lethal amounts of HEV light. It then promotes degenerative changes comparable to those observable in age-related macular degeneration (the leading cause of irreversible vision loss among elderly people). These changes include oxidative stress, structural defects and apoptotic cell death. A study of the molecular processes underlying this synergy reveals that IcdP HEV light interaction results in loss of the tight coupling required between the two metabolic phases ensuring IcdP efficient detoxification in RPE. Such loss seems to precipitate cell deterioration. Our work raises the prospect that HEV light toxicity for RPE is significantly modulated, among other things, by lifestyle and environmental pollution. This thesis, addressing UVA and HEV light ocular toxicity from a new perspective, proves that their harmful nature in ocular tissues is largely underestimated