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Malgré des accidents réguliers, la moyenne montagne n’occupe qu’une place mineure dans l’étude des avalanches. Cette thèse vise donc, par une approche interdisciplinaire, à analyser la réalité du risque d’avalanche dans le Massif vosgien. Considérant le risque comme un construit social, on se propose d’appréhender les cultures du risque d’avalanche, puis d’étudier sa réalité matérielle (approche diachronique, spatialisation, conditions d’occurrence et d’émergence du risque).Pour déterminer s’il existe reconnaissance et appropriation du risque d’avalanche par les acteurs participant au processus de construction du risque, on a procédé à une analyse de discours des différents acteurs intervenant dans sa gestion et à des enquêtes, l’une inductive par entretiens, l’autre par questionnaire. In fine, d’une manière générale, connaissances et mémoire collective font défaut et, quelle que soit l’échelle, le risque d’avalanche n’est pas identifié en tant que problème. Il est au mieux désigné comme un danger ponctuel et localisé auquel on se sent peu vulnérable. Parallèlement, à travers une démarche géohistorique, on a étudié l’inscription spatiale et temporelle des avalanches sur les deux derniers siècles et cherché à identifier les facteurs naturels et sociaux interagissant dans le système de production du risque. Il apparait que, si la connaissance des avalanches est dépendante des sources, leur dynamique est fortement conditionnée par les activités anthropiques passées et actuelles. Malgré la fréquence des avalanches, ce risque n’apparait pas comme un élément fondamental des cultures montagne dans le Massif vosgien et nécessite un travail d’information et de sensibilisation. / In spite of regular accidents, the medium-high mountain doesn’t seem to play a major role in the study of avalanche. Therefore, the main goal of this thesis is to emphasize the reality of the avalanche risk in the Vosges Mountains by an interdisciplinary approach. Considering risk itself as a social construction, we suggest to study at first the cultures of avalanche risk and then pursue with its material reality (diachronic approach, spatialization, risk occurrence and conditions of emergence). So as to establish if the different protagonists involved in the process of risk construction recognize and appropriate the avalanche risk, we have analyzed the statements of the persons in charge of those events and conducted two different surveys (inductive interviews and a questionnaire). In the end, there is a lack of knowledge and collective memory, and the risk of avalanche seems not to be considered and identified as a real problem. At the very best, it is pointed out as an occasional and localized danger, to which people do not really feel vulnerable.At the same time, through a geo-historical approach, we studied the spatial and temporal distribution of avalanches over the last two centuries and tried to identify the natural and social factors interacting in the risk production system. It appears that, if knowledge concerning avalanches is based on historical sources, their dynamic is strongly conditioned by past and current human activities. Despite the frequency of avalanches, this risk does not appear as a fundamental element of the mountain cultures in the Vosges range and requires measures to draw the attention of people and inform them about it.

Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.

Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) travaille actuellement sur un programme de recherche portant sur des photodiodes à avalanche monophotoniques (PAMP) opérées en mode Geiger en vue d'une application à la tomographie d’émission par positrons (TEP). Pour opérer dans ce mode, la PAMP, ou SPAD selon l’acronyme anglais (Single Photon Avalanche Diode), requiert un circuit d'étouffement (CE) pour, d’une part, arrêter l’avalanche pouvant causer sa destruction et, d’autre part, la réinitialiser en mode d’attente d’un nouveau photon. Le rôle de ce CE comprend également une électronique de communication vers les étages de traitement avancé de signaux. La performance temporelle optimale du CE est réalisée lorsqu’il est juxtaposé à la PAMP. Cependant, cela entraîne une réduction de la surface photosensible ; un élément crucial en imagerie. L’intégration 3D, à base d'interconnexions verticales, offr une solution élégante et performante à cette problématique par l’empilement de circuits intégrés possédant différentes fonctions (PAMP, CE et traitement avancé de signaux). Dans l’approche proposée, des circuits d’étouffement de 50 [mu]m x 50 [mu]m réalisés sur une technologie CMOS 130 nm 3D Tezzaron, contenant chacun 112 transistors, sont matricés afin de correspondre à une matrice de PAMP localisée sur une couche électronique supérieure. Chaque circuit d'étouffement possède une gigue temporelle de 7,47 ps RMS selon des simulations faites avec le logiciel Cadence. Le CE a la flexibilité d'ajuster les temps d'étouffement et de recharge pour la PAMP tout en présentant une faible consommation de puissance ( ~ 0,33 mW à 33 Mcps). La conception du PAMP nécessite de supporter des tensions supérieures aux 3,3 V de la technologie. Pour répondre à ce problème, des transistors à drain étendu (DEMOS) ont été réalisés. En raison de retards de production par les fabricants, les circuits n’ont pu être testés physiquement par des mesures. Les résultats de ce mémoire sont par conséquent basés sur des résultats de simulations avec le logiciel Cadence.

La tomographie d'émission par positrons (TEP) se distingue des autres modalités d'imagerie par sa capacité à localiser et quantifier la présence de molécules marquées, appelées radiotraceurs, au sein d'un organisme. Cette capacité à mesurer l'activité biologique des différents tissus d'un sujet apporte des informations uniques et essentielles à l'étude de tumeurs cancéreuses, au fonctionnement du cerveau et de ses maladies neurodégénératives et de la pharmacodynamique de nouveaux médicaments. Depuis les tout débuts de la TEP, les scientifiques rêvent de pouvoir utiliser l'information de temps de vol des photons pour améliorer la qualité de l'image TEP. L'arrivée des photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP), rend maintenant ce rêve possible. Ces dispositifs détectent la faible émission de lumière des scintillateurs et présentent une réponse grandement amplifiée avec une faible incertitude temporelle. Mais le potentiel des PAMP n'est pas encore entièrement exploré. Plutôt que de faire la somme des courants d'une matrice de PAMP, il est possible d'utiliser leur nature intrinsèquement binaire afin de réaliser un photodétecteur numérique capable de déterminer avec précision le temps d'arrivée de chaque photon de scintillation. Toutefois, la conception de matrices de PAMP numériques en est encore à ses débuts, et les outils de conception se font rares. Ce projet de doctorat propose un simulateur facilitant la conception de matrices de PAMP, que celles-ci soient analogiques ou numériques. Avec cet outil, l'optimisation d'une matrice de PAMP numérique basée dans une technologie Teledyne DALSA HV CMOS \SI{0,8}{\micro\metre} est proposée. En plus de guider les choix de conception de l'équipe, cette optimisation permet de mieux comprendre quels paramètres influencent les performances du détecteur. De plus, puisque le photodétecteur n'est pas l'unique acteur des performances d'un détecteur TEP, une étude sur l'impact des scintillateurs est aussi présentée. Cette étude vérifie l'amélioration apportée par l'intégration de photons prompts dans des scintillateurs LYSO. Enfin, une approche novatrice pour discriminer l'énergie des évènements TEP basée sur l'information temporelle des photons de scintillation a été développée et vérifiée à l'aide du simulateur. Bien que ce simulateur et les études réalisées dans le cadre de cette thèse soient concentrés sur des détecteurs TEP, l'utilité des PAMP et du simulateur ne se limite pas à cette application. Les matrices de PAMP sont prisées pour le développement de détecteur en physique des particules, physique nucléaire, informatique quantique, LIDAR et bien d'autres. / Abstract : Positron emission tomography (PET) stands out among other imaging modalities by its ability to locate and quantify the presence of marked molecules, called radiotracers, within an organism. The capacity to measure biological activity of various organic tissues provides unique information, essential to the study of cancerous tumors, brain functions and the pharmacodynamics of new medications. Since the very beginings of PET, scientists dreamed of using the photon's time-of-flight information to improve PET images. With the recent progress of Single Photon Avalanche Diodes (SPAD), this dream is now possible. These photodetectors detect the scintillators' low light emission and offers a greatly amplified response with only a small time uncertainty. However the potential of SPAD has not yet been entirely explored. Instead of summing the currents of a SPAD array, it is possible to use their intrinsically binary operation to build a digital photodetector, able to establish with precision the time of arrival of each scintillation photon. With this information, the time-of-flight measurements will be much more precise. Yet the design of digital SPAD arrays is in its infancy and design tools for this purpose are rare. This project proposes a simulator to aid the design of SPAD arrays, both analog and digital. With this tool, we propose an optimised design for a digital SPAD array fabricated in Teledyne Dalsa HV CMOS \SI{0.8}{\micro\metre} technology. In addition to guiding the design choices of our team, this optimisation led to a better understanding which parameters influence the performance of a PET detector. In addition, since the photodetector is not the sole actor in the performance of a PET detector, a study on the effect of scintillators is also presented. This study evaluates the improvement brought by incorporating a prompt photon emission mechanism in LYSO crystals. Finally, we describe a novel approach to energy discrimination based on the timing information of scintillation photons was developped and tested using the simulator. While this simulator and the studies presented in this thesis focus on PET detectors, SPAD are not limited to this sole application. SPAD arrays are promising for a wide variety of fields, including particle physics, high energy physics, quantum computing, LIDAR and many more.

En zone de montagne, les avalanches de neige menacent les personnes et également les structures de génie civil. Ce travail de thèse se focalise sur une structure de protection en BA (Béton Armé) de type mur en L. L'objectif est de caler et valider un modèle EF (Elément Fini) 2D afin d'étudier le comportement de tels ouvrages sous l'effet de champs de pression induits par des avalanches de neige dense et d'évaluer leur vulnérabilité face à cet aléa naturel. Quatre lois de comportement décrivant la rhéologie du béton ont été testées en vue de reproduire le plus précisément possible la ruine du mur en BA. Un modèle physique de la structure à échelle 1/6 a permis, via un test pushover, d'obtenir des données expérimentales utiles pour le calage des modèles EF proposés. Seulement deux des lois de comportement ont permis de converger vers un mode de ruine pertinent et en accord avec les observations expérimentales. Le modèle EF une fois calé a ensuite été utilisé afin d'investiguer la réponse mécanique de l'ouvrage sous sollicitation avalancheuse. En fonction de l'impulsion du signal de chargement, trois régimes peuvent être obtenus (quasi-statique, dynamique et impulsionnel). Dans le cas d'une avalanche de neige dense, les résultats montrent que la réponse mécanique de la structure en question peut être considérée comme quasi-statique. Toutefois, les signaux avalancheux dépendant de nombreux facteurs (type d'avalanche, densité, température, etc.), différents types de réponses peuvent potentiellement se développer. Pour finir, la vulnérabilité et la fiabilité du mur en BA ont été étudiées afin de préciser l'influence d'une part de la géométrie et d'autre part des caractéristiques des matériaux sur la capacité de protection qu'offre ce type d'ouvrage. In fine, ces résultats pourront être utilisés dans un cadre de gestion intégrée du risque. / Snow avalanches threaten people and also different types of civil engineering structures in mountainous areas. This PhD thesis focuses on a protective RC (Reinforced Concrete) structure consisting of an L-shaped wall. The objective of this study is to calibrate and validate a 2D FE (Finite Element) model in order to explore the mechanical behavior of such RC structures loaded by snow avalanche pressure fields and to assess their vulnerability when exposed to this kind of natural hazard. Four constitutive laws describing the concrete rheology were tested to describe the collapse of the RC wall. A physical 1/6-scale model permitted obtaining, via a pushover test, useful experimental data for the calibration of the proposed FE models. Two concrete models allowed converging to a relevant collapse of the structure in agreement with the experimental observations. Then, the calibrated FE model was used to investigate the mechanical response of the wall under avalanche loading. According to the impulse of the loading signal, three regimes can occur (quasi-static, dynamic or impulsive). In the case of dense-snow avalanches, the results show that the mechanical response of this structure can be described as quasi-static. However, avalanche signals depend on many factors (type of avalanche, density, temperature, etc.) and several types of responses can potentially develop. Finally, the vulnerability and the reliability of the RC wall were studied to show the influence of the geometry and the material properties on the capacity of the protective structure. In fine, these results will be used in an integrated risk framework in order to help decision makers.

Jakten på orörd snö är en central del i offpistskidåkning. För att hjälpa allmänheten att ta säkra beslut i lavinterräng skriver lavinexperter varje år en lavinprognos. Lavinprognoser är en form av riskkommunikation vars syfte är att göra vinterturister och andra människor medvetna om vilka risker dem eventuellt kan utsättas för på berget. Den här rapportens syfte är att undersöka vinterturisternas förståelse för “the danger rating scale” och lavinprognoser. Samt för att se hur den påverkar deras risktagande och beslutsfattande i lavinterräng. För att besvara dessa forskningsfrågor har ett kvalitativt metodval använts i form av 8 semi-strukturerade intervjuer. Resultatet visar att “the danger rating scale” och lavinprognoser har ett stort inflytande på vinterturisternas risktagande och beslutsfattande i lavinterräng. Men att det finns en tveksamhet i tolkandet av skalan. / The hunt for untouched snow is a central part of off-piste skiing. To help the public make safe decisions in avalanche terrain, avalanche experts write an avalanche forecast every year. Avalanche forecasts are a form of risk communication whose purpose is to make winter tourists' and other people aware of the risks they may be exposed to on the mountain. The purpose of this report is to investigate winter tourists' understanding of "the danger rating scale" and avalanche forecasts. As well as to see how it affects their risk-taking and decision-making in avalanche terrain. To answer these research questions, a qualitative choice of method has been used in the form of 8 semi-structured interviews. The results show that "the danger rating scale" and avalanche forecasts have a great influence on winter tourists' risk-taking and decision-making in avalanche terrain. But that there is a doubt in the interpretation of the scale. / <p>2023-06-16</p>

[pt] Detectores de fótons únicos baseados em fotodiodo avalanche (SPADs) são elementos essenciais em aplicações que requerem alta sensibilidade, como comunicações quânticas. É proposto um método para caracterização em tempo real da eficiência de detecção e das probabilidades de contagem de escuro e de pós-pulsos em SPADs através da análise da estatística de tempos entre detecções consecutivas utilizando instrumentação simples com o detector sob condições de operação. O método é então aplicado no monitoramento dos detectores utilizados em um sistema de distribuição quântica de chaves, motivado pela falha de segurança que imperfeições apresentadas pela tecnologia atual de detecção podem acarretar. Em especial, os ataques after-gate e time-shif são implementados e analisados. Uma simulação através do método de Monte-Carlo de um detector de fótons únicos composto por uma associação de diversos SPADs ativados serialmente e precedidos por uma chave óptica ativa é apresentada, visando otimizar a performance de detecção com tecnologia atual no tangente à frequência de gatilho. É reportada ainda a interferência estável entre fótons provenientes de fontes laser atenuadas totalmente independentes, cuja visibilidade é monitorada ao longo do tempo para um enlace implementado sobre duas bobinas de 8,5 km com controle ativo de polarização, passo importante para a tecnologia de repetidores quânticos e para o protocolo para distribuição quântica de chaves independente do aparato de medição. Um medidor de estados de Bell é implementado, utilizando-se óptica linear, com a resposta do sistema verificada para diferentes combinações dos estados preparados em duas estações remotas conectadas à estação central de medição através do canal estabilizado. / [en] DetecSingle-photon detectors based on avalanche photodiodes (SPADs) are key elements in ultra-sensitive applications, such as quantum communication. This thesis presents a method for real-time characterization of the overall detection efficiency, afterpulse and dark count probabilities, based on the analysis of the statistics of times between consecutive detections with simple instrumentation under operational condition. The method is employed for monitoring the SPADs on a quantum key distribution system, to prevent security failures due to side-channel attacks caused by current technology loopholes. The after-gate and time-shift attacks are implemented and analyzed. A Monte-Carlo simulation of a serially-activated association of SPADs, preceeded by an active optical switch, is performed for enhancement of the gating frequency performance with detectors based on current technology. The stable interference between photons from two independent faint laser sources is also reported, with visibility stability monitored over time after an optical link composed by two polarization-controlled 8.5-km fiber spools, a key features for quantum repeater and the measurement device independent quantum key distribution protocols. A Bell states analyzer is implemented with linear optics, and its response is verified for different combination of polarization states received from the remote stations through the stabilized channels.

Fluorescence based analysis is a fundamental research technique used in the life sciences. However, conventional fluorescence intensity measurements are prone to misinterpretation due to illumination and fluorophore concentration non-uniformities. Thus, there is a growing interest in time-resolved fluorescence detection, whereby the characteristic fluorescence decay time-constant (or lifetime) in response to an impulse excitation source is measured. The sensitivity of a sample’s lifetime properties to the micro-environment provides an extremely powerful analysis tool. However, current fluorescence lifetime analysis equipment tends to be bulky, delicate and expensive, thereby restricting its use to research laboratories. Progress in miniaturisation of biological and chemical analysis instrumentation is creating low-cost, robust and portable diagnostic tools capable of high-throughput, with reduced reagent quantities and analysis times. Such devices will enable point-of-care or in-the-field diagnostics. It was the ultimate aim of this project to produce an integrated fluorescence lifetime analysis system capable of sub-nano second precision with an instrument measuring less than 1cm3, something hitherto impossible with existing approaches. To accomplish this, advances in the development of AlInGaN micro-LEDs and high sensitivity CMOS detectors have been exploited. CMOS allows electronic circuitry to be integrated alongside the photodetectors and LED drivers to produce a highly integrated system capable of processing detector data directly without the need for additional external hardware. In this work, a 16x4 array of single-photon avalanche diodes (SPADs) integrated in a 0.35μm high-voltage CMOS technology has been implemented which incorporates two 9-bit, in-pixel time-gated counter circuits, with a resolution of 400ps and on-chip timing generation, in order to directly process fluorescence decay data. The SPAD detector can accurately capture fluorescence lifetime data for samples with concentrations down to 10nM, demonstrated using colloidal quantum dot and conventional fluorophores. The lifetimes captured using the on-chip time gated counters are shown to be equivalent to those processed using commercially available external time-correlated single-photon counting (TCSPC) hardware. A compact excitation source, capable of producing sub-nano second optical pulses, was designed using AlInGaN micro-LEDs bump-bonded to a CMOS driver backplane. A series of driver array designs are presented which are electrically contacted to an equivalent array of micro-LEDs emitting at a wavelength of 370nm. The final micro-LED driver design is capable of producing optical pulses of 300ps in width (full width half maximum, FWHM) and a maximum DC optical output power of 550μW, this is, to the best of our knowledge, the shortest reported optical pulse from a CMOS driven micro-LED device. By integrating an array of CMOS SPAD detectors and an array of CMOS driven AlInGaN micro-LEDs, a complete micro-system for time-resolved fluorescence analysis has been realised. Two different system configurations are evaluated and the ability of both topologies to accurately capture lifetime data is demonstrated. By making use of standard CMOS foundry technologies, this work opens up the possibility of a low-cost, portable chemical/bio-diagnostic device. These first-generation prototypes described herein demonstrate the first time-resolved fluorescence lifetime analysis using an integrated micro-system approach. A number of possible design improvements have been identified which could significantly enhance future device performance resulting in increased detector and micro-LED array density, improved time-gate resolution, shorter excitation pulse widths with increased optical output power and improved excitation light filtering. The integration of sample handling elements has also been proposed, allowing the sample of interest to be accurately manipulated within the micro-environment during investigation.