Le vieillissement du parc aéronautique, mais aussi la volonté de prolonger le cycle de vie des appareils, impose aux techniques de maintenance des exigences de contrôle accrues en termes de fiabilité et de rapidité. Les principaux enjeux étant la détection, et surtout la caractérisation des micro-fissures pouvant apparaitre dans les pièces sensibles des appareils. Cette caractérisation pouvant aller jusqu'à la reconstruction qualitative, voire quantitative du profil des fissures, ce qui suppose la résolution du problème inverse consistant, à partir des signaux mesurés, à remonter à certaines caractéristiques de la pièce inspectée, notamment géométriques, qui en sont en partie la cause.Ce manuscrit présente une approche originale de conception de sonde d'imagerie par courants de Foucault. Cette approche, ici appliquée à l'imagerie de pièces aéronautiques cylindriques, consiste à concevoir la sonde de façon à satisfaire la double contrainte d'une instrumentation performante et d'une résolution possible du problème inverse. Ainsi, la conception de la sonde est-elle faite de manière à ce que d'une part les signaux mesurés, résultant de ses interactions avec la pièce contrôlée, soient d'amplitude la plus élevée possible, et d'autre part, a n que ces interactions soient modélisables au moyen d'un modèle qui se prête bien à l'inversion.Dans un premier temps, une méthodologie de conception de sonde est présentée, qui vise à optimiser le dimensionnement et l'agencement de ses éléments en se fixant des contraintes de sensibilité et de résolution. Un prototype, conçu d'après cette méthodologie, est réalisé, mis en œuvre et caractérisé. Les résultats expérimentaux obtenus, qui s'avèrent en accord avec une modélisation par éléments finis, offrent une validation du fonctionnement de la sonde, celle-ci permettant effectivement de mettre en évidence les défauts types (micro-fissures) recherchés dans la pièce inspectée. Dans un second temps, la configuration des interactions sonde-pièce inspectée, choisie à dessein, est mise à profit pour élaborer un modèle direct. Celui-ci repose sur l'hypothèse selon laquelle, les défauts étant de faibles dimensions, il est possible de considérer que la perturbation de signal qu'ils engendrent est équivalente à celle que génèreraient des sources virtuelles de courants localisées uniquement dans le volume du défaut. Outre sa simplicité, cette modélisation offre l'avantage d'être adaptée à une mise en œuvre au moyen de la méthode des points sources distribués. Or celle-ci permet de formuler le problème direct sous forme matricielle ce qui constitue une base de nature à faciliter la résolution du problème inverse.C'est à ce problème qu'est consacrée la dernière partie du mémoire. Des méthodes d'inversion y sont proposées, visant à traiter progressivement la complexité du problème. Ainsi un algorithme d'inversion mono-fréquence est-il proposé, qui se montre efficace pour reconstruire des défauts sur de faibles profondeurs. Pour une meilleure reconstruction en profondeur, des algorithmes multifréquence faisant appel à des méthodes de régularisation sont ensuite conçus et appliqués à des signaux correspondant à des défauts de géométries diverses. / The ageing of the aeronautical fleet and the will to increase the aircrafts lifetime require the maintenance techniques to be made always more reliable and fast. In this context, the detection and characterization of the microscopic cracks likely to appear in some sensitive parts of the aircrafts is an important issue to be faced.This work deals with an original approach for the design of an eddy current imaging probe dedicated to the non destructive evaluation of cylindrical fastener parts. This approach consists in designing the probe in such a way that it both satisfies the constraint of an efficient sensing and that of enabling the inverse problem to be solved with a view to the defects reconstruction.Firstly, a probe design methodology is presented that optimizes the emission/reception topology, the choice of the probe elements and their arrangement according to sensitivity and resolution constraints. A prototype is built, implemented and characterized and validation of the design is obtained as the researched defects are displayed with experimental performances that agree with finite elements modelling simulations.Secondly, since the probe relies on a uniform eddy current flow interacting with small defects, a rather simple forward model is proposed based on virtual defect current sources (VDCS). The model implementation is carried out using the distributed point source method leading to a matrix formulation that can facilitate the resolution of the inverse problem.Finally, mono-frequency and multi-frequency methods are proposed for inverting the VDCS forward model and promising defect reconstruction results are obtained.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La méthode des courants de Foucault (CF) est très largement utilisée en milieu industriel pour l’évaluation non destructive (END) de pièces ou de structures électriquement conductrices, parce qu’elle est sensible, robuste peu couteuse et non polluante. Toutefois, dans le cas général, l’évaluation quantitative des paramètres caractéristiques d’une structure est un problème difficile, d’une part parce que les données CF disponibles sont généralement incomplètes, d’autre part parce qu’il est nécessaire de faire appel à des modèle numériques élaborés pour rendre compte des interactions sonde / structure, et enfin, parce que le problème inverse consistant à estimer les paramètres de la structure à partir de la connaissance des interactions physiques et des données CF disponibles est « mal posé ».Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème particulier de l’évaluation de jeux entre pièces dans un assemblage métallique. Pour contourner les difficultés liées à la mise en oeuvre de l’évaluation quantitative par CF, nous avons choisi de placer nos travaux dans un cadre multifréquence afin d’enrichir les données d’observation fournies par la sonde, et d’adopter une démarche consistant à élaborer des modèles comportementaux issus de l’analyse statistique des interactions sonde / structure. Partant de l’analyse de l’effet d’un jeu apparaissant entre les plaques d’un assemblage de plaques d’aluminium sur la variation de l’impédance normalisée de la sonde, menée expérimentalement et par simulations à l’aide de codes éléments finis, nous avons tout d’abord bâti un modèle comportemental approché d’interactions reposant sur la linéarité de la relation observée dans une bande de fréquences d’examen liée aux dimensions de la structure étudiée. Dans ce cadre, nous avons proposé, implanté et discuté des performances de plusieurs algorithmes de résolution du problème inverse, permettant d’estimer le jeu entre pièces et l’épaisseur de la pièce « cachée » de l’assemblage. Ensuite, nous avons étendu l’approche proposée à l’aide de réseaux de neurones artificiels, puis appliqué la méthode comportementale proposée à un second problème : celui de la caractérisation de fissures de fatigue réelles dans des pièces massives. Les résultats obtenus inclinent à considérer que la démarche proposée est généralisable à d’autres configurations en END par CF. / The eddy current (EC) method is widely used in the industry for the nondestructive evaluation (NDE) of electrically conductive structures, because it is sensitive, robust, cost effective and non polluting. However, in the general case, the quantitative evaluation of the parameters of a structure is a difficult problem, because the available EC data are generally incomplete, because it is necessary to have numerical models developed to account for the probe / structure interactions, and finally, because the inverse problem which consists in estimating the parameters of an inspected structure from the knowledge of those physical interactions and the available EC data is "ill-posed".In this work, we focus on the evaluation of air gaps between the parts of a metallic assembly. In order to cope with the difficulties associated with the implementation of an EC quantitative evaluation, we choose to use a multi-frequency approach so as to increase the data provided by the EC probe, and to build behavioral models from the statistical analysis of the probe / structure interactions. Experimental data and simulated data based on finite elements modeling are analyzed. A first approach behavioral model of the probe/structure interactions is deduced from these analyses, which is based on the linear relationship observed (in a particular excitation an frequency band depending on the dimensions of the studied structure) between the variations of the sensor normalized impedance and the air gap to evaluate. Moreover, we propose, implement and discuss the performances of several algorithms designed to solve the inverse problem dealing with the estimation of both the multilayered structure air gap and "hidden" plate thicknesses. Then, we extend the proposed multi-frequency behavioral approach thanks to artificial neural networks, and we apply the proposed behavioral method to a second problem : that of the characterization of real fatigue cracks in metallic massive parts. The obtained results let the generalization of the proposed approach to other EC NDE configurations to be envisaged.

Ce travail de recherche doctorale s’intéresse spécifiquement aux déchets granulaires minéraux issus de mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND). Il vise à l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que les MIDND classiquement produits en sortie d’usine ou d’installation dans une finalité de valorisation à plus forte valeur ajoutée dans une matrice cimentaire. Dans une première partie, une méthodologie de traitement pour l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que ceux standards au sens enlèvement des métaux ferreux et non-ferreux est proposée. Cette méthodologie repose sur un broyage de la fraction 0-20 mm des MIDND par le procédé BHS. La fraction 0-4 mm majoritaire obtenue est traitée par des tambours magnétiques à pôles axiaux et par de séparateur à courants de Foucault NES4T de STEINERT. Dans une seconde partie, une caractérisation physique, chimique, minéralogique et environnementale des sables de mâchefers non traités et améliorés est effectuée. Dans une finalité de valorisation en matrice cimentaire, la troisième partie de la thèse s’est focalisée sur la fraction la plus problématique des MIDND, à savoir la fraction 0-2 mm. Les fractions granulaires 0-2 mm élaborées sont utilisées en substitution volumique partielle (50% et 75%) et totale (100%) d’un sable de référence normalisé dans la formulation de mortiers cimentaires. Une caractérisation physique, mécanique et environnementale des mortiers confectionnés est réalisée à différentes échéances de cure humide, jusqu’à 180 jours. Les résistances mécaniques des mortiers à base de mâchefers sont encourageantes et prometteuses. Enfin, une caractérisation des pâtes de ciment incorporant des sables de mâchefers est effectuée par la technique d’indentation instrumentée à travers la détermination du module élastique et la dureté. / This doctoral study focuses on granular mineral wastes from municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash. This research is aiming to elaborate upgraded mineral sands fractions in comparison to standard MSWI bottom ash thanks to its beneficial use in cementitious materials. In the first step, a new methodology is proposed for dry separation of MSWI bottom ash in order to better recover ferrous and non-ferrous metals from the sands fractions and obtain an improved mineral sand fraction at the same time. This proposed methodology is composed of grinding of 0-20 mm input bottom ash fraction through BHS crushers. Subsequently, the main sand fraction (0-4 mm) is processed through magnetic drums and the innovative non-ferrous metal separator NES 4T of STEINERT process. In the second step, physical, chemical, mineralogical and environmental characterizations have been performed on untreated and treated sands fractions. The third step of this research focuses on beneficial use of the 0-2 mm granular fraction in cementitious materials, that is considered most problematic of MSWI bottom ash fractions. The standardized reference sand is replaced in volume for the partial substitution (50% and 75%) and total substitution (100%) by 0-2 mm upgraded mineral fractions in the mortar preparation. Physical, mechanical and environmental characterization have been performed on cement mortar up to 180 days of moist curing. Compressive strengths of mortar containing upgraded bottom ash are promising. Finally, a mechanical characterization on hardened cement paste has been performed as well on mortar containing upgraded bottom ash fractions through indentation technique in order to determine the modulus of elasticity and hardness.

Dans ce manuscrit, nous présentons des mesures haute résolution de chaleur spécifique Cp réalisées sur des anneaux mésoscopiques d'argent à très basses températures. Le but de cette expérience est de mettre en évidence une possible signature thermique due à la présence de courants permanents. Ce phénomène reste encore mal compris malgré de nombreuses expériences. Il existe en effet des contradictions entre les différents modèles théoriques et les résultats expérimentaux. L'approche thermique que nous exposons ici est un angle nouveau qui n'a jamais été exploré. Sous champ magnétique, une oscillation de période égale au quantum de flux Φ0=h/e (ou moitié) de Cp est attendue théoriquement. L'échantillon étudié est composé d'un grand nombre d'anneaux d'argent mésoscopiques déposés sur une membrane en silicium suspendue. Nous avons réalisé, à différentes températures, de multiples balayages en champ de la chaleur spécifique. Un traitement des signaux obtenus a ensuite été réalisé afin de repérer une éventuelle périodicité. Il a révélé la présence sur le signal de phase d'une oscillation de période h/2e n'apparaissant pas sur le module de la chaleur spécifique. Cette signature est maximale à 100mK. La fréquence et l'amplitude obtenues sont en accord avec les prédictions théoriques. La sensibilité atteinte est de ΔC~10^(-14)J/K sur le module (et de Δφ~10^(-2) degrés sur la phase) soit 10^(-21)J/K par anneau. Les résultats présentés ici apportent donc de nouveaux éléments dans l'analyse des courants permanents. / In this thesis, we report very high resolution specific heat measurements of normal metal mesoscopic silver rings at very low temperatures. The objective of this experiment is to measure the possible existence of thermal signatures due to the presence of persistent currents. This phenomenon is still misunderstood despite many measurements. Some contradictions exist between experimental results and the different theories. The thermal approach is a new point of view. Under magnetic field, the Cp variation is expected be periodic with the quantum of flux Φ0=h/e or half of the quantum of flux as it has been theoretically predicted. The studied samples is composed by a large number of silver rings with an electronic phase coherence length of few microns at low temperatures. They were deposited on the suspended membrane of a silicon sensor. We have realized, at different temperatures, a large number of identical scans of the heat capacity variation as a function of the applied field. A signal processing work on this data has then been realized to detect signal periodicities. It showed a difference between the module and the phase of the heat capacity. A peak can be observed on the FFT at a frequency corresponding to h/2e on the phase signal. The peak appears particularly at 100mK with a amplitude which is consistent with previous calculations. A sensitivity of ΔC~10^(-14)J/K on the module (Δφ~10^(-2) degrees on the phase) has been reached whether 10^(-21)J/K per ring. Thus, the presented experiences give new elements in the field of persistent currents.

L’industrialisation de la production des conducteurs utilisant les cuprates à haute température de transition pendant les deux dernières décennies offre aujourd’hui la possibilité de nouveaux développements dans le domaine du magnétisme supraconducteur. En particulier, nous nous intéressons ici aux applications des rubans supraconducteurs REBCO. Ceux-ci font partie des rares candidats disponibles à l’heure actuelle capables de fonctionner sous des inductions supérieures à 20 T aux températures de cryogénie classique (4,2 K), ce qui les rend quasiment incontournables dans le contexte des applications haut-champ. Parallèlement, leurs températures critiques élevées apportent également la possibilité de nouvelles conceptions d’aimants pouvant fonctionner à des températures allant jusqu’à 80 K environ. Ceci ouvre notamment la porte à de nouvelles options de cryogénie moins coûteuses, comme le refroidissement par azote liquide. Néanmoins, la mise en œuvre des rubans REBCO à l’intérieur de nouveaux aimants supraconducteurs se heurte dans certains cas au problème posé par les courants d’écrantages. Ce terme désigne les supercourants induits dans le matériau supraconducteur en réponse au champ extérieur. Ces courants parasites engendrent alors des perturbations sur le champ magnétique total produit par l’aimant : réduction de son amplitude, distorsions spatiales et instabilités temporelles. Ces multiples effets entrent généralement en collision avec les exigences sur la qualité de champ produite. Ainsi, comprendre le phénomène des courants d’écrantages, être capable de prédire sa dynamique et, idéalement, disposer de solutions afin d’y remédier, sont des tâches cruciales pour assurer la réussite des futurs projets d’aimants supraconducteurs REBCO. Cette thèse propose des éléments de réponse vis-à-vis de cette problématique. Le phénomène de courants d’écrantages y est tout d’abord approché de manière expérimentale au travers de la mesure de ses effets perturbateurs sur le champ magnétique de petits aimants tests REBCO. Les données expérimentales récoltées sont ensuite employées pour étayer le développement d’un modèle numérique de simulation magnétodynamique sous l’environnement open-source GetDP. Ce modèle est par ailleurs mis à l’essai avec de bons résultats dans le cas du dipôle 5,4 T EuCARD du CERN. Enfin dans une dernière partie, une investigation expérimentale est menée sur deux techniques capables de réduire, voire de supprimer intégralement, les impacts négatifs des courants d’écrantages sur le champ des aimants REBCO : le vortex shaking et l’overshoot en courant. Au travers de ces développements, cette thèse entend fournir aux concepteurs de futurs aimants supraconducteurs REBCO des moyens d’anticiper et de traiter les problèmes posés par les courants d’écrantages. / The industrialization of the production of high-transition temperature, cuprate-based conductors during the last two decades brings nowadays the possibility of new developments in the field of superconducting magnetism. In particular, we are interested here in the applications of superconducting REBCO tapes. Those belong to the few currently available candidates that are able to operate under magnetic induction above 20 T at classical cryogenic temperature (4.2 K), what makes them almost unavoidable in the scope of high-field applications. Besides, their high critical temperatures also bring the possibility for new magnet designs capable to operate up to temperatures of about 80 K. This notably opens the door to new, less expensive, cryogenic design options, like liquid nitrogen cooling.However, the practical implementation of REBCO tapes inside new superconducting magnets encounters a problem posed by screening currents. The latter term designates the supercurrents that are induced in the superconducting material in response to an external field. These parasitic currents then give rise to perturbations in the total magnetic field generated by the magnet: lowering of its magnitude, spatial distortions and time instabilities. Those various effects collide most of the time with the requirements on the produced field quality. Thus, understanding the phenomenon of screening currents, being able to predict its dynamic and, ideally, having of solutions to remedy this issue, are crucial tasks to ensure the success of future REBCO superconducting magnet projects.This Ph.D. work suggests some elements of answer with regard to this problematic. The phenomenon of screening currents is first approached experimentally, through the measurement of its disruptive effects of the magnetic field generated by small REBCO tests magnets. The experimental data gathered are then used to support the development of a numerical model for magnetodynamic simulations in the framework of the open-source environment GetDP. This model is furthermore tested with satisfactory results on the scenario of the 5.4 T EuCARD dipole developed by CERN. Finally, in a last section, an experimental investigation is conducted on two techniques capable at reducing, or even entirely suppressing, the negative impacts of the screening currents on the field of REBCO magnets: the vortex shaking and current overshoot.Across these developments, this Ph.D. work aims at providing the designers of future REBCO superconducting magnets with tools to anticipate and handle the issues caused by the screening currents.

Dans le domaine de la simulation numérique en électromagnétisme, l'évaluation d'erreur en régime magnétodynamique n'a pas trouvée de réponse pleinement satisfaisante jusqu'à maintenant. Après avoir introduit la méthode des éléments finis à partir d'une approche thermodynamique de l'électromagnétisme, nous proposons un nouveau critère d'erreur énergétique, qui permet d'évaluer l'erreur dans les parties conductrices sièges de courants de Foucault. Les caractéristiques de ce critère en fonction de la formulation et de l'ordre des éléments sont détaillées. Nous présentons ensuite une procédure de maillage adaptatif reposant sur ce critère appliquée à un cas en régime magnéto-harmonique 2D. Une extension aux régimes transitoires est introduite. La convergence des grandeurs énergétiques globales valide la pertinence du critère d'erreur proposé.

Cette thèse s'intéresse au problème de la diffraction d'ondes par un obstacle borné, <br />et plus particulièrement à l'étude de sa Surface Equivalente Radar (SER). <br /><br />Etant donné une onde incidente sur l'objet, la détermination des courants induits sur la <br />surface de celui-ci, des champs diffractés puis, par la suite, de leur comportement à <br />l'infini, est un problème couramment abordé dans la littérature. <br />De plus, pour des longueurs d'onde comparables à la taille de l'objet, ces grandeurs <br />peuvent maintenant être approximées numériquement par des méthodes à la fois rapides <br />et précises. <br /><br />Néanmoins, au contraire des nombreuses théories développées dans les domaines hautes <br />fréquences (tracés de rayon, points brillants, TGD, ...), les phénomènes produits sur la <br />surface de l'objet, et en particulier leur effet sur le champ diffracté et la SER, <br />demeurent mal compris et maîtrisés. <br /><br />La notion de courants caractéristiques, initialement introduite par J.R. Harrington et <br />R.F. Mautz dans les années 70 dans pour des objets parfaitement conducteurs, permet la <br />décomposition d'un courant induit quelconque en courants ``élémentaires''. <br />Cette décomposition semble alors particulièrement adaptée à l'étude de la SER de l'objet, <br />grâce notamment à des propriétés d'orthogonalités des champs lointains rayonnés <br />permettant d'identifier directement entres elles les composantes d'un courant (les zones <br />sollicités sur l'objet) et celles de son champ rayonné. <br /><br />Nous revenons dans un premier temps dans cette thèse sur cette décomposition modale, <br />en fournissant un cadre et les résultats mathématiques nécessaires à la bonne <br />compréhension et utilisation de cette décomposition. <br /><br />L'introduction de ce cadre permet alors de donner une première généralisation de ce type <br />de décomposition à des objets modélisés par une condition d'impédance. <br /><br />Ces courants et champs caractéristiques peuvent de plus se révéler intéressant d'un point <br />de vue théorique, de par les bases adaptés qu'ils fournissent. <br />L'application au problème inverse, à savoir celui de la reconstruction de la surface de <br />l'objet à partir de la connaissance des champs lointains diffractés, donne un exemple <br />d'utilisation théorique de ces modes caractéristiques.

L'oxyde supraconducteur à haute Tc (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi2223) a été synthétisé par voie sol-gel. Les conditions de calcination et de frittage ont été optimisées afin d'obtenir la phase Bi2223 avec une pureté voisine de 94%. Cette poudre a été mise sous forme de céramiques texturées par frittage-forgeage sous air. Le cycle de forgeage a été optimisé de manière à synthétiser des disques hautement texturés et d'une grande pureté. Des barreaux extraits de ces disques ont été caractérisés en transport. Les meilleures densités de courant critique (Jc) obtenues sont de l'ordre de 10000 A/cm2 (0 T, 77 K) et rejoignent les valeurs maximales présentes à ce jour dans la littérature. Une nouvelle voie de synthèse, consistant à texturer des pastilles composées de la phase Bi2212 et de phases secondaires, a été entreprise. Le contrôle de la taille de particules (⊕<63µm) et des paramètres de frittage-forgeage (845°C/100h) a permis d'atteindre des Jc de l'ordre de 12500 A/cm2. Le broyage planétaire de la poudre sol-gel brûlée s'est avéré précieux pour augmenter sa réactivité et dans le même temps le taux de phase Bi2223 à l'issue du frittage-forgeage. La grande quantité de phase liquide produite pendant la texturation a permis d'améliorer la qualité de la texture via un meilleur alignement des grains et ainsi d'accroître fortement les densités de courant critiques (20000 A/cm2). Par ailleurs, l'empilement de plusieurs disques est possible et rapide, et aboutit à une céramique massive avec des densités de courant critique quasiment identiques à celles obtenues sur un seul disque. L'analyse combinée texture/structure/microstructure traitée via le programme MAUD s'est révélée être d'une grande efficacité pour caractériser nos échantillons. Grâce à la diffraction neutronique, une relation directe entre le taux de phase Bi2223, les paramètres de maille, la taille des cristallites, la densité de distribution maximale et la densité de courant critique a été établie.

Il existe deux modes principaux d'interaction entre neurones : les synapses chimiques et les synapses électriques qui, bien que minoritaires par rapport aux premières, sont présentes dans de nombreuses régions du cerveau où elles sont impliquées dans la synchronisation de l'activité neuronale. Notre étude théorique, qui combine calculs analytiques et simulations numériques, montre que l'impact des synapses électriques sur la synchronisation neuronale dépend des propriétés d'excitabilité des neurones déterminées par leurs courants ioniques. Ainsi, associées à des synapses inhibitrices, les synapses électriques peuvent donc amplifier ou réduire la synchronisation de manière linéaire. Toutefois, lorsque le couplage inhibiteur est suffisamment fort, des effets non-linéaires apparaissent tels que les synapses électriques renforcent la précision et la robustesse de la synchronisation. Ce travail de thèse révèle ainsi le caractère flexible de la synchronisation par les synapses électriques.