La convergence des thèmes de recherche abordés au Laboratoire d'Analyse Spectroscopique et d'Energétique des Plasmas (LASEP) de Bourges et dans l'équipe PHOTONIC de l'Université Jagellonne de Cracovie (Pologne) a favorisé le rapprochement de nos activités sur l'étude et le diagnostic des plasmas d'arcs. Les activités présentées dans le cadre de cette habilitation à diriger des recherches, sont orientées vers l'études des interactions arc-électrode, avec une ouverture vers les décharges à pression atmosphérique. Elles couvrent • Les sources de plasma de type arc électrique, avec l'étude de la zone cathodique d'un plasma d'arc éclatant dans l'argon à pression atmosphérique, des phénomènes liés aux effets anodiques (et cathodiques) en soudage MIG-MAG et des processus mis en jeu dans les plasmas d'électro-érosion ; • L'étude de décharges froides hors d'équilibre à pression atmophérique, qu'elles soient - glissantes, avec leurs éventuelles applications à la destruction des composés organiques volatils ou à la génération de radicaux hydrogène; - fixes entre deux pointes, pour l'étude des ondes d'ionisation. • La mise en oeuvre et l'élaboration de nouvelles méthodes de diagnostic de ces sources, par spectroscopies atomique et moléculaire, en émission ou laser, et leur application à la métrologie fine. Elles se situent à l'interface de la recherche fondamentale (développement de méthode de diagnostic laser de milieux plasmagènes et application à la détermination des constantes spectroscopiques fondamentales nécessaires à l'étude des milieux plasmagènes complexes) et de la recherche appliquée (contrôle en ligne des milieux hors d'équilibre utilisés en dépollution, et des plasmas thermiques pour la soudure ou la découpe). Les différents thèmes de recherche développés à ce jour ont été réalisés au GREMI, puis au LASEP (Université d'Orléans), en collaboration avec l'équipe de Cracovie. La spectroscopie constitue certainement le trait d'union principal de ces travaux, tant il est vrai que le diagnostic spectroscopique se révèle essentiel pour l'étude des différents milieux plasmagènes développés au laboratoire.

Ce travail présente un modèle autonome et dynamique de prédiction des caractéristiques des décharges se propageant sur des surfaces isolantes polluées de manière discontinue, basé sur le bilan énergétique, les circuits électriques équivalents et les caractéristiques physiques de l'arc. Ce modèle permet de déterminer les différents paramètres de la décharge et ce jusqu'au contournement en tenant compte de la géométrie de l'isolateur, du changement de la résistance durant la propagation, du type de bande de pollution et ses caractéristiques (conductivité, épaisseur, largeur, positionnement par rapport aux électrodes). L'évolution de la tension à la tête de l'arc et la chute de tension dans l'arc sont analysées en fonction de la forme de la tension appliquée. Il est montré que la disposition des bandes de pollution par rapport aux électrodes, leurs largeurs, leurs épaisseurs et leurs conductivités (suivant qu'elles sont faiblement ou fortement polluées) ont une influence significative sur les paramètres de la décharge. L'augmentation de l'épaisseur de la bande de pollution conduit à l'augmentation de la résistance de l'arc et à la diminution de la charge accumulée et donc à la baisse du courant de charge. Plus l'épaisseur de la couche de pollution est importante, plus rapide sera le contournement de l'isolateur. Aussi, la tension de contournement est d'autant p l u faible que le temps de contournement est élevé. Le courant atteint des valeurs d'autant plus élevées que la conductivité des couches de pollution est grande. Le courant et la charge sont d'autant plus importants que le rapport entre les conductivités des différentes bandes est élevé, ce qui se traduit par une nette augmentation du rayon du canal de la décharge. L'évolution des vitesses suit celles des courants et des charges.

La propagation d'une impulsion térawatt ultra-brµeve dans l'atmosphère peut s'accompagner du phénomène de filamentation. La lumière se trouve alors auto-guidée dans des plasmas appelés filaments dont le diamètre est de l'ordre de 100 µm et la longueur peut s'étendre jusqu'à quelques centaines de mètres. De plus, le spectre initial de l'impulsion est considérablement élargi. Ces propriétés ouvrent la possibilité d'améliorer la technique LIDAR et de contrôler la foudre. Nous avons montré que les filaments survivent à la propagation dans une turbulence forte et peuvent se développer sous une pression atmosphérique réduite et sous la pluie. Pour la première fois, la lumière blanche genérée par une impulsion ultra-brève, multi-térawatt a été détectée à une altitude de 20 km.<br />En collaberation avec des installations haute-tension, nous avons déterminé la durée de vie du plasma du filament et la longueur sur laquelle il est possible de guider des décharges électriques. Nous avons pu augmenter l'efficacité de déclenchement avec une configuration à double impulsion. Enfin, nous avons montré que le déclenchement et le guidage sont possibles sous une pluie artificielle.<br />Ces résultats se sont révélés très encourageants en vue d'expériences LIDAR à lumière blanche et du contrôle de la foudre.

Ce travail présente une approche raisonnée pour alimenter en énergie électrique une lampe exciplexe à décharge à barrière diélectrique, en vue du contrôle du rayonnement UV produit. Un modèle électrique de la lampe a été développé et identifié, permettant d'étudier les interactions alimentation-lampe. Ce modèle est également utilisé pour effectuer la synthèse des structures candidates du convertisseur ; celles-ci, procèdent à un contrôle direct du courant dans la lampe. Une étude expérimentale a été menée afin de valider l'approche théorique. Les degrés de liberté apportés par le réglage des convertisseurs sont exploités, pour analyser la corrélation entre le courant du gaz et le rayonnement UV.

Le but de cette thèse était d'étudier des radicaux siliciés d'intérêt pour la production de matériaux et couches minces ainsi que d'intérêt astrophysique, notament le radical SiC, en utilisant la technique de spectroscopie d'émission parTransformée de Fourier.<br />Etant connue la difficulté d'obtenir un signal spectroscopique du radical SiC, il a fallu dans un premier temps trouver une source à la fois capable de le produire et appropriée à notre technique d'enregistrement. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent qu'en utilisant une décharge électrique continue établie dans un<br />tube à décharge de type Schuller dans un mélange d'hélium et d'hexamethyl disilane, il a été possible de produire de manière efficace et reproductible le radical SiC, ainsi qu'un nouveau radical HCSi.<br />En ce qui concerne le radical SiC, nous avons mis l'accent sur l'interprétation du spectre de la transition C3Π-X3Π. L'examen de certaines constantes moléculaires effectives de l'état C3Π indique un comportement anormal de celles-ci avec le nombre quantique de vibration. Pour l'expliquer, nous avons proposé deux hypothèses : une dépendance des constantes d'interaction de spin avec la distance internucléaire et la<br />manifestation de perturbations de type spin-orbite entre l'état C3Π et d'autres états électroniques proches en énergie.<br />Outre les deux transitions électroniques du radical SiC, grâce à cette source d'émission, nous avons détecté pour la première fois en phase gazeuse le radical silicié HCSi. Les ensembles de constantes moléculaires déterminées pour les niveaux vibroniques observés sont en bon accord avec les calculs ab initio. L'analyse<br />spectroscopique et les valeurs anormales de certaines constantes moléculaires indiquent l'existence de perturbations rotationnelles dans le niveau vibrationnel (100) de l'état excité et respectivement, d'une perturbation vibrationnelle dans le niveau vibrationnel (100) de l'état électronique fondamental, due à l'interaction de Fermi avec le niveau (020) du même état.

Le travail présenté dans cette thèse constitue une contribution au développement de dispositifs entrant dans le cadre de la génération de fortes puissances électriques pulsées. Le chapitre 1 est consacré à l'étude de thyristors haute tension fonctionnant en transitoires rapides. Les performances de différents types de thyristors sont analysées. Un certain nombre de commutateurs que nous avons réalisés sont présentés ainsi qu'une application relative à un électrofiltre fonctionnant sous alimentation pulsée. Le chapitre 2 analyse le fonctionnement de deux dispositifs amplificateurs de tension : le générateur de Marx et le transformateur d'impulsions. Concernant les générateurs de Marx, on analyse le rôle des éléments parasites qui contribuent à leur bon fonctionnement dans une structure classique utilisant des commutateurs à gaz et l'on propose une modification de cette structure initiale afin d'en améliorer leur déclenchement. Cette étude débouche sur les réalisations de générateurs de Marx à éclateurs à air et de générateurs de Marx à thyristors. Un transformateur d'impulsions haute tension est développé afin de résoudre un problème de reproductibilité de signaux ULB. Enfin, le chapitre 3 présente notre contribution à l'étude du générateur d'onde foudre SUPER DICOM, réalisé par THALES pour le Centre d'Essais Aéronautique de Toulouse (C.E.A.T.). Différents moyens de déclenchement des éclateurs de ce générateur sont testés et comparés. Pour terminer, une étude comparative portant sur les performances des éclateurs à air représentatifs de ceux utilisés pour ce générateur a été menée, sous tensions continue et impulsionnelle et pour deux matériaux : le laiton et le graphite.

L’épilepsie est une pathologie chronique. Elle se définit par la répétition de manifestations cliniques paroxystiques appelées aussi crises d’épilepsie. Ces crises résultent d’un dysfonctionnement cérébral généralisé ou focalisé dû à une décharge électrique anormale. L’électroencéphalographie (EEG) est la méthode de référence permettant l’enregistrement de l’activité électrique du cerveau. Lors d’une crise d’épilepsie, les signaux EEG prennent une allure sinusoïdale et se caractérisent par une grande intensité. Génératrice de signaux EEG, les populations neuronales se synchronisent pour créer un système dynamique. Les changements d’état des oscillations des signaux EEG, variables au cours de temps, passage d’un état stable à un état instable, reflètent le début d’une crise d’épilepsie.Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle approche de prédiction de l’avènement d’une crise d’épilepsie et de localisation des générateurs corticaux associés tout en employant un minimum d’électrodes crâniennes. Cette approche permet d’alerter le malade et son entourage afin qu’ils puissent prendre les précautions nécessaires.Pour assurer une détection précoce des prémices de la crise et une localisation précise de ses origines focales éventuelles, nous proposons une méthode fiable basée en premier lieu sur la modélisation autorégressive multivariable des signaux EEG. Cette modélisation génère des coefficients capables de décrire les changements de l’état de ce système dynamique. Une Analyse en Composantes Principales basée sur l’extraction des valeurs propres du système a été utilisée pour calculer un Indice de stabilité. La variation temporelle de cet indice permet de déterminer l’état de stabilité du système avant, pendant et après la crise d’épilepsie et de détecter d’éventuelles anomalies paroxystiques précritiques. Nos principales contributions sont comme suit :- La modélisation autorégressive et l’analyse de la stabilité pour la détection précoce de la survenue des crises d’épilepsie tout en utilisant un nombre minimal d’électrodes EEG crâniennes.La méthodologie proposée comporte quatre phases principales : un prétraitement adapté pour améliorer la qualité du signal, une extraction des paramètres pertinents du modèle autorégressif, un calcul de l’Indice de stabilité et une analyse des périodes de crises.La fiabilité de notre méthode et la pertinence de nos résultats ont a été prouvée en les comparant avec d’autres méthodes rapportées par l’état de l’art et validées sur la même base de données (CHB-MIT).- Meilleur localisation spatiotemporelle des régions des décharges électriques épileptiques sur le cortex, suite à l’amélioration de la résolution surfacique de l’EEG par l'intégration des électrodes virtuellesLes décharges électriques naissent dans des points du cortex cérébral et se propage vers d’autres points du même hémisphère ou d’un autre hémisphère. Le suivi de la propagation de ces décharges permet de contrôler l’état de conscience du malade. Il s’agit de différencier une crise focale d’une crise généralisées qui se manifestent par une altération de conscience. L’étude que nous avons menée consiste à localiser de manière fiable et précise les régions cérébrales impliquées dans la crise et à suivre leurs évolutions au cours du temps. Cette étude comporte trois phases principales :Dans un troisième temps, le suivi de l’évolution spatiotemporelle des décharges épileptiques détectées par les électrodes permet d’évaluer l’état du malade et de prédire d’éventuelles altérations de la conscience. Dans les cas d’un décharge électrique épileptique du lobe fronto-temporale ou de plusieurs régions sur les deux hémisphères, le malade passe par une altération momentanée de conscience / Epilepsy is a chronic pathology defined by the repetition of clinical paroxysmal manifestations called crises. These crises are the result of a generalized or focal brain dysfunction due to an abnormal electrical discharge. The electroencephalography (EEG) is the reference method allowing the recording of the electrical activity of the brain. During an epileptic crisis, EEG signals are of sinusoidal nature and characterized by a high intensity. Generator of the EEG signals, the neuronal populations sync to create a dynamic system. The changes of the oscillations state of the EEG signals, variables over the time, passage of a stable state to an unstable state, reflect the beginning of an epileptic crisis.The conceptual framework of this thesis describes the objective to propose a new approach to predict the occurrence of epileptic crisis and localize the cortical generators associated with the minimum of cranial electrodes. This approach allows alerting the patient and his entourage so that they can take necessary precautions.To ensure early detection of the crisis onset and a precise location of its focuses, we propose a reliable method based firstly on the Multivariate Autoregressive modeling of EEG signals. This modeling generates coefficients capable to describe early changes in the dynamic system state. A Principal Components Analysis based on the extraction of values own of the system has been used to calculate an index of stability. The temporal variation of this index is used to determine the stability of system before, during and after epilepsy and to detect any paroxysmal abnormalities precritical. Our main contributions are as follows:- The Autoregressive Modeling and stability analysis for the early detection occurrence of seizures by using a minimum number of cranial EEG electrodesThe proposed methodology has four main phases: a pretreatment adapted to improve the quality of the signal, an extraction of the relevant parameters of the autoregressive model, a calculation of the stability index and the analysis of crises periods.The reliability of our method and the relevance of our results have been proved by comparing them with other methods reported by the state of the art and validated on the same database (CHB-MIT).- Best spatiotemporal localization of epileptic electric discharge regions on the cortex, following the improvement of the surface resolution of the EEG by the integration of virtual electrodesElectrical discharges are born in the points of the cerebral cortex and propagated to other points in the same hemisphere or of the other hemisphere. The monitoring of the spread of these discharges allows controlling the state of consciousness of the patient. The study that has been conducted is to locate the brain regions involved in the crisis reliably and precisely and monitoring their evolution over time. This study consists of three main phases:In a third phase, the spatiotemporal evolution of the epileptic discharges detected by the electrodes makes it possible to evaluate the patient's condition and to predict possible alterations in consciousness. In the case of an epileptic electric discharge of the fronto-temporal lobe or of several regions on the two hemispheres, the patient passes through a momentary alteration of consciousness

L’amélioration des performances aérodynamiques et environnementales est un enjeu majeur dans le domaine des transports terrestres et aériens. Pour pouvoir répondre à ses exigences, une des solutions est de contrôler les écoulements. Pour cela, des actionneurs performants sont nécessaires. Une technique innovante, le jet synthétique par plasma (JSP), consiste à appliquer une décharge haute tension dans une micro cavité. Un plasma est ainsi créé dans la chambre augmentant en quelques microsecondes la température et la pression du gaz générant un micro-jet par l’orifice de l’actionneur. Le but de la thèse est de développer cet actionneur, d’en comprendre son fonctionnement et de le mettre en oeuvre pour contrôler le bruit d’un jet subsonique à grand nombre de Mach.La première partie de l’étude s’applique à définir les besoins pour le contrôle d’écoulement et de réaliser un prototype d’actionneur. Il est ensuite caractérisé expérimentalement par des mesures de la décharge électrique et de l’aérodynamique du micro-jet. En s’inspirant du modèle de Braginskii, un modèle simple de la décharge électrique est réalisé et appliqué au JSP. Le rendement de l’actionneur en est déduit. Le modèle de Braginskii modifié est ensuite couplé à une modélisation URANS ce qui permet de simuler le fonctionnement en fréquence de l’actionneur. Ces résultats sont ensuite comparés avec les mesures de l’aérodynamique du micro-jet et montrent un excellent accord.L’actionneur est ensuite mis en application pour contrôler le bruit de jet. En premier lieu, des visualisations par strioscopie de l’interaction des micro-jets avec le jet principal sont effectuées. Des mesures acoustiques sont ensuite réalisées etmettent en évidence que les JSP sont de bons candidats pour contrôler le bruit de jet. / Improvement of aerodynamics and environmental performances is a major issue for terrestrial and aeronautical industry.For fulfilling increasing demand, one of the answers is flow control. To achieve flow control, high performance actuators are needed. An innovative technique called Plasma Synthetic Jet actuator consists on applying an electrical discharge in asmall cavity. Plasma is created and increases gas temperature and pressure which results on the creation of a micro-jet through cavity opening.The PhD objectives are to develop the PSJ actuator, to describe actuator mechanisms and to apply it for controlling noise of a high subsonic jet. The first part of the study consists on defining flow control needs and on developing a PSJ actuator prototype. Then,actuator performances are characterised using electrical measurements of the discharge and using aerodynamic measurements. These measurements show that an electrical model of the discharge is needed. Based on the Braginskii model, a simple model is carried out and is applied to the actuator. Efficiency of the PSJ is deduced.The modified Braginskii model is then coupled with an URANS model to achieve frequency modelling of the actuator. Results match aerodynamics measurements .PSJ actuators are applied for controlling jet noise in a second part of the study. Schlieren visualisations are used to show micro-jet interaction with the main jet. Acoustic measurements are then performed and show that the PSJ is a goodactuator to control high subsonic jet noise.

Dans de nombreuses régions du monde, d’immenses réserves gazéifères dites non conventionnelles sont piégées dans des roches faiblement perméables qui ne peuvent pas être exploitées par des méthodes de forage classiques. Bien que très controversée, la seule méthode d’exploitation de ces gisements repose actuellement sur la technique de fracturation hydraulique. Pour ces raisons, une collaboration de recherche a débuté en 2007 entre la société TOTAL et le Laboratoire de Génie Electrique de l’université de Pau (récemment devenu le laboratoire SIAME), visant à étudier l’opportunité d’utiliser la fracturation électrique comme solution alternative à la fracturation hydraulique. Cette méthode repose sur un procédé dynamique de fracturation de la roche par application d’une onde de pression créée suite à l’initiation d’un arc électrique dans un liquide. Ce travail, financé par TOTAL dans le cadre d’une bourse CIFRE, s’inscrit dans la continuité de travaux déjà engagés sur cette thématique et vise particulièrement à approfondir les connaissances concernant le cœur du procédé de fracturation : la décharge électrique dans l’eau et la caractérisation de l’onde de pression résultante. Dans cette optique, l’importance du circuit et des paramètres électriques de l’arc a été démontrée en termes d’injection de courant et de transfert de puissance. Une formule empirique permettant de prévoir la valeur de la pression dynamique a, par conséquent, été établie. Afin d’optimiser le rendement électro-acoustique, une étude spécifique a été menée sur l’effet du mode de rupture diélectrique du fluide. Ces travaux ont également permis de proposer des solutions concernant le contrôle de la dynamique de l’onde de pression. Enfin, les effets des propriétés thermodynamiques du fluide sur sa rigidité diélectrique, sur la consommation d’énergie, ainsi que sur la propagation de l’onde de pression ont été analysés afin d’établir une série de conclusions permettant d’optimiser le procédé. / Numerous parts of the world contain huge unconventional gas reserves which are located in low permeability rocks, and consequently, cannot be produced by classical drilling techniques. Besides its numerous detractors, the only currently available method to exploit these reservoirs relies on hydraulic fracturing. For these reasons, a research collaboration was started in 2007 between the Total Company and the Electrical Engineering Laboratory of Pau university (recently renamed SIAME Laboratory). The main goal was to study the potential concerning the use of the electrical fracturing technique as an alternative to hydraulic fracturing. This method is based on a dynamic rock fracturing process through the applying of a pressure wave enhanced by the generation of an electrical arc into a liquid. This work, which is financed by TOTAL through a CIFRE funding, follows the track initiated on this topic and mainly intends to improve the knowledge concerning the critical part of the fracturing process: the electrical discharge in water and the resulting pressure wave characterization. In this purpose, the importance of the circuit and of the arc electrical parameters was demonstrated in terms of current injection and power transfer. An empirical formula used to predict the dynamic pressure value has consequently been established. In order to optimize the electro acoustic efficiency, a specific study was performed on the liquid dielectric breakdown modus. This work allowed us to suggest new solutions concerning the dynamic pressure wave control. Finally, the fluid thermodynamic properties effects on its dielectric strength, on the energy consumption, and on the pressure wave propagation were analyzed in order to draw conclusions for the process optimization.

L'électroérosion (EE) est une technique d'usinage sans contact de matériaux conducteursd'électricité ; elle particulièrement bien adaptée à l'usinage de matériaux durs. Le principe consiste àcréer des décharges électriques érodantes entre un outil et une pièce à usiner, toutes deuximmergées dans un diélectrique. Dans cette thèse, nous avons étudié la miniaturisation de ceprocédé, la microélectroérosion (μEE), qui se présente comme un procédé complémentaire destechniques de micro-usinage mécanique, laser, ou encore des techniques issues de lamicrotechnologie du silicium (RIE, DRIE, LIGA). Toutefois, la résolution de la μEE est limitée.Dans ce travail, nous avons tout d'abord développé un procédé original d'élaboration de microoutilscylindriques en tungstène par gravure électrochimique. Celui-ci permet d'obtenir de manièrereproductible des micro-outils de diamètre 15 μm et de rapport hauteur sur diamètre supérieur à 50.Des micro-outils plus fins ont aussi été obtenus (jusqu'à 700 nm) mais avec des problèmes dereproductibilité. Par ailleurs, un prototype de machine de fraisage par μEE a été développé avec uneélectronique entièrement caractérisée. Des micro-canaux de 40 μm de largeur ont été obtenus dansl'acier d'inoxydable et 25 μm dans le titane ; une rugosité Ra de 86 nm a été atteinte dans des cavitésde 600 x 600 x 30 μm. Les limitations du dispositif expérimental ont aussi été mises en évidence.Dans la dernière partie de ce travail, nous avons procédé à l'étude des microdécharges et du microplasmas'établissant entre micro-outil et pièce à l'aide de caractérisations électriques. La résistanceet l'inductance des décharges ont été déterminées expérimentalement puis intégrées dans unmodèle permettant de prévoir la durée des impulsions de courant et leur intensité. Des pistes pourl'amélioration de la résolution d'usinage sont proposées en conclusion de ce travail.