Les recherches présentées dans cette thèse ont été effectuées au Laboratoire de Métallurgie<br />Physique de l'Université de Poitiers ainsi qu'au sein du groupe Defects in Materials appartenant au<br />Interfaculty Reactor Institute de l'Université Technologique de Delft (Pays-Bas).<br />Les exigences concernant la qualité des matériaux semi-conducteurs utilisés en<br />microélectronique deviennent de plus en plus drastiques. En effet, la présence d'impuretés et de<br />défauts cristallographiques peut fortement modifier les caractéristiques des diodes. Il est donc<br />impératif de les contrôler afin d'améliorer les performances des dispositifs. Des études récentes sur<br />les cavités créées dans le silicium par implantation d'hélium à haute dose suivie d'un recuit à haute<br />température, ont montré que ces dernières peuvent être utilisées pour le piégeage d'impuretés<br />métalliques. Le silicium joue un rôle majeur dans la technologie actuelle des semi-conducteurs.<br />Cependant pour de nouvelles applications, en particulier en milieu hostile, le carbure de silicium<br />semble être un candidat prometteur.<br />Les défauts introduits par l'implantation d'hélium dans le silicium et dans le carbure de silicium<br />ont été étudiés par MET (Microscopie Electronique en Transmission). Des techniques<br />complémentaires comme la desorption d'hélium (THDS) et la DRX (Diffraction des Rayons-X) ont<br />également été utilisées. Nous avons observé que dans le cas d'implantations à forte énergie (MeV),<br />de nombreux défauts étendus de type interstitiel sont crées parallèlement à la formation des bulles.<br />Nous avons montré que la formation des bulles dépend fortement du flux et que le taux de<br />production des lacunes est un paramètre déterminant. Les effets du temps de recuit et de la<br />température d'implantation ont également été étudiés. Dans le carbure de silicium, la formation de<br />bulles se produit dans une zone amorphe et l'évolution en cavités a été étudiée en fonction de<br />divers recuit. Une étude par THDS des précurseurs des bulles est également présentée.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet RNTS R-MOD qui visait le développement d'un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires. Des méthodes de visualisation et de quantification de flux gazeux pulmonaires par IRM des gaz hyperpolarisés (GHP) ont été développées pour pouvoir valider les résultats du simulateur.<br />Pour atteindre cet objectif, un système adapté à l'environnement spécifique de l'IRM a été développé pour permettre l'administration de GHP de manière contrôlée, et différentes approches d'imagerie du flux de GHP ont été explorées.<br />La 1ère approche est basée sur de l'imagerie dynamique de l'inspiration de GHP. Ce type d'expérience est analysé. L'évolution du phénomène est trop rapide pour être observée correctement avec les techniques actuelles. Néanmoins, un état d'équilibre dynamique de la répartition spatiale de l'aimantation dans les poumons lors d'inspirations en régime stationnaire est observable. Les paramètres dont dépend cet équilibre et une partie de ce qui peut être quantifié par le biais de ce type d'expérience ont été formalisés et les concepts introduits ont été validés par différentes expériences d'imagerie dynamique.<br />La 2ième approche, quantitative, est basée sur la vélocimétrie par contraste de phase combinée à l'imagerie radiale rapide. D'abord validée quantitativement sur des fantômes d'écoulement connus (tube droit, coude, bifurcation), la technique a ensuite été appliquée sur un modèle réaliste d'arbre bronchique et comparée à une simulation numérique des écoulements. Les 3 composantes de la vitesse ont été mesurées en environ 1 s avec une résolution spatiale du mm et une précision du cm•s-1. Enfin, la faisabilité in vivo de la mesure de vitesse dans les voies aériennes pulmonaires a été démontrée dans la trachée lors d'une inspiration.<br />Cet outil de caractérisation des écoulements à l'aide de l'IRM des GHP ouvre des voies prometteuses aussi bien pour la physique des écoulements que pour les applications médicales.

L'hélium joue un rôle fondamental dans la physique de l'héliosphère. La compréhension des phénomènes physiques qui lui sont associés ainsi que la détermination de son abondance ont des répercussions dans des domaines aussi variés que la cosmologie, la modélisation stellaire ou l'étude du vent solaire. L'héliosismologie permet maintenant de mesurer précisément l'abondance d'hélium dans le coeur du Soleil, les méthodes spectroscopiques fournissent des diagnostic dans la photosphère et dans la chromosphère, et l'hélium est étudié à une unité astronomique dans le vent solaire avec des détecteurs de particules in situ. Mais très peu de mesures existent dans la couronne et de ce fait, dans l'intervalle de distances allant de la chromosphère au vent solaire, notre connaissance de l'hélium repose essentiellement sur des travaux thériques. Ce travail est donc une contribution à l'étude observationnelle de l'hélium dans la couronne solaire. Le télescope EIT embarqué à bord de SOHO peut observer la couronne solaire jusqu'à 2 Rs dans un intervalle de longueurs d'onde du spectre extrême ultraviolet comprenant la raie de résonance à 30.378 nm de l'ion He+. Cette raie étant formée dans la couronne principalement par diffusion résonante du flux de photons chromosphérique par les ions He+, son intensité est proportionnelle à la densité d'ions He+, et son observation permet donc potentiellement un diagnostic intéressant de l'hélium coronal. Malgré une contamination par d'autres raies, il semble qu'une fraction non négligeable du signal enregistré par EIT dans sa bande passante à 30.4 nm puisse être attribuée sans ambigüité à la raie de résonance de l'He+. De plus, une étude préliminaire semble avoir indiqué que les gradients d'intensité ainsi observés sont anormalement faibles dans les régions polaires. L'objectif de la présente étude était de vérier cette assertion. Pour ce faire, nous avons tout d'abord procédé à une étude critique détaillée des caractéristiques de l'instrument EIT afin de confirmer que la raie à 30.378 nm de l'He+ est effectivement détectée dans la couronne dans la bande passante à 30.4 nm. Ceci a impliqué l'évaluation précise de plusieurs paramètres d'étalonnage dont la réponse spatiale du détecteur, la contamination de la bande passante à 30.4 nm par d'autres raies spectrales, ainsi que le niveau de lumière diffusée instrumentale. Affin d'interpréter les intensités mesurées à l'aide de EIT, nous avons développé un modèle empirique prédictif de l'intensité de la raie de résonance de l'He+ dans la couronne en nous basant sur des travaux existants pour le cas de la raie Lyman alpha de l'hydrogène et en utilisant tous les éléments observationnels disponibles. Ce modèle requiert la connaissance de certaines grandeurs caractéristiques des conditions physiques régnant dans la couronne, comme la température ou la densité électronique, lesquelles ont été déterminées indépendamment à partir de travaux déjà existants ou en analysant de nouvelles observations. Les comparaisons entre l'intensité observée par EIT et les prédictions de notre modèle semblent confirmer globalement les résultats de l'étude préliminaire. Dans les régions équatoriales, le gradient d'intensité de la raie de résonance de l'He+ est cohérent avec la hauteur d'échelle de la densité électronique. En revanche, aux hautes latitudes dans les trous coronaux polaires, le gradient d'intensité observé semble significativement plus faible que celui prédit par le modèle. On peut interpréter cette observation par une accumulation d'ions He+ dans les trous coronaux polaires, là où le vent solaire rapide trouve son origine. Si l'équilibre d'ionisation utilisé dans le modèle est effectivement représentatif des conditions coronales moyennes, cette accumulation d'He+ pourrait être la signature d'une abondance d'hélium élevée dans la couronne. Ceci peut être rapproché des résultats de certains modèles théoriques du vent solaire indiquant la possibilité que l'abondance d'hélium soit élevée dans la couronne, 20% ou plus, alors qu'elle est de 10% dans l'intérieur et de 4% en moyenne dans le vent solaire. Comme l'hélium a une masse quatre fois supérieure à celle de l'hydrogène, il est clair qu'une abondance d'hélium élevée influerait de façon non négligeable sur les flux de masse et d'énergie dans le vent solaire. D'autres observations avec une meilleure résolution spectrale et un niveau de lumière diffusée moindre sont cependant nécessaires pour confirmer notre résultat et obtenir de nouveaux outils de diagnostics dans la couronne.

Cette thèse porte sur la modélisation du spectre de l'hélium dans les protubérances solaires quiescentes. Les protubérances sont des structures magnétiques confinant un plasma froid et dense par rapport au plasma coronal environnant. Malgré sa très grande importance, aucun calcul théorique hors Equilibre Thermodynamique Local (ETL) n'a été mené sur une large gamme du spectre de l'hélium observable dans les protubérances depuis les travaux de Heasley et ses collègues, parus entre 1974 et 1983. Cette étude s'attache donc à effectuer de nouveaux calculs hors ETL, en éliminant de nombreuses restrictions présentes dans les travaux de Heasley et al. On obtient le spectre émergent de l'hélium dans une protubérance à une dimension, isotherme et isobare, pour un modèle d'hélium à 34 niveaux d'énergie (He I + He II + He III). Les études théoriques menées ici montrent les différents effets que peuvent avoir les paramètres physiques de nos modèles sur les populations des principaux niveaux d'énergie de l'hélium ainsi que sur les intensités émises. Une partie du travail est également consacrée à la comparaison avec des observations faites avec les spectromètres SUMER et CDS embarqués à bord de SoHO, ce qui permet un diagnostic de la structure observée. Cette étude a uniquement porté sur les protubérances solaires quiescentes pour des modèles isothermes et isobares. L'outil de diagnostic hors ETL dont nous disposons maintenant constitue un apport considérable pour l'interprétation des observations. Les perspectives seraient d'améliorer notre compréhension de la formation du spectre de l'hélium dans d'autres conditions physiques, et d'appliquer notre méthode de diagnostic à d'autres objets de l'atmosphère solaire et à d'autres situations astrophysiques.

L'3He à basse température est l'archétype d'un fluide de fermions en interaction. Le but de cette thèse est d'étudier expérimentalement un effet quantique dans l'3He liquide~: L'influence de la polarisation nucléaire sur la viscosité. Ce type d'effet est connu dans la phase gazeuse, mais les modèles théoriques donnent des réponses diverses concernant la phase liquide. Expérimentalement, la difficulté consiste à obtenir de forts taux de polarisation dans l'3He liquide. Nous utilisons pour cela la méthode de fusion rapide d'un solide aimanté. La viscosité étant une quantité fortement dépendante de la température, il faut un bon contrôle de l'homogénéité thermique dans la cellule expérimentale pour isoler les effets dus à la polarisation des variations de température liées à la méthode de fusion rapide. En accord avec des mesures antérieures, nous montrons que la polarisation nucléaire a pour effet d'augmenter la viscosité. Grâce à un dispositif expérimental de conception soignée, nous étendons la gamme de polarisation explorée jusqu'à des taux de 60\%. De plus, des expériences à différentes températures nous permettent de montrer que cet effet survit au-delà du régime où les spins sont dégénérés, et disparaît vers 1K. Enfin, nous montrons que l'effet de la polarisation dépend peu de la pression. Ces résultats posent des questions théoriques importantes dans les deux régimes de température que nous avons explorés~: Il faut raffiner les modèles existants pour comprendre la faible dépendance en pression de l'effet de la polarisation sur la viscosité à basse température. A haute température, il s'agit de comprendre comment des effets de statistique quantique peuvent subsister en-dehors du régime dégénéré dans un système dense.

Ce mémoire rapporte la mise en oeuvre de la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de l'hélium-3 hyperpolarisé à 0,1 T puis à 1,5 T, in vivo, chez l'Homme sain. L'utilisation des gaz hyperpolarisés en IRM entraîne deux conséquences majeures : l'absence de régénération de l'aimantation longitudinale et une diffusion très rapide. Prenant en considération ces deux contraintes, différentes stratégies d'acquisition sont comparées à bas champ (0,1 T) : séquences "single-shot" (RARE et EPI) et "multi-shot" (FLASH). On montre ainsi que la séquence RARE permet d'acquérir des images de bonne qualité en moins de 400 ms avec peu de gaz ; la séquence EPI a l'avantage de la rapidité mais entraîne davantage d'artefacts, en particulier en raison du terme de Maxwell ; ces deux séquences sont intrinsèquement limitées en résolution à 5 mm in vivo ; la séquence FLASH, moins efficace en termes de rapport signal sur bruit, permet cependant d'atteindre de meilleures résolutions. Les avantages de l'utilisation d'un bas champ magnétique en régime hyperpolarisé sont discutés : en particulier, le rapport signal sur bruit est, dans une très large gamme, indépendant du champ principal. Des mesures RMN puis IRM de diffusion utilisant la technique CPMG sont présentées et permettent de mettre en évidence la restriction due à la structure alvéolaire des poumons.

En astrophysique nucléaire, le cycle CNO chaud permet la combustion de l'hydrogène et de l'hélium au sein d'environnements stellaires explosifs tels que les novæ et les sursauts X. Il est communément admis aujourd'hui, que sous certaines conditions de température et de densité, il est possible d'échapper à ce cycle et de produire ainsi des éléments plus lourds. Une réaction candidate à cet échappement est la réaction 15O(α,γ)19Ne. Bien qu'actuellement l'étude directe de l'état résonant d'intérêt astrophysique de cette réaction soit impossible à réaliser, il est nécessaire d'entreprendre d'importantes mesures préliminaires qui font l'objet du présent travail: i) le court temps de vie de l'élément radioactif 15O, à savoir deux minutes, implique qu'une étude directe de cette réaction devra être faite par la technique de la cinématique inverse, ce qui nécessitera une cible d'hélium. Ce travail montre notamment que les cibles d'hélium implanté que nous avons réalisées, constituent une solution de remplacement crédible face aux classiques cibles gazeuses ; ii) les propriétés des niveaux du 19Ne au-dessus du seuil 15O+α devront être connues, en particulier, leurs largeurs partielles α et γ ; nous avons réalisé une première mesure de la largeur a d'un niveau ½+ à une énergie de 5.351 MeV ; enfin, iii) un séparateur de recul détectant les ions 19Ne sera indispensable pour mesurer la réaction 5O(α,γ)19Ne ; nous avons caractérisé un tel dispositif, le séparateur ARES, au moyen de la réaction miroir 15N(α,γ)19F. En résumé, ce travail apporte une série d'indications et d'informations nécessaires en vue d'une future mesure directe de la réaction 15O(α,γ)19Ne.

Nous avons découvert que le module de cisaillement des monocristaux d'hélium-4 présentait une grande réduction dans une direction particulière quand les dislocations se déplacent librement. Cette "plasticité géante" (car due au mouvement des dislocations) apparaît à suffisamment basse température lorsque les phonons thermiques disparaissent et se poursuivrait jusqu'au zéro absolu si les impuretés d'hélium-3 étaient supprimées. En étudiant des monocristaux d'orientations différentes, nous avons identifié le plan de glissement des dislocations : le plan de base de la structure hexagonale compacte. Dans la région de plasticité géante, nous n'avons détecté aucune dissipation et avons observé un comportement linéaire pour certains monocristaux jusqu'à 10 mK et pour des contraintes extrêmement faibles de l'ordre du nanobar. Cela indique que les dislocations se déplacent librement sans avoir à franchir de barrières de Peierls comme cela est supposé par la théorie de Granato-Lücke. Nous avons aussi démontré que l'amortissement apparaissant à plus haute température est causé par des collisions avec les phonons thermiques, ce qui nous a permis de mesurer précisément la densité (entre 10^4 et 10^6 cm^-2 en fonction de la qualité des cristaux) et la longueur libre (entre 50 et 200 microns) des dislocations et de montrer que ces dislocations sont regroupées en sous-joints et étaient donc très peu connectées. Ces résultats réfutent la plupart des scénarios expliquant le possible état supersolide de l'hélium-4. Une dernière série de mesures nous ont prouvé qu'il existait une vitesse critique des dislocations en dessous de laquelle les impuretés accrochées à la dislocation se déplacent avec elle. Nous tentons de comparer ce comportement à celui des cristaux classiques.

Une grande quantité d'hélium est produite par désintégration Α dans le combustible nucléaire pendant son fonctionnement en réacteur et pendant son entreposage/stockage. Il est important de comprendre le comportement de l'hélium dans ces matrices afin de bien modéliser l'évolution et la tenue de l'élément combustible.<br />Durant ce travail de thèse, nous avons utilisé l'analyse par réaction nucléaire (NRA) pour suivre l'évolution de l'hélium implanté dans du dioxyde d'uranium (UO2) polycristallin et monocristallin. Un dispositif expérimental a été développé pour suivre en temps réel la desorption de l'hélium dans l'UO2 et l'évolution des profils d'3He en fonction de la température de recuit. Une procédure automatisée du traitement des profils d'hélium tenant compte de l'évolution de la résolution en profondeur a été développée. Des analyses avec une µ-sonde nucléaire ont permis de caractériser la distribution spatiale d'hélium à l'échelle d'un grain et d'étudier l'influence de la microstructure des échantillons sur la migration de l'hélium. <br />Ce travail a mis en évidence le rôle particulier des joints de grain et des défauts d'irradiation dans le processus de relâchement de l'hélium. Les résultats expérimentaux indiquent que les joints de grain sont des puits de défauts beaucoup plus efficaces que les surfaces libres.<br />L'analyse des résultats expérimentaux avec un modèle de diffusion corrobore ces interprétations. Elle a permis de déterminer des grandeurs physiques quantitatives caractéristiques du comportement de l'hélium dans UO2 (cœfficient de diffusion, énergie d'activation...).

Les systèmes non liés $^{7,9}$He et $^{10}$Li ont été étudiés par des réactions de cassure de faisceaux de noyaux riches en neutrons ($^{8}$He, $^{11}$Be et $^{14}$B) à haute énergie. Leur énergie de décroissance a été reconstruite grâce à la détection en coïncidence du fragment chargé ($^{6,8}$He et $^{9}$Li) dans un télescope [delta]E-E (CHARISSA) et du neutron dans le multidétecteur DéMoN.<br />Une approche théorique basée sur l'approximation soudaine a été utilisée pour modéliser les réactions menant à des états finaux non liés. Les distributions en énergie de décroissance calculées ont été convolées avec la réponse du dispositif expérimental obtenue en utilisant un code de simulation spécifiquement<br />développé pour notre étude, puis comparées aux données.<br />Le système $^{10}$Li a été produit avec un faisceau de $^{11}$Be. Nos résultats ont confirmé la poursuite de l'inversion des niveaux v1s$_{1/2}$ et v0p$_{1/2}$ dans la chaîne des isotones N = 7. Quant au système $^{9}$He, l'isotone le plus exotique exploré ici, produit avec des faisceaux de $^{11}$Be et de $^{14}$B, la structure observée à très basse énergie pourrait correspondre à un état s virtuel (a$_{s}$ ~ -2−0 fm), impliquant la poursuite de l'inversion dans l'$^{9}$He avec une interaction cœur-neutron beaucoup plus faible que dans le cas du $^{10}$Li (a$_{s}$ ~ -14 ± 2 fm). Dans le cas de la cassure du $^{14}$B, le spectre en énergie de décroissance présente une résonance vers E$_{r}$ = 1,2 MeV avec une structure probable d'un état excité 1/2$^{−}$ dans l'$^{9}$He.<br />Le système $^{7}$He a été étudié avec trois faisceaux différents ($^{8}$He, $^{11}$Be et $^{14}$B). L'existence d'un état excité à basse énergie (E$_{r} ~ 1 MeV), proposé comme étant le partenaire en spin-orbite (1/2$^{−}$) de l'état fondamental (3/2$^{−}$), n'a pas été prouvée.