Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité.

L'objectif de mon travail a été de développer, réaliser et tester un spectromètre de masse neutre afin d'étudier les exosphères planétaires : NIMEIS (Neutral and Ion Mass and Energy Imaging Spectrometer). Les particules présentes dans les exosphères planétaires peuvent s'interpréter comme la signature des processus d'interaction entre l'environnement des objets planétaires et leur atmosphère et/ou surface. Un instrument de mesure, capable de déterminer la masse et l'énergie des particules de l'exosphère a été imaginé afin d'identifier et caractériser ces processus. Un modèle numérique d'un spectromètre de masse et d'énergie pour la mesure des neutres et ions exosphériques a été développé afin de répondre aux objectifs instrumentaux imposés par notre connaissance de ces processus. A partir du modèle numérique obtenu, un prototype a été réalisé et des tests ont été effectués. En parallèle, j'ai travaillé sur le développement d'une source d'ionisation, également nécessaire pour le fonctionnement optimal du spectromètre de masse neutre, basée sur l'utilisation de nanotubes de carbone comme émetteurs d'électrons. Nous travaillons en collaboration avec un laboratoire Sud Coréen qui produit les nanotubes de carbone. Mon travail a permis de définir, concevoir et modéliser différents types de dispositifs pour parfaire l'extraction des électrons. J'ai également travaillé sur la définition et l'optimisation du modèle numérique de l'optique de l'instrument PICAM (Planetary Ion CAMera). PICAM est un spectromètre de masse d'ions de la mission Bepi-Colombo ayant pour objectif d'étudier l'exosphère ionisée de Mercure. La particularité de cet instrument est de mesurer la masse, l'énergie et de produire une image instantanée d'un champ de vue hémisphérique. L'optimisation du modèle s'est faite à partir d'un modèle numérique en partant du design de l'instrument DION de la mission Phobos-Grunt (Vaisberg et al. 2010). L'objectif de cette optimisation a consisté en la recherche d'une augmentation du facteur géométrique, indispensable dans le cadre de l'exploration de Mercure.

Ce travail avait pour buts d'évaluer la responsabilité des processus de diffusion, effusion et ionisation dans la transformation atome-ion, de mieux comprendre le comportement temporel des dispositifs ISOL, et d'en faire bénéficier les développements de systèmes de production ISOL. Ces buts ont été en partie atteints : les résultats obtenus avec les ECS ECR de SPIRAL 1 et de SPIRAL 2 et leur confrontation ont permis de décrire analytiquement leur comportement temporel et de mettre en évidence sous quelles conditions il est possible de considérer comme séparables les processus de diffusion, effusion et ionisation, et par conséquent de les considérer comme consécutifs.

Nous avons développé un concept original de mélangeur à bolomètre supraconducteur en structure quasi-optique destiné à la détection hétérodyne dans le domaine térahertz. Le détecteur est un bolomètre à électron chaud (HEB) en nitrure de niobium (NbN) sur une membrane diélectrique de Si3N4/SiO2 de 1,4 µm d'épaisseur. La membrane est obtenue par une gravure du substrat de silicium. Un miroir focalise le signal THz et une antenne planaire assure le couplage du rayonnement au HEB. Deux blocs mélangeurs ont été développés pendant cette thèse, l'un en configuration axiale et l'autre avec un miroir hors axe. Des antennes planaires de type spirales et double fente ont été conçues pour fonctionner sur la membrane de Si3N4 à des fréquences de 0,6 et 1,4 THz. Une caractérisation FTS réalisée avec une antenne double fente à 0,6 THz a démontré un très bon accord entre la fréquence de résonance mesurée et celle simulée. Une bande passante RF de 40% de la fréquence centrale a été mesurée. Les premières mesures de sensibilité du bloc mélangeur hors axe ont donné des résultats encourageants avec une température de bruit de récepteur de 1300 K à 0,6 THz. La bande passante absolue de la fréquence intermédiaire a été mesurée à 750 MHz. Les travaux à venir sont la montée en fréquence bien au-delà du THz, l'amélioration de la sensibilité du récepteur et le développement de matrice de HEB. Le concept de mélangeur HEB sur membrane pourrait être une solution intéressante pour l'imagerie THz.

Ces travaux de doctorat proposent d'apporter une contribution à l'identification et à la compréhension des phénomènes limitant les performances de détecteurs de rayon X à base de CdTe:Cl développés pour des applications en radiographie. En effet, des inhomogénéités spatiales non-stables dans le temps sont observées dans la réponse de ces capteurs. Les défauts des cristaux utilisés pour la détection ont été caractérisés. Notamment, les dislocations révélées par attaque chimique et par topographie X présentent des arrangements en mur à la surface des échantillons, ces défauts sont majoritairement traversant dans toute l'épaisseur du cristal. Il a ensuite été montré que ces murs de dislocations sont responsables des inhomogénéités de photo-courant sous irradiation par des rayons X et de courant de fuite d'un détecteur à base de CdTe:Cl. De plus, les niveaux pièges dans le gap du CdTe ont été investigués par des méthodes de spectroscopie optique à basse température : les images de cathodoluminescence mettent en évidence le caractère non-radiatif des murs de dislocations, mais ne montrent pas l'apparition de la luminescence Y au niveau de ces défauts, normalement attribuée aux dislocations dans la littérature. Enfin, l'influence des murs de dislocations sur les propriétés de transport des porteurs de charge a été étudiée par la méthode " Ion Beam Induced Current " (IBIC) montrant qu'ils entraînent une diminution de la valeur du produit mobilité-temps de vie des électrons et des trous

Dans le cadre du projet Laser MégaJoule (LMJ), des chaînes de mesure, appelées diagnostics, sont nécessaires à la qualification de l'atteinte de l'ignition. Parmi ces diagnostics, des imageurs X devront observer le développement d'instabilités hydrodynamiques à la surface du microballon. L'imagerie de ces instabilités sera faite dans le domaine X par radiographie ou en utilisant l'émission propre de la cible. Aucun imageur X conçu aujourd'hui pour le LMJ ne permet de réaliser une telle image. L'imageur X développé dans cette thèse devra donc réaliser une image à haute résolution et à haute énergie tout en respectant les contraintes de fonctionnement lié à une installation telle que le LMJ. Nous avons tout d'abord étudié et amélioré un diagnostic existant : EHRXI. Nous avons optimisé la bande d'énergie X utile à l'imagerie par ce diagnostic en l'étendant jusqu'à 12 keV. Nous avons obtenu des résolutions inférieures à 5 μm dans un champ de 1 mm de diamètre. Ce diagnostic a été déployé avec succès sur les installations laser ELFIE 100 TW et OMEGA. Avec le retour d'expérience obtenu avec EHRXI nous avons conçu un prototype de diagnostic pour le LMJ : Merssix. Ce microscope aura une résolution inférieure à 5 μm dans un champ de 500 μm de diamètre pour des énergies s'étendant jusqu'à 22 keV. Merssix a été pensé et adapté aux conditions expérimentales du LMJ. Sa conception met notamment en jeu une sélection spectrale pour permettre une utilisation en radiographie en présence d'un environnement X complexe.

L'utilisation optimale, dans des applications spécifiques, des Détecteurs Silicium nécessite une connaissance approfondie des phénomènes physiques sous-jacents. Dans ce mémoire, cette idée conductrice est appliquée à deux types de détecteurs : (1) les SiPM et leurs applications en imagerie médicale (2) les détecteurs à pixels planaires (PPS) et leurs applications dans la mise-à-jour du détecteur interne d'ATLAS pour le LHC à haute luminosité. Mon travail personnel sur les SiPM a débuté il y a environ 10 ans. Ainsi la partie (A) de mon HDR rappelle tout d'abord le principe physique de la photodiode à avalanche en mode Geiger (GM-APD), qui constitue la cellule élémentaire d'un SiPM. Puis le fonctionnement du SiPM est développé, avec ses principales caractéristiques physiques, ainsi que les montages expérimentaux mis en œuvre et les mesures de ces paramètres sur les productions des principaux fabricants. La dépendance en température des paramètres des SiPM constitue un inconvénient majeur dans certaines applications, aussi mon travail personnel montre comment on peut en grande partie s'affranchir de cette dépendance, en contrôlant certains paramètres de fonctionnement. Les détecteurs à SiPM présentent des avantages très intéressants au plan électrique, optique, mécanique, etc ..., permettant des applications multiples dans des domaines où une grande surface de détection est requise. Ainsi, les matrices de SiPM sont des composants très attractifs pour des applications d'imagerie médicale. Mon travail dans deux applications de ce type est détaillé : PET à haute résolution pour des petits animaux, et détecteur de radiation portatif pour l'aide à la localisation in situ de tumeurs solides. En parallèle à l'activité SiPM, j'ai été impliquée ces dernières années dans la conception et la caractérisation de nouveaux détecteurs à pixel planaires pour "l'upgrade" de l'expérience ATLAS. La partie (B) de mon HDR expose ainsi les méthodes expérimentales, comme "Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)" et "Spreading Resistance Profiling" (SRP), utilisées pour la mesure de profils de dopage pour le détecteurs PPS. Je démontre ainsi l'importance de ces mesures pour le contrôle du process de fabrication, et la calibration des simulations TCAD (Technology-Computed Aided Design). Les résultats des simulations prévoyant le comportement des nouveaux détecteurs planaires proposés, avec des caractéristiques géométriques et une résistance aux radiations améliorées, sont présentés.

L'objectif principal de cette thèse est de comprendre le fonctionnement d'un écosystème semi-aride, en développant des méthodologies permettant de combiner des mesures satellites optique et micro-onde et un modèle semi-empirique pour estimer l'évapotranspiration et sa dynamique saisonnière dans une région semi-aride (plaine de Kairouan). L'estimation de cette dernière nécessite une bonne description de la dynamique du couvert végétal et un suivi du stock d'eau dans le sol. Pour se faire, une analyse de la dynamique de la végétation est faite sur la base de la série temporelle SPOT VEGETATION de 1998 à 2010. Pour appréhender le comportement de la végétation face à des fréquentes périodes de sècheresse, une analyse fractale est developpée pour étudier la persistance du couvert végétal. Un nouvel indice statistique VAI " Vegetation Anomaly Index " décrivant l'état du stress hydrique de la végétation a été proposé. Cet indice quantitatif permet de décrire à l'échelle mensuelle l'état de la végétation. Plusieurs approches de validation sont mises en œuvre pour montrer la performance de cet indice. En termes de suivi du stock d'eau dans le sol, l'analyse est basée sur des produits d'humidité (IPF Université de Vienne) des diffusiomètres spatiaux ERS et ASCAT/METOP. Ces produits ont été validés sur notre site d'étude via deux approches différentes. Un indice de sécheresse a été proposé à partir de la longue série de produits d'humidité qui couvre vingt années (de 1991 à 2010). L'indice proposé MAI " Moisture Anomaly Index " est basé sur une analyse des anomalies des variabilités temporelles des stocks d'eau dans le sol, estimées par les satellites ERS et ASCAT/METOP. Une analyse comparative avec d'autres indices de sécheresse, particulièrement le SPI " Standardized Precipitation Index " est faite pour mettre en évidence la performance de cet indice. Ces informations tirées à partir des deux séries temporelles optiques et micro-ondes sont ensuite intégrées dans un modèle simple et opérationnel, le modèle FAO-56 (approche double coefficient culturale) pour la cartographie de l'évapotranspiration réelle journalière. Une validation de cette approche est proposée en confrontant les résultats avec des sorties d'un modèle SVAT : ISBA-A-gs.

La synthèse supramoléculaire permet de dépasser le jeu du hasard dans les rencontres intermoléculaires en programmant l'assemblage des briques moléculaires selon des stratégies déterministes. De telle prédispositions architecturales sont d'un intérêt majeur en nanosciences pour l'obtention de nano-objets moléculaires et leur organisation à l'échelle nanométrique.On peut imaginer réaliser des dispositifs de taille nanométrique en dotant de propriétés particulières les synthons de ces assemblages. Le travail présenté dans cette thèse de doctorat illustre en intégralité cette démarche, de la synthèse à la caractérisation des propriétés magnétiques de baguettes dinucléaires et grilles tétranucléaires dont les sites métalliques sont paramagnétiques. Une étude approfondie des conditions d'obtention de ces objets a été effectuée en utilisant des méthodes de caractérisation physico-chimiques. L'étude de leurs propriétés magnétiques a été menée principalement par Résonance Paramagnétique Électronique pour étudier les complexes formés en solution. Les contraintes géométriques qui sont exploitées par la synthèse supramoléculaire présentent un intérêt pour l'obtention de propriétés magnétiques particulières.

Suite à l'allongement de la survie des patients atteints de la mucoviscidose (CF), des études ont montré la présence d'une perte osseuse chez les patients CF. Dans ce travail de thèse, une étude de l'évolution de la densité minérale osseuse chez des souris atteintes de mucoviscidose a été effectuée en utilisant un système de micro-tomodensitométrie X. Afin d'améliorer les précisions des mesure, deux méthodes de correction de deux phénomènes physiques ont été appliquées. La première méthode est une correction du durcissement de faisceau X et basée sur une segmentation de l'objet reconstruit après une première reconstruction et en utilisant des courbes d'atténuations précalculées. La deuxième méthode est une méthode de correction de la diffusion des rayons dans l'animal basée sur l'estimation des projections des diffusés en utilisant des noyaux de diffusion précalculées. Des améliorations au niveau de la qualité de l'image et les mesures de densité osseuses ont été obtenues.