Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les phénomènes nucléaires de transition d'un système à un corps à un système à deux corps (fusion, fission et fragmentation) sont étudiés dans le cadre d'un modèle macroscopique prenant en compte, à la fois, les forces Coulombiennes répulsives, les forces de tension superficielle attractives, les forces de proximité nucléaire et les forces de friction. Une séquence de forme à deux paramètres (distance entre les centres de masse et asymétrie) est définie pour étudier le chemin de fusion et le chemin de fission à travers des formes compactes et crevassées. Les barrières de potentiel ont alors un maximum externe correspondant à deux sphères séparées. Pour les systèmes lourds, les barrières ont deux bosses séparées par un profond minimum dû aux forces de proximité. Dans toute la gamme des masses nucléaires, les sections efficaces de fusion sont bien reproduites. Pour les systèmes de masses très élevées, les forces de friction s'opposent fortement à la fusion et une énergie cinétique supplémentaire est nécessaire pour franchir la barrière. Le chemin de fission à travers des formes compactes est compatible avec la plupart des résultats expérimentaux : hauteurs des barrières, fission des actinides, barrière de scission, événements de quasi-fission et de fission froide, moment angulaire critique, énergie cinétique de translation et absence de noyaux superlourds. La fragmentation d'un projectile dans le champ d'une cible donne lieu à l'émission de deux particules dans les collisions périphériques : un quasi-projectile et un fragment très ralenti de vitesse environ 0.6 Vproj. Dans les collisions plus centrales, le fragment ralenti colle à la cible et seul le quasi-projectile peut être détecté.

Des calculs de type modèle en couches ont été réalisés dans un espace de valence 1¯hω complet pour les noyaux de la couche sd. Ces calculs ont permis pour la première fois de prédire la durée de vie des états de parité positive et négative des noyaux riches en neutrons de la couche sd. Les durées de vie prédites (1 - 100 ps) sont mesurables par la méthode de décalage Doppler différentiel.Le démonstrateur du détecteur γ européen de nouvelle génération, AGATA, en coïncidence avec le spectromètre magnétique PRISMA du LNL (Italie) et le plunger de l'Université de Cologne ont été utilisés pour mesurer les durées de vie des états excités dans 32,33Si et 35,36S. Les structures plus complexes, à n¯hω ont également été étudiées dans le 28Si. Ce dernier est un noyau important pour comprendre la compétition entre les structures de type champ moyen et les structures en agrégats. La réaction résonante de capture radiative d'ions lourds-légers 12C+16O a été réalisée à des énergies sous-coulombiennes. La décroissance γ complète depuis les résonances peuplées par laréaction jusqu'au niveau fondamental de 28Si a été mesurée pour la première fois à ces énergies et montre une forte alimentation d'états intermédiaires autour de 10 MeV. Les comparaisons avec des études de captures radiatives au-dessus de la barrière de Coulomb ont été effectuées et les résultats ont été interprétés en termes de l'alimentation favorisée d'états à isospin T = 1 dans le noyau autoconjugué 28Si.

Cette thèse étudie les premiers instants d'une collision d'ions lourds. Juste après cette collision, il a été démontré que la matière produite -- appelée Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) -- est très loin de l'équilibre thermique. On voudrait donc savoir si le PQG thermalise, et quelle est l'échelle de temps caractéristique pour cela. Le manuscrit expose l'étude de ces questions dans deux sortes de théories. Dans un premier temps, on étudie une théorie scalaire. En initialisant cette dernière dans un état hors équilibre, on peut étudier l'approche de l'équilibre pour un système de volume fixe ou un système en expansion unidimensionnelle. Dans les deux cas, des preuves d'une possible thermalisation peuvent être observées : une équation d'état se forme, le tenseur des pressions devient isotrope et le nombre d'occupation tend vers une distribution d'équilibre thermique classique. Ces résultats sont obtenus à l'aide de l'approximation classique statistique (ACS), qui permet d'inclure des contributions au-delà de l'ordre dominant de la théorie des perturbations. Dans un second temps, le "Color Glass Condensate", une théorie effective basée sur la Chromodynamique quantique adaptée à l'étude des premiers instants suivant la formation du PQG, est utilisé pour étudier de manière plus réaliste l'approche de l'équilibre thermique dans les collisions d'ions lourds. Après avoir établi quelques prérequis pour l'utilisation de l'ACS, les simulations numériques effectuées avec les équations de Yang-Mills semblent indiquer que le PQG devient rapidement isotrope, tandis que son rapport viscosité sur entropie est très petit, ce qui est la caractéristique d'un fluide quasi idéal.

La limitation des ressources énergétiques fossiles et les lourds impacts environnementaux pouvant résulter de leur exploitation, entraînent un regain d’intérêt pour la digestion anaérobie. Face aux enjeux énergétiques et sanitaires, la conduite d’un méthaniseur implique l’optimisation de la production de méthane, mais aussi d’assurer la qualité sanitaire du digestat du point de vue des micropolluants. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce projet de thèse réalisé en partenariat avec la ferme expérimentale de la Bouzule. L’optimisation de la co-digestion de substrats a montré que l’ajout d’herbe ensilée durant 36 semaines, améliorait le rendement du procédé de 20%. Le suivi des micropolluants (métaux lourds et HAPs) contenus dans les herbes provenant des bordures de route a montré que la qualité du digestat ne serait pas affectée si elles sont incorporées au digesteur. L’étude en réacteur batch de l’impact des antibiotiques sur la production de méthane a montré que : à 8 mg/L et 16 mg/L de tétracycline on observe une baisse de 23% et 28% respectivement, à 14 mg/L de spiramycine on observe une baisse de 40%, et à 20 mg/L de tylosine on observe une baisse de 30%. En réacteur continu, les faibles concentrations de tétracycline (0,2 mg/L et 2 mg/L) amélioraient d’environ 5% de la production de méthane au bout de 7 jours. A 200 mg/L et 2000 mg/L de tétracycline, on atteint des baisses de 30% et 40%, et le système ne récupère pas au bout de 7 jours. Quant à la spiramycine, à 1,4 mg/L, 14 mg/L et 140 mg/L, les baisses ont été de 14%, 24% et 39% respectivement, et au bout de 7 jours, une baisse résiduelle est toujours observable. Par ailleurs, les digestats issus des tests avec les antibiotiques sont en accord avec la réglementation / The limitation of fossil energy resources and heavy environmental impacts arising from their operation, there is a renewed interest for anaerobic digestion. According to the energy, and health issues, the monitoring of an anaerobic digester involves the maximization of the methane production, but also to ensure a good quality of digestate from the perspective of micropollutants. It is within this framework that this project of thesis is realized in partnership with the experimental farm of “La Bouzule”. The optimization of the co-digestion of substrates, showed that the use of 36 weeks grass silage improved the process yield by 20%. The monitoring of heavy metals and PAHs content in the grasses from roadsides showed that these grasses – if used as co-substrate in the digester – will not affect the digestate quality. The study of the impact of antibiotics on methane production in batch reactor showed that: 8 mg/L and 16 mg/L of tetracycline led to 23% and 48% decrease respectively, 14 mg/L of spiramycin led to 40% decrease, and 20 mg/L tylosin to 30% decrease. The monitoring of the continuous reactor showed that low levels of tetracycline (0.2 mg/L and 2 mg/L) led to an improvement of about 5% of the methane production. At 200 mg/L and 2000 mg/L of tetracycline, reductions of 30% and 40% are achieved, and the system did not recover after 7 days. The addition of spiramycin to the continuous reactor at 1.4 mg/L, 14 mg/L and 140 mg/L resulted in decreases of 14%, 24% and 39% respectively. For the latter, after one week, a residual drop is still observable. Furthermore, the digestate resulting from the monitoring of the continuous reactor during the tests with antibiotics is in accordance with current regulations

Ce mémoire de thèse traite des effets singuliers produits par les milieux radiatifs sur les capteurs d’images CMOS. Le travail se concentre sur les effets provoqués par les ions lourds sur les capteurs utilisant des pixels 3T à photodiode standard et des pixels 4T et 5T à photodiodes pincées. Dans un premier temps, l’étude se concentre sur l’environnement spatial et l’architecture des capteurs. La comparaison avec la littérature met en évidence les effets les plus critiques sur les capteurs : le SEL et les SET. Les capteurs testés expérimentalement valident les travaux théoriques. Les SET sont comparés aux simulations de l’outil de modélisation STARDUST, et montrent un bon accord pour toutes les puces et les ions. Il est expliqué pourquoi les SET sur les puces 3T sont insensibles aux variations de conception de la photodiode, et pourquoi l’utilisation d’un substrat épitaxié diminue grandement les SET. Une méthode de réduction des SET est implémentée avec succès sur les puces 4T et 5T, et le composant responsable du latchup est identifié. L’ensemble des mécanismes explorés permet de connaitre les paramètres importants pour durcir les imageurs. / This thesis studies the single event effects of space environment in CMOS image sensors (CIS). This work focuses on the effects of heavy ions on 3T standard photodiode pixels, and 4T and 5T pinned photodiode pixels. The first part describes the space radioactive environment and the sensor architecture. The most harmful events (SEL and SETs) are identified thanks to the scientific literature. The experimentally tested sensors agree with the theoretical work. SETs are compared to STARDUST simulations with a good agreement for all ions and sensors. The work explains why the SETs on 3T pixels are insensitive to the various photodiode designs, and they are decreased when an epitaxial substrate is used. A method using anti-blooming was successfully used in 4T and 5T pixels to prevent the spread of the SETs. The mechanism of latchup in 4T pixel sensors is described. All the identified mechanisms are very useful to provide hardening methods for the CISs.

Cette thèse a pour objet l'étude de 3 systèmes de fermions lourds à base d'Ytterbium, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 et YbRh2Si2, dans des conditions extrêmes de hautes pressions, basses températures et hauts champs magnétiques. Une partie très importante dans ce travail a été le développement d'un dispositif de génération de force à très basses températures permettant une modulation de la pression in-situ adapté à des cellules à enclumes diamant. Pour YbCu2Si2, les mesures de ac-susceptibilité sous pression et sous champ magnétiques ainsi que les mesures d'aimantation sous pression montrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P> 8 GPa est ferromagnétique. L'étude du changement de la valence de l'ion Yb par des mesures de diffusion inélastique en conditions résonantes de rayons X ont permis de clarifier son interaction avec le magnétisme. Même si l'état trivalent est clairement favorisé sous pression, la valence reste inférieure à 3, proche de l'ordre magnétique, même dans les plus hautes pressions et plus basses températures. Nous avons également procédé à une recherche détaillée pour les signatures de metamagnétisme avec des mesures à très haut champ. Dans la deuxième partie de ma thèse, les mesures de ac-calorimétrie et ac-susceptibilité sous pression ont permit d'établir le diagramme de phase (P-T) dans YbCo2Zn20 jusqu'à 14 GPa. En plus, nos résultats suggèrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P>1 GPa est antiferromagnétique. Les forts effets du champ magnétique observées dans les propriétés physiques dans YbCo2Zn20 sont probablement liés à l'interaction entre le champ magnétique et les spins des électrons 4f et non à leur charge car la valence de l'Yb s'avère insensible à l'application d'un champ magnétique de 10 T. La partie finale de cette thèse est consacré à l'étude du diagramme de phase (H-T) sous pression dans YbRh2Si2 pour déterminer l'évolution de la température de l'ordre magnétique en fonctionne de H et P et mieux comprendre les effets liés à ce deux paramètres de contrôle. / In this thesis, three Yb-based heavy fermion compounds, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 and YbRh2Si2, are studied under extreme conditions, i.e, high pressure, low temperatures and high magnetic fields. An important part of the work has been the set up of an in-situ tuning pressure device to measure diamond anvil cells at dilution fridge temperatures. This has enable most of the experimental results presented here. In YbCu2Si2 the nature of the pressure-induced magnetic order that arises for P> 8 GPa has been clarified to be ferromagnetic by ac-susceptibility and magnetization measurements under pressure. The interplay of magnetism and valence change has been investigated by measuring the valence of the title compound at high pressures and low temperatures using resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). As expected, pressure favors the trivalent state but the Yb ion valence remains below 3 even at the highest pressure and at low temperatures very close to the onset of the magnetic order. We have also performed a detailed search for signatures of metamagnetism. The second part of my thesis focuses on YbCo2Zn20. We have extended the (P-T) phase diagram up to 14 GPa by ac-calorimetry and ac-susceptibility measurements. Our results shed some light on the nature of the magnetic order that arises for P>1 GPa which is antiferromangetic. The strong field effects observed in the physical properties in YbCo2Zn20 are probably related to the interaction between the magnetic field and the spin of the 4f electrons rather than to their charge as the valence of the Yb ion is insensitive to the application of a magnetic field of 10 T. The final part of this thesis is devoted to the detailed study of the (H-T) phase diagram under pressure in YbRh2Si2 to determine the evolution of the magnetic ordering temperatures as a function of H and P to better understand the interplay of the two control parameters.

Comprendre les propriétés des composés à électrons fortement corrélés nouvellement découverts est un important défi à la fois pour des raisons fondamentales et un impact industriel à long terme. Une activité expérimentale sur les métaux et supraconducteurs à électrons lourds a mis en évidence des effets qui se démarquent clairement de notre compréhension actuelle. Le but de cette thèse est de modéliser les effets de spin spéciaux qui ont été observés en réponse à un champ magnétique dans le supraconducteur CeCoIn(5). Elle est composée de deux parties. Dans un premier temps nous avons à faire à la distribution anormale du champ magnétique local dans le réseau de vortex révélé par les expériences de diffraction de neutrons à petits angles et rotation de spin muonique. Sur la base de a théorie de Ginzburg-Landau avec prise en compte de l'effet de spin, nous analysons l'inhomogénéité du champ local dans le réseau de vortex et calculons des expressions pour les facteurs de forme en diffraction neutronique et la largeur de raie statique en rotation de spin muonique. Nous montrons que les données expérimentales anormales sont le résultat de supercourants générés par le spin circulant autour du cœur du vortex et donnent une augmentation de l'inhomogénéité du champ sur une distance de l'ordre de la longueur de corrélation du supraconducteur à partir de l'axe du vortex. L'importance de l'effet est contrôlée par une seule quantité (le paramètre de Maki) qui permet la détermination de propriétés physiques du système à partir de données expérimentales. La seconde partie traite d'une transition d'onde de densité de spin presque commensurable dans un supraconducteur non-conventionnel. Elle est motivée par l'observation du confinement d'un ordre d'onde de densité de spin dans la phase supraconductrice de CeCoIn(5) dans un champ magnétique. Dans le cadre de la formulation spin-fermion nous proposons un mécanisme pour la transition de l'état fondamental qui consiste du ralentissement du mode collectif de fluctuation de densité de spin induit par le champ (exciton de spin) vers un ordre statique. Cela représente un scénario par lequel la transition vers l'ordre de spin est reliée intrinsèquement au supraconducteur. / Understanding the properties of newly discovered strongly correlated electron compounds is a considerable challenge for both fundamental matters and long-term industrial impact. Experimental activity on heavy electron metals and superconductors has lead to highlighting effects that depart from current knowledge. The thesis is aimed at modelling effects that have been observed in response to magnetic field in the heavy electron superconductor CeCoIn$_5$. This consists of two parts. In the first time we deal with the vortex lattice state anomalous local magnetic field space variations as highlighted by small angle neutron scattering and muon spin rotation experiment. On the basis of the Ginzburg-Landau theory with account of spin effect, we analyse the local field inhomogeneity in the vortex lattice and derive expressions for the neutron scattering form factors and muon spin rotation static linewidth. The anomalous experimental data are shown to be result of spin driven supercurrents which circulate around the vortex cores and lead to an increase with external field in the internal field inhomogeneity on a distance of the order of the superconducting coherence length from the vortex axis. The importance of the effect is controlled by a single quantity (the Maki parameter). The second part is on nearly commensurate spin density wave transition in a quasi two-dimensional superconductor. It is motivated by observation of the confinement of spin density wave ordering inside the superconducting state of CeCoIn$_5$ in magnetic field. In the frame of the spin-fermion formulation we propose a mechanism for the ground state transition consisting in the field-induced slowing down of a collective spin density fluctuation mode (spin-exciton) to static ordering. This represents a scenario by which the transition to spin ordering is intrinsically related to superconductivity

Dans le cadre de la recherche de nouvelles solutions pour le traitement des effluents radioactifs, la stratégie dite « séparation – conditionnement » qui consiste à mettre en oeuvre un support poreux fonctionnalisé pour la sorption des radionucléides, qui pourrait également être un matériau précurseur pour l’élaboration d’une matrice de conditionnement, est une alternative qui présente des perspectives intéressantes. Dans ce contexte, la silice mésoporeuse est un matériau qui présente plusieurs atouts : une grande surface spécifique fonctionnalisable, une élaboration à basse température et enfin, la possibilité de confiner le radionucléide par fermeture de la porosité via l’application d’une contrainte chimique, mécanique, thermique… Au cours de ces différentes étapes, du fait de la présence de radionucléides, la structure mésoporeuse serait soumise à l’auto-irradiation, c’est pourquoi il est important de connaitre l’évolution d’une telle structure dans ces conditions.L’objectif de cette thèse était donc de comparer les comportements de différentes silices mésoporeuses sous des conditions d’irradiations variées qui donnent lieu à deux effets principaux, l’effet balistique (nucléaire) et l’effet inélastique (électronique). Pour atteindre cet objectif, les irradiations externes par des ions lourds ont été utilisées pour simuler les processus d’auto-irradiation. Les techniques de caractérisation post-irradiation (réflectivité des rayons-X, adsorption gazeuse) ont été mises en œuvre. Une compaction totale de la structure mésoporeuse a été observée en régime balistique pour une dose d’environ ~1025 eV/cm3 (~10 dpa). Lors des irradiations en régime électronique, les ions présentant un pouvoir d’arrêt inférieur à 1keV/nm n’ont pas d’effet important sur l’évolution de la structure mésoporeuse, seuls les ions présentant un pouvoir d’arrêt élevé (Ni-638 MeV, dE/dx~5 keV/nm), supérieur au seuil de formation des traces dans la silice thermique, induisent une densification de la structure. Jusqu’à une dose Eélec.=1025 eV/cm3 le phénomène de saturation n’a pas été observé. Aucune différence importante n’a été observée entre les différentes silices mésoporeuses étudiées. Ces résultats indiquent une bonne résistance de ces structures aux dommages créés par l’irradiation.L’origine de ces comportements n’a pas été clairement établie. Les effets purement thermiques des irradiations ne peuvent pas être invoqués car une étude comparative a montré les processus de densification étaient totalement différents. Une approche de modélisation par Dynamique Moléculaire classique a permis de reproduire avec succès l’effondrement des mésopores, ce qui apporte un début d’explication dans le cas de l’endommagement en régime balistique. En régime électronique, les résultats obtenus sont cohérents avec les résultats bibliographiques. / In the search of new solutions to treat radioactive effluent, the so-called “separation-conditioning” strategy, which consists of implementing a functionalized porous matrix for the radionuclide adsorption, is an interesting alternative way. Such porous matrix could even act as a long term conditioning matrix in the second step. For this purpose, mesoporous silica presents several advantages like enormous fonctionalisable surface, possibility to prepare at low temperature and pore closure which favors long term conditioning. During its working process and with the presence of radionuclide, the mesoporous structure will be exposed to self-irradiation. This is why it’s important to know the structure evolution under such conditions.The objective of this thesis is to compare different mesoporous structures under various irradiation conditions which induce two major effects, the ballistic (nuclear) effect and the inelastic (electronic) effect. In order to achieve these objectives and thanks to their several advantages, external irradiations with heavy ions were used to simulate self-irradiation processes. Adapted post-irradiation characterizations, like X-ray reflectivity and gas adsorption, were carried out. In the ballistic regime, a total compaction due to mesopore collapse is observed at a dose about ~1025 eV/cm3 (~10 dpa). In the electronic regime, ions of stopping power inferior to 1keV/nm do not present obvious effect on the mesoporous structure evolution. Only the Ni-638 MeV with stopping power ~5 keV/nm shows significant collapse effect but no total compaction was observed until the maximum studied dose about Eelec.=1025 eV/cm3. These results indicate a good resistance of these structures against irradiation damage.The origin of these structural behaviors has not been clearly understood. Thermal effect, considered as secondary irradiation effect, cannot be referred to because a comparative study showed completely different densification process. Additionally, a trial with classic Molecular Dynamics modelling for purely ballistic effects was undertaken. It allows to successfully reproduced mesopore collapse and to set foot on the explanation in case of ballistic regime. In the electronic regime, the results are compatible with literatures.

L’introduction des nano-charges dans le milieu des polymères donna naissance aux nanocomposites et révolutionna l’univers des matériaux. Les nanocomposites sont à l’instar des composites traditionnels, un mélange de polymère et d’une charge avec au moins une dimension nanoscopique. Dans le cadre de notre projet, nous avons travaillé avec des nanocomposites à base des polymères biodégradables : polyacidelactique et polycaprolactone, combinés avec différentes nano-argiles «kaolin et bentonite» et avec différentes nano-organo-argiles. Ces nanocomposites ont été préparés par différentes méthodes (intercalation en solution, polymérisation in situ et la méthode de la voie fondue). L’avantage de ces polymères est dans leur dégradabilité ainsi que leur biocompatibilité. Une étude des relations entre l’élaboration, la microsctructure et les propriétés physico-chimiques des nanocomposites, des argiles modifiées par 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES) et Bromure d’Hexadecyltriméthy ammonium (CTAB) et des argiles non traitées ont été réalisés. La polymérisation in situ et le mélange à l’état fondu sont les méthodes les plus appropriées pour obtenir une meilleure dispersion nommée exfoliation. L’étude de la capacité d’adsorption du Co (II), Cd (II), Cu (II) et Ni (II) par ces deux adsorbants bruts (kaolin et bentonite) croit considérablement avec l’augmentation du pH. Cette capacité est 2 fois et demie plus importante dans le cas de la bentonite que dans celui du kaolin. L’étude comparative des cinétiques d’adsorption, nous a révélé une cinétique rapide de l’ordre de 6 min dans le cas du cobalt, 10 min dans le cas du nickel, 15 min dans le cas du cadmium et une cinétique moyenne de l’ordre de 120 minutes pour Cu (II) aussi bien pour la bentonite que pour le kaolin. L’étude de l’adsorption du Co (II), Cd (II), Cu(II) et Ni (II) par ces matériaux (argiles brutes, argiles organiquement modifiées et nanocomposites préparés par différentes méthodes) montre que la capacité d’adsorption de ces métaux lourds est importante dans le cas de l’argile modifiée par APTES / The introduction of nano-fillers into polymers field lead to the creation of the nanocomposites. This creation is starting up a new revolution into the world of materials. Nanocomposites are similar to traditional composite of a polymer blend and filler with at least one nano-scopic dimension. In our project, we worked with nanocomposites of biodegradable polymers: polyacidlactic and polycaprolactone, combined with different nanoclays "kaolin and bentonite" and with different nano-organo-clays. These nanocomposites have been prepared by different methods (solution intercalation, in situ polymerization and melt mixture methods). The advantage of these polymers is their degradability and biocompatibility. A study of the relationship between development, microsctructure and physico-chemical properties of nanocomposites, clays modified with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) and Hexadecyltriméthy ammonium bromide (CTAB) and untreated clays were made. In situ polymerization and melt mixture methods are most suitable methods to get a better dispersion named exfoliation. The study of the adsorption capacity of Co (II), Cd (II), Cu (II) and Ni (II) by these two raw adsorbents (kaolin and bentonite) increases significantly with increasing pH. This capacity is two and half times higher in the case of bentonite than in kaolin. The comparative study of adsorption kinetics, we revealed rapid kinetics of the order of 6 minutes for the Co (II), 10 min for the Ni (II), 15 min for the Cd (II) and an average kinetic order of 120 minutes for Cu (II) both for the bentonite that for kaolin. The study of the adsorption of Co (II), Cd (II), Cu (II) and Ni (II) by these materials (raw clays, organically and nanocomposites prepared by different methods) shows that the adsorption capacity of these heavy metals is important in the case modified clay by APTES