Mise au point, validation métrologique et essais en milieu extérieur d'une unité de mesure Raman/FO multitrack dédiée à la sécurité de futures stations cryogéniques de distribution d’hydrogène liquide

Contexte : Les usages domestique et industriel de l’hydrogène liquide comme carburant du futur nécessitent de définir un code de sécurité adapté. Actuellement, les critères de séparation des réservoirs ont été définis par anticipation selon une approche conservatoire. Il est donc nécessaire de réaliser des expériences en vraie grandeur (épandages) afin d’alimenter des codes de calculs et bâtir une normalisation pertinente. Ces expériences requièrent la mise en œuvre d’une instrumentation adaptée à la mesure de tous les gaz présents en espace libre (O2, N2, H2O, H2) afin d’établir un relevé de pressions partielles au cours de chaque essai, corrélé aux autres moyens de mesure mis en place (thermométrie, catharométrie, PIV, BOS,…).
Mission : Dans le contexte d’un projet ANR-PEPR (ESKHYMO) géré par le CEA Liten, une unité de mesure spectrométrique Raman/FO Multitrack sera mise au point conjointement par le CEA List et le CEA DES sur la base d’un dispositif existant. La mesure Raman est multi-élémentaire, multi-track (une seule unité de mesure pour plusieurs sondes), non-déflagrante, et délivre une mesure autonormalisée à une espèce de référence (le plus souvent l’azote à la pression atmosphérique). L’unité de mesure Raman/FO comportera un laser, un spectromètre associé à une caméra CCD scientifique et un circuit de fibres optiques permettant le déport de la mesure. La conception des sondes Raman/FO sera également basée sur une réalisation existante au CEA que l’on cherchera à miniaturiser en vue d’un déploiement en conditions de terrain. Quatre sondes Raman/FO seront réalisées puis ensuite étalonnées en air (enceinte climatique) et en hydrogène (tube à choc ou chambre à vide) au CEA DES DM2S à Saclay. Finalement, le dispositif final sera déployé sur site d’essai pour procéder à des mesures multigaz lors des expériences d’épandage, en partenariat avec l’industriel Air Liquide et les organismes accréditeurs (INERIS).
Compétences : Optique, laser, fibres optiques

Conception d'une chaîne de radiographie par contraste de phase à haute énergie

Dans le cadre d’expériences d’hydrodynamique réalisées au CEA-DAM, le laboratoire cherche à radiographier en imagerie X impulsionnelle des objets épais (plusieurs dizaines de mm), constitués de matériaux peu denses (de l'ordre de 1 g/cm3), à l'intérieur desquels se propagent des ondes de choc à des vitesses très élevées (plusieurs milliers de m/s). Pour ce type d'application, il est nécessaire d'utiliser des sources de rayons X énergétiques (au-delà de 100 keV). L’imagerie par rayons X conventionnelle, qui fournit un contraste lié à des variations de sections efficaces d’absorption, s’avère insuffisante pour capter les faibles variations de densité attendues lors du passage de l'onde de choc. Une étude théorique menée récemment au laboratoire a montré que l'exploitation complémentaire de l’information contenue dans la phase du rayonnement X devrait permettre une meilleure détectabilité. L'objectif du post-doctorat est d'apporter une preuve de concept expérimentale à cette étude théorique. Pour une plus grande facilité de mise en œuvre, le travail portera principalement sur le dimensionnement d'une chaîne de radiographie statique, où la cible est immobile et la source émet un rayonnement X continu.
Dans un premier temps, le(a) candidat(e) devra caractériser finement le spectre de la source de rayons X retenue ainsi que la réponse du détecteur associé. Dans un second temps, il (elle) s'attachera à concevoir et faire fabriquer les réseaux d'interférences adaptés à la mesure de phase haute énergie, ainsi qu’une maquette représentative des futurs objets en mouvement à caractériser. Enfin, l'étudiant(e) réalisera des mesures radiographiques qu'il (elle) comparera aux simulations prévisionnelles. Il est souhaitable que l'étudiant(e) ait de bonnes connaissances dans le domaine de l’interaction rayonnement matière et/ou en optique physique et géométrique. La maîtrise de la programmation orientée objet et/ou des langages Python et C++ serait un plus.

Simulation de l’interaction d'un flux de photons X impulsionnel haute énergie avec un scintillateur

Dans le cadre d’expériences d’hydrodynamique, le CEA-DAM utilise des installations de radiographie impulsionnelles qui génèrent, en quelques dizaines de nanosecondes, une dose très importante de photons X énergétiques, jusqu'à 20 MeV. Après avoir traversé l'objet étudié, les photons X interagissent avec un détecteur, composé d’un cristal scintillateur convertissant les photons X en photons visibles, qui sont ensuite détectés par une caméra CCD. L'objectif de ce post-doctorat est de mettre en place une chaîne de simulation complète du détecteur, comprenant l’émission des photons visibles par le scintillateur et leur transport par la chaine optique jusqu’à la caméra CCD. Dans un premier temps, le (la) candidat(e) devra modéliser les différents mécanismes mis en œuvre dans la chaîne de détection et identifier les outils de simulation les plus pertinents pour les reproduire. Dans un deuxième temps, il (elle) sera amené(e) à comparer les résultats de simulation à des campagnes de caractérisation expérimentales, réalisées à l’aide d’une source X impulsionnelle. Enfin, le (la) candidat(e) pourra proposer, à l'aide de la chaîne de simulation retenue, des évolutions possibles pour les futures chaînes de détection. Ce travail pourra faire l'objet de publications.

Conception d’une chaîne de vélocimétrie hétérodyne dans l'infrarouge moyen pour les hautes vitesses

Ce post-doctorat vise à concevoir au moyen de briques technologiques innovantes un diagnostic de vélocimétrie hétérodyne fonctionnant dans l'infrarouge moyen (entre 3 µm et 5 µm) pour sonder des nuages de particules denses et se déplaçant à des vitesses élevées (jusqu'à 5000 m/s), en physique des chocs. Schématiquement, on fait interférer sur un photodétecteur relié à un numériseur deux ondes laser légèrement décalées en fréquence, l’une sert de référence et l’autre porte l’information de vitesse de l’objet visé, par effet Doppler. Le développement de nouveaux composants optiques et de technologies de pointe dans cette gamme de longueurs d'onde est actuellement en plein essor, pour des applications dans la Défense, la détection de gaz, etc... Dans une première phase de conception, le (la) candidat(e) devra donc identifier et choisir les composants photoniques les plus pertinents pour notre besoin. Il (elle) devra pour cela optimiser les performances globales de la chaîne de mesure, en s'appuyant sur des outils de simulation du commerce ou développés au CEA-DAM. Dans un deuxième temps, il (elle ) constituera la chaîne de mesure avec les éléments optiques retenus. Il (elle) pourra également être amené(e) à participer au dimensionnement et à la fabrication d'éléments mécaniques de précision pour assurer l'interface entre les éléments. Suivant l'état d'avancement, le système ainsi conçu pourra être déployé sur des expériences dédiées. Ce travail pourra faire l'objet de publications.

Étude et modélisation de récepteurs acoustiques à réseaux de Bragg sur fibre optique

Le CEA List travaille depuis plusieurs années sur le développement de solutions de monitoring avancées exploitant des récepteurs acoustiques sur fibres optiques appelés réseaux de Bragg. Ces capteurs optiques présentent un fort potentiel pour la surveillance des structures à la fois par leur capacité d’intégration au sein des matériaux (béton, composite organique, métal) et leur capacité à être déployés en environnement difficile (embarqué, radiatif, haute température).
Un travail de postdoctorat est proposé afin de mener des travaux de modélisation de ces transducteurs à réseaux de Bragg en vue d’affiner la compréhension de leur sensibilité vis-à-vis des ondes élastiques guidées ultrasonores et d’aider au design d'un système de contrôle associé grâce à un placement intelligent des capteurs. In fine, l’objectif est de pouvoir simuler leur réponse au sein du logiciel de Contrôle Non Destructif Civa développé par le CEA List, et plus particulièrement via son module dédié au Structural Health Monitoring (SHM). Un tel travail contribuerait fortement à l’adoption et l’exploitation de cette technologie pour des applicatifs en Structural Health Monitoring.

Soudage laser de matériaux hautement réfléchissants à l'échelle sub-millimétrique

Dans le cadre du programme "Simulation", le CEA réalise des expériences sur lasers de puissance mettant en œuvre des objets à forte valeur ajoutée. Ces objets, les microcibles, sont des assemblages complexes d'éléments variés, dont la fabrication requiert des procédés sophistiqués, à la limite de la rupture technologique. Parmi ces technologies, le CEA souhaite développer ses capacités de soudage par laser, à l'échelle sub-millimétrique. Un défi majeur réside dans le soudage de matériaux hautement réfléchissants (aluminium, cuivre, or,...), pour accéder à de nouvelles fonctionnalités (jonction métallurgique, étanchéité,....).

L'objectif de ce post-doctorat est de développer des solutions technologiques pour la réalisation d'assemblages soudés, et de comprendre l'interaction laser/matière associée. L'intérêt, mais aussi la difficulté, de l'étude réside dans les différents critères que doivent respecter les procédés : 1) être compatibles de matériaux hautement réfléchissants et de très faibles épaisseurs (< 0,2 mm) , 2) induire des effets collatéraux (thermiques notamment) extrêmement localisés, 3) fonctionnaliser le joint soudé (étanchéité par exemple).
Le postdoctorant(e) exploitera la dernière génération de source laser émettant dans des longueurs d'onde visibles (vert, bleu). Il/elle participera à la conception et aux tests de qualification de la station laser associée à cette nouvelle source. Après validation, il/elle réalisera l'étude de la soudabilité opératoire et métallurgique des sous-éléments. Il/elle comparera ses résultats avec l'utilisation d'un laser infrarouge impulsionnel. Il/elle expertisera les joints obtenus à l'aide de différentes approches et optimisera la conception des joints soudés. Son étude expérimentale ira jusqu'à la réalisation de tests fonctionnels sur prototypes. Des collaborations externes seront mises en place afin de confronter les résultats obtenus à des simulations afin d'en déduire un modèle phénoménologique.

Etudes et développement d’un système laser dans l’UV pour la démonstration à l’échelle laboratoire de l’épuration isotopique du palladium (naturel).

Le palladium est un métal rare dont la demande mondiale est en forte augmentation. Or, il est présent en tant que produit de fission dans les combustibles nucléaires usés qui sont retraités en France. Il serait donc intéressant de recycler ce métal. Pour cela, il est nécessaire de procéder à une épuration isotopique, afin de supprimer un des isotopes du palladium, le 107, qui est un radionucléide artificiel à vie longue émetteur béta. Dans le cadre d'un nouveau projet sur 4 ans construit en réponse à l'appel d'offre du Plan d'Investissement et d'Avenir de l’État, le Service d’Etude des Procédés d’Enrichissement propose un contrat post-doctoral portant sur le développement d’un système laser dans l’UV pour le procédé de séparation isotopique du palladium par Lasers actuellement en cours de développement. L’objectif principal du projet est la démonstration finale de la faisabilité de séparation de palladium naturel (et non radioactif) pour la phase suivante de développement d’un premier pilote.
Le post-doctorant devra développer des lasers prototypes de procédé à haute cadence en partant du visible (système lasers colorant) jusqu’à l'UV. Le passage dans l’UV se fait par doublage de fréquence avec des objectifs élevés en terme de performance. Il s’agit d’utiliser un cristal doubleur de fréquence de type BBO, LBO, KDP ou autre. Pour ce faire, le post-doctorat participera à la définition de ce cristal, mais aussi au développement de l’environnement du cristal doubleur (comportement, performances attendues et la tenue au flux des différents matériels). Des échanges seront mis en place sur ce sujet spécifique avec des spécialistes reconnus au sein de la Direction de la Recherche Fondamentale du CEA. La programmation (en Python et/ou sous Labview) de ces outils ou asservissements est à développer également. Une attention particulière sera portée sur les publications à réaliser essentiellement dans le cadre du doublage de fréquence, sujet complexe très étudié mondialement.

Etudes numériques de l’interaction laser plasma en champ intermédiaire sur le Laser Megajoule

Dans les expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI), des faisceaux lasers intenses traversent une cavité remplie de gaz qui est rapidement ionisé. Ils se propagent dans le plasma ainsi formé et sont soumis à des instabilités néfastes pour réaliser la fusion. Les techniques de lissage optique consistent à briser les cohérences spatiales et temporelles des faisceaux lasers afin que leurs tailles et temps caractéristiques soient plus petits que ceux requis pour le développement des instabilités. La brisure de la cohérence spatiale est réalisée par une lame de phase qui va répartir l’énergie laser en une multitude de grains de lumière appelés points chauds. La brisure de cohérence temporelle s’effectue en élargissant le spectre grâce à un modulateur de phase et en dispersant chaque fréquence grâce à un réseau. La connaissance des caractéristiques des points chauds (largeur, longueur, contraste, temps de cohérence, vitesses …) est importante pour prédire le niveau des instabilités qui peut évoluer en fonction du temps et au cours de la propagation des faisceaux.
Par souci de simplicité, les instabilités se développant lors de l’interaction laser-plasma sont souvent étudiées autour du point de focalisation des faisceaux lasers. Or dans les expériences de FCI, les faisceaux sont focalisés près du trou d’entrée laser de la cavité qui a une longueur d’environ 1 cm. Des instabilités peuvent donc se produire à la fois en amont du meilleur foyer (à l'extérieur de la cavité) et aussi et surtout en aval de celui-ci (assez loin à l’intérieur de la cavité). Le but de ce contrat post-doctoral est d’étudier le développement des instabilités lorsqu’il se produit en champ intermédiaire (loin du meilleur foyer du faisceau laser). Nous nous concentrerons sur les instabilités de propagation (autofocalisation, diffuson Brillouin vers l’avant) et sur la rétrodiffusion Brillouin. Le travail sera réalisé grâce à des outils de diagnostics et des codes numériques existants.

Etude théorique et expérimentale de la propagation de la lumière polarisée dans une structure OLED

En collaboration avec des chimistes du CEA Saclay et de l’université de Rennes, Le laboratoire LCEM du Leti s’intéresse à des nouvelles molécules chirales pour des sources OLED (Organic Light Emitting Device) capables d’émettre de la lumière circulairement polarisée (CP). L’intérêt de ces sources CPOLED est multiple et englobe aussi bien les micro-écrans que les applications pour la santé. Alors que l’état de l’art est assez fourni sur la partie chimique, peu d’études se sont penchées sur la génération et le transport de lumière dans les composants CPOLEDs. De la même manière, les conditions de mesure de la polarité de la lumière émise sont peu détaillées dans la littérature existante.
Au laboratoire LCEM où ces molécules chirales sont intégrées dans des dispositifs CPOLED, l’objectif est de concevoir des architectures OLEDs à même de mieux préserver la polarisation de la lumière. Pour cela, il est indispensable de comprendre la propagation de la lumière dans les empilements OLED d’un point de vue théorique et expérimental. Ce travail s’inscrit dans une collaboration plus large mise en place dans le projet ANR « i-chiralight » .
Nous proposons dans ce cadre une étude qui se déroulera en deux phases.
- Etude de matériaux émetteurs simples : Les matériaux à étudier seront des couches minces déposées sous vide en utilisant les moyens d’évaporation de couches minces disponibles au laboratoire. Les matériaux organiques utilisés seront fournis par nos partenaires chimistes de Saclay ou de Rennes. Des caractérisations optiques de type ellipsométrie, photoluminescence, … seront réalisés afin d’évaluer la performance des molécules en terme de rendement d’émission mais également en terme de pouvoir rotationnel de la lumière. Pour ce dernier point, un modèle permettant de calculer tous les termes des matrices de Müller est en cours de développement et la validation de celui-ci sera un travail à effectuer par le post-doctorant.
- Etude de composants OLED complets : Dans

Suivi dynamique par diffusion de la lumière du transfert de matière entre phases dans des écoulements multiphasiques

La compréhension et la modélisation des procédés de recyclage étudiés au CEA nécessitent la mesure des propriétés locales et moyennes des écoulements multiphasiques impliqués dans les différents appareils de génie chimique étudiés. La R&D étant en outre généralement basée sur des expérimentations à petite échelle, l’accès à ces grandeurs est bien souvent difficile, et ne doit, bien entendu, pas perturber le système observé. Dans ce contexte les méthodes optiques, associées à une simulation fine des phénomènes physiques d’interactions lumière/matière, sont particulièrement appropriées et font l’objet depuis plusieurs années de développements spécifiques. C’est pourquoi, le DMRC/LGCI étudie, en collaboration avec des partenaires académiques (CNRS/IUSTI), deux techniques interférométriques optiques adaptées à la caractérisation dans les appareils utilisés en R&D procédé : l’HN en ligne et la Réfractométrie Arc-en-Ciel (RAC). Les études antérieures ont montré que l’HN permet une mesure simultanée de la position 3D, de la forme et de la taille, de particules au sein d’un écoulement, y compris en géométries astigmatiques, alors que la seconde donne accès à la taille et à l’indice de réfraction d’une particule isolée ou d’un nuage de particules, ce qui, dans le contexte de l’optique linéaire, est directement liée à leur composition. Ces travaux visent à aller plus loin dans la caractérisation des écoulements multiphasiques avec ces deux techniques en poursuivant trois objectifs principaux: 1) proposer des solutions originales pour caractériser par holographie numérique en ligne le matériau des particules détectées, 2) repenser les méthodes inverses de la réfractométrie arc-en-ciel pour permettre l’étude de nuages de particules de composition variable et les gradients autour d’une goutte sessile, 3) évaluer l’applicabilité de ces différentes solutions sur des systèmes micro fluidiques.

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