Une méthode d'étalonnage en ligne des caméras pour la cartographie et localisation collaboratives

Les travaux de recherche proposés s'intéressent à l'étalonnage automatique en ligne des systèmes de vision (pouvant s'étendre à l'ajout d'une centrale inertielle - IMU) à partir d'un réseau de neurones. Cette méthode sera appliquée dans un système cherchant à réaliser la localisation et la cartographie de l'environnement en utilisant des algorithmes de type SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) embarqués dans plusieurs agents. Ces agents travailleront de manière collaborative afin d'aboutir à une cartographie globale. L'apprentissage fédéré sera adopté pour préserver la confidentialité des agents, qui construiront des cartographies locales qui seront fusionnées par le serveur pour l'obtention d'une carte globale de l'environnement exploré.
Différentes solutions existent actuellement pour l'étalonnage des systèmes visuels mais elles sont souvent hors ligne, nécessitant d'être réalisées préalablement à la cartographie et à chaque changement physique du système; ou elles sont en ligne mais se limitent à une caméra ou à l'estimation de paramètres extrinsèques et ne comprennent pas les paramètres inertiels. L'application de la nouvelle approche à développer sur plusieurs agents pour la cartographie leur fournirait une complète autonomie, tout en profitent de la scalabilité fournie par l'approche fédérée.
Le sujet proposé vise le développement d'une nouvelle méthode basée sur les réseaux de neurones pour la détermination des paramètres intrinsèques et extrinsèques des caméras. Cette méthode sera embarquée sur plusieurs agents permettant la cartographie et la localisation de type SLAM. La confidentialité des agents sera prise en compte par l'approche fédérée adoptée. Cette thèse permettrait ainsi d'aboutir à un système de localisation embarqué complètement indépendant et en temps réel, grâce à la nouvelle méthode d'étalonnage et à la reconstruction par un algorithme SLAM.

Prélèvement transcutané de biomarqueurs gazeux

La progression de la médecine ambulatoire nécessite le développement de dispositifs médicaux portés sur la personne. Les gaz exhalés comme les gaz transcutanés sont connus pour véhiculer des biomarqueurs représentatifs de pathologies dont le suivi en médecine ambulatoire serait un réel outil de diagnostic et de monitoring. Cependant le suivi en continu des gaz exhalés est inapproprié aux activités de la vie quotidienne, contrairement au suivi des gaz transcutanés qui pourrait être effectué discrètement sans perte de mobilité, par exemple avec un dispositif placé sur l’avant- bras. Par ailleurs mis à part le dioxygène et le dioxyde de carbone, la plupart des biomarqueurs présents dans les gaz transcutanés sont en concentrations très faibles, ils sont donc difficilement détectables. Une façon de contourner cette faible concentration est de réaliser une étape de pré-concentration, c’est-à-dire d’accumuler au cours du temps, et donc de concentrer, suffisamment de molécules pour qu’elles soient plus facilement détectables et mesurables.
L’objectif de cette thèse est donc de développer et d’optimiser un dispositif de prélèvement avec une pré-concentration des gaz transcutanés. Les travaux consisteront notamment à modéliser les échanges gazeux entre la peau et le dispositif afin d’optimiser l’efficacité de la pré-concentration. Le modèle sera confronté aux résultats expérimentaux obtenus avec le prototype développé et l’utilisation de moyens analytiques commerciaux.
Ce sujet requiert une personne très motivée avec des compétences en modélisation et en instrumentation. Des compétences en conception mécanique de dispositifs médicaux seraient un plus.

Etude et optimisation d'une onde de souffle générée par un générateur électrique impulsionnel

Le projet EOLE explore une nouvelle technique originale pour simuler en laboratoire les effets d’une explosion de forte énergie. L’injection d’un courant impulsionnel intense dans un fil fin provoque son explosion et génère une onde de souffle sphérique qui se propage dans l’air ambiant puis vient interagir avec une maquette sous test.
La loi d’échelle indique que si la maquette est à l’échelle 1/N, un effet de souffle similaire à celui généré par une explosion réelle peut être obtenu avec une énergie N3 fois plus faible.
EOLE, dieu des vents, étend donc son champ d’action au souffle d’une « Electro-explosion Obéissant à la Loi d’Echelle ». La faisabilité de cette technique a été démontrée en 2021 au CEA de Gramat en développant un générateur compact de courant impulsionnel intense (400 kA – 400 ns) ainsi qu’une configuration de fil explosé permettant de générer une explosion sphérique d’énergie 5 kJ environ.

Conception d’un nouveau microscope light-sheet pour le suivi temporel d’organoïdes sur puce

Nous proposons dans cette thèse de développer un système de microscopie de fluorescence light-sheet pour caractériser optiquement des organoïdes en 3D et en carte microfluidique. La thèse se concentrera sur la mise au point d’un light-sheet miniaturisé et multi longueur d’onde, qui marche directement dans un incubateur cellulaire et qui pourra être utilisé pour la visualisation et le suivi morphologique/fonctionnel d’objets 3D optiquement complexes et diffusants. Le début du travail sera de bien comprendre l’impact de la miniaturisation sur la mise en forme du faisceau d’excitation à différentes longueurs d’onde et sur la qualité des images. Ensuite, la mise en forme du faisceau d’excitation pour aller le plus profondément possible dans l’échantillon biologique d’intérêt sera évaluée. Le système sera ensuite caractérisé en incubateur pour le suivi temporel des organoïdes sur puce et la caractérisation du système biologique vivant. Nous nous concentrerons principalement sur deux échantillons : des organoïdes pancréatiques en puce microfluidique et des organoïdes de cerveau en 3D. L’objectif sera de réaliser une imagerie pour permettre, en collaboration avec les biologistes, un suivi temporel de marqueurs spécifiques en fluorescence directement dans un incubateur cellulaire. Ce travail nous permettra de proposer des pistes d’intégration de fonctions optiques à l’intérieur d’une carte microfluidique pour le suivi 3D morphologique et fonctionnelle d’organoïdes sur puces.

Apport de l’intelligence artificielle pour établir des cartographies tridimensionnelles de la contamination dans les structures de génie civil des INB à partir de mesures de spectrométrie gamma

La connaissance de l’inventaire radiologique d’une installation nucléaire est essentielle pour garantir, tout au long de la vie de l’installation, la maitrise des risques liés à la sûreté-criticité et la maitrise de l’impact radiologique sur l’homme et sur l’environnement. La maîtrise de l’état radiologique des procédés et des équipements d’une installation permet de définir des scénarios d’intervention sûrs afin d’optimiser les opérations de maintenance ou des opérations d’assainissement/démantèlement en milieu hostile et d’optimiser la gestion des déchets. Lors du démantèlement d’une installation nucléaire, des opérations d’assainissement doivent être menées dans le but de déclasser définitivement les zones à déchets nucléaires en zones à déchets conventionnels. Cette étape implique au préalable d’établir une cartographie précise de la radioactivité d’origine artificielle au sein des structures de génie civil en béton.

Pour pallier aux limitations des méthodologies existantes et conformément aux directives de l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN), le sujet de thèse proposé vise à développer une méthodologie de caractérisation radiologique non destructive innovante et performante, utilisant des algorithmes d’apprentissage (intelligence artificelle) pour analyser de manière automatisée des mesures in situ de spectrométrie gamma avec un détecteur Germanium hautement résolu. La finalité est d’établir en temps réel des cartographies tridimensionnelles de la distribution des contaminants dans des structures de génie civil contaminées des INB.

La méthodologie de caractérisation développée à l’issue du projet présentera un fort potentiel de valorisation industrielle en particulier dans le domaine de l’assainissement et du démantèlement.

Le thésard travaillera au sein d’une équipe qui dispose d’un fort retour d’expériences dans le développement et la mise en œuvre in situ de techniques et méthodes de caractérisation radiologique non destructives (techniques d’imagerie alpha, gamma et techniques de spectrométrie alpha, bêta, gamma). Le thésard aura l’opportunité d’évaluer les solutions proposées sur des chantiers de démantèlement parmi les plus importants au monde.

Le profil recherché est un(e) candidat(e) issu(e) d’une école d’ingénieur ou d’un MASTER M2 avec de bonnes connaissances en instrumentation et mesure nucléaire en particulier des phénomènes physiques liés aux interactions des rayonnements ionisants avec la matière. Une appétence et des premières compétences vis-à-vis des méthodes statistiques de traitement de données et en machine learning (programmation informatique (Python)) sont également appréciées.

Etude et utilisation de verres à l’uranium pour la détection des neutrons par voie optique

Le Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation du CEA Cadarache, développe, fabrique et exploite des détecteurs de flux neutroniques qui sont utilisés à proximité immédiate ou à l’intérieur des cœurs des réacteurs nucléaires. En plus des détecteurs classiques (chambres à fissions, collectrons…), le LDCI mène des recherches actives sur des voies de mesures innovantes telles que des détecteurs optiques, semi-conducteurs, scintillateurs fibrés… Dans cette thèse, le laboratoire souhaite explorer le potentiel de verres dopés à l’Uranium. Ces verres sont connus pour produire une vive fluorescence sous différents rayonnements. L’idée maitresse est d’essayer d’exploiter cette fluorescence pour détecter les réactions de fission qui sont induites dans le verre lorsqu’il est exposé à un flux de neutrons. Cela permettrait de développer une nouvelle génération de détecteurs de neutrons par voie optique à mi-chemin entre une chambre à fission et un scintillateur.
Le travail de thèse sera articulé autour de deux grand axes :
- d’une part la compréhension fine des mécanismes de fluorescence, ainsi que la synthèse de verre à l’uranium aux propriétés optimisés pour nos besoins (sensibilité, spectre d’émission, vecteur isotopique…). La synthèse sera effectuée dans des laboratoires partenaires ;
- d’autre part le développement d’une instrumentation dédiée, probablement sous la forme de fibres optiques, pour tester ces prototypes en réacteur.

Conception et réalisation d’un détecteur neutronique optique fonctionnant à haute température. Application à un programme expérimental dans le réacteur JOYO

Dans le cadre du développement des réacteurs rapides de quatrième génération à caloporteur sodium, le Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation du CEA/IRESNE Cadarache travaille sur des systèmes de mesure neutronique innovants capable de résister à des températures de l’ordre de 600°C et insensibles aux phénomènes parasites qui apparaissent à ces régimes. Récemment, un nouveau type de détecteur de neutrons à signal optique (DNO) a été développé au laboratoire. Malgré une interprétation des signaux plus complexe, ce dispositif a l’avantage d’être miniaturisable et n’est intrinsèquement pas soumis aux problèmes de décharges partielles et de courant de fuite qui apparaissent sur les chambres à ionisation en température.
On propose de poursuivre le développement théorique et expérimental des DNO pour les adapter à la haute température. Pour cela, le doctorant développera un modèle pour simuler de la réponse du détecteur. Le doctorant travaillera sur les sections efficaces d’interaction ion lourd-gaz de remplissage ainsi que sur un modèle collisionnel radiatif pour prédire les spectres d’émissions et leur dynamique temporelle. Une partie du travail consistera à dimensionner un détecteur prototype et à le tester à haute température au sein du réacteur TRIGA du JSI. In fine, la qualification du détecteur fera partie d’un programme d’essais dans le réacteur de recherche JOYO prévu à partir de 2026.

Développement de méthodologies de test de systèmes électroniques destinés aux environnements irradiants

Les chantiers d’assainissement et démantèlement (A&D) et plus généralement les installations nucléaires mettent en œuvre des équipements électroniques (capteurs, vecteurs mobiles, robots, bras téléopérés…) dans des environnements irradiants. Or, l'effet des rayonnements est l'un des principaux facteurs affectant la fiabilité des composants et systèmes électroniques. Dans ce cadre, l’évaluation de composants et systèmes électroniques permet d’identifier les technologies les plus tolérantes aux environnement irradiants et également de déterminer quelles sous fonctions sont les plus sensibles.
Pour répondre à cette problématique, il est nécessaire de développer des méthodologies de qualification de l’électronique pour le domaine du nucléaire en s’appuyant sur l’expérience du domaine spatial mais en prenant en compte certaines spécificités : l’environnement peut y être beaucoup plus sévère, l’utilisation de composants commerciaux y est très répandue et une approche au niveau système doit être considérée (car il n’est pas envisageable de tout développer en partant du composant). Les tests au niveau système et l’utilisation de composants COTS en environnement irradiant sont des problématiques émergentes et suscitent l’intérêt de nombreux acteurs.
Le travail de thèse commencera donc par l’étude de systèmes spécifiquement développés. Nous aurons alors une maitrise et une connaissance complète du système et surtout des composants élémentaires qui le compose. Il nous sera possible de caractériser sous faisceau chaque composant élémentaire et le système complet. La synergie de dégradation entre le système et le composant élémentaire fera l’objet d’études pour évaluer les règles de dégradation avant de passer à la mise en place de méthodologies qui pourront ensuite être évaluées sur des systèmes commerciaux « boite noire ». L’objectif est de vérifier que les conclusions obtenues lors de la première étape seront toujours vérifiées et de déterminer les observables nécessaires à l’identification d’une défaillance. Des méthodes innovantes d’analyse de données basées sur l’IA pourront également être mises en place en fonction du type et du volume des données collectées. Il est également essentiel, compte tenu des quantités attendues de systèmes à tester, de compléter ces travaux par une rationalisation des moyens d’irradiation. Pour cela, des essais seront menés, notamment sur le filtrage des photons X dans le domaine photoélectrique pour garder uniquement le domaine Compton et ainsi avoir une équivalence au Cobalt60. Au final, une méthodologie devra être mise en place. Cette méthodologie devra prendre en compte aussi bien l’approvisionnement des systèmes, la définition des observables, la définition des conditions d’irradiation et de caractérisation ainsi que l’analyse des défaillances élémentaires et fonctionnelles observées.
Une partie du travail de thèse s’attachera également à définir la structure d’une base de données « radiation » permettant de répertorier les tests en radiation réalisés sur des composants et des systèmes électroniques.

Les tests au niveau système et l’utilisation de composants du commerce (COTS) en environnement irradiant sont des problématiques d’actualités. A l’issus de la thèse, l’étudiant(e) pourra valoriser ces acquis dans un large champ d’applications dans le domaine du nucléaire (chantier A&D, réacteurs) mais également les grands instruments pour la physique de particules ainsi que le domaine du spatial.

Formation recherchée pour le candidat postulant : Master Electronique ou diplôme d'ingénieur en Electronique.

Bulles de Taylor : expériences et modélisation

Cette thèse de doctorat porte sur les phénomènes à micro-échelle qui se produisent dans la région proche de la paroi lors du mouvement d'une bulle dans un tube capillaire (typiquement connu sous le nom de bulle de Taylor). Il s'agit de bulles de vapeur allongées ayant la forme d'une balle qui se forment dans les échangeurs de chaleur compacts utilisés dans de diverses applications industrielles telles que le refroidissement de l'électronique et les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires. Les phénomènes associés comprennent la dynamique du mouillage, la formation de couches de liquide d'épaisseur micrométrique et le transfert de chaleur. Le doctorant mènera une étude expérimentale au STMF/CEA (Paris-Saclay, France) en collaboration avec le SPEC/CEA en utilisant des diagnostics optiques avancés pour évaluer ces phénomènes, en particulier le profil de la couche liquide. L'étudiant utilisera les données expérimentales pour valider une approche numérique en partenariat avec l'Université de Nottingham (Royaume-Uni) en utilisant le logiciel libre OpenFOAM.

Enrichissement en métaux critiques des flux solides issus de circuits imprimés usagés par tri multi-spectral et intelligence artificielle

Dans ce projet, nous proposons de valoriser les métaux critiques perdus, car actuellement pas récupérés lors du recyclage des circuits imprimés. L’accent sera notamment mis sur l’étape clé du tri des composants électroniques issus du démantèlement de ces cartes. Ce projet implique l’étude d’un prototype de tri multispectral et/ou en fluorescence X combiné à un développement software de reconnaissance par Intelligence Artificielle.

Cette thèse sera financée par les projet REVIWEEE et CYCLAMET du PEPR (programmes et équipements prioritaires de recherche) « Recyclabilité, recyclage et réincorporation de matériaux recyclés » du 4e Programme d'investissements d'avenir. Lors de sa thèse, l'étudiant(e) sera exposé(e) à un environnement international et pluridisciplinaire, avec notamment la réalisation de développements expérimentaux dans des domaines variés tels que la mécatronique, la spectroscopie, la physico-chimie, la caractérisation et modélisation en résistance des matériaux, l'instrumentation ; mais aussi, à des travaux en programmatiques et algorithmique avec le Centre Borelli de l’ENS Paris-Saclay, partenaire du projet (co-direction de la thèse).

Cette thèse est donc une excellente opportunité de croissance professionnelle tant d'un point de vue de vos connaissances, que de vos savoir-faire et savoir-vivre dans un milieu multi-culturel international : le groupe au CEA étant bi-localisé sur Saclay et sur Singapour. Ce sera aussi l'occasion de mettre à profit vos connaissances concrètement pour atteindre un objectif ayant un impact environnemental potentiellement élevé.

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