Vers un detecteur pixel à haute resolution spatiale pour l’identification de particules: contribution de nouveaux détecteurs à la physique

Les expériences de physique des particules sur les futurs collisionneurs linéaires à e-e+ nécessitent des progrès dans la résolution spatiale des détecteurs de vertex (jusqu’au micron), ceci afin de déterminer précisément les vertex primaires et secondaires pour des particules de grande impulsion transverse. Ce type de détecteur est placé près du point d’interaction. Ceci permettra de faire des mesures de précision en particulier pour des particules chargées de faible durée de vie. Nous devons par conséquent développer des matrices comprenant des pixels de dimension inférieure au micron-carré. Les technologies adéquates (DOTPIX, Pixel à Puit/Point quantique) devraient permettre une avance significative en reconstruction de trace et de vertex. Bien que le principe de ces nouveaux dispositifs ait été étudié à l’IRFU (voir référence), ce travail de doctorat devrait se focaliser sur l’étude de dispositifs réels qui devraient alors être fabriqués garce aux nanotechnologies en collaboration avec d’autres Instituts. Cela requiert l’utilisation de codes de simulation et la fabrication de structures de test. Les applications en dehors de la physique se trouvent pour l’essentiel dans l’imagerie X et éventuellement les cameras holographiques dans le visible.

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.

Radars passifs distribués

L'objectif de cette thèse consiste à détecter et localiser des drones pénétrant dans une zone urbaine à protéger grâce à l’observation des signaux émis par les stations cellulaires.
Des études ont montrées qu’il était possible de localiser un drone s’il était proche du système d’écoute et de la station cellulaire (i.e. la station de base). Quand la situation est plus complexe (i.e. il n’y a pas de trajet direct entre la station cellulaire et le radar ou en présence de plusieurs stations cellulaires émettrices causant un fort niveau d’interférence), un seul système d’écoute dit radar passif ne peut détecter et localiser correctement le drone.

Pour s’affranchir de ces conditions difficiles, nous souhaitons distribuer ou déployer sur la zone à protéger un ensemble de radars passifs à faible complexité qui exploitent de façon optimale les signaux émis par ces stations cellulaires. Une stratégie de distribution et de déploiement de radars passifs est alors à considérer en prenant en compte les positions des stations cellulaires émettrices. La possibilité d’échanger des informations entre les radars passifs doit également être envisagée afin de mieux gérer les interférences liées aux stations cellulaires.

Le candidat devra faire état d’une formation de niveau Master 2 à dominante traitement numérique du signal. De bonnes connaissances en télécoms, radar et propagation sont recommandées.

L’étudiant sera accueilli au CEA Grenoble dans une équipe d’experts en traitement du signal pour les télécommunications (http=s://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-telecommunications.aspx)

RMN hyperpolarisée en continu à base de parahydrogène et de catalyseurs greffés

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une robuste technique d'analyse, non invasive. Elle apporte de précieuses informations sur les réactions chimiques, qui sont ainsi mieux caractérisées et donc optimisées. Cependant la RMN est peu sensible, et les solutés peu concentrés, comme des intermédiaires de réaction, peuvent être inobservables par RMN classique. Une des méthodes connues pour augmenter drastiquement mais temporairement la sensibilité de la RMN consiste à créer un état d'hyperpolarisation dans le système de spins nucléaires, c'est-à-dire une polarisation bien supérieure à celle accessible avec les champs magnétiques dont on dispose. Une méthode d'hyperpolarisation emploie les propriétés particulières du parahydrogène. Elle nécessite l'emploi d'un catalyseur visant à ajouter le parahydrogène sur une liaison multiple ou un métal.

Le sujet de thèse consiste à investiguer l'apport conjoint de (i) l'hyperpolarisation à base de parahydrogène [1], (ii) un greffage du catalyseur adéquat sur des nanoparticules [2], et (iii) un mode d’analyse en continu [3] pour détecter et identifier des intermédiaires de réaction, des thématiques pour lesquels le laboratoire a acquis de l'expérience. Ce sujet implique un fort investissement en instrumentation, mais aussi des compétences en chimie de synthèse et en RMN.

La thèse se déroulera au sein du NIMBE, une unité mixte CEA/CNRS du CEA Saclay. La RMN hyperpolarisée et la synthèse auront lieu sous la responsabilité respective de de Gaspard HUBER, du LSDRM, et de Stéphane CAMPIDELLI, du LICSEN. Ces deux laboratoires du NIMBE sont situés dans des bâtiment très proches.

Reférences :
[1] Barskiy et al, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2019, 33, 114-115,.
[2] Hijazi et al., Org. Biomol. Chem., 2018, 16, 6767-6772.
[3] Carret et al., Anal. Chem. 2018, 90, 11169-11173.

Interactions en langage naturel pour la détection d'anomalies dans des séries temporelles mono et multivariées en utilisant des modèles de langage fondateurs (fondation models) et la génération augmentée par indexation-plongement-récupération (RAG))

La détection d'anomalies dans les séries temporelles mono et multivariées dépend fortement du contexte de la tâche. Les approches de l'état de l'art reposent généralement sur deux méthodes principales : premièrement, une acquisition extensive de données est réalisée pour entraîner des modèles d'intelligence artificielle tels que les auto-encodeurs, capables d'apprendre des représentations latentes utiles pour isoler l'anormalité dans les comportements attendus du système; une seconde approche consiste en la construction minutieuse de caractéristiques basée sur une approche associant un expert intelligence artificielle et un expert du domaine pour isoler les anomalies en utilisant des exemples limités. Une analyse approfondie de la littérature montre que le terme de détection d'anomalies repose sur une définition ambiguë, car un motif donné dans une série temporelle peut apparaître comme normal ou anormal selon le domaine d'application et le contexte immédiat de la série observée. Les modèles de fondation (fondation models) et la génération augmentée par indexation-plongement-récupération (Retrieval Augmented Generation) ont le potentiel de modifier substantiellement les approches de détection d'anomalies. L'idée est qu'un expert du domaine, à travers des interactions en langage naturel, pourrait être en mesure de spécifier la normalité et/ou l'anormalité du comportement du système, et une indexation conjointe de la littérature de l'état de l'art et du plongement de des séries temporelles dans un espace euclidien réduit pourrait guider cet expert du domaine à définir un algorithme de détection d'anomalies fonctionnel.

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.

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.

Etude expérimentale et modélisation physique d’un écoulement dans des tuyaux inclinés et de la trajectoire des jets d’eau sortants

Les circuits thermohydrauliques présents dans l’industrie nucléaire sont constitués par un réseau complexe de tuyaux horizontaux, verticaux ou inclinés.
En particulier, dans les réacteurs nucléaires, les tuyaux d’injection de sureté (IS) sont connectés au circuit primaire et destinés à y injecter l’eau froide en situation accidentelle avec différentes configurations et inclinaisons, selon le type de réacteur. L’écoulement dans le tuyau de l’IS et dans les tuyaux du circuit primaire, ainsi que l’efficacité du refroidissement du réacteur sont influencés par ces différentes configurations. La caractérisation de l’écoulement dans ces tuyaux est donc cruciale.
L’objectif de cette thèse est donc d’acquérir des nouvelles données expérimentales pour caractériser l’écoulement eau-air dans un tuyau incliné et la trajectoire du jet sortant, à pression atmosphérique. Les données expérimentales obtenues seront exploitées pour développer et/ou améliorer la modélisation des écoulements dans les tuyaux inclinés.
Cette thèse devra apporter les contributions suivantes :
• Mise en place de l'expérience et des méthodes de mesure ;
• Acquisition des données expérimentales pour différentes géométries de la section d’essais (ronde vs carré), diamètre du tuyau, rugosité, inclinaison, densité/viscosité du fluide et débit ;
• Développement des modèles physiques pour caractériser l’écoulement dans un tuyau incliné, notamment le remplissage (liquid hold-up) et la longueur de détachement ;
• Développement d’une formulation mathématique pour prédire la trajectoire du jet sortant;
• Etude de l’impact de la stratification dans le tuyau IS sur le modèle de condensation au jet de Cocci et al. ;
• Eventuellement, simulation de l’expérience avec un code CFD (ex. NEPTUNE-CFD) pour étendre la validation du code et identifier potentielles améliorations.

Etude de la catalyse de l’acide nitrique sur les aciers inoxydables

Le vieillissement des matériaux (principalement des aciers inoxydables) de l’usine de retraitement des combustibles nucléaires usés fait l’objet d’une importante activité de R & D au CEA. Le contrôle de ce vieillissement sera réalisé par une meilleure compréhension des mécanismes de corrosion des aciers inoxydables en acide nitrique (l'agent oxydant utilisé dans les étapes de retraitement).
L'objectif de la thèse est de développer un modèle de corrosion d’un acier inoxydable en fonction de la température et de la concentration en HNO3 via la quantification des produits de corrosion. Cette thèse représente un réel challenge technologique car actuellement peu d’études existent sur des mesures électrochimiques in situ dans l’acide nitrique chaud et concentré. Le doctorant réalisera également un travail expérimental important en couplant des mesures électrochimiques, des analyses chimiques (spectrométrie UV-visible-IR ...) et des analyses de surfaces (SEM, XPS,…). Sur la base de ces résultats expérimentaux, un modèle sera développé, qui sera incorporé à l'avenir dans un modèle plus global du vieillissement des équipements industriels de l'usine.
Le laboratoire est spécialisé dans l'étude de la corrosion dans des conditions extrêmes. Il est composé d'une équipe scientifique très dynamique et motivée qui a l'habitude de recevoir des étudiants.

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