Etude et conception d'un LNA robuste face à une agression électromagnétique
Le CEA Gramat est le centre expert des effets des armes, notamment les armes électromagnétiques. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité et de susceptibilité de systèmes soumis à des agressions électromagnétiques (EM) diverses. Depuis plusieurs décennies la miniaturisation et l’intégration de l’électronique a permis de faire émerger des systèmes de radiocommunication très compacts et complexes mais également potentiellement plus vulnérables vis-à-vis d’une agression EM intentionnelle.
L’amplificateur faible bruit (LNA) constitue généralement le premier composant actif de l’étage d’entrée d’une chaîne de réception RF. C’est pourquoi il constitue l’élément dimensionnant face à une telle agression. Afin de limiter cette menace ou de s’en affranchir, une bonne connaissance des effets des agressions EM sur un LNA est essentielle et il s'agit d'identifier de potentielles architectures qui présenteraient une robustesse à ces effets.
L’objectif de la thèse est de proposer une nouvelle architecture de LNA capable de supporter différents types d'agressions EM impulsionnelles.
Le candidat devra étudier les effets d'une agression EM sur un LNA pour en connaître ses limites jusqu'à sa destruction. Une analyse de défaillance sera menée au LAAS Toulouse pour connaitre l'origine et la localisation de la zone endommagée. Il devra s'approprier l’architecture innovante de LNA « auto-adaptatif » disponible au LAAS et l'adapter pour concevoir un nouveau design de composant résilient à différents types d’agression EM. Enfin, une évaluation expérimentale des performances du LNA fabriqué par un partenaire industriel sera effectuée.
La première partie de la thèse sera consacrée à une étude bibliographique sur les LNA : principe, technologies GaAs et GaN, caractéristiques, effets d'une agression EM intentionnelle (AGREMI). On s'intéressera tout particulièrement à la dégradation permanente et non permanente de leurs performances (gain, facteur de bruit) en fonction du niveau et de la forme d'onde de l'agression EM. La seconde partie sera d'évaluer expérimentalement les seuils de dégradation jusqu'à la destruction de plusieurs types de LNA commerciaux et de laboratoire pour plusieurs types d'agressions EM typiques en mode conduit et de proposer une ou des stratégies de protection. La troisième partie sera de proposer un design original de LNA "auto-adaptatif" beaucoup plus robuste. Cette partie reposera sur la base d'une architecture innovante de LNA GaN issue de travaux antérieurs menés au LAAS. La fabrication de ces composants se fera dans le cadre d'une collaboration avec un fondeur européen. Enfin dans une dernière partie, on caractérisera, au niveau du wafer, leurs performances en régime nominal (facteur de bruit en particulier) puis au cours et après une agression EM. Les travaux de thèse se dérouleront entre le laboratoire universitaire LAAS - CNRS à Toulouse et le CEA à Gramat.
Diagnostics innovants pour faisceaux impulsionnels et intenses de rayonnements
Le CEA/DAM développe des technologies de pointe pour la production, la caractérisation et l'exploitation de faisceaux de rayonnements impulsionnels intenses (rayons X, ?, électrons, lasers, etc.). Ces faisceaux jouent un rôle clé dans la simulation d'environnements radiatifs extrêmes pour la tenue de composants électroniques ou matériaux en environnement sévère ou encore pour la radiographie éclair. Dans ce cadre, les faisceaux impulsionnels intenses posent des défis majeurs :
- Caractérisation temps réel : Mesurer des paramètres critiques (flux, énergie, profil spatial/temporel) pour des impulsions ultra-courtes en maitrisant les incertitudes,
- Robustesse et sensibilité : Développer des capteurs et méthodes capables de résister à des environnements radiatifs sévères tout en offrant précision et dynamique,
- Innovation méthodologique : Combiner des approches optiques, électroniques ou numériques pour surmonter les limites des techniques classiques.
La thèse se déroulera selon les grandes étapes suivantes :
La première année sera consacrée à établir l'état de l'art, à la formation aux outils expérimentaux et de simulation numérique (GEANT4), à la réalisation des premières expérimentations et à l'analyse des premiers résultats.
La deuxième année aura pour objectif de prototyper et tester les diagnostics innovants sur les installations d'intérêt : finalisation de développement d'une méthode de mesure sur fibre optique et/ou sur composant à semiconducteur sur la base d'une conception réalisée par simulation numérique d'interaction rayonnement-matière.
La troisième année permettra de compléter et finaliser le programme expérimental afin de valider les diagnostics, éventuellement les intégrer aux systèmes existants et diffuser les résultats au travers de publications scientifiques ainsi que par la rédaction du manuscrit de thèse.
Modélisation de la postcombustion d'explosifs contenant un additif métallique
La détonation d'un explosif crée une onde de choc qui se propage dans l'air et le met en mouvement de façon brutale. Ce phénomène, appelé effet de souffle, est à l'origine des dégâts induits par l'explosion. Le souffle peut être renforcé par des réactions de combustion : celle des produits de détonation avec l'air et celle de particules métalliques incluses dans la charge spécifiquement dans ce but.
La modélisation macroscopique du souffle est actuellement traitée avec un modèle empirique. L’augmentation de son périmètre d’utilisation nécessite d’introduire de la physique identifiée à l’échelle mésoscopique grâce à des simulations LES (Large Eddy Simulations) multiphasiques et réactives. De précédents travaux ont permis d'aboutir à une méthodologie numérique permettant de simuler de façon efficace et robuste l'écoulement réactif au sein des boules de feu. Il s'agit désormais de l'exploiter pour développer un nouveau modèle macroscopique de postcombustion.
L’objectif est d’améliorer les modèles macroscopiques d’effets de souffle d’explosifs aluminisés à partir de résultats issus de simulations détaillées en LES validées sur des expériences élémentaires. Il s'agira de traiter avant tout le souffle en champ libre produit par une charge sphérique. En fonction de l'avancement des travaux, l'influence de la géométrie de la charge ou de la présence d'obstacles pourra être étudiée.
Le doctorant entreprendra la réalisation de simulations LES réactives et les validera par comparaison avec l'expérience. Il utilisera ensuite ces résultats pour extraire un modèle macroscopique à partir des données obtenues à l'échelle mésoscopique (échelle des structures turbulentes). Enfin, il validera ce modèle en comparant ses résultats avec l'ensemble des données disponibles. Pour appuyer ses travaux, le doctorant pourra s'aider d'analyses statistiques ou de traitements de signal appropriés.
En première année, l'étudiant réalisera un état de l'art bibliographique sur la postcombustion, apprendra à utiliser le code de calcul AVBP du CERFACS et se familiarisera avec les travaux réalisés par les doctorants précédents. En deuxième année, il réalisera des simulations LES 2D et 3D qu'il validera par comparaison avec des résultats d'essais réalisés au CEA Gramat. Il extraira ensuite les paramètres pertinents pour l'établissement d'un nouveau modèle macroscopique. Enfin, en dernière année, le doctorant achèvera la construction du modèle, l'implémentera dans un code 1D et le validera grâce à l'ensemble des données numériques et expérimentales disponibles.
En première année, l'étudiant réalisera un état de l'art bibliographique sur la postcombustion, apprendra à utiliser le code de calcul AVBP du CERFACS et se familiarisera avec les travaux réalisés par les doctorants précédents. En deuxième année, il réalisera des simulations LES 2D et 3D qu'il validera par comparaison avec des résultats d'essais réalisés au CEA Gramat. Il extraira ensuite les paramètres pertinents pour l'établissement d'un nouveau modèle macroscopique. Enfin, en dernière année, le doctorant achèvera la construction du modèle, l'implémentera dans un code 1D et le validera grâce à l'ensemble des données numériques et expérimentales disponibles.
Le doctorant sera localisé à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT) et fera quelques périodes de travail au CEA Gramat.
Thermomécanique dynamique : de la mesure de champs à la modélisation prédictive
Le choix, l'implémentation et la calibration des modèles de comportement dans les codes de calcul de dynamique rapide constituent un enjeu majeur, en particulier dans le secteur de la défense. En dynamique rapide, les conditions sont quasi adiabatiques et le matériau subit un auto-échauffement plastique à l’origine d’un adoucissement ou/et de transformations microstructurales. La bonne prise en compte des couplages thermomécaniques dans la modélisation constitutive nécessite donc des mesures couplées cinématiques et thermiques lors de la caractérisation.
Le projet de thèse a pour objectif de développer un jumeau numérique des dispositifs d’essai rapide de compression et de traction par barres d’Hopkinson, s’appuyant sur la corrélation d’images numériques cinématiques et thermiques, rendant compte des incertitudes métrologiques et numériques, et visant la calibration de modèles de comportement thermo-viscoplastiques.
L’approche sera d’abord appliquée à un acier doux (S355) puis étendue à d’autres matériaux. Le moyen expérimental principal sera constitué des dispositifs d’essai rapide de compression et de traction par barres d’Hopkinson, acquis récemment par le CEA Gramat et disponibles à l’ICA.
Les dispositifs seront équipés de caméras cinématographiques rapides à ultra-rapides, ainsi que des caméras thermiques rapides disponibles à l’ICA. La mise en œuvre d’essais sur une tour de chute (CEA Saclay) ou même sur lanceur (CEA Gramat et/ou ICA) pourrait être une perspective intéressante pour obtenir d’autres types de sollicitations.
Concernant les simulations, le code de dynamique rapide retenu est ABAQUS Explicit, permettant l’implémentation de modèles utilisateurs spécifiques (VUMAT), sur supercalculateurs (p.ex. CALMIP Toulouse). Des programmes existants (codes Python, plateforme ESCALE, QIAS) seront utilisés et améliorés, notamment dans le cadre de la quantification des incertitudes et de la calibration bayésienne.
L’approche sera d’abord appliquée à un acier doux (S355) puis étendue à d’autres matériaux. Le moyen expérimental principal sera constitué des dispositifs d’essai rapide de compression et de traction par barres d’Hopkinson, acquis récemment par le CEA Gramat et disponibles à l’ICA.
Les dispositifs seront équipés de caméras cinématographiques rapides à ultra-rapides, ainsi que des caméras thermiques rapides disponibles à l’ICA. La mise en œuvre d’essais sur une tour de chute (CEA Saclay) ou même sur lanceur (CEA Gramat et/ou ICA) pourrait être une perspective intéressante pour obtenir d’autres types de sollicitations.
Concernant les simulations, le code de dynamique rapide retenu est ABAQUS Explicit, permettant l’implémentation de modèles utilisateurs spécifiques (VUMAT), sur supercalculateurs (p.ex. CALMIP Toulouse). Des programmes existants (codes Python, plateforme ESCALE, QIAS) seront utilisés et améliorés, notamment dans le cadre de la quantification des incertitudes et de la calibration bayésienne.
Propagation des incertitudes pour la mesure d'impulsions électromagnétiques
Le CEA Gramat réalise des études dans le domaine de la vulnérabilité et du durcissement des équipements et systèmes militaires vis-à-vis des agressions EM (électromagnétique). A ce titre, de nombreuses expérimentations sont menées notamment en ce qui concerne l’IEMN HA (Impulsion Electromagnétique d’origine Nucléaire Haute Altitude).
Les systèmes de mesure liés à cette activité, tels que les capteurs et les chaînes de mesures de champ EM sont généralement déployés dans des environnements sévères où les conditions de mise en oeuvre sont complexes. Ces contraintes imposent de prendre des marges de sécurité importantes quant aux résultats expérimentaux obtenus car les sources d’incertitudes ne sont pas toutes connues et/ou sont difficiles à maîtriser.
La thèse a pour objectif de mettre au point une méthode fiable de propagation des incertitudes dans le domaine impulsionnel IEMN HA. Le développement de cette méthode ou algorithme pourra s’effectuer en s’appuyant sur des travaux liés aux problématiques de propagation des incertitudes (équations différentielles multi-variables, méthode de Monte-Carlo, matrice de covariance). Cet algorithme sera ensuite utilisé et validé au CEA Gramat en utilisant les moyens disponibles en interne.
Le travail débutera par la prise en main des différents moyens métrologiques pour les mesures d’impulsions IEMN HA (capteurs, chaînes de mesures, oscilloscopes, analyseurs de réseau…) ainsi que par une étude bibliographique sur les techniques de propagation des incertitudes.
Une première partie du travail se déroulera au laboratoire de l'Institut Pascal de Clermont-Fd qui apportera son expertise théorique, numérique et expérimentale sur la propagation des incertitudes de mesure en électromagnétisme. Dans un second temps, les sources d’incertitudes environnementales et métrologiques devront être déterminées. Pour estimer l’incertitude de mesure, il faudra notamment tenir compte des erreurs liées aux désadaptations d’impédance, à l’étalonnage des instruments, aux imperfections dues à l’échantillonnage électro-optique des chaînes de mesure etc.
La seconde partie du travail de thèse consistera à partir des sources d’incertitudes de développer un algorithme de calcul pour remonter à la mesure temporelle d’une impulsion IEMN HA avec les dispersions associées. Enfin, cet algorithme devra être appliqué sur un grand simulateur expérimental du CEA Gramat en utilisant les moyens métrologiques du centre.
Approche d’ingénierie système basée sur les modèles pour l'automatisation et l'optimisation de l'exploration d'architectures de contrôle de qubits
La conception de l'architecture système pour contrôler des millions de qubits dans un ordinateur quantique est un défi complexe en raison des contraintes strictes issues de domaines techniques hétérogènes (micro-électronique, information quantique, thermique). Elle requiert des formalismes et des outils dédiés pour permettre son automatisation et optimisation. Là où les approches traditionnelles restent cloisonnées, l'ingénierie système basée sur les modèles (MBSE) et le langage de modélisation standard SysML v2 apportent un cadre d'intégration unique pour l'analyse et l'exploration des espaces de conception de systèmes multi-physiques complexes.
Pour capturer ces architectures dans des modèles SysML v2, ce travail de recherche vise à proposer des adaptations de ce langage de modélisation au domaine quantique en créant des extensions dédiées (bibliothèques et métadonnées).
A partir de ces modèles, ces recherches exploreront comment les algorithmes quantiques ou hybrides de référence impactent ces architectures, notamment à l’aune de l’estimation des ressources nécessaires à ces applications et des mécanismes de correction d’erreurs employés.
La thèse entend développer une démarche pour l'automatisation et l'optimisation de l'exploration de ces architectures. Pour cela elle étudiera comment adapter des algorithmes de recherche opérationnelle à l’exploration de l’espace de conception, en y intégrant des analyses de sensibilité, des heuristiques de relaxation de contraintes et une prise en compte des incertitudes physiques.
Ce travail de recherche ambitionne d'identifier les paramètres les plus dimensionnants et d’apporter des connaissances nouvelles capables d’orienter vers les axes de R&D les plus prometteurs.
La thèse sera réalisée au CEA Grenoble.
Cellules et modules photovoltaïques tandem Perovskite/Silicium fiables
Les perovskites hybrides organiques-inorganiques (HOP) constituent l'une des technologies photovoltaïques les plus prometteuses de la dernière décennie, ouvrant la voie au développement de panneaux solaires hautement efficaces et rentables. En combinant une cellule HOP avec une cellule en silicium (Si), une cellule tandem peut être formée pour optimiser l'absorption de la lumière. Cette technologie a atteint un rendement record de 35,5 % , ce qui en fait un candidat très prometteur au-delà des générations actuelles de photovoltaïques à base de silicium, qui ont atteint leurs limites d'optimisation. Le principal défi pour le déploiement complet des panneaux tandem Si/HOP est d'assurer la stabilité et la fiabilité pendant le fonctionnement.
Une proposition de recherche conjointe entre le Forschungszentrum Jülich (FZJ) et le CEA pour deux postes de doctorat (1 doctorant(e) à Jülich, 1 doctorant(e) au CEA) vise à contribuer au développement de structures tandem stables en conditions opérationnelles. Les deux centres de recherche apportent une expertise de longue date dans le développement et la caractérisation des matériaux photovoltaïques ainsi que l'optimisation des cellules solaires. Le FZJ développe un axe dédié aux premières étapes de l'innovation tandem, y compris de nouveaux matériaux et architectures de dispositifs . Le CEA contribue à la réalisation de cellules / modules photovoltaïques , l’étude de leur fiabilité et la détermination des mécanismes de dégradation. Les deux doctorants collaboreront étroitement pour la sélection des matériaux et procédés en utilisant des protocoles automatisés/IA, la caractérisation des matériaux, la fabrication complète des dispositifs et les essais de fiabilité. Au CEA, le doctorant se concentrera sur la fabrication/caractérisation des dispositifs sur la base de protocoles automatisés/IA (réalisés à Jülich par l'autre doctorant), les tests de stabilité/durée de vie en utilisant différents facteurs de contrainte (lumière et température en particulier) et en considérant également l’encapsulation des cellules. Une méthode spécifique de caractérisation, sur la base de mesures de photoluminescence, sera développée avec l’ambition de prédire le comportement en vieillissement long à partir de tests courts. Les données des expériences de vieillissement au CEA fourniront un retour quantitatif à Jülich sur les performances et la durabilité opérationnelle, ainsi que des informations sur les modes de dégradation et contribueront ainsi à la sélection des matériaux/procédés. Chaque doctorant passera au moins trois mois dans l'autre institut pour être formé aux techniques employées dans l'étude jumelle.
Modélisation de l'électronique face à une impulsion électromagnétique
Les systèmes électroniques embarqués peuvent être soumis à des menaces électromagnétiques sévères (naturelles comme la foudre, artificielles comme l’exposition à des champs radio / radar, ou agressives d’origine militaire ou malveillantes) qui peuvent détériorer leur fiabilité et compromettre leur mission. Les systèmes électroniques ont ainsi des spécifications de tenue à des menaces, telles que les impulsions électromagnétiques (IEM) d’origine nucléaire haute altitude (IEMN-HA), ou de potentielles agressions électromagnétiques non nucléaires mais intentionnellement malveillantes. L’évaluation de leur vulnérabilité, et des performances des mesures de protection destinées à y pallier, impose de connaître les niveaux de susceptibilité intrinsèque des composants électroniques sensibles. L’évaluation prédictive du comportement des systèmes face à ce type d'agressions est un enjeu majeur tant vis-à-vis de leur sécurité, que pour la compréhension des phénomènes de défaillance.
Optimisation de la conception de sondes électro-optiques
Dans le domaine de la vulnérabilité électromagnétique des systèmes, vis-à-vis de l’IEMN HA (Impulsion Electromagnétique d’origine Nucléaire Haute Altitude), des simulateurs expérimentaux générant de forts niveaux de champ électrique sont employés pour agresser les équipements sous test.
Cette agression peut se véhiculer dans les systèmes électroniques, engendrant l’utilisation d’une grande diversité de capteurs pour mesurer ces contraintes qui sont de natures différentes (courant, tension, champ électrique, champ magnétique). Si des produits commerciaux couvrent les besoins en dynamique et en bande passante pour les mesures de courant, il n’en est pas de même pour les mesures de champs électromagnétiques.
A l’heure actuelle, des mesures avec une dynamique de 50 dB voire plus et une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde restent un verrou qui ne peut pas être levé avec les outils classiques de mesures à base d’antennes métalliques.
Par ailleurs, des solutions diélectriques existent, basées sur des composants électro-optiques, mais elles n’atteignent pas encore les performances ciblées, et la robustesse reste une problématique à adresser. Le laboratoire FEMTO-ST de Besançon développe deux types de sondes électro-optiques, soit à cristaux photoniques, soit à base de guides. Ces approches ont été testées au travers d'une première thèse avec le CEA Gramat ce qui a donné lieu à un prototype de capteur.
Désormais, l'objectif de la thèse est d'améliorer la dynamique de mesure ainsi que de travailler sur l'encapsulation du capteur dans un boitier afin de le rendre plus robuste.
Vélocimétrie Laser Haute Sensibilité par Fibre Optique Spéciale
Dans le domaine de la physique des chocs, ou plus généralement de l'étude du comportement dynamique des matériaux, l'interférométrie laser Doppler a représenté une avancée considérable.
Cette technique permet de mesurer des phénomènes rapides, allant de quelques nanosecondes à quelques microsecondes, et à grande vitesse, de l'ordre de plusieurs milliers de mètres par seconde. L'apparition de composants optiques fibrés dans le domaine des télécommunications a facilité la réalisation de systèmes fibrés. Ces systèmes offrent de nombreux avantages en termes d'exactitude et de reproductibilité des mesures. De plus, ils sont compacts et robustes.
L'un des axes d'amélioration objet de la thèse consiste à augmenter la sensibilité des mesures sans augmenter la puissance laser. Un gain de 10 à 20 dB sur la détectabilité serait extrêmement bénéfique pour l'étude de matériaux diffusants et peu réfléchissants, tels que des assemblages de carbone-3D, ou pour la caractérisation d'un nuage de particules à haute vitesse issu d'une surface métallique après le passage d'une onde de choc intense (éjectas). Les fibres monomodes utilisées à 1550 nm et 532 nm limitent considérablement la quantité de signal optique collecté.