Système interférométrique rapide à réinjection optique fibré pour la mesure de surpression aérienne
Le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives) est l’un des plus importants centres de recherche français. Le site de Gramat est le centre de référence de la Défense en vulnérabilité des systèmes et des infrastructures. L’équipe de recherche du LAAS-CNRS, Optical And Smart Integrated Sensors, à Toulouse est l’une des équipes les plus avancées au monde dans la conception de capteurs interférométriques intégrés dit à réinjection optique (Optical Feedback Interferometry - OFI).
Ces capteurs simples et compacts couvrent un vaste domaine de mesures : vibration, vitesse, distance, etc. et plus récemment la mesure de variation de pression dans le domaine acoustique mais également dans des gammes de pression plus élevées comme on en rencontre dans le cas d’explosions. Dans le cadre d’une collaboration entre le LAAS-CNRS et le CEA, un capteur par réinjection optique pour l’observation d’onde de choc a été évaluée et un modèle acousto-optique a été développé.
Les premiers essais ont démontré à la fois le fort potentiel de cette technologie et les trois difficultés suivantes: l’absence de déport de la mesure par fibre optique, une bande passante globale un peu limitée et suivant les niveaux de pression une résolution limitée. L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur dont le laser sera conçu pour fonctionner avec un déport en fibre optique et avec une bande passante approchant le GHz. L’effet de réinjection optique est très différent de ce qui a pu être fait par le passé et la bande passante demandé repoussera grandement les limites actuelles. En parallèle, le doctorant devra améliorer la résolution du capteur soit en agissant sur sa conception pour avoir accès à la phase du signal de mesure soit via un traitement du signal innovant. Les incertitudes de mesure seront également évaluées. La mise en œuvre du futur prototype sur des campagnes de mesures et le traitement de données acquises au CEA-Gramat en seront l’aboutissement.
Le déroulement de la thèse proposée est dans un premier temps de s'approprier la technologie de réinjection optique et les précédents résultats. Pour déporter la mesure, une étude théorique pour choisir le meilleur laser et la meilleur fibre optique sera menée. Une étude parallèle portera sur les solutions pour améliorer les la résolution du capteur. Après des essais de laboratoire au LAAS-CNRS pour valider par partie le capteur, des expériences maitrisées intermédiaires seront réalisées au tube à choc du CEA Gramat avant une démonstration expérimentale en conditions réelles sur une dalle d’essais.
Modélisation de la dynamique des faisceaux d’électrons dans les accélérateurs linéaires à induction
Cette thèse s’intéresse à la modélisation enveloppe et Particle-In-Cell (PIC) de la dynamique des faisceaux intenses d’électrons dans les accélérateurs à induction (LIA) et à la validation expérimentale de ce modèle. Les LIA utilisés en radiographie éclair transportent des faisceaux d’électrons impulsionnels (quelques dizaines de nanoseconde) à la fois intense (plusieurs kA) et de haute énergie (environ 20 MeV) afin de produire une source pénétrante de rayonnement X de faibles dimensions spatiales par rayonnement de freinage sur un matériau dense. Le faisceau initialement produit à une énergie proche de 4 MeV est injecté dans la ligne accélératrice où les électrons acquièrent progressivement de l’énergie en passant au niveau des gaps accélérateurs de cellules à induction. Dans un LIA, la compréhension et la maîtrise de la dynamique des faisceaux d’électrons sont nécessaires au succès d’une expérimentation réalisée dans des conditions extrêmes.
De nombreuses propriétés d’intérêt du faisceau d’électrons (dimension, position, quantité de mouvement, énergie, émittance) contribuent aux caractéristiques de la source de rayonnement X, elles-mêmes directement reliées à la qualité de la radiographie finale. Les énergies et les intensités des faisceaux sont telles que les forces auto-induites jouent un rôle clé dans leur dynamique. Les codes de simulations contribuent de manière significative à la compréhension et à la maitrise de la dynamique du faisceau. Aujourd’hui, l’étude de cette dynamique est majoritairement réalisée avec des codes enveloppe qui permettent de l’appréhender macroscopiquement et qui fournissent un formalisme intéressant d’un point de vue opérationnel pour régler le transport du faisceau. La méthode PIC, complémentaire de l’approche enveloppe, est également utilisée pour simuler la dynamique du faisceau. Elle permet une description plus complète de la physique mise en jeu dans les LIA [1] en reproduisant la quasi-totalité des phénomènes (accroissement d’émittance, évolution des distributions des particules, développement des instabilités de faisceau …) au prix cependant d’une importante mobilisation de ressources de calcul. De plus, elle permet d’appréhender les phénomènes mis en jeu lors d’un fonctionnement à plusieurs impulsions [2].
L’objectif de cette thèse est d’étudier par modélisations enveloppe et PIC la dynamique des faisceaux intenses d’électrons dans les accélérateurs à induction de l’installation EPURE et de valider ce modèle expérimentalement. Cette étude permettra de quantifier et intégrer les phénomènes physiques participant à l’évolution des propriétés du faisceau lors de son transport. Les outils développés lors de cette étude serviront à optimiser et prédire le transport en intégrant notamment les instabilités de type Beam Break-Up, Corkscrew ou ion hose qui dégradent la qualité du faisceau d’électrons. L’étude de l’impact de ces différentes contributions sur le transport du faisceau permettra d’évaluer les performances d’un accélérateur fonctionnant en simple ou en multi-impulsions. Dans un premier temps, l’étudiant se familiarisera aux codes PIC et enveloppe décrivant la dynamique des faisceaux dans les LIA en vue de les améliorer notamment au moyen d’algorithme génétique permettant d’optimiser le transport via les nombreux éléments de guidage du faisceau (solénoïdes, déviateurs …). Puis, l’évaluation et la prise en compte de phénomènes physiques complémentaires seront réalisées. Une validation du modèle de simulation sera ensuite faite à partir des données expérimentales obtenues sur les LIA de l’installation EPURE. Des stratégies de transports adaptées à des cas opérationnels et prospectifs multi-impulsions pourront être proposés sur les bases du modèle développé.
[1] J.M. Plewa et al., “High power electron diode for linear induction accelerator at a flash radiographic facility”, Phys. Rev. Accel. Beams, 21, 070401 (2018).
[2] R. Delaunay et al., “Dual-pulse generation from a velvet cathode with a new inductive voltage adder for x-ray flash radiography applications”, Phys. Rev. Accel. Beams, 25, 060401 (2022).
Etude et modélisation de l'impact de rayonnements ionisants sur des composants rapides innovants
Le CEA Gramat est le centre de référence de la Défense en vulnérabilité des systèmes et des infrastructures et efficacité des armements. Le Service des Effets Radiatifs et Electromagnétiques étudie la vulnérabilité de composants électroniques aux effets induits par des particules de haute énergie. Ces études ont pour objectif d’estimer le degré de susceptibilité de ces systèmes en environnement radiatif sévère. Les technologies de composants électroniques évoluent rapidement pour répondre aux exigences croissantes de vitesse, transmission de puissance, compacité, bande passante, fonctionnement à des températures élevées. Les nouveaux composants vont permettre de répondre aux besoins futurs des applications hyperfréquences et aux problématiques de la commutation rapide de puissance. Dans le cadre des domaines de l'aérospatial, de la défense, du nucléaire, du médical, et des recherches de physiques, ces composants devront en plus résister à l'impact de rayonnements ionisants.
L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact de rayonnements ionisants (exemples X, électrons, protons…) sur des composants innovants utilisés dans le domaine de l'émission en radio-fréquence et en commutation rapide. L'étude envisagée porte principalement sur des matériaux à grand gap (exemple GaN et SiC) mais d'autres technologies prometteuses pourront être envisagées. Les composants seront étudiés dans des régimes de fonctionnement dynamiques dans leur contexte d'utilisation. Cette thèse sera constituée d'un volet expérimental important qui permettra d'observer et de quantifier les effets de l'irradiation sur les différents composants. En parallèle, le second volet aura pour objectif de modéliser et d'expliquer les effets observés, notamment en dynamique, afin de déterminer quelles structures et quels matériaux sont les plus aptes à être utilisés dans les futures applications.
Cette thèse s'effectuera avec le laboratoire XLIM de l'Université de Limoges et fera l'objet de collaborations avec la société INOVEOS. Elle débutera par une étude bibliographique qui permettra d'identifier les composants d'intérêt. Ensuite l'approvisionnement, la conception et la réalisation des cartes de test seront conduits par le doctorant. La méthode de métrologie et le banc de test seront définis avant de procéder aux essais sous différents moyens d'irradiation qui auront lieu principalement au CEA. Une phase d'identification de la structure des composants sera réalisée avant et après irradiation. En parallèle, la modélisation du composant et la simulation de l'impact de l'interaction rayonnement matière seront réalisées à l'aide différents codes de calculs (exemple MCNP, GEANT4, TCAD, ADS, CST...).
Caractérisation expérimentale et numérique de plasmas produits par impulsions de courants intenses
Le projet EOLE « Electro-explosion Obéissant à la Loi d’Echelle » explore une technique originale pour simuler les effets d’une explosion de forte énergie. L’injection d’un courant impulsionnel intense dans un fil ou un ruban 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 faisabilité de cette technique a été démontrée en 2021 au CEA/Gramat en développant un générateur compact de courant impulsionnel intense (qq centaines de kA) ainsi qu’une configuration de fil explosé permettant de générer une explosion sphérique d’énergie conforme aux attentes.
L'objectif de ces travaux de thèse est d'utiliser différents codes de calculs développés au CEA afin de caractériser le plasma généré lors des expérimentations avec le générateur EOLE. Plus précisément, il s'agit de caractériser le plasma produit lorsqu'un courant impulsionnel intense se propage dans un fil métallique placé dans l'air ambiant.
A partir de mesures expérimentales mises en oeuvre (spectroscopie, mesures de vitesse, mesures de pression, ...), le(a) candidat(e) devra restituer ces résultats par simulation avec des codes existants . L'une des premières restitution consiste à utiliser une modélisation collisionnelle - radiative des ions pour comprendre la phénoménologie du plasma créé. Un deuxième outil consiste à utiliser un code Lagrangien monodimensionnel prenant en compte les effets hydrodynamiques engendrés par l'explosion.
Dans un premier temps, une étude bibliographique portant sur la génération de plasmas hors équilibre par impulsions de champs électriques, sera effectuée. Dans un deuxième temps, les modélisations avec le code 1D Lagrangien permettront de déterminer les paramètres macroscopiques du plasma. La modélisation du plasma sera effectuée dans un troisième temps en tenant compte du rayonnement produit par le plasma, et des collisions entre les ions. Enfin, les résultats du modèle seront validés par comparaison avec des mesures électromagnétiques (courants, tensions, champs E et H) et optiques (spectrométrie d'émission) effectuées sur le moyen EOLE.
Développement d’un flow de data préparation de lithographique 3D pour le dessin du masque freeform
Avec l’avancement des technologies optoélectroniques, notamment des imageurs et AR/VR, des géométries 3D de dimensions sub-micrométriques sont plus en plus demandées par les clients industriels. Pour fabriquer ces structures 3D, la lithographie « grayscale » avec UV profond (248nm ou 193nm) est une technologie prometteuse compatible avec la production industrielle. Par contre, la maîtrise de cette technologie est complexe et nécessite un modèle de lithographie (optique + résine) avancée pour prédire le dessin du masque optique utilisé. La thèse permettra d’améliorer notre compréhension de nos model lithographie grayscale et ses limite, ayant pour d’améliorer et d’optimiser la model et la flow de data préparation ou masque design pour diminuer l’ecart entre simulation et pattern fabriquée. Masque freeform poussera les limites de lithographie grayscale pour attendre de pitch plus agressive souhaiter pour l’application optique et optoélectronique.
Modélisation et Validation expérimentale d’un réacteur catalytique et optimisation du procédé pour la production de e-Biocarburants
Les procédés « Biomass-to-liquid » visant une gazéification de biomasse en syngaz (mélange mélange CO+CO2+H2) puis une transformation de ce syngaz par une synthèse Fischer-Tropsch visant la production de différents carburants (kérosène, diesel, gasoil marin) connaissent un essor ces 20 dernières années. Plusieurs démonstrateurs ont été développés, notamment en Europe. Cependant, le trop faible ratio H/C du syngaz résultant de la gazéification nécessite une recirculation voire le rejet du CO2 en sortie du procédé ce qui complexifie les séparations et a un impact négatif sur la valorisation du carbone biosourcé.
Récemment, la possibilité d’effectuer, au sein d’un même réacteur catalytique, la réaction de Reverse Water Gas Shift (RWGS) et la réaction de Fischer-Tropsch (FT) à l’aide de catalyseurs à base de fer et de différents promoteurs a été démontrée (Riedel, 1999) et reproduite dans le cadre de plusieurs thèses CEA/CP2M (Panzone, 2019 ). Elle ouvre de nouveaux potentiels pour valoriser au mieux l’ensemble du contenu carboné de la biomasse à condition de compléter le syngaz par un apport d’hydrogène issu d’électricité renouvelable.
L’objectif de la thèse se concentre sur l’hydrogénation directe d’un mélange CO/CO2 en hydrocarbures qui consiste à enchainer au sein du même réacteur les reactions de RWGS et la synthèse Fischer-Tropsch . Il s’agit de modéliser cette synthèse catalytique dans un réacteur à lit fixe dans des conditions représentatives d’un procédé industriel de PBtL afin d’en optimizer le fonctionnement.
Etude expérimentale des couches limites en convection turbulente par spectroscopie d'ondes multi-diffusées.
La convection turbulente est un des principaux moteurs des écoulements géophysiques et astrophysiques et est donc un élément clef de la modélisation du climat. Elle intervient aussi dans de nombreux écoulements industriels. L'efficacité du transport est souvent limitée par des couches limites dont la nature et les transitions en fonction des paramètres de contrôle sont mal connues.
Le but de cette thèse sera de mettre en place d’une expérience de convection pour sonder le taux de dissipation dans les couches limites dans le régime turbulent grâce à une technique innovante développée dans l’équipe : la spectroscopie d’ondes multi-diffusées.
Conception et fabrication de circuits neuromorphiques basés sur des dispositifs ioniques
Les réseaux de neurones (NN) sont inspirés des processus de calcul et de communication du cerveau afin de résoudre efficacement des tâches telles que l'analyse de données, le traitement adaptatif de signaux en temps réel, et la modélisation de systèmes biologiques. Cependant, les limitations matérielles constituent actuellement le principal obstacle à une adoption à grande échelle. Pour y remédier, un nouveau type d'architecture de circuit appelé "circuit neuromorphique" est en train d’émerger. Ces circuits imitent le comportement des neurones en intégrant un haut degré de parallélisme, une connectivité adaptable et un calcul en mémoire. Les transistors à base d'ions ont été récemment étudiés pour leur potentiel à fonctionner comme neurones et synapses artificiels. Bien que ces dispositifs émergents présentent d’excellentes propriétés en raison de leur très faible consommation d'énergie et de leurs capacités de commutation analogique, ils nécessitent encore une validation à l’échelle de systèmes plus larges.
Dans l'un des laboratoires du CEA-Leti, nous développons de nouveaux transistors à base de lithium en tant que brique de base pour déployer des réseaux de neurones artificiels à faible consommation d'énergie. Ces dispositifs doivent désormais être intégrés dans un système réel pour évaluer leur performance et leur potentiel. En particulier, des circuits bio-inspirés et des architectures en barre croisée pour le calcul accéléré seront ciblés.
Au cours de cette thèse, votre objectif principal sera de concevoir, implémenter et tester des réseaux de neurones basés sur des matrices de transistors à base de lithium (~20x20) et des circuits neuromorphiques, ainsi que la logique CMOS de lecture et d’écriture pour les contrôler. Les réseaux pourront être implémentés en utilisant différents algorithmes et architectures, y compris les réseaux de neurones artificiels, les réseaux de neurones impulsionnels et les réseaux de neurones récurrents, qui seront testés pour résoudre des problèmes de reconnaissance de motifs spatiaux et/ou temporels et pour reproduire des fonctions biologiques telles que le conditionnement pavlovien.
Blockchain locale embarquée sur dispositifs physiques sécurisés
La blockchain repose sur un protocole de consensus qui a pour objectif de partager et répliquer des données ordonnancées entre les pairs d’un réseau distribué. La pile protocolaire, embarquée dans les dispositifs pairs du réseau, s’appuie sur un mécanisme de preuve qui atteste l’horodatage et permet une certaine équité au sein du réseau.
Les protocoles de consensus utilisés dans les blockchains déployées aujourd’hui ne sont pas adaptés pour l’embarqué, car ils requièrent trop de ressources de communication et/ou de calcul pour la preuve. Quelques travaux de recherche, comme IOTA ou HashGraph, traitent de ce sujet et pourront être analysés dans l’état de l’art.
La problématique de la thèse est de construire un protocole de consensus, frugal en communications et en ressources de calcul, dont la pile protocolaire sera implémentée dans un dispositif embarqué sécurisé. Ce protocole devra s’appuyer sur une preuve de temps écoulée issue de travaux de notre laboratoire, également frugale, appelée Proof-of-Hardware-Time (PoHT) et satisfaire les propriétés de finalité et d’équité. L’architecture complète d’un nœud pair du réseau sera conçue et embarquée sur une carte électronique de type microprocesseur intégrant plusieurs composants de sécurité matérielle, de telle sorte que la ressource de preuve ne soit pas parallélisable. La communication entre les pairs sera établie de façon distribuée.
Etudes avancées de la Représentation Sémantique, de l'Alignement et du Raisonnement dans les Systèmes de Communication Multi-Agents pour les Réseaux 6G
Les communications sémantiques représentent un domaine de recherche émergent et transformateur, où l'objectif se déplace de la transmission de simples données brutes à celle d'informations significatives. Bien que les premiers modèles et solutions de conception aient établi des principes fondamentaux, ils reposent souvent sur des hypothèses fortes concernant l'extraction, la représentation et l'interprétation du contenu sémantique. L'arrivée des réseaux 6G introduit de nouveaux défis, en particulier avec le besoin croissant de systèmes multi-agents où plusieurs agents pilotés par l'intelligence artificielle (IA) interagissent de manière fluide.
Dans ce contexte, le défi de l'alignement sémantique devient crucial. La littérature existante sur les communications sémantiques multi-agents suppose fréquemment que tous les agents partagent un cadre d'interprétation et de compréhension commun, ce qui est rarement le cas dans des scénarios pratiques. Des représentations mal alignées peuvent entraîner des inefficacités de communication, une perte d'informations critiques et des malentendus.
Cette recherche doctorale vise à faire progresser l'état de l'art en explorant les principes de représentation sémantique, d'alignement et de raisonnement dans des environnements multi-agents IA au sein des réseaux de communication 6G. L'étude examinera comment les agents peuvent aligner dynamiquement leurs modèles sémantiques, garantissant une interprétation cohérente des messages tout en tenant compte des différences de contexte, d'objectifs et de connaissances préalables. En s'appuyant sur des techniques issues de l'intelligence artificielle, telles que l'apprentissage automatique, l'alignement d'ontologies et le raisonnement multi-agents, l'objectif est de proposer des cadres novateurs qui améliorent l'efficacité et l'efficience des communications dans des environnements multi-agents. Ce travail contribuera à des systèmes de communication plus adaptatifs, intelligents et sensibles au contexte, essentiels à l'évolution des réseaux 6G.