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Réalisation d’une expérience d’atomes froids dans une fibre à coeur creux : vers la cristallisation spontanée
No full textCold atoms are versatile quantum systems that enable the study of numerous quantum phenomena through precise tools and a high degree of control. Many experiments use these systems to explore spontaneous organization phenomena : systems that are initially disordered undergoing a phase transition to an ordered state due to interactions between their constituents. Most studies in this field rely on atoms confined in cavities. However, such cavities impose the light modes interacting with the atoms by their boundary conditions,there by predetermining the final geometry the system. Some experiments using ring cavities,which lack standing waves, offer an additional degree of freedom. In our experiment, we aim to go even further: the experiment we developed and describe in this thesis aims to induce the spontaneous crystallization of cold atoms in free space. Since the atoms are not in a cavity, they are considered as in free space, even if they are radially confined within the fiber’s core. The quasi 1D geometry increases the light-atom interaction, needed to implement the long range interatomic forces required to trigger the phase transition towards a crystal structure The cold atom crystal would be formed by long-range interactions induced by the light interacting with the atoms, simultaneously generating a light crystal with an associated superradiant pulse, that did not initially exist. Beyond a certain intensity threshold, these interactions would break the translational symmetry of the atomic cloud, with a spacing determined only by the characteristics of the cloud and the light, rather than by a standing wave.This type of experiment could contribute to the study of long-range interactions, the mechanisms of crystal formation, and could find applications in quantum simulations or magnetic field sensors. Finally, an important aspect is that the size of cold atom experiments generally remains too large to enable measurements outside vacuum chambers. In the case of atomic sensors,the measured forces often depend on the inverse of the distance from the observed fields. It is therefore crucial to work towards the miniaturization of cold atom experiments. Although other studies exploit HCFs, this experiment is unique in that it connects two vacuum chambersvia an HCF, with the goal of using cold atoms as magnetic field sensors between the chambers.This represents a step towards more compact devices for cold atom experiments. This project began with my doctoral research therefore, in this thesis, I present the development and construction of this new experiment, as well as the initial results concerning the cold atom source, the loading of atoms into the HCF, and a brief introduction to spontaneous organization phenomena.Les atomes froids sont des systèmes quantiques versatiles qui permettent l’étude de nombreux phénomènes quantiques grâce à des outils précis et un contrôle avec un haut degré de précision. De nombreuses expériences exploitent ces systèmes pour explorer des phénomènes d’organisation spontanée : des systèmes initialement désordonnés subissant une transition de phase vers un état ordonné sous l’effet des interactions entre leurs constituants. La plupart des études dans ce domaine utilisent des atomes confinés dans des cavités. Cependant, ces cavités imposent des restrictions sur les modes de lumière qui interagissent avec les atomes,prédéterminant ainsi la géométrie du système. Certaines expériences utilisant des cavités annulaires, dépourvues d’onde stationnaire, offrent un degré de liberté supplémentaire.Dans notre expérience, nous visons à aller encore plus loin : L’expérience qu’on a développé et décrite dans cette thèse a pour objectif de provoquer la cristallisation spontanée d’atomes froids en espace libre. En confinant les atomes dans une fibre à cœur creux (HCF), nous nous concentrons sur une seule dimension, considérant que les atomes sont en espace libre dans la direction longitudinale de la fibre. Le cristal d’atomes froids serait formé par des interactions de longue portée induites par la lumière avec laquelle ils, générant simultanément un cristal de lumière qui n’existait pas initialement. Au-delà d’un seuil d’intensité lumineuse, ces interactions biseraient la symétrie de translation du nuage atomique, avec un pas déterminé uniquement par les caractéristiques du nuage et de la lumière et non pas par une onde stationnaire.Ce type d’expérience pourrait contribuer à l’étude des interactions de longue portée, des mécanismes de formation des cristaux et pourrait trouver des applications dans les simulations quantiques ou les capteurs de champs magnétiques.Enfin, un aspect important est que la taille des expériences d’atomes froids reste généralement trop grande pour permettre des mesures en dehors des chambres à vide. Or, dans le cas de capteurs atomiques, les forces mesurées dépendent souvent de l’inverse de la distance par rapport aux champs observés. Il est donc crucial de tendre vers la miniaturisation des expériences d’atomes froids. Bien que d’autres travaux exploitent des HCF, cette expérience est unique en ce qu’elle connecte deux chambres à vide via une HCF, avec pour objectif l’utilisation d’atomes froids comme capteurs de champs magnétiques entre les chambres. Cela constitue une avancée vers des dispositifs plus compacts pour les expériences d’atomes froids.Ce projet a débuté avec mon doctorat. Dans ma thèse, je présente le développement et la construction de cette nouvelle expérience, ainsi que les premiers résultats concernant la source d’atomes froids, le chargement d’atomes dans la fibre à cœur creux, et une brève introduction aux phénomènes d’organisation spontanée
De l’établissement d’une relation structure-propriété vers des dispositifs d’électronique organique performants : design moléculaire de nano-anneaux et d’hydrocarbures purs
No full textOrganic electronic (OE), which aims to design innovative and high-performance devices, exploits the properties of organic semiconductors (OSCs) through detailed structure-property studies. In this thesis, two families of OSCs were investigated in distinct but complementary contexts: nanohoops and pure hydrocarbons (PHCs). The first part focuses on donor-acceptor nanohoops, strained and original π-conjugated structures, for which a solid structure-property relationship has been established. The study of nanohoops with varying sizes and arrangements, synthesized via a modular approach, highlighted the influence of these parameters on their properties, paving the way for potential applications in OE. The second part is built on this type of well-established structure-property relationship to develop new PHC-based host matrices, composed exclusively of carbon and hydrogen atoms, aimed to improve the stability and performance of blue organic light-emitting diodes (OLEDs). Host matrices derived from spirobifluorene (SBF), a notable fragment among PHCs for the precise control it offers over material properties, were designed and led to blue OLED devices that are both stable and highly efficient. The two part of this manuscript are representative of research in organic electronics: the first, fundamental, aiming to establish a structure-property relationship, and the second, applied, dedicated to pushing the performance of current devices.L’électronique organique, visant la conception de dispositifs innovants et performants, exploite les propriétés des semi-conducteurs organiques (SCOs) en s’appuyant sur des études de type structure-propriétés approfondies. Au cours de cette thèse, deux familles de SCOs ont été étudiées dans des contextes distincts mais complémentaires : les nano-anneaux et les hydrocarbures purs (PHCs). Dans une première partie consacrée aux nano-anneaux de type donneur-accepteur, des structures π-conjuguées contraintes et originales, une solide relation structure-propriétés est établie. L’étude de nano-anneaux présentant différentes tailles et agencements, synthétisés grâce à une approche modulaire, a mis en évidence l’impact de ces deux paramètres sur leurs propriétés, ouvrant la voie à leurs applications potentielles en EO. La seconde partie s’appuie sur ce type de relation structure-propriétés, déjà bien établie, pour développer de nouvelles matrices hôtes de type PHCs, constitués uniquement d’atomes de carbone et d’hydrogène, pour accroître la stabilité et la performance des diodes organiques électroluminescentes bleues. Ainsi, des matrices hôtes dérivées du spirobifluorène (SBF), un fragment se démarquant des autres PHCs par le contrôle précis des propriétés qu’il permet, ont été conçus et ont conduit à des dispositifs bleus à la fois stables et hautement performants. Les deux parties de ce manuscrit sont représentatives de la recherche en électronique organique : l’une, fondamentale, visant à établir une relation structure propriété, et l’autre, appliquée, consacrée à repousser les performances des dispositifs actuels
Découverte de points de contrôle immunitaires de la sénescence basés sur les gangliosides : impact sur le vieillissement et les maladies
No full textAging is marked by a progressive decline in physiological function, leading to an increased susceptibility to age-related diseases and cancer. On the cellular level, aging correlates with an accumulation of senescent cells, which play a dual role: they are critical for tissue homeostasis, yet their over-accumulation may drive pathological aging. While some senescent cells are eliminated by the immune system, some others evade immune clearance and contributes to pathological aging. However, the mechanisms by which the immune system clears senescent cells remain largely elusive. A deeper understanding of senescent cell accumulation could enhance our comprehension of the pathogenesis of age-related diseases and facilitate the development of novel therapeutic strategies.We recently revealed that some senescent cells could overexpress immunosuppressive molecules like the ganglioside GD3 at their cell surface to evade from immune surveillance by Natural Killer (NK) cells and to force their tolerogenicity. Thus, we propose that senescent cells can induce specialized immune checkpoints—termed Senescence-associated Immune Checkpoints (SIC)—that enable them to evade immune detection by triggering immunosuppression, allowing them to persist in the tissues, and accelerating aging (Iltis*, Moskalevska* et al. Nature Aging 2025, * co-first authors). Our project aims to investigate the consequences of interactions between senescent and immune cells and to determine how these interactions impact longevity and the development of age-related diseases.We have demonstrated that targeting GD3 with an antibody restores NK cell capacity to eliminate senescent cells in vitro as well as in a bleomycin-induced murine pulmonary fibrosis model. Additionally, we found that SIC-targeting immunotherapy in an aging murine model improves both lifespan and healthspan in a sex-dependent manner (Moskalevska et al, submitted). We demonstrate that transient immuno-senotherapy against GD3 triggers a long-term protective response against age-related diseases (lung, kidney and liver fibrosis, arthrosis) by delaying the manifestation of aging. SIC-targeting immunotherapy promotes healthy aging for over a year after treatment cessation.Thus, targeting the immunosuppressive properties of senescent cells with an anti-GD3 mAb can blunt pathological aging. In light of these results, we propose that SIC-targeting immunotherapy could pave the way for a new class of senotherapy to delay pathological aging.Le vieillissement se caractérise par un déclin progressif des fonctions physiologiques, entraînant une susceptibilité accrue aux maladies liées à l'âge et au cancer. À l'échelle cellulaire, le vieillissement est associé à une accumulation de cellules sénescentes, qui jouent un rôle double : elles sont essentielles à l'homéostase tissulaire, mais leur accumulation excessive peut favoriser un vieillissement pathologique. Si certaines cellules sénescentes sont éliminées par le système immunitaire, d'autres échappent à cette surveillance immunitaire et contribuent au vieillissement pathologique. Cependant, les mécanismes par lesquels le système immunitaire élimine ces cellules sénescentes restent encore largement méconnus. Une meilleure compréhension de l'accumulation des cellules sénescentes pourrait améliorer notre connaissance de la pathogenèse des maladies liées à l'âge et faciliter le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques.Nous avons récemment révélé que certaines cellules sénescentes peuvent surexprimer des molécules immunosuppressives, comme le ganglioside GD3 à leur surface, afin d'échapper à la surveillance immunitaire exercée par les cellules Natural Killer (NK) et d'induire leur tolérance. Ainsi, nous proposons que les cellules sénescentes puissent induire des points de contrôle immunitaires spécialisés, appelés « points de contrôle immunitaires associés à la sénescence » (SIC, pour Senescence-associated Immune Checkpoints), leur permettant d'échapper à la détection immunitaire en déclenchant une immunosuppression, favorisant leur persistance dans les tissus et accélérant le vieillissement (Iltis*, Moskalevska* et al., Nature Aging 2025, *co-premiers auteurs). Notre projet vise à étudier les conséquences des interactions entre cellules sénescentes et cellules immunitaires, et à déterminer comment ces interactions influencent la longévité et le développement des maladies liées à l'âge.Nous avons démontré que le ciblage du GD3 par un anticorps permet de restaurer la capacité des cellules NK à éliminer les cellules sénescentes in vitro, ainsi que dans un modèle murin de fibrose pulmonaire induite par la bléomycine. De plus, nous avons observé que l'immunothérapie ciblant les SIC dans un modèle murin de vieillissement améliore à la fois l'espérance de vie et la qualité de vie, de manière sexe-dépendante (Moskalevska et al., soumis). Nous démontrons qu'une immuno-sénothérapie transitoire ciblant le GD3 déclenche une réponse protectrice à long terme contre les maladies liées à l'âge (fibrose pulmonaire, rénale et hépatique, arthrose), en retardant la manifestation du vieillissement. L'immunothérapie ciblant les SIC favorise un vieillissement en bonne santé pendant plus d'un an après l'arrêt du traitement.Ainsi, le ciblage des propriétés immunosuppressives des cellules sénescentes avec un anticorps anti-GD3 peut atténuer le vieillissement pathologique. À la lumière de ces résultats, nous proposons que l'immunothérapie ciblant les SIC pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de sénothérapies pour retarder le vieillissement pathologique
Fabriquer les espaces de circulation depuis une selle de vélo, des histoires d’expertise dans la région nantaise
No full textThe development of active mobility policies in France is pushing local authorities to integrate cycling into territorial planning, but institutional actors’ skills remain shaped by a car-oriented culture. As a result, cycling facilities are sometimes unsuitable, affecting users in their daily lives. Refusing to accept this as inevitable, cyclists are organizing into associations to assert their user expertise and influence public decisions, acting both as counter-powers and as forces of proposal. These activists seek to shape planning and design processes by participating directly or negotiating their place within the production of circulation spaces. This thesis examines the role of pro-cycling associations in this planning production through an empiric-inductive approach, notably via action-research under a CIFRE agreement within the Place au Vélo Nantes association. By adopting multiple lenses, the investigation explores the trajectories of organizations and individuals both over the long term and through specific local cases. The study sheds light on the articulation between expertise and participation, questioning the capacity of civil society to impact cycling policies, the effectiveness and embeddedness of mobilizations, the construction of activist expertise, the responsiveness of public authorities, and their strategies to neutralize or capitalize on these movements.Le développement des politiques de mobilités actives en France oblige les collectivités à intégrer le vélo dans l’aménagement du territoire, mais les compétences des acteurs institutionnels restent marquées par la culture automobile. Il en résulte des aménagements cyclables parfois inadaptés, que les usagers subissent au quotidien. Refusant la fatalité, ces derniers se regroupent en associations pour valoriser leur expertise d’usage et peser sur les décisions publiques, agissant à la fois comme contre-pouvoir et force de proposition. Ces militants cherchent à influencer la planification et la conception des aménagements, en participant ou en négociant leur place dans la fabrique des espaces de circulation. Cette thèse interroge la place des associations pro-vélo au sein de cette fabrique au travers d'une démarche empirico-inductive par le biais d'une recherche-action en CIFRE au sein de l'association Place au Vélo Nantes. En adoptant différentes focales, l'enquête explore la trajectoire des organisations et des individus à la fois dans un temps long et au travers de cas ponctuels et locaux. L’étude met en lumière l’articulation entre expertise et participation, questionnant la capacité d’action de la société civile sur les politiques cyclables, l’efficacité et l’ancrage des mobilisations, la construction d’une expertise militante, la réceptivité des collectivités et leurs stratégies de neutralisation ou de valorisation de ces mouvements
Applications et extensions de méthodes gaussiennes pour la certification d'un contrôleur industriel non-linéaire
No full textThe energy transition has changed how electricity is produced and consumed. Electricity consumption grows, renewables energies spread, and the power grid becomes harder to manage. For RTE, the operator of the French power grid, this complicates congestion management, the task of keeping power lines from overloading, which must now be performed close to real-time. In answer, RTE developed NAZA, a controller that automates this task. Alongside NAZA's deployment, RTE seeks to certify its proper functioning. The naive approach is computationally intractable because it involves too many time-consuming network simulations. This PhD proposes a faster solution: train a Gaussian process to emulate the simulator, and significantly reduce the number of simulations needed. Methods relying on a Gaussian assumption are interpretable, data-efficient, and provide uncertainty quantification, key advantages for safety-critical applications. Finally, several contributions are proposed to improve their performance for real-world data.La transition énergétique a bouleversé la production et la consommation d'électricité. La demande croît, les énergies renouvelables (EnR) se développent, et pour RTE, le réseau devient plus difficile à piloter. L'incertitude des EnR complexifie la gestion des congestions, qui consiste à maintenir le courant des lignes sous le seuil de surcharge. Cette tâche doit désormais être effectuée presque en temps réel, RTE a donc conçu le contrôleur NAZA pour l'automatiser. En parallèle du déploiement de NAZA, RTE souhaite certifier son bon fonctionnement. L'approche naïve qui consiste à simuler un grand nombre de scénarios pour vérifier qu'aucune congestion ne survient prend trop de temps. Cette thèse propose donc une solution plus rapide: entraîner un processus gaussien à émuler le simulateur pour réduire le nombre de simulations à effectuer. Au-delà de cette application industrielle, cette thèse généralise plusieurs algorithmes existants en relachant l'hypothèse gaussienne sous-jacente pour améliorer leurs performances
Algorithmes Branch-and-Price pour l'ordonnancement sur machines parallèles avec coûts d'utilisation des machines
No full textParallel machine scheduling widely occurs in manufacturing systems, computer systems, and services, playing a key role in optimizing resource allocation, improving production efficiency, and reducing costs. These problems have thus garnered extensive interest and thorough investigation over recent decades. Nonetheless, there are still notable research gaps: 1) Most works focus on optimizing completion time-related objectives, neglecting machine usage costs; 2) While considering machine usage costs, heuristics are predominant, with limited exploration of exact algorithms; 3) Branch-and-price (BaP) approach is seldom used for parallel machine scheduling involving Min-Max objectives and machine usage costs. This thesis addresses these gaps by exploring three new unrelated parallel machine scheduling problems and taking into account machine usage costs, where using a machine induces a fixed cost and a variable cost. Tailored BaP algorithms are developed through comprehensive analyses of the problems' properties.Firstly, taking the machine usage cost as an optimization objective, an unrelated parallel machine scheduling problem is investigated to minimize the total cost due to machine usage and the total weighted completion time. To address this problem, four mathematical models based on the Shortest Weighted Processing Time (SWPT) rule are introduced. The problem then is formulated into a set-partitioning model, for which a BaP algorithm is proposed with an appropriate branching strategy. This strategy facilitates the development of a polynomial-time heuristic and an efficient pseudo-polynomial exact dynamic programming algorithm to solve the pricing problems. Experiments on 900 instances reveal that: 1) The heuristic method significantly reduces computation time; 2) The BaP algorithm can optimally solve instances with up to 225 jobs and 15 machines within one hour; 3) The BaP algorithm outperforms the SWPT-based mathematical models and an existing BaP algorithm designed for a special case.Next, taking the machine usage cost as a budget constraint, a problem with the objective of minimizing total weighted completion time is studied. Two SWPT-based models and a BaP algorithm are developed. Additionally, a pseudo-polynomial dynamic programming and a polynomial-time heuristic method are developed to solve the pricing problem. Experiments on 2700 instances (under three budget levels) reveal that: 1) The heuristic significantly contributes to the BaP algorithm's efficiency; 2) SWPT-based models combined with off-the-shelf optimization solvers are competitive under a tight budget constraint, while the BaP algorithm outperforms the models in the opposite case and 3) The BaP algorithm is superior to a Lagrangian relaxation-based algorithm, especially for tight budgets.Lastly, taking the total machine usage cost as a budget constraint, the problem with the objective of minimizing the maximum tardiness is investigated. A mathematical model based on the Earliest Due Date (EDD) rule is introduced. Afterward, a BaP algorithm incorporating the budget constraint is proposed, where the pricing problem is solved with a polynomial-time heuristic and a mixed-integer programming-based exact algorithm. Experiments on 540 instances are conducted to explore the impact of the job processing times, due dates, and the budget tightness on the performances. Experimental results show that: 1) The heuristic facilitates the convergence of the BaP algorithm; 2) The EDD-based model combined with an off-the-shelf optimization solver is competitive under a tight budget constraint, while the BaP algorithm performs better in the opposite situation, especially for tight due dates; and 3) The BaP algorithm consistently outperforms an existing constraint programming model designed for a similar problem, particularly when processing times among jobs are similarL'ordonnancement sur machines parallèles se posent fréquemment dans les systèmes de production de biens et de services et les systèmes informatiques, jouant un rôle clé dans l'optimisation de l'allocation de ressources, l'amélioration de l'efficacité de la production et la réduction des coûts. Ces problèmes ont donc suscité un intérêt considérable et ont fait l'objet de recherches approfondies au cours des dernières décennies. Il existe toutefois encore des lacunes notables dans les études existantes : 1) La plupart des travaux se concentrent sur l'optimisation des objectifs liés aux dates de fin des tâches, négligeant les coûts d'utilisation des machines; 2) Même si les coûts d'utilisation des machines sont pris en compte, les méthodes développées sont principalement des heuristiques, avec peu d'algorithmes exacts; 3) L'approche Branch-and-price (BaP) est rarement utilisée pour l'ordonnancement des machines parallèles impliquant des objectifs Min-Max et des coûts d'utilisation des machines. Cette thèse comble ces lacunes en explorant trois nouveaux problèmes d'ordonnancement sur machines parallèles non reliées en prenant en compte les coûts d'utilisation des machines, où l'utilisation d'une machine engendre un coût fixe et un coût variable. Des algorithmes de type BaP sur mesure sont développés grâce à des analyses approfondies de propriétés des problèmes.Nous étudions d'abord un problème d'ordonnancement sur machines parallèles non reliées en prenant en compte le coût d'utilisation de machines dans la fonction objectif qui inclut aussi le coût lié aux dates de fin des tâches. Pour résoudre ce problème, quatre modèles mathématiques basés sur la règle SWPT (shortest weighted processing time) sont introduits. Le problème est ensuite formulé comme un problème de partitionnement pour lequel un algorithme BaP est proposé avec une stratégie de branchement appropriée. Cette stratégie facilite le développement d'une heuristique en temps polynomial et d'un algorithme exact pseudo-polynomial basé sur la programmation dynamique pour résoudre les problèmes de pricing. Des expériences sur 900 instances montrent que : 1) L'heuristique réduit considérablement le temps de calcul; 2) En moins d'une heure, l'algorithme BaP peut résoudre de manière exacte des instances avec 225 tâches et 15 machines. Ensuite, un problème de minimisation de la somme pondérée des dates de fin est étudié, avec le coût total d'utilisation des machines comme une contrainte budgétaire. Deux modèles basés sur SWPT et un algorithme BaP sont développés. De plus, un algorithme exact pseudo-polynomial de type programmation dynamique et une heuristique en temps polynomial sont développés pour résoudre le problème de pricing. Des expériences sur 2700 instances révèlent que: 1) l'heuristique contribue de manière significative à l'efficacité de l'algorithme BaP; 2) les modèles basés sur SWPT combinés à un solveur d'optimisation l'emploi sont compétitifs lorsque le budget est serré, tandis que l'algorithme BaP surpasse les modèles dans le cas contraire. Enfin, nous étudions la minimisation du retard maximal, en prenant aussi le coût total d'utilisation des machines comme une contrainte budgétaire. Un modèle mathématique basé sur la règle EDD (earliest due date) est introduit. Un algorithme BaP intégrant la contrainte budgétaire est proposé, où le problème de pricing est résolu avec une heuristique polynomiale et un algorithme exact basé sur la programmation linéaire en nombres entiers mixtes. Des expériences sur 540 instances sont menées pour explorer l'impact des temps opératoires des tâches, des délais et du niveau budgétaire sur les performances. Les résultats expérimentaux montrent que: 1) l'heuristique facilite la convergence de l'algorithme BaP; 2) le modèle basé sur EDD combiné à un solveur d'optimisation est compétitif si le budget est serré, sinon l'algorithme BaP est plus performant, en particulier si les délais sont court
Dimensionnement et modélisation des câbles supraconducteurs pour le réseau ferroviaire français à courant continu
No full textThis thesis investigates the integration of direct current superconducting cables into the French railway network. Conducted as part of the SuperRail project, it aims to install two superconducting cables at the Montparnasse station in Paris, a first in France. The project brings together several partners: Nexans for cable manufacturing and integration into the railway network, Absolut System for the development of cooling systems, and academic laboratories GREEN (University of Lorraine) and GeePs (CentraleSupélec), providing scientific expertise. Although discussions began in 2018-2019 and the project officially started in 2022, the thesis, initiated in 2020, enabled crucial advancements in cable modeling, sizing, and simulation, facilitating quick solutions to technical challenges throughout the project phases. Integrating a superconducting cable into a conventional railway network requires modeling several components, such as terminations and the cooling system, while considering complex multiphysical parameters, including the nonlinear behavior of superconducting materials and the electrical characteristics of the railway network. To address these challenges, the thesis is structured into five interconnected chapters. The first chapter outlines the challenges of 1500 V direct current railway networks and presents a review of superconducting tapes and cables. The second chapter develops multiphysical analytical tools for cable modeling. A 3D model is used to calculate the magnetic field, while thermal and hydraulic models simulate temperature rise and pressure drop within the cables. These tools are adapted for different superconducting cable architectures. The third chapter focuses on the sizing and optimization of superconducting cables. It describes the technical choices made for each component and applies a sizing algorithm based on a specification similar to that used in SuperRail. A comparative study of 44 cables highlights the impact of parameters such as cable length, transported current, and selected superconducting tapes. The fourth chapter addresses the impact of the superconducting cable on a railway network. By simulating train dynamics, current calls, and key substation components, a detailed network model is developed using Matlab Simulink. This model is coupled with a finite element model of the cable in COMSOL Multiphysics, employing the T-A formulation of Maxwell's equations. These simulations assess the cable's impact on energy consumption and overall network performance, incorporating cooling system optimization. Finally, the fifth chapter presents experimental validations. A comparative study of five HTS 2G superconducting tapes from manufacturers such as Shanghai Superconductor, Theva, Sunam, and SuperOx evaluates their performance under current pulses up to five times their critical current at 77 K. These results support the development of a thermo-electrical model validated by experiments and simulate the behavior of cables under fault conditions. By combining analytical modeling, numerical simulation, and experimental validation, this thesis makes significant contributions to the integration of superconductivity in railway networks, paving the way for a major technological breakthrough in this field.Cette thèse explore l'intégration de câbles supraconducteurs à courant continu dans le réseau ferroviaire français. Réalisée dans le cadre du projet SuperRail, elle vise l'installation de deux câbles supraconducteurs à la gare Montparnasse à Paris, une première en France. Ce projet réunit plusieurs partenaires : Nexans pour la fabrication des câbles et l'intégration au réseau ferroviaire, Absolut System pour le développement des systèmes de refroidissement, et les laboratoires GREEN (Université de Lorraine) et GeePs (CentraleSupélec), qui apportent leur expertise scientifique. Bien que les discussions aient débuté en 2018-2019 et que le projet ait été lancé en 2022, la thèse, amorcée en 2020, a permis d'anticiper des avancées cruciales en modélisation, dimensionnement et simulation des câbles, facilitant la résolution rapide des problématiques techniques au fil des phases du projet. L'intégration d'un câble supraconducteur dans un réseau ferroviaire classique nécessite de modéliser plusieurs composants, comme les terminaisons et le système de refroidissement, tout en prenant en compte des paramètres multiphysiques complexes, notamment les comportements non linéaires des matériaux supraconducteurs et les caractéristiques électriques du réseau ferroviaire. Pour répondre à ces défis, la thèse est structurée en cinq chapitres complémentaires. Le premier chapitre expose les problématiques des réseaux ferroviaires à courant continu (1500 V) et présente un état de l'art des rubans et câbles supraconducteurs. Le deuxième chapitre développe des outils analytiques multiphysiques pour modéliser les câbles. Un modèle 3D calcule le champ magnétique, tandis que des modèles thermiques et hydrauliques permettent de simuler l'élévation de température et la chute de pression dans les câbles. Ces outils sont adaptés à diverses architectures de câbles supraconducteurs. Le troisième chapitre aborde le dimensionnement et l'optimisation des câbles supraconducteurs. Il décrit les choix techniques adoptés pour chaque composant et applique un algorithme de dimensionnement en respectant un cahier des charges similaire à celui de SuperRail. Une étude comparative sur 44 câbles met en lumière l'influence de paramètres tels que la longueur, le courant transporté et les rubans supraconducteurs choisis. Le quatrième chapitre se concentre sur l'impact du câble supraconducteur sur un réseau ferroviaire. En simulant la dynamique des trains, les appels de courant et les principaux composants des sous-stations, un modèle détaillé du réseau est développé sous Matlab Simulink. Ce modèle est couplé à une modélisation en éléments finis sous COMSOL Multiphysics, utilisant la formulation T-A des équations de Maxwell pour représenter le câble. Ces simulations évaluent notamment l'impact du câble sur la consommation énergétique et les performances globales du réseau, en intégrant l'optimisation du système de refroidissement. Enfin, le cinquième chapitre porte sur les validations expérimentales. Une étude comparative de cinq rubans supraconducteurs HTS 2G, provenant de fabricants comme Shanghai Superconductor, Theva, Sunam et SuperOx, évalue leurs performances sous courants impulsionnels jusqu'à cinq fois leur courant critique à 77 K. Ces résultats permettent de développer un modèle thermoélectrique, validé expérimentalement, et de simuler le comportement des câbles en cas de défaut. En combinant modélisation analytique, simulation numérique et validation expérimentale, cette thèse apporte des contributions significatives à l'intégration de la supraconductivité dans les réseaux ferroviaires, ouvrant la voie à une avancée technologique majeure dans ce domaine
Modélisation et résolution d'interactions aiguille-tissus pour un rendu haptique rapide et stable : Application aux procédures hépatiques percutanées
No full textNeedle-based procedures to treat liver cancers improve patients’ recovery time compared to open surgeries,but they raise challenges for clinicians. Devices such as numerical simulators with haptic rendering facilitatetraining to these difficult procedures. However, their conception is complex, as high stability and computationalperformance are required to allow user interaction. This thesis proposes numerical methods to model anappropriate environment and solve constraints while ensuring both performance and stability for a needleinsertion simulator with haptic rendering, applied to hepatic procedures. A unified processing ofheterogeneous models and a hybrid constraint solving method are first proposed, offering simulationperformance and stability in spite of a complex environment. An asynchronous haptic framework and a high-rateconstraint solving method are then proposed, modeling frictional and deformable needle-tissueinteractions in a haptic context. A simulator gathering a simulation and both visual and haptic rendering iseventually assembled.Les procédures percutanées traitant certains cancers du foie améliorent le rétablissement des patients face aux chirurgies ouvertes, mais sont très complexes pour le médecin. Des dispositifs tels que des simulateurs numériques avec retour haptique favorisent l'entraînement à ces procédures délicates. Leur conception est toutefois complexe, car ils nécessitent une grande stabilité et performance de calcul pour permettre l'interaction de l'utilisateur. Cette thèse propose des méthodes numériques de modélisation d'un environnement et de résolution de contraintes garantissant performance et stabilité pour un simulateur d'insertion d'aiguille avec retour haptique, appliqué aux procédures hépatiques. Un traitement unifié de modèles hétérogènes et une résolution hybride des contraintes sont d'abord proposés, offrant performances et stabilité de simulation malgré un environnement complexe. Un schéma haptique asynchrone ainsi qu'une méthode de résolution de contraintes haute fréquence sont ensuite proposés, modélisant des interactions aiguille-tissus frottantes et déformables dans un cadre haptique. Un simulateur regroupant simulation, rendus haptique et visuel est enfin assemblé
Certains aspects géométriques de la relativité générale vue sous l'angle de la mécanique des milieux continus : interaction avec les mesures des interféromètres de type VIRGO et LISA
No full textThis thesis establishes a mechanical analogy between space-time, deformed under a weak gravitational field, and a transversely isotropic elastic medium endowed with geometric torsion (Einstein-Cartan). It predicts lateral movements of interferometer arms, longitudinal wave polarizations, and a foliation of space (gravitational waves and the cosmic microwave background). Formally, an elastic stress-energy tensor of the vacuum is introduced. The associated model is a network of quantum beams. Membrane, shell, and lattice-based modeling (gravitational waves) allow, from the measured deformations of space-time, the quantification of the vacuum’s elastic properties: a spatial Young’s modulus (10³⁸–10⁴⁴ Pa) and a temporal Young’s modulus (10²⁰–10³¹ Pa), with a Poisson’s ratio equal to 1 in the transverse plane... This framework offers a novel mechanical interpretation of previously unknown physical phenomena, such as dark energy associated with thermal curvature and dark matter assimilated to a viscoelastic creep of this fundamental medium.Cette thèse établit une analogie mécanique entre l’espace-temps déformé en champ de gravité faible, et un milieu élastique isotrope transverse doté de torsion géométrique (Einstein-Cartan). Elle prédit des mouvements latéraux des bras d’interféromètres, des polarisations d’ondes longitudinales et un feuilletage de l’espace (ondes gravitationnelles et fond diffus cosmologique). Formellement, un tenseur de contrainte-énergie élastique du vide est introduit. Le modèle associé est un réseau de poutres quantiques. Des modélisations en membranes, coques et en treillis (ondes gravitationnelles) permettent, à partir des déformations mesurées de l’espace-temps, de quantifier les propriétés élastiques du vide : un module d’Young spatial (10³⁸–10⁴⁴ Pa) et un module d’Young temporel (10²⁰–10³¹ Pa), avec coefficient de Poisson égal à 1 dans le plan transverse... Ce cadre offre une interprétation mécanique novatrice de phénomènes physiques inconnus, comme l’énergie noire associée à une courbure thermique et la matière noire assimilée à un fluage viscoélastique de ce milieu fondamental
Mélanges gazeux respectueux de l'environnement et systèmes de surveillance pour les détecteurs du LHC
No full textGreenhouse gas emissions from particle detectors at the CERN LHC pose significant environmental and operational challenges due to their reliance on fluorinated gases with high global warming potential. This thesis addresses these challenges through a comprehensive investigation of eco-friendly gas mixtures and gas monitoring strategies for Resistive Plate Chambers (RPCs) and other gaseous detectors. Two primary research directions are explored. The first involves the development and validation of sustainable gas mixtures. A short-term solution using CO2 as a partial replacement for R134a was validated up to 30% substitution, demonstrating comparable detector performance and stable long-term behavior under irradiation. The ATLAS experiment has adopted this mixture since August 2023. A longer-term solution based on HFO-1234ze was studied within the RPC ECOgas@GIF++ collaboration, showing promising results in ageing campaigns and achieving over 75% reduction in CO2-equivalent emissions. Additionally, a novel MRPC prototype was constructed to test alternatives to SF6, including Novec extsuperscript{TM} 4710, demonstrating operational feasibility with lower environmental impact. The second part of the thesis focuses on gas system monitoring when operated with gas recirculation and recuperation. Detailed studies on the ALICE MID system confirmed the stability of operation under high recirculation rates, up to 87% and revealed correlations between integrated charge, LHC luminosity and fluoride production. Similarly, monitoring in the CMS CSC system using Single Wire Proportional Chambers provided real-time impurity detection and enabled quantification of oxygen contamination. A new setup was also developed to measure fluoride ion production for alternative CF4-based mixtures. The findings of this thesis contribute significantly to the ongoing effort to reduce the environmental impact of LHC detectors while preserving performance and reliability.Les émissions de gaz à effet de serre provenant des détecteurs de particules du LHC du CERN représentent un défi environnemental et opérationnel majeur en raison de leur dépendance aux gaz fluorés à fort potentiel de réchauffement global. Cette thèse aborde ces problématiques à travers une étude approfondie des mélanges gazeux écologiques et des stratégies de surveillance des gaz pour les chambres à plaques résistives (RPC) et autres détecteurs gazeux. Deux axes de recherche principaux sont explorés. Le premier concerne le développement et la validation de mélanges gazeux durables. Une solution à court terme utilisant le CO2 comme substitut partiel du R134a a été validée jusqu’à 30,% de substitution, démontrant des performances détecteur comparables et un comportement stable à long terme sous irradiation. Cette solution a été adoptée par l’expérience ATLAS depuis août 2023. Une solution à plus long terme basée sur le HFO-1234ze a été étudiée dans le cadre de la collaboration RPC ECOgas@GIF++, montrant des résultats prometteurs lors des campagnes de vieillissement et permettant une réduction de plus de 75% des émissions équivalentes CO2. En parallèle, un nouveau prototype de MRPC a été construit pour tester des alternatives au SF6, telles que le Novec extsuperscript{TM} 4710, démontrant une faisabilité opérationnelle avec un impact environnemental réduit. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la surveillance des systèmes de gaz en mode recirculation et récupération. Des études détaillées sur le système MID d’ALICE ont confirmé la stabilité de fonctionnement à des taux de recirculation élevés, jusqu’à 87,%, et ont mis en évidence des corrélations entre la charge intégrée, la luminosité du LHC et la production de fluorures. De même, la surveillance du système CSC de CMS à l’aide de chambres proportionnelles à fil unique a permis une détection en temps réel des impuretés et la quantification de la contamination en oxygène. Un nouveau dispositif a également été développé pour mesurer la production d’ions fluorures dans des mélanges alternatifs à base de CF4. Les résultats de cette thèse contribuent de manière significative à l’effort en cours visant à réduire l’impact environnemental des détecteurs du LHC tout en maintenant leurs performances et leur fiabilité