Nanostructured catalysts for the development of the hydrogen economy

La catalyse joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles telles que les industries pétrochimique et biochimique, ainsi que dans la production de polymères et pour la protection de l’environnement. La conception et la fabrication de catalyseurs efficaces et rentables est une étape importante pour résoudre un certain nombre de problèmes des nouvelles technologies de conversion chimique et de stockage de l’énergie. L’objectif de cette thèse est le développement de voies de synthèse efficaces et simples pour fabriquer des catalyseurs performants à base de métaux non nobles et d’examiner les aspects fondamentaux concernant la relation entre structure/composition et performance catalytique, notamment dans des processus liés à la production et au stockage de l’hydrogène. Dans un premier temps, une série d’oxydes métalliques mixtes (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) nanostructurés et poreux ont été synthétisés grâce à une méthode améliorée de nanocasting. Les matériaux Cu/CeO2 obtenus, dont la composition et la structure poreuse peuvent être contrôlées, ont ensuite été testés pour l’oxydation préférentielle du CO dans un flux d’hydrogène dans le but d’obtenir un combustible hydrogène de haute pureté. Les catalyseurs synthétisés présentent une activité et une sélectivité élevées lors de l’oxydation sélective du CO en CO2. Concernant la question du stockage d’hydrogène, une voie de synthèse a été trouvée pour le composét mixte CuO-NiO, démontrant une excellente performance catalytique comparable aux catalyseurs à base de métaux nobles pour la production d’hydrogène à partir de l’ammoniaborane (aussi appelé borazane). L’activité catalytique du catalyseur étudié dans cette réaction est fortement influencée par la nature des précurseurs métalliques, la composition et la température de traitement thermique utilisées pour la préparation du catalyseur. Enfin, des catalyseurs de Cu-Ni supportés sur silice colloïdale ou sur des particules de carbone, ayant une composition et une taille variable, ont été synthétisés par un simple procédé d’imprégnation. Les catalyseurs supportés sur carbone sont stables et très actifs à la fois dans l’hydrolyse du borazane et la décomposition de l’hydrazine aqueuse pour la production d’hydrogène. Il a été démontré qu’un catalyseur optimal peut être obtenu par le contrôle de l’effet bi-métallique, l’interaction métal-support, et la taille des particules de métal.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Conception et caractérisation d'un dosimètre à fibre scintillante pour des applications en imagerie diagnostique et interventionnelle

Cette thèse a pour sujet le développement d’un détecteur à fibre scintillante plastique pour la dosimétrie des faisceaux de photons de basses énergies. L’objectif principal du projet consiste à concevoir et caractériser cet instrument en vue de mesurer la dose de radiation reçue au cours des examens d’imagerie diagnostique et interventionnelle. La première section est consacrée à la conception de six différents systèmes et à l’évaluation de leur performance lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements de hautes et basses énergies. Tous les systèmes évalués présentaient un écart type relatif (RSD) de moins de 5 % lorsqu’ils étaient exposés à des débits de dose de plus de 3 mGy/s. Cette approche systématique a permis de déterminer que le tube photomultiplicateur répondait le mieux aux conditions d’exposition propres à la radiologie. Ce dernier présentait une RSD de moins de 1 % lorsque le débit de dose était inférieur à 0.10 mGy/s. L’étude des résultats permis également de suggérer quelques recommandations dans le choix d’un système en fonction de l’application recherchée. La seconde partie concerne l’application de ce détecteur à la radiologie interventionnelle en procédant à des mesures de dose à la surface d’un fantôme anthropomorphique. Ainsi, plusieurs situations cliniques ont été reproduites afin d’observer la précision et la fiabilité du détecteur. Ce dernier conserva une RSD inférieure à 2 % lorsque le débit de dose était supérieur à 3 mGy/min et d’environ 10 % au débit le plus faible (0.25 mGy/min). Les mesures sur fantôme montrèrent une différence de moins de 4 % entre les mesures du détecteur et celles d’une chambre d’ionisation lors du déplacement de la table ou du bras de l’appareil de fluoroscopie. Par ailleurs, cette différence est demeurée sous les 2 % lors des mesures de débit de dose en profondeur. Le dernier sujet de cette thèse porta sur les fondements physiques de la scintillation dans les scintillateurs plastiques. Les différents facteurs influençant l’émission lumineuse ont été analysés afin d’identifier leur contribution respective. Ainsi, la réponse du détecteur augmente de près d’un facteur 4 entre un faisceau de 20 kVp et 250 kVp. De ce signal, la contribution de la fluorescence produite dans la fibre claire était inférieure à 0.5 % lorsque les fibres étaient exposées sur 10 cm par des faisceaux de 20 à 250 kVp. Le phénomène d’extinction de la fluorescence par ionisation a également été étudié. Ainsi, l’atténuation du signal variait en fonction de l’énergie du faisceau et atteignit environ 20 % pour un faisceau de 20 kVp. En conclusion, cette étude suggère que les détecteurs à fibres scintillantes peuvent mesurer avec précision la dose de radiation reçue en imagerie diagnostique et interventionnelle, mais une calibration rigoureuse s’avère essentielle.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.