identifier: Fitzhenry, Emily  (2021). Application de la scanographie à l’étude de l’injection de mousse pour le traitement de sols contaminés au diesel.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 174 p.

subject:
milieux poreux
réhabilitation in situ
diesel
solutions tensioactives
mousse
débit fractionné de gaz
scanographie tomodensitométrique
gradient de pression
profils de saturation
mobilisation
porous medium
in situ remediation
diesel
surfactant solutions
foam
gas fractional flow rate
computed tomography
pressure gradient
fluid saturation profiles
mobilization

abstract:
Les projets d’excavation de sols contaminés peuvent présenter d’importantes difficultés techniques, notamment en raison de la présence d’infrastructures hors terre ou souterraines, ou en raison d’une zone source trop profonde. Dans de tels cas, il est préférable d’appliquer les technologies de réhabilitation in situ. L'injection de mousse pour la récupération des liquides immiscibles légers (LIL) a fait l'objet de développements importants au cours des dernières années. Toutefois, la meilleure compréhension des processus de récupération des LIL avec la mousse est limitée par la capacité d'observer les conditions à l'intérieur des milieux poreux. Ce projet a pour objectif d’étudier, à l’aide d’un scanographe tomodensitométrique, le procédé d’injection de mousse pour récupérer un LIL présent à saturation résiduelle dans un sol. La méthodologie est divisée en deux volets de recherche, soit : (1) la mise au point du scanographe médical à l’INRS ETE et le développement d’un algorithme de traitement d’images CT; et (2) la réalisation d’essais d’injection de mousse en colonne de sable contaminé au diesel. La mise au point du scanographe a impliqué l’acquisition d’images CT d’une colonne de sable en utilisant 80 différentes combinaisons de paramètres d’acquisition et de reconstruction, afin d’identifier quelle combinaison était la mieux adaptée pour permettre l’extraction de données de saturation pour les fluides d’intérêt (eau, air et LIL). La technique d’extraction de données qui a été intégrée à l’algorithme est basée sur des opérations de soustraction entre des séries d’images du milieu poreux acquises à différents états de saturation. Les profils de saturation en LIL extraits par l’algorithme développée concordaient bien avec les valeurs de saturation moyennes déterminées par le bilan de masse expérimental. Une série d’essais en laboratoire a été réalisée afin d’identifier la formulation tensioactive ainsi que les conditions d’injection les mieux adaptées pour la génération et la propagation de mousse en colonne de sable contaminé par du diesel, un LIL. Six tensioactifs ont fait l’objet d’un processus de sélection comprenant la mesure de leurs propriétés physiques, des essais de stabilité de mousse en lot, et des essais de co-injection de mousse par paliers croissants de débits constants. Par la suite, deux essais de co-injection de mousse en colonne de sable contaminé par du LIL, réalisés respectivement à haute et à basse pressions, ont été imagés au scanographe. Les données extraites des images CT ont permis de comparer les deux scénarios au niveau de la structure de la mousse et de la dynamique de désaturation du LIL. À l'issu des essais en laboratoire, les plages de conditions initiales de terrain pour lesquelles la mise en œuvre des procédés d'injection de mousse développés serait envisageable ont été estimées. Des travaux futurs seront nécessaires pour optimiser la formulation de la solution tensioactive afin d’abaisser davantage la tension interfaciale du système, et pour tester différentes stratégies d’injection dans le but de minimiser l’effet de colmatage du milieu par la mousse visqueuse.

Excavation of contaminated soil can be technically infeasible on sites with existing aboveground or underground infrastructures, or on sites with relatively deep contaminant source zones. In situ remediation strategies are warranted in such cases. In recent years, significant advances have been made in the development of the surfactant foam injection technology for the recovery of Light Non-Aqueous Phase Liquids (LNAPLs). However, the interactions that occur between LNAPL and foam remain poorly understood given how difficult it is to observe the conditions inside porous media. The main objective of this project was to use X-ray Computed Tomography (CT) imaging techniques to study surfactant foam injection for the enhanced recovery of diesel, an LNAPL, trapped in soil at residual saturation. The methodology of the project was divided into two general parts: (1) optimization of a medical CT-scanner and development of an image-processing algorithm, and; (2) carrying out foam injection experiments in diesel-contaminated sand columns. The optimization process for the CT-scanner involved acquiring CT images of a sand column using 80 different combinations of acquisition and reconstruction parameters, in order to identify the combination best suited for extracting the saturation data for the fluids of interest (water, air, LNAPL). The data extraction approach that was integrated into the algorithm was based on the principle of image subtraction between stacks of images of the porous medium at different saturation states. The LNAPL saturation profiles extracted using the algorithm developed were found to be in good agreement with the average saturation values as determined by experimental mass-balance. A series of laboratory experiments was carried out in order to identify the surfactant solution formulation as well as the injection parameters that are most conducive for generating and propagating foam within the LNAPL-contaminated sand column. Six surfactant candidates were subjected to a selection process, which included measurement of their physical properties, bulk foam stability tests, as well as foam flow-rate tests. Finally, two co-injection foam experiments were carried out in LNAPL-contaminated sand columns, respectively at high- and low-pressure, and imaged using the optimized CT protocol. The data subsequently extracted from CT images was used to compare the two pressure conditions, in terms of the evolution of foam morphology and the LNAPL desaturation dynamics involved over the course of the injection. Following the laboratory column experiments, the field-scale applicability range of the two foam injection protocols tested were evaluated. Further work will be required to optimize the surfactant solution to achieve ultra-low IFT values and thus improve recovery efficiency at low pressures, as well as to develop an injection strategy that limits pore plugging by viscous foam.


identifier: Riahi, Khawla  (2021). Analyse du bilan hydrologique d’une tourbière ombrotrophe située dans le bassin versant de la rivière Romaine, Côte-Nord, Québec.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 83 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
tourbière
bilan hydrologique
coefficient d’emmagasinement
stockage
évapotranspiration potentielle
modélisation
peatland
hydrological budget
specific yield
storage
potentiel evapotranspiration
modelling

abstract:
Les tourbières sont relativement abondantes sur le territoire du Québec. Elles constituent l'un des principaux écosystèmes contribuant à la séquestration du carbone. La construction de quatre réservoirs hydroélectriques sur le bassin versant de la rivière Romaine, situé en Côte-Nord, a ennoyé différents écosystèmes, dont 12,5 % sont des tourbières. En juin 2018, une tourbière ombrotrophe a été instrumentée afin d’effectuer des études approfondies sur le cycle du carbone et évaluer l’impact de l’ennoiement des tourbières dans les réservoirs. Des dispositifs expérimentaux ont été mis en place pour étudier la dynamique hydrologique de la tourbière et quantifier les valeurs de précipitations (P), de ruissellement (Q), d'évapotranspiration (ET) et de variations de niveaux de nappe phréatique (∆h) contribuant aux estimations des flux de carbone Deux méthodes ont été utilisées pour estimer le coefficient d’emmagasinement (Sy) parmi les horizons tourbeux : une méthode de drainage pratiquée sur un sous-échantillon de la tourbière et une méthode de calcul basée sur les fluctuations du niveau de la nappe. Les analyses de laboratoire effectuées avec le réservoir donnent des valeurs de Sy variant de 0,9 à 0,1 et la méthode de calcul de fluctuations de nappe des valeurs de 0,87 à 0,1. Les deux méthodes ont donné des valeurs élevées dans les 5-10 premiers centimètres des horizons tourbeux mais qui diminuent considérablement au-delà de ces profondeurs Aussi des valeurs de Sy plus élevées ont été obtenues dans les horizons tourbeux associés aux dépressions comparativement aux buttes et aux platières. Ces résultats confirment l’existence d’une relation non linéaire entre le niveau de la nappe et le coefficient d’emmagasinement. Ce dernier est plus élevé quand le niveau hydrostatique fluctue dans la zone active de la colonne tourbeuse où le degré d’humification est moins important et la circulation de l’eau est plus rapide. Le calcul de l’évapotranspiration potentielle (ETP) avec trois méthodes semi-empiriques a montré que durant les mois les plus chauds, l’équation de Penman-Monteith donne les taux d’ETP les plus élevés et Thornthwaite les plus faibles. Les bilans hydrologiques calculés à des pas de temps mensuels et saisonniers montrent que l’évapotranspiration est le phénomène responsable de la baisse du niveau hydrostatique et constitue la perte majeure d'eau dans le bilan, ce qui est attendu pour une tourbière ombrotrophe. Les variations des propriétés hydrodynamiques selon les différentes couches de la tourbière et des microtopographies, l’effet de l’évapotranspiration et l’état initial de la nappe sont tous des facteurs qui influencent le stockage et le rend difficile à estimer. L’examen des évènements pluvieux a montré qu’un stockage important est uniquement possible après le premier évènement pluvieux arrivant à la suite d’une période de sécheresse. Le potentiel du ruissellement est influencé par le stockage qui à son tour dépend de l’état initial de la nappe. Finalement, la combinaison du module Neige « CemaNeige » avec le modèle hydrologique « PHIM » a servi à modéliser la fonte printanière. Malgré les courtes périodes utilisées pour le calage et la validation du modèle, PHIM a montré son efficacité dans la conceptualisation de la dynamique d’écoulement au sein de la tourbière.

Peatlands are relatively abundant on the Quebec territory. They are one of the main types of ecosystems contributing to carbon sequestration. The construction of four hydroelectrical reservoirs on the Romaine River watershed located on the North Shore caused the flooding of various ecosystems, 12.5 % of which are peatlands. In June 2018, an ombrotrophic peatland was instrumented for specific studies on the carbon cycle and the impact of peatland flooding in reservoirs. Instruments have been installed to study the hydrological dynamics and quantify: precipitation (P), runoff (Q), evapotranspiration (ET) and water table fluctuations (∆h) in order to contribute to the estimation of the carbon budget. Two methods were used to estimate the specific yield (Sy) in the peat horizons: gravitational drainage method performed on a sample of peat and a rain to rise ratio method based on water table fluctuations. Laboratory analyses produced values of Sy ranging from 0.9 to 0.1 while values 0.87 to 0.1 were obtained with the water table fluctuation method. Both methods led to high Sy values in the first 5-10 centimeters of the peat, which rapidly decreased beyond these depths. Also, higher Sy values were obtained in peat horizons associated with the depressions compared to the hummocks and lawns. These results confirm the existence of a non-linear relationship between the water table levels and the storage coefficient. The Sy value is higher when the hydrostatic level fluctuates in the active zone of the peat column where humification is less pronounced and the water circulation more rapid. Calculation of ETP with three semi-empirical methods showed that during the warm months, the Penman-Monteith equation yields the highest rates of ETP and Thornthwaite the lowest. Monthly and seasonal water budgets show that evapotranspiration is responsible for the major loss of water in a bog. The variations of hydrodynamic properties of different peat layers and microtopographies, the effect of evapotranspiration and the initial state of the water table are all factors influencing storage and making it difficult to estimate. The examination of rainy events showed that a significant storage is only possible after the first rainy event following a period of drought. The potential for runoff is influenced by storage, which in turn depends on the initial state of the water table. Finally, the combination of the “CemaNeige” Snow module with the “PHIM” hydrological model was used to model the spring melt. Despite the short periods used for the model calibration and validation, PHIM has shown its effectiveness in conceptualizing the flow dynamics within the peatland.


identifier: Ben Nasr, Imene  (2021). Développement d’approches statistiques multivariées pour les modèles de copules, applications en hydrologie.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 171 p.

subject:
analyse fréquentielle
homogénéité
dépendance
copule multiparamètre
modèle mixte
estimation
tests d’ajustement
L-moments multivariés
crue
maximum pseudo-vraisemblance
méta-heuristique
algorithmes génétiques
maximisation-espérance
frequency analysis
homogeneity
dependence
multiparameter copula
mixture model
estimation
goodness of fit tests
multivariate L-moments
flood
maximum pseudo-likelihood
meta-heuristic
genetic algorithms
expectation-maximizatio

abstract:
Les études portant sur les évènements hydrologiques extrêmes sont d’une grande importance vu leurs nombreux impacts socio-économiques. Ces études reposent dans une large mesure sur la capacité à estimer adéquatement les risques associés à ces évènements. Dans ce cadre, l’analyse fréquentielle (AF) est une des approches les plus utilisées pour la modélisation et l’estimation des risques associés aux évènements extrêmes. Généralement, ces évènements sont caractérisés par plusieurs variables dépendantes, comme le volume, la pointe et la durée pour les crues. Par conséquent, l'analyse de chacune de ces variables séparément ne peut pas fournir une évaluation complète des risques et peut engendrer des pertes de vies humaines ou de biens associés à une sous estimation, ou une augmentation des coûts des ouvrages hydrauliques associés à une surestimation. L’AF multivariée (AFM) permet de pallier ce problème en considérant simultanément ces variables. L’AF classique est basée sur trois hypothèses à savoir l’homogénéité, la stationnarité et l’indépendance. Par ailleurs, différentes conditions non standards telles que la complexité topographique, les perturbations par les aménagements urbains et les changements climatiques peuvent influencer la réponse hydrologique. De telles conditions rendent la prédétermination des crues, par les méthodes classiques d’AFM, un exercice non efficace et mal adapté à de tels contextes. L’objectif de cette thèse consiste à proposer de nouvelles méthodes plus prometteuses pour l'analyse et la modélisation des variables hydrologiques à la fois dans un cadre multivarié et en l’absence de l’hypothèse d’homogénéité. Ces méthodes visent à contourner les limites de celles utilisées dans la littérature. Ces nouvelles méthodes, basées sur les copules, permettent une meilleure estimation des risques des extrêmes hydrologiques en tenant compte des interactions et es dépendances entre les différentes variables. Par conséquent, les gestionnaires des ressources hydriques peuvent prendre des décisions éclairées et mieux adaptées au contexte actuel. Précisément, nous nous intéressons dans une première partie à tester l’homogénéité des séries hydrologiques multivariées. Pour ce faire, nous avons proposé un nouveau test, basé sur les L moments multivariés, capable de détecter la rupture dans la structure de dépendance des variables hydrologiques. Les résultats obtenus montrent la bonne performance du test proposé sous différents scénarios. Par la suite, dans le but de modéliser l’hétérogénéité des séries hydrologiques multivariées, un modèle de mélange de copules a été mis au point. Dans ce cadre, nous avons proposé une nouvelle méthode pour l’estimation des différents paramètres du modèle. La méthode proposée est basée sur l’utilisation des algorithmes génétiques. Sa performance est illustrée sur des séries simulées. Les résultats obtenus montrent que la méthode proposée est un outil efficace capable de fournir de bonnes estimations, en particulier dans un contexte hydrologique. Finalement, deux nouveaux tests d’adéquation pour les copules multiparamètres ont été développés. Le but de ces tests est de vérifier la qualité de l’ajustement de la copule aux données et améliorer ainsi l’estimation des risques associés aux évènements extrêmes. Les résultats révèlent que les tests proposés performent bien dans le contexte hydrologique.

 Studies of hydrological extreme events are of great importance given their many socio-economic impacts. These studies rely on the ability to adequately estimate the associated risk. In this context, frequency analysis (FA) is one of the most widely used approaches for modeling and estimating the risks associated with extreme events. Generally, these events are characterized by several correlated random variables. Therefore, analyzing each of these variables separately cannot provide a complete risk assessment and may result in loss of life or property associated with an underestimation, or an increase in the costs of hydraulic structure associated with an overestimation. Multivariate FA (MFA) overcomes this problem by simultaneously considering these variables. Classical FA is based on three assumptions namely homogeneity, stationarity and independence. However, different non-standard conditions such as topographic complexity, disturbances by urban development and climate change can influence the hydrological response. Such conditions make flood predetermination, by conventional MFA methods, an ineffective exercise and unsuitable to such contexts. The main objective of this thesis is to propose new and more promising methods for the analysis and modeling of hydrological variables both in a multivariate framework and in the lack of the homogeneity assumption. These methods aim to overcome the limitations of classical methods used in the literature. These new proposed methods, based on copulas, allow a better estimation of the risks associated to hydrological extremes by taking into account the dependence between the different variables. As a result, water resource managers can make informed decisions that are better suited to the current context. In the first part, we propose a novel statistical test for multivariate heterogeneity detection, based on copula and multivariate L-moments. A simulation study is conducted to evaluate the performance of the proposed test and to compare it with those of existing tests. Results show the ability of the proposed test to discriminate homogeneous and inhomogeneous series. In the second part, we propose a new model based on mixtures of copulas that take into account the heterogeneity of multivariate hydrological series. To estimate the components of this model, we propose a new parameter estimation approach, based on the maximum pseudo-likelihood using genetic algorithms. Results indicate that the proposed method estimates more accurately the parameters even with small sample sizes compared to the existing classical EM method. In the last part, we introduce new goodness of fit (GOF) tests specifically for multiparameter copulas and adapted to hydrometeorological context. More precisely, the proposed GOF tests are based on multivariate L moments. A simulation study is conducted to evaluate and compare the performances of the proposed tests. The results confirm the usefulness of the new GOF tests in comparison with some well-established ones.


identifier: Marques Miranda, Mafalda Alexandra  (2021). Assessment of the deep geothermal energy source potential in remote northern regions: a study undertaken in the subarctic off-grid community of Kuujjuaq, Nunavik, Canada.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 438 p.

subject:
propriétés thermophysiques
modélisation inverse
conduction de chaleur
flux de chaleur
température en profondeur
régime de contraintes
méthode de Monte Carlo
modélisation thermo-hydro-mécanique
modèle de cisaillement-dilatation
coût actualisé de l’énergie
thermophysical properties
inverse modeling
heat conduction
heat flux
subsurface temperature
stress regime
Monte Carlo method
thermo-hydro-mechanical modeling
shear dilation model
levelized cost of energy

abstract:
Les systèmes géothermiques ouvragés peuvent être une solution pour diminuer la dépendance aux combustibles fossiles des communautés nordiques éloignées du Canada. Toutefois, l’inexistence de forages d’exploration profonds, et plus généralement de donnés sur le sous-sol, à proximité des communautés visées induit de nombreuses incertitudes qui ont été abordées dans cette thèse. Les travaux entrepris dans la communauté de Kuujjuaq (Nunavik, Canada) ont permis de définir des lignes directrices et d’adapter les méthodes existantes qui peuvent maintenant être étendues à d’autres communautés éloignées faisant face à des défis similaires d’exploration géothermique. Le flux de chaleur a été déduit numériquement par résolution d’un problème inverse de conduction de chaleur en 1D. L’algorithme de Nelder-Mead a été utilisé pour minimiser la somme des moindres carrés et trouver le flux de chaleur optimal qui permet de reproduire un profil de température d’une profondeur de 80 m mesuré dans un puits d’observation hydrogéologique. Le flux de chaleur simulé s’est révélé sensible à l’histoire paléoclimatique et aux propriétés thermophysiques. Par conséquent, ces différentes sources d’incertitude affectent les prédictions de la température en profondeur et l’évaluation de l’énergie thermique en place. Des simulations de Monte Carlo ont révélé que la température du réservoir et le facteur de récupération sont les paramètres les plus influents qui affectent les ressources géothermiques et la production potentielle de chaleur et d’électricité. Les analyses de risque suggèrent que la production de chaleur géothermique à Kuujjuaq implique un risque moyen à faible, alors que la production d’électricité et la cogénération présentent un risque élevé à moyen. De plus, un modèle de contrainte a priori a été proposé pour Kuujjuaq considérant des corrélations empiriques, la modélisation analytique et des simulations de Monte Carlo, lesquelles ont été calibrées avec des données régionales. Ce modèle fournit une première évaluation du régime de contrainte dans la région, essentiel à la simulation du développement de systèmes géothermiques ouvragés à Kuujjuaq. Les simulations couplées des processus mécanique, hydraulique et thermique ont révélé qu’un sous-sol mécaniquement faible et hydrauliquement conducteur favoriserait le développement de réservoirs d’un potentiel intérêt commercial. L’approche décrite dans cette thèse représentent une contribution significative pour une première évaluation des ressources géothermiques profondes avec des moyens abordables pour les communautés nordiques et éloignées. Ces ressources ont le potentiel de répondre à la demande annuelle moyenne de chauffage à Kuujjuaq et l’exploration géothermique vaut la peine de se poursuivre afin d’affiner ce potentiel et d’envisager son exploitation future.

Renewable off-grid technologies, such as engineered geothermal energy systems, can be a solution to offset the fossil fuel dependency of Canadian remote northern communities. However, the lack of deep exploratory boreholes, and subsurface data in general, nearby target communities induces sources of uncertainty that were addressed in this thesis. The work undertaken in the community of Kuujjuaq (Nunavik, Canada) allowed defining guidelines and adapt existing methodologies. Such methods can now be extended to other remote settlements facing similar geothermal exploration challenges. The terrestrial heat flux was inferred numerically by function comparison solving a 1D inverse heat conduction problem. The Nelder-Mead algorithm was used to minimize the sum of least squares to find the optimal heat flux that best matched a 80-m-temperature profile measured in a groundwater monitoring well. The simulated heat flux revealed to be sensitive to the paleoclimate history and thermophysical properties conditions. Consequently, these uncertainty sources affect prediction of the subsurface temperature and evaluation of the thermal energy in place. Monte Carlo-based global sensitivity analysis revealed that the reservoir temperature and recovery factor are the most influential parameters affecting the geothermal energy source and the potential heat and power output. Risk analyzes suggest that geothermal heat production in Kuujjuaq is a medium to low-risk application while electricity generation and combined heat and power are high to medium risk. Furthermore, an a priori stress model was proposed for Kuujjuaq based on empirical correlations, analytical modeling and Monte Carlo simulations, which were calibrated with regional literature data. This model provides a first-order assessment of the stress regime in the region, required to simulate the development of engineered geothermal energy systems in Kuujjuaq. Coupled simulations of mechanical, hydraulic and thermal processes revealed that a mechanically weak and hydraulically conductive subsurface could favor the development of reservoirs of potential commercial interest. The approach outlined in this thesis represent a significant contribution for a first-order evaluation of the deep geothermal energy source with means affordable to the northern and remote communities. The deep geothermal energy source has potential to fulfill Kuujjuaq average annual heating demand and, thus, further geothermal exploration is worthwhile to refine this potential and consider its exploration in the future.


identifier: Proteau, Kelly  (2021). Suivi quantitatif et qualitatif de trois ouvrages de contrôle des eaux pluviales en fin de réseau et évaluation de leurs effets sur l’intégrité biologique des milieux récepteurs.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 159 p.

subject:
bassin de rétention
eaux pluviales urbaines
efficacité épuratoire
intégrité biologique
indice diatomées
stormwater pond
retention basin
detention basin
urban runoff
downstream biological integrity
pollutant removal
diatom assessment

abstract:
Un suivi quantitatif et qualitatif de trois différents types d’ouvrages de contrôle des eaux pluviales en fin de réseau a été réalisé au Québec : un bassin sec (BS), un bassin sec avec canal d’écoulement central (BSC) et un bassin à retenue permanente (BRP). Les taux d’enlèvement de divers paramètres physico-chimiques (matières en suspension (MES), phosphore, azote, métaux, anions et hydrocarbures pétroliers) ont été calculés. Les taux d’enlèvement des MES sont de 14%, 69% et 87% respectivement pour les BS, BSC et BRP. Dans le même ordre, les taux d’enlèvement du phosphore total sont de 0%, 62% et 87%. Les ouvrages de rétention ont tendance à accumuler les sels de voirie, ce qui se traduit par des taux d’enlèvement de -28%, -64% et -244% pour les BS, BSC et BRP, respectivement. Alors, il y a une augmentation des chlorures de l’entrée à la sortie des ouvrages lors des événements pluvieux. Afin d’évaluer l’effet des ouvrages de rétention sur l’intégrité biologique des milieux récepteurs, 18 cours d’eau ont été échantillonnés afin de déterminer l’Indice Diatomées de l’Est du Canada (IDEC). Les bassins de rétention permettent généralement de maintenir l’intégrité biologique des milieux récepteurs entre l’amont et l’aval de l’exutoire des ouvrages (n=7). En absence de bassin de rétention, la médiane de l’indice IDEC d’intégrité biologique des milieux récepteurs diminue de 8 points (n=11) en aval des exutoires par rapport à l’amont.

Three types of stormwater ponds were studied in the province of Quebec : one detention pond (BS), one detention pond with a central canal for small rain events (BSC) and one retention pond (BRP). The removal of various pollutants (total suspended solids (TSS), phosphorous, nitrogen, metals, anions, petroleum hydrocarbons) was calculated. The median removal rates of TSS were 14%, 69% and 87% respectively for the BS, BSC and BRP. In the same order, the median removal rates for phosphorus were 0%, 62% and 87%. The ponds seemed to accumulate road salts which was evident by a median removal rates of -28%, -64% and -244% which indicates an increase in the concentration of chlorides during sampled rain events for the BS, BSC and BRP, respectively. In order to evaluate the downstream effects of stormwater ponds, the biological integrity of 18 streams were assessed using the Eastern Canada Diatom Index (IDEC). The stormwater ponds maintained stream biological integrity with the median of data indicating no change between the upstream and downstream IDEC values (n=7). On the other hand, the absence of stormwater ponds caused a median drop of 8 points on the IDEC scale (n=11) from upstream to downstream of the stormwater outlet.


identifier: Adiban, Parham  (2021). Deep structural features in prospectivity mapping for epigenetic gold mineralization in the Red Lake – Stormy Lake region, Superior province.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 143 p.

subject:
Red lake
stormy lake
structures profondes
prospectivité
d’or
épigénétique
apprentissage automatique
random forest
extreme gradient boosting
deep structures
prospectivity
gold
epigenetic
machine learning

abstract:
Les gisements d'or épigénétique sont liés à des structures géologiques à différentes profondeurs de la croûte terrestre qui servent de conduits aux fluides hydrothermaux et carbonique-hydrothermaux. La province du Supérieur occidental au Canada abrite des gisements d'or de classe mondiale, comme dans le camp de Red Lake. Dans cette étude, des structures régionales profondes à angles élevés par rapport aux tendances lithologiques et structurelles générales ont été identifiées à partir de données aéromagnétiques, de pseudogravité et de gravité au sol filtrées pour accentuer les structures à différentes profondeurs. Par la suite, afin de produire un modèle statistique qui définit la relation spatiale entre les structures de cisaillement régionales et les gisements d'or épigénétiques, des algorithmes d'apprentissage automatique (spécifiquement les algorithmes Extreme Gradient Boosting et Random Forest) ont été entraînés sur une base de données comprenant une compilation des données géophysiques disponibles sur la zone d’étude ainsi que de nouvelles variables calculées par statistique spatiale sur ces mêmes données géophysiques. Le modèle XGBoost a permis d’identifier 85% à 88% des gisements connus dans la région avec une précision de 41%. L'évaluation du modèle à l'aide des Shapley Additive Explanations (SHAP) a classé les structures profondes à angle élevé par rapport à la tendance régionale comme étant plus importantes que les structures profondes parallèles à la tendance régionale. De plus, le SHAP a montré qu’il y avait une corrélation positive entre les structures profondes à angle élevé par rapport à la direction régionale et les gisements d'or connus, ce qui implique que les structures profondes ont fourni des conduits pour le fluide aurifère circulant du manteau à la croûte supérieure.

Epigenetic (lode or orogenic) gold deposits are linked to geological structures at different crustal depths that act as conduits for hydrothermal fluids. The western Superior province in Canada hosts world-class Au deposits such as the Red Lake gold camp. In this study, deep regional structures at high angles to general mapped lithological and structural trends are identified from enhanced aeromagnetic, pseudo-gravity, and ground gravity data. Machine learning algorithms (notably the Extreme Gradient Boosting and Random Forest algorithms) were trained using a compilation of the geophysical datasets and engineered datasets from buffer analysis and spatial statistics calculated over the geophysical datasets to produce a statistical model that defines the spatial relationship between the regional shear structures and epigenetic gold deposits. The Extreme Gradient Boosting model recovered 85% to 88% of known deposits in the region with a precision of 41%. Evaluation of the model using Shapley Additive Explanations (SHAP) ranked deep structures at a high angle to the regional trend higher than the deep structures parallel to the regional trend. In addition, the SHAP feature rankings showed a positive correlation between the deep structures at a high angle to the regional trend and known gold deposits, implying that deep structures provided conduits for auriferous fluid travelling from the mantle to the upper crust.


identifier: Viry, Elisabeth  (2021). Développement d’un procédé de granulation sous atmosphère de dioxyde de carbone pour la valorisation des résidus miniers d’apatite de Sept-Îles au Québec.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 239 p.

subject:
granulats artificiels
CO₂
résidus miniers
flottation
apatite
résistance à la compression
lixiviation
toxicité des métaux
prédiction environnementale
eau de mer
artificial aggregates
mining residues
flotation
apatite
compressive strength
leaching
metal toxicity
environmental prediction
seawater

abstract:
L’exigence croissante d’intégrer les principes de développement durable à tous les domaines incite entre autres les compagnies minières à intégrer de meilleures méthodes d’exploitation et de gestion des matières premières minérales. Le projet de cette thèse de doctorat présente une façon de recycler les résidus de flottation d’apatite du projet minier Arnaud, grâce à une méthode de carbo-granulation, pour ainsi diminuer le volume de déchets habituellement stocké de façon permanente dans des parcs à résidus, ainsi que leurs interactions avec l’environnement. Le dispositif expérimental et la méthodologie de granulation sont présentés dans un premier temps. La méthode de préparation des résidus, les paramètres mécaniques liés au tambour de granulation et la durée de granulation optimale sont déterminés. Des granulats de diamètre compris entre 2,5 et 40 mm sont obtenus pendant des expériences durant 15 à 45 min avec une vitesse de rotation du tambour de granulation fixée à 25 rpm. Des plans d’expérience en surface de réponse du type Box-Behnken ont été utilisés pour déterminer le meilleur compromis entre des taux massiques d’humidité compris entre 13 et 15% et une concentration massique de liant (ciment Portland) comprise entre 6 et 10%, et ainsi aboutir à des granulats ayant des résistances à la compression moyennes comprises entre 2 et 3,7 MPa. Dans un second temps, l’influence de la pression partielle et de la durée d’injection de CO₂ pendant le procédé de granulation est étudiée. La quantité de carbone inorganique fixée et la résistance à la compression des granulats formés permettent de mettre en avant les paramètres critiques pour la combinaison du processus de granulation et de carbonatation. Le taux de capture de CO₂ est contrôlé par la quantité de ciment utilisée, limité à 3%, avec une pression optimale de 8 PSI et une durée de carbonatation la plus longue possible, fixée dans nos expériences à 45 minutes. En parallèle, sont mises en relief les considérations liées à la nature des résidus, en prenant en compte les différences physico-chimiques entraînées par les modifications du processus de flottation. La différence de comportement à la granulation et à la carbonatation entre deux résidus de flottation similaires révèle que la distribution granulométrique initiale des résidus et la rhéologie des boues influencent les possibilités de valorisation. Enfin, la toxicité environnementale est évaluée grâce à la réalisation des tests de lixiviation réglementaires au Québec, révélant que la toxicité des résidus est modifiée pendant le procédé de granulation et qu’elle est suffisamment diminuée pour permettre la réutilisation des granulats à tous les niveaux. La stabilité physique des granulats est évaluée par immersion entre 7 et 64 jours en eau douce et en eau salée, montrant que les résistances à la compression sont peu modifiées et que la perte de matière associée est comprise entre 4 et 12%.

The increasing demand to integrate the principles of sustainable development in all areas is driving mining companies, among others, to integrate better methods of exploitation and management of mineral raw materials. This thesis presents a way to recycle apatite flotation tailings from the Arnaud mining project, using a carbo-granulation method, and thus reducing the volume of waste usually stockpiled permanently in tailings dams, as well as its interactions with the environment. The experimental set-up and the granulation methodology are introduced. The residue preparation method, the mechanical parameters related to the rotating drum and the optimal granulation time are determined. Pellets with diameters between 2.5 and 40 mm are obtained during experiments lasting 15 to 45 min with a rotation speed set at 25 rpm. Box-Behnken surface response designs were used to determine the best solution for moisture contents between 13 and 15% by weight and a binder (Portland cement) concentration between 6 and 10% by weight, resulting in aggregates with average compressive strengths between 2 and 3.7 MPa. Then, the influence of CO₂ partial pressure and injection time during the granulation process is studied. The amount of inorganic carbon fixed and the compressive strength of the formed aggregates are used to highlight the critical parameters for the combination of the granulation and carbonation processes. The rate of CO₂ capture is controlled by the amount of cement used, limited to 3%, with an optimum pressure of 8 PSI and the longest possible carbonation time, set in our experiments at 45 minutes. Considerations related to the nature of the residues are also highlighted, taking into account the physico chemical differences caused by the modifications of the flotation process. The difference in the granulation and carbonation behaviour between two similar flotation residues reveals that the initial particle size distribution and the rheology of the sludge influence the possibilities of recovery. Finally, the environmental toxicity is evaluated through the use of Quebec regulatory leaching tests, revealing that the toxicity of the residues is modified during the pelletization process and is sufficiently reduced to allow the reuse of the aggregates at all levels. The physical stability of the aggregates is evaluated by immersion between 7 and 64 days in fresh and salt water, showing that the compressive strengths are only slightly modified and that the associated material loss is contained between 4 and 12%.


identifier: Kochoni, Gbatchin Monsounmola Emeric  (2021). Rôle du fer sur la prise en charge, la toxicité et le destin intracellulaire du cuivre chez l’algue verte d’eau douce Chlamydomonas reinhardtii.  Thèse.  Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 206 p.

subject:
algues vertes
Chlamydomonas reinhardtii
fer
Fe
toxicité
prise  en  charge
ligand biotique

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.
 Le modèle du ligand biotique (en anglais Biotic Ligand Model) permet de prédire la prise en charge et la toxicité des métaux en fonction de leur spéciation et de la présence d'ions compétitifs. De nombreuses études ont été conduites pour davantage améliorer le modèle et faciliter son utilisation dans la gestion des écosystèmes aquatiques. Malgré sa popularité croissante, son applicabilité dans certaines conditions reste incertaine. Par exemple, peu d'attention a été accordée au rôle des éléments traces essentiels sur la toxicité d'un autre élément. À travers nos travaux, nous avons cherché à mieux comprendre les mécanismes qui président la prise en charge, la toxicité et la gestion intracellulaire du cuivre en utilisant l’algue verte d’eau douce, Chlamydomonas reinhardtii, comme modèle biologique. Nous avons réussi à montrer que le fer joue un rôle protecteur contre la toxicité du cuivre en milieu aquatique, avec une CE50-72 h (mesurer sur la croissance cellulaire) pouvant décroitre de 2 nM dans un milieu régulier en Fe (10-17,6 M de Fe3+) à 4 pM en milieu pauvre en Fe (10-19,0 M de Fe3+), soit une augmentation de la toxicité de 500 fois. Nous avons pu mettre en évidence, en nous fondant notamment sur des approches biophysique et transcriptomique, que cet important rôle du fer sur la sensibilité des algues au cuivre, serait de nature physiologique et que le complexe protéique que forment la ferroxidase FOX1 et la perméase FTR1 occuperait dans ce contexte une place centrale dans l’assimilation du fer et du cuivre. L’étude de la distribution intracellulaire du cuivre chez C. reinhardtii, nous a par ailleurs permis, à partir d’approches métallomiques et protéomiques, de comprendre que le fer affecterait aussi l’homéostasie (gestion et destin intracellulaire) du cuivre. Cette étude peut être considérée comme une contribution à l’amélioration de nos connaissances des co-interactions du Cu et du Fe chez une algue verte d’eau douce tout en contribuant à mieux cerner les limites des outils comme le BLM, utilisés pour prédire la biodisponibilité des métaux, sur la base de leurs propriétés physico chimiques dans l’eau.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.
 The Biotic Ligand Model allows predicting metal uptake and toxicity based on metal speciation and the presence of competitive ions. Many studies have been conducted in order to further improve this model, and to apply it to aquatic ecosystems management. Despite its increasing popularity, its applicability in some conditions remains unclear. For example, little attention has been paid to the role of essential trace elements on the toxicity of another element. Our research objective is to better understand the mechanisms that govern the uptake, toxicity and fate of copper by using a freshwater alga, Chlamydomonas reinhardtii, as a biological model. We showed that iron plays a protective role against the toxicity of copper in an aquatic environment, with an EC50-72 h (based on cell growth) which can decrease from 2 nM in a regular Fe medium (10-17.6 M of Fe3+) to 4 pM in low iron medium (10-19.0 M of Fe3+), i.e. a 500-fold increase in toxicity. We have been able to demonstrate, based particularly on biophysical and transcriptomic approaches, that this important role of iron on the sensitivity of algae to copper is more physiological and that the protein complex formed by ferroxidase FOX1 and permease FTR1 could play in this context a central place in the Fe and Cu assimilation pathways. The study of the intracellular distribution of copper in C. reinhardtii has also enabled us, using metallomic and proteomic approaches, to figure out that iron could also impact the homeostasis (intracellular management and fate) of copper. This study can be seen as a contribution to improve tools like BLM, used to predict metal bioavailability in water, based on their physicochemical properties.


identifier: Zhang, Jiawei  (2021). Near-field imaging via localized surface plasmon resonance enhanced gold photoluminescence.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 157 p.

subject: microscopie en champ proche amplifiée par les plasmons

subject: résonance de plasmon de surface localisée

subject: luminescence de l’or

subject: permittivité optique

subject: indice de réfraction

subject: imagerie en champ proche

subject: Tip-enhanced Raman spectroscopy

subject: Plasmon-enhanced near-field microscopy

subject: Localized surface plasmon resonance

subject: Gold luminescence

subject: optical permittivity

subject: refractive index

subject: near-field Imagin

abstract:
Le développement rapide des nanosciences et des nanotechnologies a considérablement favorisé la compréhension ainsi que la conception et le contrôle précis des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique, ce qui conduit finalement au développement de nouveaux matériaux et dispositifs fonctionnels. L'un des principaux problèmes à résoudre dans ces domaines d'étude est la détection et la caractérisation des matériaux et de leurs propriétés à l'échelle nanométrique. Dans ce contexte, la spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe (TERS), une nouvelle technique de caractérisation qui combine la sensibilité chimique de la spectroscopie Raman conventionnelle avec la haute résolution spatiale de la microscopie à sonde de balayage (SPM), a démontré sa capacité à obtenir la topographie et les informations spectrales correspondantes de divers types d'échantillons simultanément avec une sélectivité et une sensibilité élevées et une résolution spatiale bien inférieure à la limite de diffraction. La nanoantenne, c'est-à-dire la pointe de balayage fonctionnalisée, est l'élément central du TERS, car c'est le principal composant utilisé pour surmonter la limite de diffraction en tant que source de l'amplification. Elle assure également l’exaltation du signal et détermine la résolution spatiale. La nanoantenne a donc été le centre d'intérêt de ces deux dernières décennies qui ont vu le TERS passer d'une technique réservée à un groupe de chercheurs hautement spécialisés à une technique disponible commercialisée. De nombreux progrès ont été réalisés dans l'identification des propriétés plasmoniques (et autres) des pointes TERS et une série de procédures ont vu le jour au fil du temps pour produire des pointes TERS plasmoniques avec une reproductibilité moyenne à bonne en or ou en argent. En pratique, la production de meilleures nanoantennes plasmoniques, la compréhension de leurs propriétés et leur évaluation de manière rapide et pratique sont autant d'étapes essentielles pour faire progresser les techniques d'imagerie plasmonique, y compris celle du TERS. Dans la première partie de ce travail, j'ai développé une nouvelle recette pour la fabrication de pointes TERS en argent avec une faible contamination et une bonne reproductibilité en me basant sur la technique de gravure électrochimique. Cette nouvelle recette est nettement plus facile et plus rentable que les procédés de gravure conventionnels pour la fabrication de pointes d'argent actives TERS. Dans la deuxième partie de ce travail, je me suis concentré sur l'étude du signal d'émission intrinsèque de la pointe en or, qui peut être attribué à la photoluminescence (PL) de l'or amplifiée par la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR). J'ai développé une technique in-situ pour l'évaluation de la propriété plasmonique de la pointe Au TERS, qui s'est avérée fiable, efficace et qui peut être facilement adoptée dans toutes les mesures TERS indépendamment de la configuration du système ou du type de pointe Au utilisé. En particulier, étant donné que la courbe LSPR peut être extraite du signal de la pointe, sa position peut être utilisée pour l'imagerie réfractive en champ proche, car les changements de l'indice de réfraction effectif local près du sommet de la pointe induisent des changements détectables de la position LSPR. J'ai identifié une influence de la topographie de l'échantillon sur la position du LSPR. Avec les travaux précédents de notre groupe, nous avons démontré la dépendance entre la position du LSPR et l'indice de réfraction effectif, ce qui peut être adopté comme une nouvelle technique d'imagerie en champ proche. Dans la troisième partie de ce travail, j'ai identifié que la composition locale et la topographie du matériau influencent également l'intensité du LSPR, et j'ai démontré expérimentalement que l'intensité du LSPR fournit également un contraste significatif pour l'imagerie en champ proche à haute résolution, ajoutant ainsi à l'instrumentation optique une véritable résolution nanométrique pour la science des surfaces.

 The rapid development in nanoscience and nanotechnology has significantly promoted the understanding as well as the design and precise control of the nanoscale material properties, and eventually leads to developing novel functional materials and devices. One of the primary issues in need to be addressed in such fields of study is the detection and characterization of material and its properties at the nanoscale. In this context, tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS), a novel characterization technique which combines the chemical sensitivity of conventional Raman spectroscopy with the high spatial resolution of scanning probe microscopy (SPM), has demonstrated its capability to obtain topography and its corresponding spectral information from various types of samples simultaneously with high selectivity, sensitivity, and a spatial resolution far below diffraction limit. The nanoantenna, i.e. the functionalized scanning tip, is the core element of TERS, as it is the main component which is used to overcome the diffraction limit as the source of the enhancement. It also provides the enhancement of the signal and also determines the spatial resolution. The nanoantenna has therefore been the center of interest over the past two decades that have seen TERS evolve from a niche technique reserved to a group of highly specialized researchers to a commercially available technique. A lot of progress has been achieved in the identification of the plasmonic (and additional) properties of TERS tips and while a series of procedures have emerged over time to produce TERS tips with fair to good reproducibility for plasmonic tips made of either gold or silver. In practice, producing better plasmonic nanoantennas, understanding their properties and assessing them in a fast and convenient way are all critical milestones in order to further advance plasmonic-enhanced imaging techniques including TERS. In the first part of this work, I have developed a new recipe for silver TERS tip manufacturing with low contamination and good reproducibility by means of electrochemical etching. In comparison, this new recipe is significantly easier and more cost-efficient than conventional etching processes for the fabrication of TERS active silver tips. In the second part of this work, I have focused on the study of an intrinsic gold tip emission signal, which can be assigned to the localized surface plasmon resonance (LSPR) enhanced Au photoluminescence (PL). I have developed an in-situ technique for the evaluation of Au TERS tip plasmonic property, which has been proven to be reliable, efficient and which can be readily adopted in any TERS measurements regardless of the system setup or the type of Au tip in use. In particular, given that the LSPR curve can be extracted from the tip signal, its position can be used for near-field refractive imaging, as changes in local effective refractive index near the tip apex induce detectable changes to the LSPR position. I have identified a sample topography influence on the LSPR position. Together with previous works from our group, we have demonstrated the dependence of LSPR position and effective refractive index, which can be adopted as a novel near-field imaging technique. In the third part of this work, I have identified that local material composition and topography also influence the LSPR intensity, and demonstrated experimentally that the LSPR intensity also provides meaningful contrast for high resolution near-field imaging thus adding to the optical instrumentation with true nanoscale resolution for surface science.


identifier: Tiwari, Abhishek  (2021). Physiological features for mental state monitoring in real life conditions.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique.

subject:
états mentaux
signaux physiologiques
EEG
variabilité de la fréquence cardiaque
stress
anxiété
wearable
mental states
physiological signals
heart rate variability
stress
anxiety
wearables

abstract:
Les états mentaux désignent les états psychologiques et les émotions d’un individu à un instant donné. Des états mentaux négatifs constants, comme le stress et l’anxiété, peuvent entraîner une baisse des perfor mances et de l’efficacité au travail. Ces états peuvent également provoquer un épuisement professionnel et entraîner divers troubles de la santé mentale. À long terme, ils peuvent également provoquer des maladies cardiovasculaires chez les individus. Par conséquent, le coût global associé à la santé mentale dépasse de loin celui des maladies physiques. Actuellement, la surveillance de l’état mental se fait à l’aide de ques tionnaires subjectifs, d’un suivi audio-vidéo et de signaux physiologiques. Parmi ces derniers, les signaux physiologiques permettent une mesure continue, discrète et objective des états mentaux tout en posant très peu de problèmes de confidentialité. Cependant, les modèles de surveillance de l’état mental utilisant des signaux physiologiques ont traditionnellement été collectées dans des conditions de laboratoire contrôlées, à l’aide d’un équipement d’acquisition de données encombrant. Ces expériences tentent de contrôler le bruit et d’autres facteurs de confusion tels que l’activité physique et le rythme circadien, pour n’en citer que quelques uns. Par conséquent, les modèles développés pour de telles données ne peuvent pas être utilisés dans des conditions réelles. Dans ce doctorat, nous présentons les étapes vers le développement de modèles de suivi de l’état mental pour des données collectées dans des conditions réelles. Pour atteindre cet objectif, trois outils principaux ont été explorés. Il s’agit (i) des caractéristiques non linéaires, (ii) de la robustesse au bruit des caractéristiques, et (iii) de l’utilisation de modalités multiples physiologiques. Tout d’abord, nous avons exploré les caractéristiques de motifs robustes au bruit pour la reconnais sance des emotions à partir de l’EEG. Le résultat de cette exploration a montré que les caractéristiques basées sur les motifs peuvent surpasser la densité spectrale de puissance et les caractéristiques d’asymétrie traditionnellement utilisées tout en étant robustes aux artefacts. Les caractéristiques basées sur les mo tifs montrent une amélioration supplémentaire lors de la fusion avec les caractéristiques de référence, ce qui suggère une complémentarité des caractéristiques. Deuxièmement, nous avons évalué diverses carac téristiques d’entropie multi-échelle pour l’évaluation de la charge mentale dans des conditions ambulatoires. L’entropie de permutation multi-échelle est plus performante que les autres méthodes basées sur l’entropie. En outre, les caractéristiques proposées ont permis d’obtenir des performances comparables pour différents niveaux d’activité physique. Ensuite, nous avons proposé des caractéristiques de descripteur de sous-bande -complexité et -spectral pour l’évaluation du stress et de l’anxiété dans des conditions réelles. Ces caractéris tiques tentent de séparer les effets des facteurs de confusion en caractérisant séparément le comportement des hautes et basses fréquences des séries d’intervalles entre les battements. Les caractéristiques proposées sont plus performantes que les ensembles de caractéristiques non linéaires de référence qui sont couramment utilisés dans des conditions ambulatoires et en conditions réelles. Enfin, nous avons montré que les systèmes multimodaux contribuent à améliorer les performances de l’évaluation de la charge mentale et du stress en renforçant la robustesse au bruit et en améliorant les performances sur des fenêtres à court terme. Nous espérons que les résultats présentés ici contribueront au développement de méthodes d’évaluation des états mentaux dans des conditions réelles.

 Mental states refer to psychological states and emotions of an individual at any given instant. Constant negative mental states (e.g. stress, anxiety) can lead to a decline in job performance and efficiency. Such states can also cause job burnout and lead to various mental health disorders. Over the long term, they can also cause cardiovascular diseases in individuals. As a result, the overall cost associated with mental health far exceeds that of physical ailments. Currently, mental state monitoring is done using subjective questionnaires, audio-visual monitoring, and physiological signals. Of these, physiological signals allow for continuous, unobtrusive, and objective measurement of mental states while having very few privacy concerns. However, mental state monitoring models using physiological signals have traditionally been developed for data collected in controlled laboratory conditions using bulky data acquisition equipment. Such experiments try to control for noise and other confounding factors such as physical activity, circadian rhythm to name to few. As a result, models developed for such data cannot be used in real life a.k.a “in-the-wild” conditions. In this doctoral thesis, we present the steps towards the development of mental state monitoring models for data collected in highly ecological conditions. To achieve this goal, three main tools have been explored. These include (i) non-linear physiological features, (ii) building noise robustness in the features, and (iii) using multiple physiological modalities. First, we explored noise-robust motif features for EEG based affect recognition. These features focus on the shape of the time series while ignoring the amplitude. The outcome of this exploration showed that motif based features can outperform traditionally used power spectral density and asymmetry features while being robust to artefacts. The motif based features show further improvement on fusion with the benchmark features thus suggesting complementarity of the features. Secondly, we evaluated various multi-scale entropy features for heart rate variability based mental workload assessment in ambulatory conditions. Multi-scale permutation entropy outperforms other entropy based methods. Additionally, comparable performance for different physical activity levels was achieved using the proposed features. Next, we proposed subband - complexity and -spectral descriptor heart rate variability features for stress and anxiety evaluation for in-the wild conditions. These feature try to separate the effects of confounding factors by separately characterizing the high and low frequency behavior of the inter-beat interval series. The proposed features outperform the benchmark and commonly used non-linear feature sets in ambulatory and in-the-wild conditions. Lastly, we showed that multi-modal systems help improve performance for mental workload and stress assessment by building noise robustness as well as improving performance over short term windows. It is hoped that the insights presented herein help in the further development of methods for assessment of mental states in highly ecological conditions.


identifier: Swaisi, Mohamed  (2021). Smooth pyroelectric luminescence in lithium niobate, beta barium borate and barium titanate.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 170 p.

subject:
luminescence
pyroélectricité
effet poole-frenkel
effet tunnel Fowler-Nordheim
pyroelectricity
poole-frenkel effect
fowler-nordheim tunnelin

abstract:
La luminescence thermostimulée, et sa généralisation correspondante à la luminescence pyroélectrique, nous permet de caractériser une grande variété de cristaux diélectriques. Nous exposons les cristaux pyroélectriques à de faibles pressions ambiantes (jusqu'à 10⁻⁷ mbar) et à des cycles de température, qui génèrent des schémas très spécifiques d'émission de lumière. Le vide très poussé empêche les décharges électrostatiques, ce qui permet la génération de champs électriques très élevés (~10⁷ V/m) dus à l'effet pyroélectrique. Cela induit une faible émission de lumière caractéristique pendant la durée du changement de température. En plus des décharges en forme d'étincelles, nous observons des pics d'émission faibles et continus connus sous le nom de luminescence pyroélectrique lisse. Ce phénomène est dû à la recombinaison des porteurs de charge à l'intérieur du cristal, contrairement aux émissions en forme de pointes bien connues dues aux décharges dans l'atmosphère ambiante. Un cas particulier d'émission particulièrement prononcée se produit pendant la transition de phase à l'intérieur du cristal. Nous développons un modèle microscopique de la luminescence qui permet la description de la luminescence pyroélectrique en fonction du temps, en particulier la détermination des potentiels de pièges profonds qui sont autrement inaccessibles à l'activation thermique. En utilisant ce modèle, nous montrons que le comportement de cette émission dans les cristaux est cohérent avec la libération des électrons piégés par émission de Poole-Frenkel et par effet tunnel de Fowler-Nordheim. Nous pouvons distinguer les deux mécanismes d'émission par la plausibilité physique des paramètres dérivés. Les expériences portent sur des monocristaux de LiNbO₃, BaB₂O₄ et BaTiO₃. Notre modèle fournit les fréquences et les énergies d'activation des porteurs de charge piégés comme base de ce mécanisme de conduction, expliquant qualitativement la luminescence observée. Ce résultat fournit également des informations sur la quantité relative de pièges dans le cristal.

 The phenomenon known as thermostimulated luminescence, and its corresponding generalization to pyroelectric luminescence allows us to characterize material characteristics in a large variety of dielectric crystals. We expose pyroelectric crystals to low ambient pressures (down to 10⁻⁷ mbar) and temperature cycles, which generate very specific patterns of light emission. The very high vacuum prevent electrostatic discharge, which allows the generation of very high electric fields (~10⁷ V/m) due to the pyroelectric effect. This induces a characteristic, faint emission of light during the duration of the temperature change. Besides spark-like discharges, we observe faint, continuous emission peaks known as smooth pyroelectric luminescence. This phenomenon is brought about by charge carrier recombination inside the crystal, in contrast to the well know spike-like emissions due to discharges through the ambient atmosphere. A special case of especially pronounced emission occurs during the phase transition within the crystal. We develop a microscopic model of the luminescence allows the description of the time dependent pyroelectric luminescence, in particular the determination of deep trap potentials that are otherwise inaccessible to thermal activation. Using this model, we show that the behavior of this emission in crystals is consistent with the release of trapped electrons by Poole-Frenkel emission and Fowler-Nordheim tunneling. We can distinguish between the two emission mechanisms by the physical plausibility of derived parameters. The experiments focus on LiNbO₃, BaB₂O₄, and BaTiO₃ single crystals. Our model provides the frequencies and activation energies of trapped charge carriers as the basis of this conduction mechanism, qualitatively accounting for the observed luminescence. This results also provides information on the relative amount of traps within the crystal.


identifier: Palma de Oliveira Soares, Cybelle  (2021). Oxygen reduction reaction on oriented thin films: an alternative approach to electrocatalytic studies on model surfaces.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 242 p.

subject:
dépôt laser pulsé
films minces épitaxiaux
surfaces modèle
réaction de réduction de l'oxygène
voltammétrie de courant échantillonné
structure-réactivité
électrocatalyse
pulsed laser deposition
epitaxial thin films
model surfaces
oxygen reduction reaction
sampled current voltammetry
structure-reactivity
electrocatalysis

abstract:
Les piles à combustible (PC) peuvent aider à atténuer les effets délétères de l'utilisation de combustibles fossiles sur l'environnement, mais leur coût élevé et leur fonctionnement limité à long terme entravent leur commercialisation. Pour résoudre ces problèmes, de nouveaux matériaux d'électrode sont nécessaires pour remplacer le platine (Pt) dans les PC, en particulier à la cathode. Des charges élevées de Pt sont utilisées comme électrocatalyseur de réaction de réduction d'oxygène (RRO) dans cette électrode. L'RRO est une réaction lente et complexe, et même sur les surfaces Pt, elle se déroule loin de son potentiel thermodynamique, provoquant des pertes d'énergie. Les voies pour résoudre ces problèmes sont soit d'améliorer les performances du Pt, soit de développer de nouveaux matériaux pour le remplacer. Pour concevoir de nouveaux matériaux pour l'RRO, les descripteurs d'activité doivent être bien compris. Dans cette perspective, les études de réactions électrochimiques sur des surfaces ayant une structure bien définie - c'est-à-dire les études modèles - représentent un outil important dans l'élucidation des mécanismes de réaction, pour l'identification des sites actifs et pour permettre la déconvolution de la réponse électrochimique des surfaces. Ainsi, les études sur des surfaces modèles ouvrent la voie au progrès d'électrocatalyse. Concernant l'RRO, traditionnellement, ces études sont menées à l'aide de monocristaux et de méthodes hydrodynamiques. Cependant, certains matériaux ne peuvent pas être évalués en utilisant les voies conventionnelles, et pour ces cas, nous avons besoin de voies alternatives pour étudier l'ORR. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est de proposer une voie alternative pour réaliser des études électrocatalytiques de l’RRO sur des surfaces modèles. A cet effet, des films minces à orientation épitaxiale déposés par dépôt laser pulsé (DLP) sont présentés comme des surfaces modèles appropriées. Des films minces de Pt et Au ont été déposés sur des substrats de MgO(hkl) et caractérisés structurellement par diffraction des rayons-X et électrochimiquement par voltammétrie cyclique. Pour évaluer l'activité électrocatalytique de l’RRO de ces films, la voltampérométrie du courant échantillonné (VCE) est présentée et validée comme alternative à l'utilisation des assemblages électrode à disque rotatif (EDR). Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que le DLP fournit des films minces épitaxiés qui se comportent comme des électrodes monocristallines. De plus, grâce aux coefficients de transfert de masse, il est possible d'obtenir des courbes de polarisation avec VCE semblables à celles enregistrées avec une configuration EDR. Par conséquent, une méthodologie complète pour étudier l'RRO sur les surfaces du modèle est fournie. Avec cette méthodologie, nous pouvons poursuivre la conception, la préparation et la caractérisation de matériaux avancés pour cette réaction, ce qui peut conduire à un progrès dans le domaine de la conversion énergétique en fournissant une meilleure compréhension des descripteurs d'activité pour l'RRO et en dévoilant de nouveaux matériaux.

 Fuel cells (FCs) may alleviate the deleterious effects of the use of fossil fuels on the environment, but their high cost and limited long-term operation hinder their commercialization. To address these issues, new electrode materials are necessary to replace platinum in the FCs, especially in the cathode. High loadings of Pt are used as the oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalyst in this electrode. The ORR is a sluggish and complex reaction, and even on Pt surfaces, it takes place far from its thermodynamic potential, causing energy losses. The pathways to solve these concerns are either to improve the performance of Pt or develop new materials to replace it. To design new materials for the ORR, activity descriptors need to be well understood and used to devise better electrocatalysts. From this perspective, studies of electrochemical reactions on surfaces with well-defined structures – i.e., model studies – represent a fundamental tool in the elucidation of reaction mechanisms, on the identification of active sites, and the deconvolution of the electrochemical response of the surfaces. Thus, model studies pave the way for the progress of electrocatalysis. Concerning the ORR, traditionally, these studies are pursued using single crystals and hydrodynamic methods, as the rotating disk electrodes (RDE). However, some materials cannot be assessed using the conventional routes, and for those cases, we need alternative routes to study the ORR. In this context, this thesis main objective is to provide an alternative route to perform ORR electrocatalytic studies on model surfaces. For this purpose, thin films with epitaxial orientation deposited by pulsed laser deposition (PLD) are presented as suitable model surfaces. Pt and Au thin films were deposited on MgO substrates and characterized structurally by X-ray diffraction and electrochemically by cyclic voltammetry. To assess the ORR electrocatalytic activity of these films, sampled current voltammetry (SCV) is presented and validated as an alternative to the RDE assemblies' use. The results presented in this thesis demonstrate that PLD provides thin films with epitaxial orientation that behave similarly to single crystal electrodes. It was demonstrated how to obtain polarization curves with SCV akin to those recorded with an RDE setup by adjusting the mass transfer coefficients. Hence, a full methodology to study the ORR on model surfaces is provided. With this methodology, we can pursue the design, preparation, and characterization of advanced materials for this reaction, leading to progress in the energy conversion field by contributing to a better comprehension of the activity descriptors for the ORR and unveiling new materials.


identifier: Moulay, Ahmed  (2021). Conception de composants radiofréquences pour les systèmes de détection large bande a haute puissance.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 121 p.

subject: atténuation

subject: diviseur de puissance

subject: capacités de traitement de la puissance

subject: guide d’ondes intégré au substrat (SIW)

subject: guide d’ondes rectangulaire (RWG)

subject: guide d’ondes surdimensionné

subject: rectification de puissance RF

subject: rugosité de surface

subject: système de haute puissance

subject: ultra-large bande

subject: attenuation

subject: high power system

subject: oversized waveguide

subject: power handling capabilities

subject: power splitter

subject: rectangular waveguide (RWG)

subject: RF power rectification

subject: substrate integrated wave guide (SIW)

subject: surface roughness

subject: ultra-wideband

abstract:
La spectroscopie à base de résonance paramagnétique électronique (RPE) est un outil spécifique et incontournable à la mise en évidence des espèces radicalaires et paramagnétiques dans diverses matrices. La RPE peut être effectuée à une fréquence radio ou hyperfréquence arbitraire. Les ap plications RPE qui sont déjà développées à ce jour présentent des caractéristiques assez limitées en termes de puissance et largeur de bande. Pour ces applications à haute puissance, le défi majeur est d’améliorer les performances en utilisant des composants micro-ondes et en onde millimétrique faibles pertes avec haute tenue en puissance qui ont une très large bande d’opérations pour couvrir une grande gamme de détection. Dans ce manuscrit, des composants de base pour les systèmes de détection large bande à haute puissance seront présentés. Les guides d’ondes intégrées de taille standard présentent une perfor mance limitée en termes de tenue en puissance et coefficient de transmission. Les guides métalliques qui offrent une tenue en puissance adéquate ont une taille assez grande et sont difficiles à intégrer avec les autres composants actifs et passifs sur une même plateforme. Une nouvelle catégorie de ligne de transmission basée sur un guide d’onde intégré au substrat surdimensionné est proposée afin d’améliorer les performances des lignes de transmission standard en termes de tenue en puis sance et largeur de bande d’opérations. Une gamme de diviseurs/combineurs de puissance est aussi proposée comme élément de base seront associés aux amplificateurs de puissance pour la génération du signal haute puissance. Un rectificateur ultra large bande est proposé afin de pouvoir mesurer le signal réfléchi à partir de l’échantillon. Une structure distribuée est exploitée pour avoir un bon compromis entre largeur de bande et efficacité du détecteur ainsi une meilleure tenue en puissance. L’intégration de ces composants permettra de développer un système relativement faible cout et de taille compacte. Les composants développés à l’issue de ce projet devront être translatés en fréquence afin de concevoir un système de détection en onde millimétrique.

Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy is a specific and essential tool for the detection of radical and paramagnetic species in various matrices. EPR can be performed at an arbitrary radio or microwave frequency. The current EPR applications are limited in terms of power and bandwidth. For these high power applications, the main challenge is to improve the performance by using low loss microwave and millimeter wave components with high power handling which have a very large operating bandwidth to cover a large detection range. In this manuscript, basic components for high power broadband detection systems will be pre sented. Standard size integrated waveguides have limited performance in terms of power handling and transmission coefficient. Metal waveguides that offer adequate power handling are larger in size and are difficult to integrate with other active and passive components on the same platform. A new category of transmission line based on an oversized substrate integrated waveguide is proposed to improve the performance of standard transmission lines in terms of power handling and opera ting bandwidth. A variety of power dividers/combiners are also proposed as basic elements to be associated with power amplifiers for high power signal generation. An ultra wide band rectifier is proposed to measure the reflected signal from the sample. A distributed structure is exploited to achieve a good compromise between bandwidth and efficiency of the detector and a higher power handling. The integration of these components will allow the development of a relatively low cost and compact system. The components developed at the end of this project will have to be translated in frequency in order to design a millimeter wave detection system.


identifier: Ebrahimzadeh, Amin  (2019). Tactile internet over fiber-wireless enhanced hetnets using edge intelligence.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 203 p.

subject:
AI
computation offloading
context-awareness
FiWi enhanced HetNets
motion planning
multi-access edge computing
OPEX
self-awareness
teleoperation
task allocation

abstract: Today’s telecommunication networks enable people and devices to exchange a tremendous amount of audiovisual and data content.With the advent of commercially available haptic/tactile sensory and display devices and conventional triple-play (i.e., audio, video, and data) content communication now extends to encompass the real-time exchange of haptic information (i.e., touch and actuation) for the remote control of physical and/or virtual objects through the Internet. This paves the way towards realizing the so-called Tactile Internet. Through human-machine interaction, the Tactile In ternet is expected to convert today’s content delivery networks into skillset/labor delivery networks. The Tactile Internet holds great promise to have a profound socio-economic impact on a broad ar ray of applications in our everyday life, ranging from industry automation and transport systems to healthcare, telesurgery, and education. In most of these industry verticals, very low latency and ultra-high reliability are key for realizing immersive applications such as robotic teleoperation. While necessary, though, the design of ultra-reliable and low-latency converged communication net work infrastructures is not sufficient to unleash the full potential of the Tactile Internet. In this thesis, we put forward the idea that the Tactile Internet may be the harbinger of human augmen tation and human-machine symbiosis envisioned by contemporary and early-day Internet pioneers. In search for synergies between humans and machines/robots, we explore the idea of treating the human as a “member” of a team of intelligent machines rather than keep viewing him as a con ventional “user” while putting a particular focus on developing systems that are human-aware and help advance the human condition, e.g., economic inequality. After describing the Tactile Internet’s human-in-the-loop-centric design principles and haptic communications and traffic models, we elab orate on the development of decentralized cooperative dynamic bandwidth allocation algorithms for end-to-end resource coordination in fiber-wireless (FiWi) access networks. We then use machine learning to decouple haptic feedback from the impact of extensive propagation delays. Next, we propose a context- and self-aware allocation scheme for both physical and digital tasks to coor dinate the automation and augmentation of mutually beneficial human-machine coactivities while spreading ownership of robots across users. In addition to realizing collective context-awareness via task coordination, we aim to exploit local self-awareness in order to improve the energy-delay performance of mobile robots. Further, we study the problem of joint prioritized scheduling and assignment of delay-constrained teleoperation tasks to human operators. Finally, this doctoral the sis investigates the performance gains of cooperative computation offloading for multi-access edge computing (MEC) enabled FiWi enhanced heterogenous networks (HetNets) with capacity-limited backhaul links. After presenting the envisioned two-tier MEC architecture for a FiWi based net working infrastructure, a simple but efficient offloading strategy is proposed, which relies on the flexible trilateral cooperation between end-devices, edge servers, and the remote cloud.


identifier: García Rosas, Carlos Miguel  (2021). Time–frequency analysis of nonlinear terahertz signals due to hot electrons in the nonparabolic conduction band of n–doped in0.57ga0.43as films / Analyse temps-fréquence des variations de signal terahertz non–linéaire induit par la génération d’électrons chauds dans la bande de conduction non parabolique de couche mince d’in0.57ga0.43as dopé de type N.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 99 p.

subject: térahertz

subject: impulsions térahertz à cycles multiples

subject: génération d’harmoniques d’ordre élevé

subject: composantes basse et haute fréquence

subject: diffusion inter– et intra–vallée

subject: transformée de Gábor

subject: terahertz

subject: multi–cycle terahertz pulses

subject: high–order harmonic generation

subject: low– and high–frequency components

subject: inter– and intra–valley scattering

subject: Gábor transform

abstract:
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L’interaction d’impulsions térahertz (THz) intenses de quelques cycles avec la matière et l’observation des effets térahertz non linéaires ont récemment attiré l’attention de la communauté scientifique. Ces études bénéficient grandement d’un aspect unique de la spectroscopie térahertz, à savoir la généra tion et la détection cohérentes combinées à la technique pompe–sonde, qui permet de mesurer le champ électrique térahertz en fonction du temps. Des travaux antérieurs ont étudié l’évolution des effets non linéaires et de la dynamique des porteurs pendant l’interaction des impulsions THz sous– cycle et de quelques cycles avec un semi–conducteur dopé. Chai et al. ont réalisé des expériences de spectroscopie non–linéaire THz dans le domaine temporel sur un échantillon d’In0.57Ga0.43As dopés n en utilisant une impulsion de térahertz quasi–demi–cycle avec une fréquence fondamentale inférieure à 0.2 THz, démontrant le contrôle sous–cycle des interacrions non–linéaire THz et la génération de haute fréquence térahertz basée sur les effets de diffusion inter–bande des porteurs de charges. Dans cette thèse, nous démontrons des effets THz non–linéaires forts induits par une impulsion térahertz intense à plusieurs cycles dans la couche mince du semi–conducteur dopé. Une conclusion importante de cette thèse est que nous clarifions, pour première fois, le mécanisme qui entraîne la génération de composantes à basse et haute fréquence, qui sont purement liées à des effets intra– vallée, reflétant la non–parabolicité de la bande de conduction. En utilisant la transformée de Gábor, nous avons clarifié le temps d’émission des photons à différentes fréquences, permettant une meilleure compréhension de la dynamique correspondantes. Nous aimerions noter que des composantes sim ilaires à basse et haute fréquence ont été observées dans des rapports récents sur les interactions térahertz–matière intenses, comme celles observées dans les spectres harmoniques d’ordre supérieur du graphène [H. Hafez et al., Nature, 561, 507–511 (2018)]. Compte tenu de l’impact que l’optique non linéaire a eu en physique et en physique appliquée, et des récents progrès rapides dans les inter actions térahertz–matière intenses et l’optique térahertz non linéaire, nous pensons que les nouvelles connaissances que présentent les travaux actuels sont d’une grande importance et d’un grand intérêt. Nous détaillons également les différents mécanismes responsables de l’émission d’harmoniques d’ordre élevé pour les impulsions térahertz a basse et haute fréquence THz (0.2 THz ∼ 1.5 THz) avec des champs électriques de crête incidents allant de 100 kV/cm à 500 kV/cm. Nos résultats montrent que pour les impulsions térahertz à fréquences relativement basses, à cycles multiples et à champs électriques de crête incidents élevés, les porteurs sont accélérés à une énergie moyenne élevée et la troncature de la densité de courant est d’abord obtenue, ce qui conduit à la génération d’harmoniques discrètes d’ordre élevé. Pour expliquer la génération d’harmoniques d’ordre élevé, nous analysons les populations de porteurs dans les vallées Γ, L et X, avec une impulsion de 0.2 THz, montrant une décroissance drastique de la population des porteurs de la vallée Γ autour de 16 ps. À ce moment, en raison du champ élevé (350 kV/cm), l’accélération ponderomotrice est suffisamment forte pour que les porteurs acquièrent suffisamment d’énergie cinétique pour subir ef ficacement la diffusion intermittente des vallées Γ vers les vallées L et X [X. Chai et al., Phys. Rev. Lett. 121, 143901 (2018)]. La génération d’harmoniques d’ordre élevé est principalement causée par les transitions intermittentes des porteurs de la vallée Γ vers les vallées L et X, et aussi des vallées L vers les vallées X et vice versa. Pour les impulsions térahertz à fréquences relativement élevées et à cycles multiples et les champs de crête faibles, nous constatons qu’il est difficile d’avoir des troncatures de courant plus rapides que la durée du demi–cycle de la forme d’onde térahertz incidente originale, et par conséquent, les harmoniques sont plus difficiles à voir.

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The interaction of intense, few–cycle terahertz (THz) pulses with matter and the observation of non linear terahertz effects have recently attracted considerable attention from the scientific community. Such studies are greatly benefiting from a unique aspect of terahertz spectroscopy, that is, coher ent generation and detection combined with the pump–probe technique, which allows time–resolved terahertz electric field measurements. Previous works have studied the evolution of nonlinear effects and carrier dynamics during the interaction of subcycle and few–cycle terahertz pulses with doped semiconductors. Chai et al. performed nonlinear terahertz time–domain spectroscopy experiments on n–doped In0.57Ga0.43As using a quasi–half–cycle terahertz pulse with a fundamental frequency of less than 0.2 THz, demonstrating the subcycle control of terahertz nonlinearities and terahertz high–frequency generation based on intraband carrier scattering effects. In this dissertation, we demonstrate strong nonlinear terahertz effects induced by an intense multi–cycle terahertz pulse in a doped semiconductor thin film. An important finding of this thesis is that we clarify, for the first time, the mechanism that results in the generation of low– and high– frequency components, which are purely related to intravalley effects, reflecting the nonparabolicity of the conduction band. Using the Gábor transform, we have clarified the time of emission of pho tons at different frequencies, providing a better understanding of the related carrier dynamics. We would like to note that similar low– and high–frequency components have been observed in recent reports on intense terahertz–matter interactions, such as those observed in the high–order harmonic spectra from graphene [H. Hafez et al., Nature, 561, 507–511 (2018)]. Considering the impact that nonlinear optics has had in physics and applied physics, and the recent rapid progress in intense terahertz–matter interactions and nonlinear terahertz optics, we believe that the new knowledge that the current work presents would be of high importance and interest. We also detail the different mechanisms responsible for the high–order harmonic emission for both relatively low– and high–frequency (0.2 THz ∼ 1.5 THz) terahertz pulses with incident peak electric fields ranging from 100 kV/cm up to 500 kV/cm. Our results show that for relatively low– frequency multi–cycle terahertz pulses and high incident peak fields, the carriers are accelerated to high average energy, resulting in the truncation in the current density, leading to discrete high– order harmonic generation. To explain the high–order harmonic generation, we analyze the carrier populations in the Γ, L and X valleys, with a 0.2 THz pulse, showing a drastic decay in the carrier population of the Γ valley at a certain time. At that moment, because of the high incident field (350 kV/cm), the ponderomotive acceleration is strong enough that the carriers gain sufficient kinetic energy to efficiently undergo intervalley scattering from the Γ to the L and X valleys [X. Chai et al., Phys. Rev. Lett. 121, 143901 (2018)]. The high–order harmonic generation is mainly caused by the intervalley transitions of the carriers from the Γ valley to L and X valleys, and also from L valleys to X valleys and vice versa. For relatively high–frequency multi–cycle terahertz pulses and low incident peak fields, we find that it is challenging to have current truncations faster than the duration of the half–cycle of the original incident terahertz waveform, and as a result, harmonics are harder to see.


identifier: Agwil, Rached  (2021). Study on the microwave rectennas for wireless power transfer and energy harvesting.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 171 p.

subject: télécommunication

abstract:
Cette thèse propose une nouvelle conception des circuits dans les fréquences micro-ondes comme solution alternative au transfert de puissance sans fil et à la récupération de l'énergie radiofréquence. En raison de l'utilisation limitée des batteries et des fils dans certaines circonstances, l'auto-alimentation peut être bénéfique pour les dispositifs électroniques sans fil. Le problème consiste à trouver un moyen de charger des dispositifs à faible consommation d'énergie en utilisant les systèmes de transmission sans fil existants. Ce travail met en évidence des conceptions de circuits qui intègrent des composants passifs et actifs pour le transfert d'énergie sans fil. Les fonctions principales de ces circuits sont de collecter l'énergie de rayonnement d'origine ambiante et de recycler l'énergie récupérée. Les circuits, appelés rectennas qui sont des Antennes redresseuses, sont construits avec de composants non linéaires passifs, d’antennes intégrées et de redresseurs de radiofréquence. Les circuits passifs se composent d'une antenne micro-ruban et de l'un des composants suivants : un coupleur Wilkinson, une jonction en T et un coupleur hybride à 90º ou 180º utilisé comme combinateur de puissance. Les principaux avantages des circuits passifs sont l'isolation de l'adaptation et les faibles pertes. Ils peuvent être utilisés pour combiner la puissance reçue des antennes afin d'alimenter le circuit redresseur. Les circuits non linéaires constituent une autre partie, composée d'une ou plusieurs diodes (deux pour le doublement de la tension, et quatre pour le pont de diodes) qui sont intégrées à l'étage de charge. L'objectif de ces circuits est double : (i) recevoir et combiner les signaux d'entrée de radiofréquence, et (ii) rectifier avec une plus grande efficacité et convertir les signaux de radiofréquence en courant continu ou alimenter les dispositifs électroniques sans fil. Les principaux objectifs de ce travail sont de développer des circuits récepteurs efficaces qui utilisent l'énergie radiofréquence existante et augmentent la puissance de sortie. Comme les systèmes de dispositifs sans fil sous la bande 6 GHz sont utilisés pour l'Internet des objets et l'identification par radiofréquence, les conceptions d'antennes patch et de coupleurs sont modifiées pour améliorer l'efficacité et minimiser les pertes de retour. Deux techniques de simulation sont employées dans cette étude : l'optimisation et le réglage. Comme ces deux stratégies sont essentielles pour obtenir les performances requises, le logiciel Advanced Design System de Keysight (Agilent) Technologies est utilisé à cet effet. Tous les prototypes proposés sont conçus, simulés, fabriqués et validés par des mesures sur des bancs d'essai. De plus, des circuits redresseurs de radiofréquence en courant continu ont été mis en œuvre pour l'efficacité de la conversion de puissance et la tension de sortie appropriée aux applications ciblées, tandis que des diodes Schottky sont utilisées pour les circuits redresseurs pleine onde avec des doubleurs de tension pour obtenir la tension de sortie continue requise. En outre, un réseau d'adaptation de type L est utilisé pour les redresseurs mono bande et multi-bande afin de maximiser la tension de sortie CC. Des transformateurs d'impédance sont également utilisées comme technique d'adaptation pour augmenter l'efficacité du rectenna. Les prototypes sont fabriqués à Polytechnique Montréal, Circuits Imprimes De La Capitale, et Cancino Technologies, tandis que les mesures sont effectuées au Laboratoire RF de l'INRS-EMT Montréal. Les principaux avantages du système proposé pour les appareils auto-alimentés sont l'élimination des fils et des piles, et la réduction des coûts. De plus, le système peut être pratique dans les applications industrielles, scientifiques et médicales (ISM).

This thesis proposes a novel microwave design and the proposed solution is a power transfer/harvesting. Due to the limited use of batteries and wires in some circumstances, self-powering is beneficial for wireless electronic devices. The problem involves finding a way to charge low-power consumption devices using existing telecommunication wireless transmitting systems. This work proposes circuit designs that integrate passive and active components for wireless power transfer. The primary functions of these circuits are to collect ambient-sourced radiation energy and to recycle energy scavenging. The circuits, called rectennas, are built with passive non-linear components, integrated antennas, and radio frequency rectifiers. Passive circuits consist of a microstrip antenna and one of the following components: a Wilkinson coupler, a T-junction, and either a 90º or a 180º hybrid coupler used as a power combiner. The main advantages of passive circuits are matching isolation and low losses. They can be used for combining received power from antennas to feed the rectifier circuit. Non-linear circuits are another part, consisting of one or more diodes (two for double voltage, and four for Diode Bridge) that are integrated with the load stage. The purpose of the circuits is twofold: (i) to receive and combine radio frequency input signals, and (ii) to rectify with higher efficiency and convert radio frequency signals to direct current or power electronic wireless devices. The main objectives of this work are to develop efficient receiver circuits that employ existing radiofrequency energy and increase output power. As wireless device systems under 6 GHz band are used for the Internet of Things and radiofrequency identification, patch antenna and coupler designs are being modified to improve efficiency and minimize return losses. The Advanced Design System software of Keysight (Agilent) Technologies is used for this purpose. All of the proposed prototypes are designed, simulated, fabricated, and validated by measurements on test benches. Also, radiofrequency to direct current rectifier circuits have been implemented for power conversion efficiency and output voltage appropriated for targeted applications, while Schottky diodes are used for full-wave rectifier circuits with voltage doublers to obtain the required DC output voltage. Additionally, an L-type matching network is used to maximize DC output voltage. Also, impedance transformers are used as a matching technique to boost the rectenna efficiency. The prototypes are fabricated at Polytechnique Montréal, Circuits Imprimes De La Capitale, and Cancino Technologies, and the measurements are done at INRS-EMT Montreal RF Laboratory. The main benefits of the proposed system for self-powering devices are getting rid of wires and batteries, and reducing costs. Furthermore, the system can be practical in industrial, scientific, and medical (ISM) applications.