identifier: Mirzadeh, A. (2012). Thermoplastic Vulcanizate Nanocomposites Based on Polypropylene/Ethylene Propylene Diene Terpolymer (PP/EPDM) Prepared by Reactive Extrusion  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les élastomères thermoplastiques (TPEs) représentent un groupe important de matériaux polymères, plus précisément des mélanges de polymères, qui possèdent un comportement élastique similaire aux matériaux caoutchouteux mais contiennent des liens thermoréversibles les rendant faciles à manipuler via des procédés de traitement des thermoplastiques. Une catégorie importante de TPEs consiste en des matériaux à base de polyoléfine, dont de polypropylène (PP) et de terpolymère éthylène-propylène-diène (EPDM) qui sont connus dans le marché pour leurs propriétés physique et mécanique intéressantes obtenues grâce à leur faible tension interfaciale (~0.3 mN/m) et à leur compatibilité de phase. Durant les dernières décennies les mélanges d'EPDM/PP ont, en raison de l'importance commerciale, attiré l'attention des milieux industriels et académiques afin d'améliorer leur comportement élastique et /ou leurs propriétés techniques, et étendre leurs champs d'application.  Cette thèse s'intéresse principalement à l'usage des nanotechnologies par l'incorporation de la nano-argile dans la phase thermoplastique de ces matériaux. Elle étudie l'effet de différents niveaux de dispersion de la nano-argile sur la co-continuité des mélanges réactifs et la liaison interfaciale des mélanges préparés par l'extrusion réactive. De plus, la recherche portée dans ce travail a aussi pour but de déterminer le comportement élastique de ces mélanges en présence de la nano-argile et cela en relation avec le niveau de dispersion de ces particules dans les mélanges. Par conséquent, le développement morphologique et les propriétés fonctionnelles et techniques des nanocomposites thermoplastiques vulcanisées (TPV) ont été investigués. Pour ce travail, différentes sortes de polymères polypropylène-g-maléique anhydride ont été utilisées afin d'élucider l'effet de l'agent de comptabilisation sur le niveau de dispersion de la nano-argile dans la phase thermoplastique. Les analyses par diffractométrie de rayons X (XRD), la microscopie électronique à transmission (TEM), et la microscopie électronique à balayage (SEM) des mélanges préparés confirment que les nanocomposites PP se modifient d'une structure intercalée vers une coexistence des tactoïdes intercalés et des couches exfoliées nommées des nanocomposites ‘partiellement exfoliées'. Parmi les différents paramètres de performance de l'agent de comptabilisation, sa relaxation se corrèle directement avec les résultats de la caractérisation des nanocomposites; un temps de relaxation plus long de l'agent de comptabilisation est associé avec une meilleure dispersion de la nano-argile dans les mélanges.  Pour étudier la co-continuité du développement des mélanges non-réactifs, l'EPDM et les nanocomposites PP ont été mélangés à l'état fondu avec différentes compositions en utilisant un mélangeur interne. Basé sur le mesure de continuité des TPEs et de leurs nanocomposites associées pour la phase thermoplastique et élastique, il est déduit que la présence de nano-argile réduit la plage de composition de la co-continuité et altère ses caractéristiques symétriques. Toutefois, cet effet est plus prononcé plus chez les nanocomposites intercalées que chez les nanocomposites partiellement exfoliées. Une meilleure dispersion de la nano-argile limite la réduction de la continuité de la phase thermoplastique de sorte que l'indice de continuité de la phase thermoplastique des nanocomposites TPE partiellement exfoliées préparées avec un contenu plus élevé d'EPDM (i.e. à 70 wt%) devient plus importante que celle des TPEs sans nano-argile. Ces résultats montrent qu'il est possible d'utiliser plus d'EPDM dans les mélanges en utilisant des nanocomposites partiellement exfoliées avant la formation de la matrice de dispersion de structure qui limite la production du TPV. Néanmoins, il s'avère important de mentionner que les radiations gamma ont été utilisées pour stabiliser la morphologie d'EPDM et estimer la continuité du PP en utilisant des extractions solubles et des techniques de gravimétrie.  De plus, l'effet de la continuité sur le comportement rhéologique des nanocomposites TPE a été étudié. La viscosité transitoire s'est montrée plus sensible à l'indice de continuité que les autres fonctions matérielles obtenues en utilisant un balayage en fréquence, des essais de  relaxation de contrainte, et les essais de fluage. Il a été montré qu'un indice de continuité d'EPDM plus élevé amène à une baisse de viscosité transitoire normalisée quand la phase thermoplastique est continue; car la déformation des domaines d'EPDM est plus facile que l'altération dans une matrice continue. D'un autre côté, basé sur les expérimence d'extraction et des micrographes SEM, il existe des preuves qui démontrent que l'argile reste principalement dans la phase PP. Les résultats de balayage par la calorimétrie différentielle (DSC) montrent que la présence de nano-argile dans la phase thermoplastique augmente la température de la cristallisation (jusqu'à ~20 °C), ce qui peut s'avérer bénéfique pour les applications de moulage par injection grâce à une solidification plus rapide et un temps de cycle plus court.  L'objectif ultime de ce travail est de maximiser le comportement élastique en contrôlant la morphologie du mélange et son niveau de réticulation. Par conséquent, cette étude couvre aussi les effets de la présence de nano-argile et son niveau de dispersion sur la réaction de réticulation des nanocomposites TPV préparées par une extrusion réactive. Ici, la phase élastique a été vulcanisée d'une manière dynamique en utilisant une résine phénolique de diméthylol ou une résine d'octylphénol-formaldéhyde avec du chlorure d'étain déshydraté comme catalyseur. Dans cette étude, la vulcanisation dynamique des TPVs préparés et ses nanocomposites correspondant a été caractérisée en utilisant différents critères tels que : le contenu en fraction soluble, la viscosité et le module élastique G'  en déformation dynamique, , la largeur du signal de résonance magnétique nucléaire (RMN), le contenu d'agent de réticulation et la concentration en diène résiduelle. La combinaison de ces paramètres a été jugée suffisante pour décrire le système.  Contrairement aux mélanges préparés dans un mélangeur interne dans lequel le niveau de réticulation des nanocomposites TPV est toujours plus bas que celui des TPVs, l'effet de la présence de nano-argile dans les échantillons préparés par extrusion réactive s'avère plus compliqué. Il appert que la différence entre la taille de la réaction de réticulation entre les TPVs et les nanocomposites TPV est plus prononcée pour les échantillons préparés avec une vitesse de vis plus élevée (400 tour par minute (rpm), temps de résidence ~ 65 s). Néanmoins, il n'existe pas de différence significative pour les échantillons préparés avec une vitesse de vis plus basse (200 rpm, temps de résidence ~ 45 s).  Pour ces mélanges réactifs, l'analyse de la courbe du couple de mélange en fonction du temps, ainsi que l'analyse des mesures sur la fraction soluble et des micrographes SEM à différentes positions dans l'extrudeuse confirment que la structure co-continue existe au moins avant la deuxième zone de mélange dans une extrudeuse bi-vis en fonctionnement co-rotatif. Autrement dit, la co-continuité des mélanges avant la deuxième zone de mélange n'est pas seulement contrôlée par la vulcanisation dynamique, mais aussi par la présence de nano-argile. Considérant ce fait et basé aussi sur le calcul de la conversion chimique par la mesure des valeurs de concentration de la diène résiduelle obtenu par RMN, il est suggéré que la présence de nano-argile affecte la réaction de réticulation principalement par son influence sur la continuité de la phase d'EPDM dans la structure co-continue qui se forme lors de l'étape initiale du processus de mélange. Il a été démontré qu'une plage de réticulation plus élevée est associée avec un indice de continuité d'EPDM plus haut. À son tour, le niveau de la co-continuité dépend aussi du degré de dispersion de nano-argiles. Aussi, quand la continuité de la phase d'EDPM des deux mélanges est similaire, l'effet de barrière des nano-argiles intensifie la réaction de réticulation par l'augmentation de la concentration de l'agent curatif local. Nos travaux montrent que si l'EPDM dans le système correspondant non-réactif est une phase continue, le niveau de la réaction de réticulation devient plus dépendant de la vitesse de rotation des vis. En autres mots, plus le temps de résidence est long, plus élevé est l'étendue de réticulation. De plus, il est important de mentionner que la valeur de la largeur de base du pic principal en spectroscopie RMN peut seulement être utilisée pour comparer l'étendue de réticulation dans des TPVs dû à l'influence du nano-argile sur la mobilité de la chaîne principale de l'EPDM dans les nanocomposites TPV. L'analyse des mélanges du point de vue de structure des nanocomposites révèle que l'interaction des chaînes de polymères dans les galeries inter-couches des nano-argiles est plus prononcée pour les nanocomposites TPV comparé aux nanocomposites TPE dû à une contrainte de cisaillement plus élevée exercée sur les couches nano-argiles durant la vulcanisation dynamique. Aussi, en augmentant le contenu d'EPDM, l'intercalation du polymère n'a pas été significativement améliorée. Pour les nanocomposites TPV préparés à une vitesse de vis plus élevée (400 rpm), le premier pic de la caractéristique du nano-argile en diffraction rayon X (2 =2.85 , l'espace-d correspondant est 3.1 nm) s'est déplacé à un angle plus bas (2 =0.94 , l'espace-d correspondant est 9.3 nm), tandis que celui des nanocomposites TPV basés sur une compositition partiellement  exfoliée a complètement disparu.  La dernière partie de cette thèse se penche sur la question de l'influence du niveau de dispersion des nano-argiles, et conséquemment l'étendue de réticulation, sur le comportement élastique et la morphologie des TPVs. Une méthode récemment développée, s'appelant le balayage de la température de relaxation de contrainte (TSSR), a été utilisée pour estimer l'indice d'élasticité des TPVs et des nanocomposites TPV. Cette méthode donne de l'information satisfaisante sur l'étendue de réaction de réticulation. Le comportement élastique des mélanges contenant 50 p/p % et 60 p/p% d'EPDM- dans lesquelles les études morphologiques suggèrent la présence des gouttes élastiques dans le voisinage des particules élastiques de formes irrégulières avec un niveau d'inter-connectivité bas- corrèle avec la taille de la gouttelette élastique. Par conséquent, la présence de nano-argile influence la valeur de l'indice d'élasticité par son effet sur la taille des gouttelettes élastiques qui contrôle le nombre des points de rétraction dans le mécanisme de fluage proposé durant l'essai TSSR. Il faut prendre note que l'augmentation du contenu d'EPDM abaisse le nombre des gouttes et augmente aussi la formation des particules élastiques avec des formes irrégulières. D'un autre côté, la relation directe entre les valeurs de l'indice élastique et la densité de réticulation est seulement observée pour des séries de TPVs qui montrent un réseau extensif bien développé entre les gouttes de forme irrégulière (mélanges contenant 70wt% d'EPDM). Finalement, l'effet de la présence de nano-argile et son niveau de dispersion sur le comportement élastique se démontre par son influence sur la densité de réticulation.  ABSTRACT: Thermoplastic elastomeric materials (TPEs) are an important class of copolymers or polymer blends that exhibit the typical advantages of conventional rubbers but can be processed with the thermoplastic processing methods. Among different kind of thermoplastic elastomer , those based on polypropylene (PP) and ethylene propylene diene terpolymer (EPDM) are known to have more interesting properties due to the relatively low interfacial tension between PP and EPDM (~0.3 mN/m). Considering the commercial significance of the mentioned blends, different approaches have been used during the last few decades to improve their rubber like behaviour and/or their engineering properties to expand their fields of applications. In this regard, in the present dissertation, the use of nanotechnology by incorporating the nanoclay in the thermoplastic phase is the major interest subject. The effects of different nanoclay dispersion levels on the co-continuity of non reactive blends and the extent of crosslinking in the blends prepared by reactive extrusion are studied. This research intends to tailor the rubber like behaviour by the nanoclay presence and its dispersion level. Therefore the morphology development along the screw axis and the functional and engineering properties of the prepared thermoplastic vulcanizates nanocomposites are also investigated.  For this work, different grades of polypropylene-g-maleic anhydride polymers were chosen to elucidate the effect of compatibilizer on the nanoclay dispersion level in thermoplastic phase. X-ray diffraction (XRD) patterns along with transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscope (SEM) micrographs confirmed that prepared PP nanocomposites ranged from intercalated structure to a coexistence of intercalated tactoids and exfoliated layers namely "partially exfoliated" nanocomposite. Among various factors affecting the compatibilizer performance, it is shown that only the relaxation behaviour of compatibilizer correlates directly with the nanocomposites characterization results; higher relaxation times of the compatibilizer are associated with better dispersion of nanoclay.  To study the co-continuity development of the nonreactive blends, EPDM and the mentioned PP nanocomposites at various compositions were melt blended using an internal mixer. Based on continuity measurements of TPEs and TPE nanocomposites for both thermoplastic and rubber phase, it is shown that the presence of nanoclay decreases the co-continuity composition range and alters its symmetrical feature. However, this effect is more pronounced in the intercalated nanocomposites than in partially exfoliated nanocomposites. It seems that better nanoclay dispersion limits the reduction of the thermoplastic phase continuity in a manner that the continuity index of the thermoplastic phase for partially exfoliated TPE nanocomposite prepared at high EPDM content (i.e. at 70 wt%) is greater than that of corresponding TPE without nanoclay. According to these results, it is possible to shift to higher EPDM content using partially exfoliated system before formation of matrix-dispersed particle structure which limits thermoplastic vulcanizate production. This should be mentioned that gamma irradiation was carried out in order to fix the EPDM morphology to estimate the continuity of PP using the solvent extraction and gravimetry technique. Additionally, the effect of continuity on rheological behaviour of TPE nanocomposites was investigated. The stress growth viscosity was found to be more sensitive to the continuity index than other material functions obtained using frequency sweep, stress relaxation and creep experiments. It seems that a higher EPDM continuity index leads a lower overshoot of normalized stress growth viscosity when thermoplastic phase is continuous because deformation of the separated domains of EPDM is easier than alteration in a continuous network structure. On the other hand, based on extraction tests and SEM micrographs, there are some evidences that clay remain mainly in the PP phase.  According to differential scanning calorimetry (DSC) results, the presence of nanoclay in the thermoplastic phase increases the crystallization temperature (up to ~20 °C) that could be beneficial for molding applications, because of the faster solidification and shorter cycle time. The ultimate goal in this field is to maximize the rubber like behaviour by controlling the blend morphology and the level of crosslinking. Therefore, this study also covers the effects of nanoclay presence and its dispersion level on the crosslinking reaction of thermoplastic vulcanizate nanocomposites prepared by reactive extrusion. Here, the rubber phase was dynamically vulcanized using dimethylol phenolic resin or octylphenol-formaldehyde resin along with stannous chloride dihydrate as the catalyst. In the present study, the dynamic vulcanization of the prepared TPVs and corresponding nanocomposites are characterized using different criteria, such as gel content, viscosity and normalized storage modulus in the time sweep tests, nuclear magnetic resonance (NMR) signal line width, bound curative content and residual diene concentration.  The combination of the above parameters appears to be sufficient to provide a clear description of the systems.  Contrary to the blends prepared in internal batch mixer in which the extent of crosslinking in TPV nanocomposites is always lower than that of TPVs, however, the effect of nanoclay presence in the samples prepared by reactive extrusion is more complicated. It seems that the difference in the extent of crosslinking reaction between TPVs and TPV nanocomposites is more pronounced for the samples prepared at higher screw speed (400 rpm, residence time of ~ 45 s). Whereas, there is no significant difference was found for the samples prepared at lower screw speed (200 rpm, residence time of ~ 65 s).  The torque-time curve analysing obtained from internal batch mixer, gel content experiments and SEM micrographs along the extruder axis for the reactive blends confirm that the co-continuous structure exists at least before the second mixing zone of the twin screw extruder. In other words, the co-continuity of the blends before the second mixing zone is not only controlled by dynamic vulcanization but also by the presence of nanoclay. Considering this fact and based on the bound curative content and residual diene concentration values obtained by solid state NMR, it is suggested that nanoclay presence affects the extent of crosslinking reaction mainly through its effect on the continuity of the EPDM phase in the co-continuous structure forming in the initial stage of the mixing process. It is shown that the higher extent of crosslinking is associated with higher continuity index of EPDM. In turn, the level of co-continuity, as mentioned earlier, depends on the degree of dispersion of nanoclay. On the other hand, when the continuity of EPDM phase of two blends is similar, the barrier effect of nanoclays intensifies the crosslinking reaction by increasing the local concentration of curing agent. In our experimental window, if EPDM in the corresponding non-reactive system is a continuous phase, the extent of crosslinking reaction appears to be more dependent on the screw speed. Otherwise, higher residence time would increase the extent of crosslinking. Moreover, it should be mentioned that the backbone peak base width values may be used only to compare the extent of crosslinking in the TPVs due to the influence of nanoclay on the mobility of the backbone of EPDM in TPV nanocomposites. The investigation of the blends, from nanocomposite structure point of view, reveals that intercalation of polymer chains into the interlayer galleries of the nanoclays is more pronounced for the TPV nanocomposites compared to TPE nanocomposites due to the higher shear stress which is exerted on the nanoclay layers during dynamic vulcanization. It should be mentioned that by increasing EPDM content, polymer intercalation was not enhanced significantly. For the TPV nanocomposites based on intercalated system prepared at higher screw speed (400 rpm), the first characteristic peak of nanoclay (2 =2.85 , corresponding d-spacing is 3.1 nm) shifted to the lower angle (2 =0.94 , corresponding d-spacing is about 9.3 nm) while that of TPV nanocomposites based on partially exfoliated system disappeared. The last part of the present study is devoted to find how the dispersion level of nanoclay and consequently the extent of crosslinking change the rubber like behaviour and the morphology of the prepared TPVs. Therefore, recently developed method named temperature scanning stress relaxation (TSSR) was used to estimate the rubber indices of TPVs and TPV nanocomposites. The mentioned method also successfully provided information about the extent of crosslinking reaction. It is shown that the rubber like behaviour of the blends containing 50wt% and 60wt% of EPDM in which morphological studies suggest the presence of the rubber droplets in vicinity of irregular shape rubber particles with a low level of interconnectivity, correlates with the rubber droplet size. Therefore, the nanoclay presence affects the rubber index values mainly through its effect on the size of the rubber droplets that controls the number of retraction points in the proposed buckling mechanism during the TSSR test. It should be mentioned that by increasing the EPDM content, the number of the droplet like domains decreases and more irregular shape rubber particles is formed. On the other hand, the direct relation between rubber index values and the crosslink density is observed only for those series of TPVs showing the fully developed extensive network between irregular shape rubber domains (blends containing 70wt% of EPDM). Hence, the nanoclay dispersion level influences the rubber like behaviour through its effect on the crosslink density.


identifier: Dufay, B. (2012). Optimisation d'un magnétomètre à haute sensibilité à base de magnéto-impédance géante (MIG)  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'effet magnéto-impédant géant (MIG) traduit la forte variation de l'impédance d'un conducteur ferromagnétique soumis à une variation de champ magnétique externe. L'objectif de ce travail de thèse est l'optimisation des performances en bruit d'un magnétomètre à MIG. Ces dernières limitent ultimement le plus petit champ magnétique mesurable. Ainsi, nous présentons l'étude des propriétés physiques du matériau permettant d'évaluer la sensibilité propre de l'élément sensible à l'aide d'un modèle simplifié. L'originalité de cette étude réside dans la prise en compte de la sensibilité exprimée en V/T, liée à l'amplitude d'excitation optimale, comme critère de performance. Afin d'accroître encore cette sensibilité, les dispositifs MIG sont associés à une bobine de capture. La réponse en champ du quadripôle ainsi constitué est modélisée. La capacité parasite de la bobine, identifiée comme un facteur limitant, implique alors une fréquence d'excitation optimale propre à chaque élément sensible. Finalement, une modélisation globale des performances en bruit, intégrant de plus le conditionnement électronique, est développée. Celle-ci permet de prédire et d'analyser les performances en fonction des conditions de mise en oeuvre, notamment vis-à-vis du type de démodulation. Ces résultats valident l'intérêt de la structure quadripôle et apportent un éclairage important sur le choix du point de fonctionnement en champ statique du capteur. Ce travail permet alors de réaliser un magnétomètre optimisé. Il affiche des performances très honorables avec un niveau de bruit équivalent  ABSTRACT: The Giant MagnetoImpedance (GMI) effect reflects the strong dependence of the electrical impedance of a ferromagnetic conductor submitted to an external applied magnetic field. The main objective of this thesis consists in increasing the noise performance of GMI-based magnetometers, since it ultimately limits the lower magnetic field which can be detected. We thus present a study of the material's physical properties, which allows us to evaluate the proper sensitivity of a sensing element, using a simplified model. The originality of this study lies in the consideration of the sensitivity in units of V/T, which is linked to the optimum excitation current amplitude and frequency, as a criterion of performance. In order to further increase the sensitivity, GMI devices are associated to a detection coil. The field response of the two-port network thus obtained is modeled. The parasitic capacitance, identified as a limiting factor, thus implies an optimum excitation frequency associated to each devices. Finally, a complete model of the noise performances, including the electronic conditioning, is developed. It allows us to predict and analyze the performances associated to different electronic conditioning, particularly in relation to the demodulation approach. Those results validate the usefulness of the two-port network structure and shed a new light on the choice of the optimal static field operating point of the sensor. This work thus leads to the design of an optimized magnetometer, exhibiting excellent performances, notably an equivalent


identifier: Raghav, H. P. (2012). Computation of Neutron Fluxes in Fuel Pins Arranged in Hexagonal Lattices  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour comprendre le comportement d'un réacteur nucléaire, une description détaillée de la population de neutrons (flux de neutrons) dans le coeur est requise. Le coeur du réacteur nucléaire peut être représenté par un réseau répétitif de cellules unitaires. Chaque cellule de ce réseau se compose soit d'un crayon de combustible unique ou d'un groupe de crayons entourés par le modérateur. Ces cellules peuvent être disposées pour former un réseau cartésien ou hexagonal, en fonction du type de réacteur nucléaire. Comme la majorité des réacteurs actuels (réacteurs à eau pressurisée, bouillante et CANDU) possèdent un réseau ayant un pas carré, le module NXT de DRAGON qui permet d'analyser de tels réseaux de cellules s'est avéré jusqu'à présent adéquat. Cependant, pour les réacteurs avancés qui sont déjà sur la table de dessin, les cellules sont plutôt disposées sur un réseau hexagonal. La possibilité de procéder à de telles analyses en utilisant DRAGON est cependant assez limitée, car le module NXT ne permet pas pour le moment d'analyser des réseaux hexagonaux alors que le type de géométries hexagonales pouvant être traitées par le module EXCELT est très limité et mal adapté aux nouveaux réacteurs. Ici, nous proposons de généraliser le module NXT afin de permettre l'analyse de réseaux de cellules hexagonales. Nous avons utilisé la méthode des probabilités de collision de Carlvik pour effectuer les calculs de transport requis pour déterminer la distribution spatiale de flux dans un assemblage. Cette méthode permet de prendre en compte les détails géom´etriques exacts d'une cellule réacteur en deux et trois dimensions. Elle requiert un algorithme de quadrature numérique des probabilités de collision. Cet algorithme est basé sur une méthode de traçage de lignes d'intégration et il peut être appliqué facilement à un assemblage de cellules hexagonales. Afin d'atteindre nos objectifs, nous avons premièrement développé, en FORTRAN, notre algorithme de traçage de lignes d'intégration pour des géométries hexagonales en deux dimensions. Après l'évaluation de la longueur de chaque segment de droite croisant une région spécifique de la cellule en deux dimensions, nous avons développé une technique qui permet de reconstruire ces segments de droite dans la troisième dimension. Tout ce travail a été programmé dans le module NXT du code DRAGON. Le choix de ce module réside dans sa capacité de combiner automatiquement aux segments de droites provenant de géométries hexagonales ou cartésiennes ceux associées à des géométries cylindriques ou de grappes en deux et trois dimensions (déjà disponible dans NXT), à la condition que ces cylindres et grappes soient complètement inclus dans une cellule. Pour valider notre méthode de traçage de lignes d'intégration, les réseaux suivants ont été analysés : a) cellules hexagonales contenant des sous-régions cylindriques en 2D et 3D.  ABSTRACT: To understand the behavior of a nuclear reactor, a detailed description of the neutron population or flux, in the reactor core, is required. A nuclear reactor core consists of repetitive arrangement of many unit lattice cells. A lattice cell consists of either a single fuel pin or a cluster of many fuel pins surrounded by moderator. These lattice cells are arranged in a square or hexagonal lattice pitch, depending of the type of nuclear reactor. Most of the present pressurized water reactors have square pitch. Advanced reactors have hexagonal pitch. The NXT module of the code DRAGON, which is developed at Ecole Poytechnique, computes neutron flux distribution in a reactor geometry, when the lattice cells are arranged in a square pitch. Using the contributions of this thesis, computations are extended to a reactor geometry when the lattices cells are arranged in a hexagonal pitch. We have considered Carlvik's method of collision probabilities for computations. This method can consider exact geometrical details of a reactor lattice cell in two and three dimensions. While using this method, tracking algorithms are required to be developed. Initially we developed, in FORTRAN, tracking algorithm for two dimensional hexagonal geometries. This algorithm is based on the ray tracing method and it can be applied to assembly of hexagonal cells. After computing the track lengths in two dimensions, we have developed equations and have applied these equations to compute tracks in the third dimension. All this work has been implemented in the NXT module of the code DRAGON. Advantage of the NXT module is that, it can compute tracks in cylindrical fuel pins in a two dimensional (2D) or three dimensional (3D) lattice cell, provided tracks of the outer boundary of the cell are given. Earlier NXT module could consider square and cube geometries, now with the implementation of this algorithm it can consider hexagonal assemblies in 2D and 3D. For testing the results so obtained, the following lattices have been analyzed and results are compared with the EXCELT module of the code DRAGON. All the results have also been verified by plotting them (NXT module does this plotting by using Matlab). Results are computed, in one group, for the following lattice cells a) Single hexagonal pin cells in 2D and 3D. b) Assembly of seven hexagonal single cylindrical fuel pin cells in 2D and 3D.  c) Single hexagonal cell with a cluster of pins in 2D and 3D. This exercise was done to demonstrate that the NXT module can compute fluxes in hexagonal cell with a cluster of pins in 2D and 3D. For doing this, care has to be taken such that co-ordinate systems, for track length computations, in hexagon and in pins should match. The EXCELT module of DRAGON code can compute fluxes in a single hexagonal cell with a cluster of pin cells in 2D and not in 3D. All this work has been presented in this thesis.


identifier: Deshommes, E. (2012). Le plomb particulaire dans l'eau du robinet: source, occurrence, enlèvement et bioaccessibilité  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le plomb dans l'eau du robinet a été démontré comme un contributeur significatif des concentrations de plomb dans le sang des jeunes enfants. Récemment, des effets neurotoxiques irréversibles ont été mesurés chez les enfants de 6 ans et moins pour des concentrations de plomb dans le sang inférieures au seuil de plombémie de 10 μg Pb/dL ayant servi à l'élaboration des normes. Aucun seuil d'absence d'effet significatif ne peut par conséquent être défini, et les règlementations sont en mutation. Le plomb total mesuré dans l'eau du robinet est présent sous deux formes, le plomb dissous et le plomb particulaire. Le plomb particulaire comprend des colloïdes et des particules, mais est généralement défini comme la fraction retenue par un filtre d'une porosité de 0.45 μm. Il apparait cependant que les protocoles d'échantillonnages et les méthodes d'analyses élaborés pour la détection du plomb total dans l'eau du robinet sousestiment la fraction particulaire du plomb, et par conséquent l'exposition du consommateur au plomb particulaire. Or les concentrations élevées en plomb recensées dans l'eau des grands bâtiments (écoles) et à Washington D.C., et parfois reliées aux concentrations de plomb dans le sang mesurées chez de jeunes enfants, suggèrent une contribution importante du plomb particulaire. Ainsi, plusieurs pistes semblaient indiquer une contribution significative du plomb particulaire à l'exposition, et donc l'importance de mieux le considérer dans les protocoles d'échantillonnage et d'analy , et dans l'analyse de l'exposition. L'objectif principal de ce projet de recherche était de déterminer si le plomb particulaire pouvait contribuer de façon significative à l'exposition au plomb de l'enfant. Pour cela, il était essentiel de caractériser le plomb particulaire dans l'eau du robinet auquel le consommateur est exposé (concentrations, sources, occurrence, facteurs influents), d'estimer la fraction bioaccessible du plomb particulaire, et d'intégrer ces données dans un modèle biocinétique de plombémie. Aussi, il était urgent de valider une méthode efficace pour l'enlèvement du plomb particulaire, et rapide à mettre en place, pour la proposer aux populations vulnérables exposées.  ABSTRACT: Lead in drinking water has been shown to contribute significantly to the BLL of children less than 6 years old. Irreversible negative neurobehavioral impacts, including a loss of IQ of children under 6 years old, have been documented at BLLs far below the current health action level of 10 g Pb/dL. A threshold corresponding to a non significant effect cannot be defined for lead, and modifications of the current regulations for lead in drinking water are under consideration. Two forms of lead are present in tap water and confounded in total lead concentrations, dissolved lead and particulate lead. Particulate lead includes colloids and particles, but is generally defined as the fraction retained by a 0.45 μm porosity filter. However, sampling protocols and analytical methods currently prescribed for total lead in tap water underestimate its particulate lead fraction, and therefore the consumer's exposure. Extreme lead concentrations measured in some schools and in Washington D.C. houses, in some cases related to children BLLs, have suggested a significant contribution of particulate lead. Because of these findings, it appears important to adequately consider particulate lead in sampling protocols, analytical methods, and exposure analysis. The main objective of this project was to determine if particulate lead could significantly contribute to young children's exposure. To this purpose, it was essential to characterize particulate lead in tap water to which the consumer is exposed (concentrations, sources, occurrence, and influencing factors), to estimate the bioaccessibility of particulate lead, and to integrate these data in a biokinetic model such as IEUBK. As well, it was urgent to validate a remediation method for particulate lead in tap water that could be applied immediately, in order to protect vulnerable populations before the implementation of long-term solutions.


identifier: Arabi Narehei, S. (2012). Unstructured Meshes for Large Rigid Body Motions Using Mapping Operators  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse propose une approche originale pour le contrôle des maillages autours d'objets rigides en mouvement. L'approche proposée permet de maintenir fixe la topologie du maillage, et ainsi d'éliminer le recours à un processus d'interpolation des solutions entre les pas de temps lors de simulations en régime transitoire. Afin de simplifier le traitement du mouvement des objets, leur évolution est décrite dans un espace de calcul, qui est par la suite transformé vers l'espace physique grâce à des opérateurs différentiels. Deux types d'opérateurs différentiels ont été étudiés, les premiers inspirés de fonctionnelles de forme des éléments (Longueur, Aire et Orthogonalité), et les seconds des équations de Winslow. L'une des contributions principales de cette étude est l'extension des équations d'Euler-Lagrange aux fonctionnelles de forme, ainsi qu'à leurs combinaisons, et l'application de ces fonctionnelles au traitement de maillages non-structurés. Deux techniques distinctes de discrétisation de ces équations aux dérivées partielles ont été étudiées. La première technique est basée sur un schéma de différences finies à neuf points, et la seconde sur un schéma de volumes finis utilisant une linéarisation des opérateurs. Une seconde contribution a consisté à introduire la notion de glissement des noeuds du maillage sur les frontières des objets en mouvement. En intégrant les techniques de glissement des noeuds, gérées dans l'espace de calcul, et les techniques de transformation de l'espace de calcul vers l'espace physique, une approche robuste de contrôle des maillages pour de très grands déplacements des objets a pu être mise au point. Cette approche, combinée à une seconde méthode de gestion du mouvement dans l'espace physique utilisant les fonctions à bases radiales, a permis de traiter des configurations d'objets en mouvement le long de trajectoires complexes. La méthodologie globale a ainsi pu être utilisée pour traiter des configurations représentatives d'applications en ingénierie.  ABSTRACT: The main objective of this thesis was to generate unstructured meshes with fixed connectivity for large rigid body motion. The proposed approach consists in generating a mesh in computational space for a generic configuration of the moving body. The management of body and mesh motion is then carried out in computational space using a sliding mesh paradigm. Afterwards, the mesh in physical space is obtained through PDE mapping operators. Two different mapping operators based on functionals and Winslow equations have been investigated to recover the physical space by the computational mesh. One of the main contributions of this study is extending the Euler-Lagrange equations of Length, Area, Orthogonality functionals and their combinations, to unstructured grid technologies. Two new discritization techniques are implemented, validated and compared for performing different mapping operators on unstructured grids. The first approach used a 9-point cartesian stencil inside each patch of the computational mesh and discritizes the mapping operators on that using conventional finite difference schemes. The second approach used finite volume discritization technique by linearizing the system of mapping equations. Finally, the Radiad basis Functions interpolation technique can be used as a secondary mesh motion technique and after the mesh sliding procedure. Combination of these two techniques allow us to handle more complex trajectories of the boundaries in physical space. The overall methodology is applied to complex geometric configurations representative of engineering applications.


identifier: Lennaertz, A. (2012). Développement de méthodes pour la quantification des particules pseudo-virales d'influenza  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le virus de la grippe est connu de par le monde pour les nombreux problèmes de santé publique qu'il cause annuellement (nombreux malades voire même morts dans les cas les plus invasifs). L'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) est perpétuellement en alerte afin d'être prête à répondre à toute nouvelle épidémie virulente du virus. C'est la raison pour laquelle la vaccination contre le virus influenza est fortement conseillée afin de contrer au mieux l'étendue de l'infection dans la population, incluant principalement les personnes à risque. Les vaccins les plus couramment retrouvés sur le marché sont produits à partir d'oeufs embryonnés de poulet et sont composés de virus sous forme inactivée ou encore atténuée. Considérant qu'une dose vaccinale est en moyenne obtenue au départ d'un oeuf, cela pose des contraintes sévères au niveau de l'approvisionnement en cas de pandémies durant lesquelles un nombre très élevé de doses est requis. De plus, les longs délais d'approvisionnement (6 mois environ entre l'isolement de la souche virale et l'obtention du vaccin) ainsi que la possibilité d'un retour à la virulence soulèvent certaines problématiques à laquelle la communauté scientifique tente toujours de répondre. Une des alternatives proposées pour pallier aux lacunes des modes de production traditionnels réside dans l'utilisation de la culture cellulaire comme plateforme de production des virus. Ainsi, plusieurs candidats vaccins contre la grippe, produits dans les cellules CHO ou les cellules VERO, sont actuellement en cours d'essais cliniques. Récemment, une nouvelle génération de vaccins, à base de particules pseudo-virales (ou VLP), a été développée. Les principaux avantages de ces particules pseudo-virales résident dans le fait qu'elles sont dénuées de génome viral, tout en comportant les antigènes nécessaires à l'activation du système immunitaire, tels que l'hémagglutinine (HA) et la neuraminidase (NA). Cependant, avant de pouvoir transposer la production de vaccins d'influenza à base de VLP dans un contexte industriel, un certain nombre de points critiques restent à développer et optimiser. Notamment, l'absence de génome est l'un des facteurs qui limite toujours l'établissement d'une méthode de quantification efficace pour ces particules. Ceci freine considérablement le développement des étapes de production et de purification, dont le suivi repose sur des méthodes v analytiques indirectes ou imprécises développées pour la quantification des protéines totales (SDS-PAGE, Western-Blot, quantification de protéines) ou pour celle de protéines spécifiques comme HA (SRID, test HA). Les objectifs de cette maîtrise recherche se sont donc articulés autour du procédé général des VLP, incluant plus spécifiquement l'étude de leur production en culture de cellules d'insectes et la mise au point d'une méthode de quantification permettant de soutenir le développement de cette nouvelle génération de candidats vaccins d'influenza. La production des VLP a été analysée avec un système d'expression composé de baculovirus recombinants (rBV) exprimant les protéines HA, NA et de matrice M1 dans les cellules d'insectes Sf9 et High Five. Suite à des étapes de purification, les particules générées en cellules Sf9 ont été analysées par SDS-PAGE, Western-Blot et microscopie électronique. Cette dernière analyse a permis de détecter une contamination importante (100 à 1000 fois supérieure à la quantité de VLP présentes) par les baculovirus utilisés lors de la production de ces VLP. Une étape de purification supplémentaire n'a cependant pas permis de séparer efficacement les VLP du reste des contaminants. Malgré plusieurs modifications dans les paramètres de production (e.g. choix de cellules hôtes, concentration cellulaire à infection, choix de MOI, rapports entre les BV) et dans les paramètres de purification (e.g. traitement des cultures), les niveaux d'expression et de pureté des VLP n'ont pas pu être augmentés de manière significative. Lors de ces essais, il s'est avéré que les constructions de baculovirus disponibles, principalement celle contenant HA, étaient instables dans le temps, entraînant des rendements de production très faibles et limitant par le fait même la poursuite des travaux d'optimisation de production des VLP. Parallèlement aux tests de production, le développement d'une méthode HPLC en phase inversée a été entrepris afin de permettre notamment la quantification de HA directement à même les surnageants de culture. En s'appuyant sur des travaux préliminaires réalisés sur des doses vaccinales par d'autres groupes de recherche, il a été possible de mettre en place une procédure adéquate permettant de détecter et quantifier de façon rapide et précise la concentration en HA présente dans des échantillons d'une culture de cellules HEK 293 infectées par un virus influenza de la souche A/Puerto Rico/8/34 (H1N1). Par le biais d'essais conduits avec des souches virales distinctes, il a également été démontré que la technique peut être utilisée pour analyser différents vi types de HA. Dans l'optique d'un criblage rapide et précis des différentes stratégies de production des VLP, cette technique se démarque comme étant une méthode de choix.  ABSTRACT: Every year, influenza is responsible for numerous health problems world-wide mainly due to infections, which can cause death in the most serious cases. The World Health Organization (WHO) is continuously on alert to rapidly respond to the possible emergence of a pandemic viral strain. For this reason, vaccination against influenza is recommended to prevent the infection from spreading to the population, the most concerning cases being within high risk group populations. Vaccines frequently found on the market are obtained by viral replication in embryonated chicken eggs and contain inactivated or attenuated viruses. However, this production method presents limitations in terms of egg availability in the case of a pandemic as it is estimated that one vaccine dose is produced from one embryonated egg. Moreover, the process is long (about 6 months from the first strain isolation step to the final vaccine formulation) and the risk of virulence reactivation is another drawback that the scientific community is still trying to alleviate. The use of the cell culture technology as an expressing platform for virus production has been proposed to circumvent the limitations of the current production method. Vaccine candidates against flu that are produced in CHO or VERO cells are currently being evaluated in clinical trials. Recently, a new generation of vaccines, based on Virus Like Particles (VLP) have been developed. These particles present some advantages as their activity relies mainly on influenza's viral immunogenic activators, hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA), and are exempt of genetic material of the native virus. However, some critical points still require further development and optimization to get any influenza VLP-vaccine production into an industrial environment. The lack of genome is actually one of the parameters that restrain the establishment of an efficient quantification method for these particles. Consequently, the development of production and purification methods are considerably hindered as the analytical techniques are limited to indirect and imprecise methods developed for total proteins (SDS-PAGE, Western-Blot, total protein quantification) or some specific proteins such as HA (SRID, HA assay). The objectives of this research master are related to the VLP manufacturing process with a specific focus on the study of the production in insect cell culture and the set-up of a viii quantification method that is able to support the development of this new generation influenza sub-unit vaccine. Initially, VLP production has been studied with an expression system including recombinant baculoviruses (rBV) expressing the HA, NA, and M1 matrix proteins in Sf9 and High Five insect cells. The particles produced in Sf9 cells were analyzed, after purification, by SDS-PAGE, Western-Blot and electron microscopy. The latter analysis detected an important contamination (about 100 to 1000 times superior to the VLP contents) by the baculovirus used for VLP production. Although another step of purification has been added, it was impossible to efficiently separate the VLP from the surrounding contamination. Modifications of the production (e.g. host cell system, cell concentration at infection, choice of MOI, ratio between the baculoviruses) and the purification parameters (e.g. culture treatments previous to harvest) did not give any improvement in the expression and purity levels of VLP. Furthermore, during these trials, the baculovirus constructions available, especially the rBV-HA, showed some infectious instability over time, leading to low production yields. Consequently, the VLP production optimization workplan was significantly delayed. In addition to the production experiments, the development of a reversed-phase HPLC method was investigated in order to quantify the HA concentrations directly from the culture supernatant. A fast and accurate procedure, based on preliminary developments made by other research groups on vaccine doses, was found to detect and quantify the HA concentrations in the HEK 293 cell cultures infected by the A/Puerto Rico/8/34 (H1N1) influenza virus. Experiments based on distinct viral strains demonstrated the potential of this method to analyze HA protein associated with different viral strains. Consequently, this method appears as a very effective and rapid screening technique for different VLP production strategies.


identifier: Rofouieeraghi, P. (2012). Biomass Gasification Integrated into a Reference Canadian Kraft Mill  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intégration de la bioraffinerie forestière dans l'industrie des pâtes et papiers crée une augmentation de la demande d'énergie. Comme l'industrie des pâtes et papiers est un des plus gros consommateurs de biomasse ligneuse au Canada, les déchets (écorces, liqueur noire, etc.) de cette industrie peuvent être utilisés pour répondre à la demande énergétique des usines de pâtes et papiers. Les ressources en biomasse peuvent également être utilisées pour produire des biocarburants, de l'électricité et des produits chimiques de spécialité. Le processus de gazéification est la méthode la plus efficace pour utiliser le potentiel énergétique de la biomasse. Dans cette étude, un bilan de masse et d'énergie ainsi qu'une analyse économique et environnementale d'un procédé de gazéification intégré à une usine Kraft de référence ont été réalisé. Pour ce faire, un modèle d'un procédé de gazéification comprenant une unité de séchage de la biomasse, une unité de gazéification ainsi que des unités de nettoyage des gaz a été simulé sur MATLAB puis sur Aspen Plus. Ce modèle a par la suite été lié à une simulation d'une usine Kraft de référence développée sur la plateforme CADSIM Plus. Un modèle thermodynamique d'équilibres modifiés pour le gazéificateur de biomasse a été développé afin d'améliorer la précision de la modélisation en équilibre. Le modèle a été évalué en utilisant aussi bien des données commerciales que des données provenant de la littérature. Deux études de cas pour la gazéification de la biomasse intégrée à usine Kraft de référence ont été évaluées. La comparaison des données du modèle d'équilibre avec les données expérimentales disponibles à partir de circuler gazogènes de biomasse à lit fluidisé a indiqué que le modèle d'équilibre nettement sous-estimer le rendement en méthane. Dans le modèle modifié, un modèle de dégazage est utilisé pour modérer l'écart du méthane basé sur la reconnaissance du fait que le méthane qui est initialement généré dans le processus de dégazage de la biomasse, ne pas réformer par des réactions de gazéification. Un modèle de dévolatilisation générale semi-empirique est appliqué pour prédire la composition des gaz volatils. Deux coefficients empiriques sont calculés à partir des données empiriques disponibles pour des expériences de dégazage de la biomasse. Les atomes correspondants de carbone et d'hydrogène à partir du méthane rendement prédite par le modèle de dévolatilisation sont éliminés du courant d'entrée gazéificateur. Le modèle modifié donne une meilleure estimation de la composition du gaz de synthèse à partir d'un air soufflé gazéifier de biomasse à lit fluidisé circulant en comparaison avec les données d'équilibre et deux données d'équilibre modifiés sont tirés de la littérature. Dans le IV premier cas, le produit issu de la gazéification de la biomasse est utilisé pour substituer le carburant fossile utilisé dans le four à chaux. Dans le second cas, la gazéification de la biomasse a été intégrée à un cycle combiné (cogénération). La faisabilité technique de ces deux scénarios a été démontrée. Une analyse économique pour les deux scénarios tenant compte du coût total en capital, des coûts d'exploitation et des recettes et considérant également la réduction des taxes sur les émissions de CO2 a été réalisée.  ABSTRACT: The integration of forest biorefinery into the pulp and paper industry introduces increased energy demands to the mills. As the pulp and paper industry is the largest woody biomass consumer in Canada, biomass resources such as bark, wood wastes, and black liquor that are used by pulp mills can be processed to supply energy demands of the mills and biorefinery units. Also, pulp and paper biomass resources can generate renewable biofuels, electricity, and chemicals. Gasification process is the most efficient method for utilizing the energy potential of biomass. The principle of this study is to perform mass and energy, economic, and environmental analyses for an integrated gasification process into a reference Canadian Kraft mill. To achieve this, a model of a complete gasification process including biomass drying, gasifier and gas cleaning units was simulated in MATLAB and Aspen Plus and then linked to a reference Kraft process that has been developed on the CADSIM Plus platform. A modified thermodynamic equilibrium model is developed to improve the prediction of syngas composition and heating values. Thermodynamic calculations are implemented based on non-stichiometric formulation to develop an equilibrium gasifier model. Comparison of equilibrium model data with available experimental data from circulating biomass fluidized bed gasifiers indicated that the equilibrium model significantly under-estimate the methane yield. In the modified model, a devolatilization model is employed to moderate the methane deviation based on acknowledgement the fact that methane which is initially generated in the biomass devolatilization process, does not reform through gasification reactions. A general semi-empirical devolatilization model is applied to predict the composition of volatile gases including methane composition. Two empirical coefficients are calculated from empirical data for available biomass devolatilization experiments. The corresponding atoms of carbon and hydrogen from predicted methane yield by devolatilization model are removed from the gasifier input stream. The modified model gives better estimation of the syngas composition from an air-blown circulating biomass fluidized bed gasifier in comparison with equilibrium data and two modified equilibrium data are taken from the literature. Two case studies for integrated biomass gasification with the reference Kraft are evaluated: using wood gasified to fire lime kiln, and integrated biomass gasification combined cycle. In the first scenario, the feasibility of replacing natural gas with syngas from wood residues gasification to fire the Kraft mill lime kiln is assessed. For the second scenario, the feasibility of replacement of the existing bark boiler with the integrated biomass gasification VI combined cycle is analyzed. Technical practicability of both scenarios based on the mass and energy balances derived from gasification process model is investigated. To evaluate the economic viability for both scenarios, total capital costs, operating costs, and revenues which achieved through lime kiln fossil fuel reduction, and also CO2 emissions taxes are considered. The net present worth, NPV for 20 years payback period and 10% interest rate are estimated for the two case studies. It has been shown that gasified biomass is an attractive alternative lime kiln fuel for mills with access of woody biomass and concerns in reduction of fossil greenhouse gas emissions. Moreover, if the necessity of new bark boiler installation considered, the replacement of the existing bark boiler with integrated gasification combined cycle is technically viable. The results also show that the replacement of bark boiler has the potential to contribute to reduce global CO2 emissions. Economic analysis proves the replacement of bark boiler with gasification power unit is economically feasible.


identifier: Grondin, F. (2012). Opération périodique d'une pile à combustible microbienne par connexion intermittente à une résistance électrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Parmi les défis du XXIe siècle, la production d'énergie renouvelable et l'accès à l'eau potable représentent deux problématiques particulièrement pressantes, causées par la croissance de la population mondiale et l'élévation du niveau de vie moyen. Une technologie récemment découverte, la pile à combustible microbienne (PCM), est susceptible d'apporter des contributions majeures faces à ces problématiques. La PCM est un système qui génère de l'électricité à partir du traitement biologique des déchets organiques présents dans les eaux usées. Le principe fondamental repose sur une activité bactérienne: Au sein du réacteur, des microorganismes appelés électricigènes assurent la dégradation des matières organiques dissoutes dans les eaux usées et évacuent des électrons de par leur métabolisme. Ces électrons peuvent être dirigés à travers un circuit, ce qui permet leur utilisation pour une application électrique. Bien que le système ait démontré ses preuves quant à sa stabilité et sa performance en traitement des eaux, plusieurs obstacles préviennent son implantation industrielle. Entre autres, la récolte de l'énergie n'est pas optimisée, surtout dans un contexte où la qualité des eaux alimentées est encline à des perturbations fréquentes et aléatoires. Typiquement, une résistance électrique fixe est connectée au circuit, alors qu'il est connu que la résistance interne du système varie grandement par rapport à la concentration en matières organiques dans les eaux alimentées. Or, la théorie de la puissance maximum dicte que les résistances internes et externes d'un circuit doivent correspondre afin d'optimiser la puissance. Une perte d'efficacité due à ces perturbations semble donc inévitable. De plus, le système est caractérisé par des mécanismes aux dynamiques complexes, encore très peu connues. Par conséquent, la PCM n'est pas modélisée adéquatement et il est difficile de prévoir son comportement face à certaines perturbations ou modes d'opération. Des efforts de modélisation sont donc requis afin de dépister l'évolution des propriétés électriques internes du système telles que la résistance et la capacitance, et d'assurer une récolte d'énergie optimale. Une solution suggérée est d'opérer la PCM selon un mode d'opération périodique, i.e., de connecter et de déconnecter par intermittence la résistance électrique externe du système. Une telle stratégie est notamment utilisée dans l'optimisation de certains moteurs électriques. Une série d'expériences en laboratoire ont été menées sur une PCM alimentée en acétate. Tout d'abord, les opérations périodiques ont été caractérisées par différents paramètres et certaines étendues d'opération ont été identifiées. Le rapport cyclique (RC), défini comme étant la fraction entre le temps où le système se trouve dans un état de circuit fermé à l'intérieur d'un cycle, a été utilisé afin de démontrer la présence d'un optimum de la génération de puissance. Ensuite, une stratégie de contrôle basée sur des bornes de tensions électriques a été étudiée et comparée aux alternatives connues. Pour répondre aux objectifs de modélisation et d'identification, un modèle de circuit électrique comprenant une résistance interne et une capacitance a été proposé. Ce modèle a été utilisé afin d'identifier certaines propriétés électriques de la PCM, puis a été intégré à un modèle tenant compte des activités des populations bactériennes. Les expériences ont démontré que les opérations périodiques sont optimales pour la production d'énergie lorsque le RC est près de 0,9 et les cycles sont de l'ordre de la seconde. Il est envisageable que l'optimum réel se trouve pour des cycles plus courts, mais l'équipement n'a pas permis d'explorer cette étendue. Un point d'opération obtenu avec un cycle de 7 secondes, un RC de 0,9 une résistance externe de 20 Ω, a résulté en une puissance de 2,84 ± 0,02 mW. Cette expérience se compare favorablement à une opération continue, qui produit alors 2,90 ± 0,28 mW. On remarque également que la puissance est généralement supérieure lorsque la résistance externe est inférieure à la résistance interne de la PCM. Le contrôle par bornes de tension, quant à lui s'est avéré comparable aux stratégies actuelles d'optimisation du système. L'identification du système à l'aide d'un modèle de circuit équivalent a été un succès, spécialement lorsque le système est soumis à des excitations variées. Les paramètres estimés et mesurés se sont révélés être du même ordre de grandeur. Afin d'optimiser davantage la génération de puissance et d'approfondir les connaissances du système, il est nécessaire d'explorer de nouvelles étendues d'opérations périodiques, avec des cycles plus courts. Également, le développement d'une stratégie d'identification en ligne des propriétés électriques internes du systèmes devrait permettre la conception d'un algorithme de contrôle basé sur l'ajustement du RC. Finalement, des simulations approfondies du modèle hybride permettront une meilleure compréhension de l'impact des opérations périodiques sur les mécanismes internes de la PCM.  ABSTRACT: Amongst the XXIst century challenges, the renewable energy production and the drinkable water access represent two pressing problematics because of the world population growth and the average standard of living improvements. A recent technology, the Microbial Fuel Cell (MFC), may potentially bring major contributions, answering both problematics. The MFC is a system that generates electricity from the biological treatment of organic matter in wastewater. Its fundamental principle is based on bacterial activity: in the reactor, microorganisms named electricigens degrade organic matter dissolved in the wastewater, thus liberating electrons as part of their metabolism. These electrons can be directed through a circuit, enabling their use as an electrical energy source. Even though the system has proven to be stable and efficient in wastewater treatment, several obstacles prevent its industrial implementation. Amongst them is the lack of energy harvesting optimisation, especially given an environment where the quality of the wastewater is subject to frequent and random perturbations. Typically, a fixed external resistance is connected to the circuit, although the internal resistance is known to vary greatly depending on the organic matter concentration in the influent. Yet, the maximum power transfer theorem dictates that both internal and external impedances of a circuit must match in order to optimise the electrical power production. A loss in efficiency caused by the influent perturbation is thus inevitable. Also, the system is characterised by mechanisms of complex dynamics, some of which are yet to be studied. Thus the MFC is not adequately modeled and it is difficult to predict its behaviour when subjected to certain perturbations or modes of operation. Modeling efforts are thus required in order to track the evolution of internal electrical properties such as resistance and capacitance, and to assure an optimal energy harvesting. A possible solution is to operate the MFC under periodic operations, i.e., to intermittently connect and disconnect the external resistance to the system. A similar strategy is often used to optimise electrical motors. A series of laboratory experiments was conducted on an acetate-fed MFC. First, the periodic operations were characterised based on specific parameters, and different operating regions were identified. The Duty Cycle (DC), defined as the fraction of the time the system is in a closed circuit state within a cycle, was used in order to demonstrate the presence of an optimum in power generation. After, a control strategy based on voltage limits was studied and compared to current alternatives. In order to answer to the identification and modeling objectives, an equivalent circuit containing a resistance and a capacitance was suggested. This model was used to identify the electrical properties of the MFC, and was subsequently integrated to a model taking account for the bacterial population activities. Experiments have shown that periodic operation is optimal for power generation when the DC is close to 0.9 and the cycles are of the order of a the second. It is expected that the real optimum could be found at smaller cycles, but exploring this range was not possible due the equipment's precision. An observed operating point with a cycle time of 7 seconds, a DC of 0.9 and an external resistance of 20 $\Omega$ resulted in a power production of 2.84 ± 0.02 mW, a comparable performance to that of a continuously operated MFC giving 2.90 ± 0.28 mW. It was also observed that the power generation was usually greater when the external resistance was inferior to the system's internal resistance during periodic operations. On the other hand, the voltage limits based control was proven to offer a performance comparable to the actual alternatives, when subjected to perturbations in influent concentration. The identification of the system electrical properties through the use of an equivalent circuit was successful, especially when the MFC was subjected to varied excitations. The estimated and measured parameters were of the same order of magnitude. In order to further optimise the power production and to deepen the knowledge of the system, it is necessary to explore new ranges of periodic operations, with shorter cycle times. Also, developing an on-line identification strategy of the system's electrical properties should constitute the basis of a control algorithm adjusting the DC. Finally, simulations of the hybrid model should be performed to gain better insight about the impact of periodic operations on internal mechanisms of the MFC.


identifier: Mahvash Mohammadi, F. (2012). Carbon Nanotube Array Electrodes for Organic Thin Film Transistors  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis environ une vingtaine d'années, les transistors organiques à base de couches minces (acronyme en anglais, OTFT) se sont développés de façon impressionnante, passant de l'échelle de recherche au laboratoire à l'échelle de commercialisation. Les caractéristiques les plus intéressantes des OTFT sont leur compatibilité avec des substrats flexibles et leur méthode de fabrication, basée sur des techniques en solution. Les performances des OTFT sont influencées très fortement par les caractéristiques de l'interface semiconducteur organique/électrode métallique. L'interface semiconducteur organique/électrode métallique influence le processus d'injection de charge. En général, l'efficacité d'injection de charge dans les OTFT est limitée, parce que les niveaux électroniques du semiconducteur organique ne sont pas alignés avec le niveau de Fermi du métal de l'électrode. Dans ce mémoire de maîtrise, nous avons focalisé l'attention sur le processus d'injection de charge dans les OTFT utilisant comme matériau d'électrode des rangées de nanotubes de carbone monoparois (acronyme en anglais, SWCNT). Nous avons comparé les performances des OTFT basés sur des électrodes de type rangée de SWCNT avec les performances des OTFT utilisant des matériaux d'électrode plus conventionnels, tel que l'Au. Les OTFTs ont été fabriqués sur une couche de SiO2, obtenue par oxydation thermique d'une tranche de Si (100) fortement dopée (type n). La formation des rangées de SWCNT a été effectuée par la méthode de filtration sous vide des réseaux de SWCNT au-dessus de la surface de SiO2. La géométrie concentrique d'électrode a été réalisée par photolithographie et par développement. Nous avons observé des résultats très encourageants dans les cas de trois semiconducteurs organiques différents, tels que le poly-3 (hexyl) thiophène (P3HT), le dérivé du fullerène PCBM, et la ftalocyanine de tytanil (TiOPc).  ABSTRACT: Over the past two decades, organic thin film transistors (OTFTs) have developed from the research laboratory scale to the scale of commercially feasible technology. The most attractive features of OTFTs are their low-cost manufacturing procedures and their compatibility with flexible substrates. The characteristics of the organic semiconductor/metal electrode interface dramatically affect the performance of OTFTs. For instance, charge carrier injection efficiency can be limited by the offset between the HOMO and LUMO energy levels of the organic semiconductor and the Fermi level of the metal electrode, since this offset leads to the formation of an energy barrier for charge carrier injection. This MSc work focuses on the use of single walled carbon nanotube (SWCNT) array electrodes, to improve the injection efficiency in OTFTs. A comparative approach has been adopted, based on the systematic comparison between SWCNT array electrode-based OTFTs with their, well investigated, Au electrode-based counterparts. An improvement in the injection characteristics of OTFTs making use of SWCNT array electrodes has been previously demonstrated in OTFTs based on organic semiconductors such as (p-type) pentacene and copper phthalocyanine and (n-type) phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). In these previous studies, it has been hypothesized that the improvement of the charge carrier injection characteristics is mainly due to the one dimensional (1D) structure of SWCNTs, which favors tunneling injection across the injection barrier. To assess the general validity of this hypothesis, a large number of experiments need to be carried out with different organic semiconductors, belonging to different classes of materials (e.g., polymers and small molecules) and differently processed (e.g. solution processed and vacuum processed). In this project, the performance of OTFTs making use of SWCNT array electrodes has been investigated for thin films of Titanyl-phthalocyanine (TiOPc), Poly-3 (hexylthiophene) (P3HT), and P3HT/PCBM blends. TiOPc belongs to metal phthalocyanines (MPcs), which, due to their low solubility in organic solvents, are typically deposited by vacuum-based techniques. P3HT is


identifier: Jalali, A. (2012). Dynamic Analysis of Isotropic and Laminated Reinforced Composite Plates Subjected to Flowing Fluid  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce travail nous examinons le comportement dynamique d'une structure en composite, symétriquement élastique, et d'une plaque anisotrope soumise à un flux de fluide non-visqueux et incompressible. Pour une modélisation mathématique, une combinaison entre la méthode des éléments finis ainsi que la théorie des plaques minces a été utilisée. Pour définir la propriété des composites, un élément rectangulaire anisotrope a été utilisé. La plaque est composée de N couches qui peuvent être fabriquées de fibres unidirectionnelles avec différentes matrices. Ces fibres pourraient être continues, discontinues ou dans un mode aléatoire. L'inertie, la force de Coriolis et la force centrifugeuse du fluide introduisent une pression dynamique qui est modélisée en utilisant la fonction du potentiel de Bernoulli. La condition d'imperméabilité entre la plaque et le fluide est aussi prise en compte. Les matrices de masse et de rigidité pour chaque élément de la plaque ont été calculées par une intégration analytique exacte. Une corrélation assez proche entre la théorie présentée avec les approches expérimentales et Ansys (logiciel d'éléments finis) a été démontrée.  ABSTRACT: ": In situations of fluid and structure, the dynamic behavior of the structure may vary. Structures can lose their stability due to fluid/solid interaction. Modal analysis and the dynamic behavior of elastically symmetrical laminated composites as well as isotropic plates subjected to an incompressible, inviscid flowing fluid are studied in this work using shell and thin plate theories. The effect of stacking sequence and boundary conditions on the natural frequency and static instability of the model are studied. Shear deformation effect is not taken into account. For mathematical modeling, a combination of a hybrid finite element method and classic laminate thin plate theory are used. The finite element is defined as a rectangular thin laminated composite plate with four nodes. Each node has six degrees of freedom to cover all possible movements. The plate consists of N layers that could be made of unidirectional fibers in different matrices and these fibers could be continuous, discontinuous or random modes but in this study in all the examples, models consist of continuous fibers. Inertia, Coriolis and centrifugal fluid forces introduce a dynamic pressure field which is modeled using a velocity potential function and Bernoulli's equation. This pressure field is a function of the nodal displacement. The impermeability condition between the plate and the fluid is also taken into account. Mass and stiffness matrices for each element of the plate are calculated by exact analytical integration using MATLAB programming software. Close agreement between the presented theory and other sources such as commercial finite element software (ANSYS) and experimental approaches is demonstrated.


identifier: Lambotte, G. (2012). Approche thermodynamique de la corrosion des réfractaires aluminosiliceux par le bain cryolithique : modélisation thermodynamique du système quaternaire réciproque AIF3-NaF-SiF4-AI2O3-Na2O-SiO2  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract:
Dans l'industrie de l'aluminium, la corrosion des matériaux réfractaires est un problème important qui affecte la durée de vie des cuves d'électrolyse ainsi que différents fours (de cuisson d'anodes, de maintien, de traitements, etc.), mais reste relativement peu étudiée. La corrosion du garnissage réfractaire de la cathode dans une cuve d'électrolyse peut mener à un arrêt prématuré de la cuve et donc avoir un impact sur la production et entrainer des coûts importants de remplacement. La corrosion qui a lieu dans le garnissage réfractaire de la cathode est principalement due à des réactions chimiques entre les réfractaires aluminosiliceux et les solutions liquides présentes dans la cuve, le bain d'électrolyse cryolithique et l'aluminium produit, mais aussi avec des espèces de la phase gazeuse (sodium, espèces contenant du fluor, monoxyde de carbone…). Rendre possible le calcul des équilibres chimiques complexes impliqués dans la corrosion du garnissage réfractaire permettra de choisir des réfractaires mieux adaptés et ainsi augmenter la durée de vie des cuves d'électrolyse.
L'objectif principal de ce doctorat est la modélisation thermodynamique des solutions liquides et solides, des composés stœchiométriques et de la phase gazeuse du système chimique qui représente les espèces impliquées dans la corrosion du garnissage réfractaire de la cuve d'électrolyse. Ce système chimique est le système réciproque quaternaire AlF3-NaF-SiF4-Al2O3-Na2O-SiO2 avec l'aluminium et le carbone. La modélisation du système complet n'a encore jamais été réalisée et est très compliquée du fait de la nature de la solution oxyfluorée. La modélisation thermodynamique est basée sur les fonctions d'énergie libre de Gibbs issues de la théorie des solutions. L'hypothèse centrale de ce projet est que, s'il est possible de reproduire le fort ordre à courte distance observé entre les ions de la solution liquide alors il est possible d'obtenir des résultats satisfaisants pour les équilibres de phases impliqués dans le système chimique. Le modèle thermodynamique utilisé dans ce doctorat est le Modèle Quasichimique Modifié dans l'Approximation des Quadruplets (MQMQA) qui prend en compte l'ordre à courte distance entre les premiers et aussi les seconds voisins, et constitue le modèle le plus adapté pour la solution liquide oxyfluorée.
Dans un premier temps, le système réciproque avec la variation d'énergie libre de Gibbs la plus négative pour la réaction d'échange entre les constituants limitants, NaF-SiF4-Na2O-SiO2, a été modélisé, permettant ainsi de valider les modifications récentes du MQMQA destinées à améliorer la modélisation des propriétés thermodynamiques des solutions réciproques présentant un ordre à courte distance très fort entre premiers voisins et aussi entre seconds voisins. Afin de modéliser ce système réciproque une estimation des propriétés thermodynamiques du liquide hypothétique SiF4 a été nécessaire. Les données expérimentales dans les systèmes binaires NaF-SiF4 et Na2O-SiO2 sont reproduites à l'intérieur des erreurs expérimentales. Dans le système réciproque, un groupe de données en conflit avec les autres n'a pas pu être reproduit. Les données considérées fiables sont, elles, très bien reproduites. Un seul jeu de paramètres du modèle est utilisé pour reproduire toutes les sections réciproques, et les extrapolations en dehors de ces sections doit être satisfaisant.
Par la suite le système réciproque AlF3-SiF4-Al2O3-SiO2 a été optimisé principalement à partir des informations concernant les équilibres avec la fluor-topaze, Al2SiO4F2. Ces équilibres sont relativement bien reproduits par le modèle, mais la présence d'eau dans la plupart des expériences influence les températures mesurées. Cela explique en partie les différences entre les données et la difficulté pour reproduire simultanément les données pour Al2SiO4F2 et les données pour les équilibres dans le système réciproque.
Le système ternaire Al2O3-Na2O-SiO2 et le système ternaire réciproque AlF3-NaF-Al2O3-Na2O ont été traités conjointement en raison du fait que des compromis étaient nécessaires pour l'optimisation du système commun aux deux systèmes, Al2O3-Na2O, notamment pour la solution solide d'alumine β. Les nombreuses données expérimentales relatives aux propriétés thermodynamiques des composés stoechiométriques ou aux solutions solides dans le système ternaire ont été prises en compte pour la modélisation de NaAlSiO4 et NaAlSi3O8. Par ailleurs, le cation NaAl4+, utilisé dans la modélisation pour reproduire l'effet de compensation de charge (substitution de Si4+ par un Al3+ couplé à un Na+ dans la région riche en SiO2 du système ternaire d'oxydes), est présent dans ces deux systèmes et les propriétés des constituants limitants le faisant intervenir (NaAlF4 et NaAlO2) ont été ajustées pour reproduire les propriétés thermodynamiques de la phase liquide. L'absence ou l'insuffisance de données expérimentales dans certaines régions de composition, notamment dans la région riche en Na2O dans le système d'oxyde ou la région riche en oxyde du système réciproque, rend difficile l'optimisation de ces deux systèmes.
Enfin, la modélisation du système quaternaire réciproque Al, Na, Si // F, O a été réalisée en tenant compte principalement des données expérimentales disponibles dans les sections isoplèthes NaF-NaAlSiO4, NaF-NaAlSi3O8, Na3AlF6-NaAlSiO4 et Na3AlF6-NaAlSi3O8 et utilisant les paramètres du modèle permettant un ajustement des propriétés thermodynamiques de la solution liquide dans la région de composition concernée. Le peu de données disponibles ainsi que les conflits entre ces données, certainement liés aux difficultés expérimentales, rendent complexe la modélisation du système quaternaire réciproque.
Finalement, une série de calculs thermodynamiques a été réalisée afin de présenter les applications, pour la corrosion du garnissage réfractaire de la cathode, de la modélisation thermodynamique du système quaternaire réciproque Al, Na, Si // F, O obtenue dans le cadre de ce doctorat.
Le modèle permet le calcul de différentes grandeurs thermodynamiques telles que la solubilité d'un élément dans une solution, les températures de liquidus, les variations d'énergie libre de Gibbs des réactions de corrosion, les pressions partielles, les activités, etc. De plus la nature des produits de réactions est prédite, et donc, le comportement du garnissage réfractaire pendant l'électrolyse peut être simulé. Les calculs thermodynamiques sont rendus possible grâce à l'intégration des paramètres du modèle issus de l'optimisation thermodynamique dans une base de données intégrée au logiciel de calculs thermochimiques FactSage ™. Les résultats de la modélisation thermodynamique ont été transférés à l'industrie, en particulier les partenaires du projet « A Virtual Laboratory for the Aluminum Industry » dans lequel s'inscrit ce projet de doctorat.
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In the aluminum industry, the corrosion of refractory materials is an important issue which affects the lifespan of the electrolysis cells and different furnaces (anode-baking, holding, treatment, etc.) but remains relatively unstudied. The corrosion of the refractory lining in the electrolysis cell can lead to an early shut off of the cell which has an impact on the production and involves important replacement costs. The corrosion that takes place in the cathode lining is mainly due to chemical reactions between aluminosilicate refractory materials and liquid solutions present in the cell, the cryolite electrolysis bath and the produced aluminum, but also with species of the gas phase (sodium, fluorine-containing species, carbon monoxide…). Enabling the calculation of complex chemical equilibria involved in the corrosion of the refractory lining will allow the choice of more suitable refractory materials and therefore increase the lifespan of the electrolysis cells.
The main objective of this thesis is the thermodynamic modeling of the liquid and solid solutions, the stoichiometric compounds and the gaseous phase of the chemical system which represent the species involved in the corrosion of the refractory lining of the electrolysis cell. This chemical system is the quaternary reciprocal system AlF3-NaF-SiF4-Al2O3-Na2O-SiO2 with aluminum and carbon. The modeling of the entire reciprocal system has never been realized before and is very challenging due to the nature of the oxyfluoride solution. The thermodynamic modeling is based on Gibbs free energy functions coming from the theory of solutions. The central hypothesis of this project is that, if it is possible to reproduce the strong short-range ordering observed between the ions of the liquid solution, then reasonable results will be obtained for the phase equilibria involved in this chemical system. The thermodynamic model used in this thesis is the Modified Quasichemical Model in the Quadruplet Approximation (MQMQA) which takes into account the short-range ordering between first- and also second-nearest-neighbors, and is the best suited to model the oxyfluoride liquid solution.
First, the reciprocal system with the most negative Gibbs free energy change for the exchange reaction between the end-members, NaF-SiF4-Na2O-SiO2, was modeled, allowing thus the validation of the recent modifications of the MQMQA aimed at improving the modeling of the thermodynamic properties of reciprocal solutions presenting a strong short-range order among first-nearest neighbors as well as second-nearest neighbors. In order to model this system, an estimate of the thermodynamic properties of the hypothetical SiF4 liquid was necessary. The experimental data in the binary systems NaF-SiF4 and Na2O-SiO2 are reproduced within the experimental error limits. In the reciprocal system, a group of data in conflict with all others could not be reproduced. The data considered reliable are well reproduced. A unique set of parameters was used to reproduce all the reciprocal sections and extrapolations outside these sections should be satisfactory.
Thereafter, the reciprocal system AlF3-SiF4-Al2O3-SiO2 was optimized mainly based on the data regarding equilibrium with fluor-topaz, Al2SiO4F2. These equilibria are relatively well reproduced by the model, but the presence of water in most of the experiments influences the measured temperatures. This explains in part the differences among the data and the difficulty in simultaneously reproducing the data for Al2SiO4F2 and the equilibrium data in the reciprocal system.
The ternary system Al2O3-Na2O-SiO2 and the ternary reciprocal system AlF3-NaF-Al2O3-Na2O have been treated jointly due to the fact that compromises were necessary for the optimization of the system common to the two systems, Al2O3-Na2O, in particular for the β-alumina solid solution. The numerous experimental data relative to the thermodynamic properties of the stoichiometric or the solid solutions in the ternary system have been taken into account for the modeling of NaAlSiO4 and NaAlSi3O8. Furthermore, the cation NaAl4+, used in the modeling to reproduce the charge compensation effect (substitution of Si4+ by Al3+ coupled to Na+ in the SiO2-rich region of the ternary oxide system), is present in both of these systems and the properties of the end-members related to it (NaAlF4 and NaAlO2) have been adjusted to reproduce the thermodynamic properties of the liquid phase. The absence or lack of experimental data in specific composition regions, in particular in the Na2O-rich region in the oxide system or in the oxide-rich region of the reciprocal system, makes the optimization of these two systems difficult.
The modeling of the quaternary reciprocal system Al, Na, Si // F, O has been performed mainly by taking into account the experimental data available in the isoplethal sections NaF-NaAlSiO4, NaF-NaAlSi3O8, Na3AlF6-NaAlSiO4 and Na3AlF6-NaAlSi3O8 and by using the model parameters allowing the adjustment of the thermodynamic properties of the liquid solution in the composition region under consideration. The few available data and the conflict among them, undoubtedly related to the experimental difficulties, make the modeling of the quaternary reciprocal system complex.
Finally, a series of thermodynamic calculations have been made to present applications, to the corrosion of the cathode refractory lining, of the thermodynamic modeling of the quaternary reciprocal system Al, Na, Si // F, O.
The model permits the calculation of different thermodynamic quantities such as solubility of elements within a solution, liquidus temperatures, Gibbs free energy changes for corrosion reactions, partial pressures, activities, etc. Moreover the nature of the products of the corrosion reactions occurring in the cell is predicted and, therefore, the chemical stability of the refractory lining during the electrolysis cell operation can be simulated. The thermodynamic calculations are made possible by the integration of the model parameters, obtained by thermodynamic optimization, in a database within the thermochemical calculation software FactSage™. The results of this modeling will be transferred to the aluminum industry, in particular to the partners of the project “A Virtual Laboratory for the Aluminum Industry” project within which this thesis project is included.


identifier: Gupta, S. (2012). Dispersion Engineered Real-Time Analog Signal Processing Components and Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec la demande croissante pour une plus grande efficacité d'utilisation du spectre de fréquences et l'émergence de systèmes à bande ultra large (UWB) qui en découle, l'analyse d'environnements RF en temps réel est devenue d'une importance capitale. Traditionnellement, ceci est fait en utilisant des techniques d'analyse des signaux en temps réel basées soit sur une approche digitale, soit sur une approche analogique. Les appareils digitaux sont plus attrayants aux basses fréquences à cause de leur grande flexibilité, de leur taille compacte, de leur faible coût et de leur grande fiabilité. Par contre, aux plus hautes fréquences, notamment aux fréquences micro-ondes, les appareils digitaux ont des problèmes fondamentaux tels des performances faibles, un coût élevé des convertisseurs A/D et D/A et une consommation de puissance excessive. À ces fréquences, des appareils et systèmes analogiques sont requis pour des applications d'analyse des signaux en temps réel. À cause de leur mode d'opération fondamentalement analogique, ces systèmes sont appel´es analyseurs analogiques de signaux, et l'opération qu'ils effectuent est appelée analyse analogique de signaux (ASP). Cette thèse présente les plus récentes avancées au niveau des ASP. Le concept d'ASP est introduit au chapitre 1. La contribution de cette thèse au domaine des ASP est également présentée au chapitre 1. Le cœur d'un analyseur analogique de signaux en temps réel est une structure de délai dispersive (DDS). Dans une structure dispersive, la vélocité de groupe vg est une fonction de la fréquence, ce qui cause une dépendance en fréquence du délai de groupe.  Par conséquent, un signal à large bande qui se propage le long d'une telle structure est sujet à un espacement dans le temps puisque ses différentes composantes spectrales voyagent avec différentes vitesses de groupes, et sont donc réarrangées dans le temps. En exploitant ce réarrangement temporel, les différentes composantes spectrales d'un signal  à large bande peuvent être directement transposées dans le domaine temporel et peuvent alors être analysées en temps réel pour diverses applications. Ce concept, qui constitue le fondement des techniques ASP, est décrit au chapitre 2. En se basant sur ces principes de dispersion, le présent travail contribue au développement de nouveaux systèmes et composantes ASP ainsi qu'au développement de nouvelles DDS.  ABSTRACT: With the ever increasing demand on higher spectral efficiencies and the related emergence of ultra-wideband (UWB) systems, monitoring RF environments in real-time has become of paramount interest. This is traditionally done using real-time signal processing techniques based on either digital or analog approaches. Digital devices are most attractive at low frequencies due to their high flexibility, compact size, low cost, and strong reliability. However, at higher frequencies, such as millimeter-wave frequencies, digital devices suffer of fundamental issues, such as poor performance, high cost for A/D and D/A converters, and excessive power consumption. At such frequencies, analog devices and systems are required for real-time signal processing applications. Owing to their fundamentally analog mode of operation, these systems are referred to as Analog Signal Processors, and the operation as Analog Signal Processing (ASP). This dissertation presents the most recent advances in these ASP concepts which are introduced in Chapter 1 along with the contribution of this thesis in this domain. The core of an analog real-time signal processor is a dispersive delay structure (DDS). In a dispersive structure, the group velocity vg is a function of frequency, which results in a frequency-dependent group delay. Consequently, a wide-band signal traveling along such a structure experiences time spreading, since its different spectral components travel with different group velocities and are therefore temporally rearranged. By exploiting this temporal rearrangement, the various spectral components of a wideband signal can be directly mapped onto time domain and can then be processed in real-time for various applications. This concept is described in Chapter 2 which forms the background of ASP techniques. Based on these dispersion principles, this work contributes to the development of novel ASP systems and devices along with the developments of novel DDSs. Two types of DDSs are used in this work: a) Composite Right/Left-Handed (CRLH) transmission lines (TL), and b) all-pass dispersive structures. In particular, the all-pass dispersive delay networks are investigated in greater details based on C-section all-pass networks in various configurations along with novel synthesis procedures and electromagnetic analysis to synthesize arbitrary group delay responses of the DDSs.


identifier: Daigle, M. (2012). Innovations en microfabrication pour la production de circuits à très hautes fréquences et ajustables  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, deux tendances importantes dans le domaine des micro-ondes ont été l'augmentation de la fréquence d'opération et l'intégration de plusieurs fonctionnalités dans un même dispositif. Ces changements ont généré des défis nouveaux, principalement liés à l'utilisation d'éléments ajustables intégrés et à la difficulté de fabrication de circuits dont les dimensions critiques sont très fines. Deux pistes de solution sont présentées dans cette thèse : le recours à des éléments ajustables à base de matériaux ferroélectriques intégrés au substrat et l'utilisation d'un procédé de fabrication innovateur à base de pâtes photoimageables mises en forme en couches épaisses pour la fabrication de circuits en trois dimensions.  Le matériau ferroélectrique choisi est le titanate de baryum et strontium, noté BaxSr1-xTiO3, ou plus simplement BST. Comme tous les ferroélectriques, sa permittivité varie en fonction d'un champ électrique externe appliqué. Pour déposer ce matériau, la pulvérisation RF est utilisée. L'analyse par diffraction rayons X confirme la nature cristalline des couches minces de BST, alors qu'une mesure par rétrodiffusion de Rutherford semble indiquer une légère déviation par rapport à la stœchiométrie prévue. Une lacune en titane est identifiée comme étant la source probable de cette variation. En ajoutant du titane comme dopant diffusé dans la couche de BST, ses propriétés électriques se trouvent améliorées pour des concentrations de titane excédentaire de 2-5 % en volume. Les couches minces de BST optimisées présentent une ajustabilité de 35 % sous un potentiel de 20 V. Pour réaliser ces mesures, des condensateurs à plaques parallèles sont utilisés. La dépendance de la tangente des pertes en fonction du champ appliqué est aussi mise en évidence. Une fois les couches minces de BST suffisamment performantes, un déphaseur variable est conçu et fabriqué. Ce déphaseur prend la forme d'un filtre passe-bas en technologie de guides coplanaires chargé de condensateurs ajustables en parallèle. Le déphaseur variable présente une figure de mérite de 36 º/dB avec un potentiel d'activation de 20 V, ce qui le place en milieu de peloton pour la figure de mérite, mais parmi les premiers pour le potentiel utilisé. Toutefois, un grand déplacement de la fréquence d'opération indique que les propriétés électriques du BST changent en variant l'épaisseur du dépôt. Les pâtes photoimageables permettent des résolutions latérales d'environ 20 µm et des épaisseurs du même ordre.  ABSTRACT: In recent years, the microwave field has seen two important trends: the increase in the operation frequency and the integration of several functions in one device. These changes have brought new challenges, mainly related to the use of integrated tunable elements and fabrication problems caused by the increasingly small critical dimensions required for high frequency operation. Two possible solutions are presented in this thesis: the use of ferroelectric-based adjustable elements integrated onto the substrate and the fabrication of three dimensional circuits using an innovative manufacturing process called photoimageable thick films. The ferroelectric material chosen is barium and strontium titanate noted BaxSr1-xTiO3, or simply BST. As all ferroelectrics, its permittivity can be changed by applying an external electric field. RF sputtering is used to deposit this material.  X-ray diffraction analysis confirms the crystalline nature of the BST thin films while a measurement by Rutherford backscattering spectroscopy suggests a slight deviation from the expected stoichiometry. A titanium deficiency is identified as the likely source of this variation. The addition of titanium as a dopant diffused into the BST film is shown to have important impact on its electrical properties. Optimum concentration of titanium dopant is determined to be 2-5% by volume. The optimized BST thin films have an adjustability of 35% with a potential of 20 V. To achieve these measures, parallel plate capacitors are used. The dependence of the tangent loss as a function of the applied field is also highlighted. Once BST thin films demonstrate satisfactory performances, a variable phase shifter is designed and fabricated. This phase shifter is implemented as a low-pass filter in coplanar guides technology loaded with adjustable capacitors. The variable phase shifter has a figure of merit of 36 °/dB with an activation potential of 20 V, which places it in the midfield for the figure of merit, but among the first for the small potential used. However, a large shift in the operating frequency indicates that the electrical properties of BST are thickness dependant.  Photoimageable pastes allow lateral resolutions of about 20 microns and thicknesses of the same order. Since this process is multi-layered in nature, it is suitable for the realization of millimeter wave circuits of complex geometry, such as waveguides. This approach has been explored by only one research group to this day. However, these materials were not designed for use with high frequency, so it is necessary to characterize their microwave properties.