identifier: Messaoudi, M. (2020). Programmation primale en nombres entiers pour la résolution efficace d'un problème de tournées de véhicules riche : théorie et pratique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Concilier enseignement théorique et réalités professionnelles ; telle est la mission de la recherche opérationnelle. Résoudre une problématique complexe avec toutes les contraintes du monde réel est d'une grande difficulté, qui requiert une méthodologie de recherche rigoureuse doublée d'une perspective d'intervention toujours présente. Concrètement, les problèmes industriels sont beaucoup plus complexes dans la réalité que ce qu'ils sont en théorie. Une bonne solution réalisable au sens mathématique n'a pas la même signification en pratique. Un bon algorithme pour l'industrie doit réunir des capabilités telles la rapidité, la fiabilité, la flexibilité et la simplicité. Le problème de tournées de véhicules (VRP : vehicle routing problem) constitue un sujet impérieux de la recherche opérationnelle. Il représente en effet la traduction mathématique d'innombrables applications de la vie courante. Nous nous emploierons à résoudre une problématique de transport prépondérante chez la majorité des prestataires de services logistiques qui, rappelons-le, sont des facilitateurs intégrés dont la mission est de gérer les opérations logistiques de plusieurs donneurs d'ordre. Ils planifient notamment la circulation d'une légion de commodités le long de réseaux logistiques très complexes. C'est dans ce contexte que les VRPs sont particulièrement riches en contraintes, et très difficiles à résoudre. Un défi qui a progressivement édifié notre projet. Après une analyse approfondie des flux et une cartographie logistique, le maillon faible de la chaîne a été identifié, en l'occurrence la livraison du dernier kilomètre. Celle-ci implique la distribution d'une marchandise variée depuis un centre de distribution urbain vers une panoplie de clients finaux (grande distribution, détaillant, particulier, etc.). Jusqu'à ce jour, les efforts se sont plutôt concentrés à modéliser ces difficultés comme un VRP riche, incluant un large spectre de contraintes endogènes (capacité, véhicules hétérogènes, fenêtres de temps, etc.) et exogènes (règles de la profession, options de livraison, compatibilité, etc.). Toutefois, une solution ne peut être réellement implémentable que si elle est en concordance avec les configurations opérationnelles et managériales. Les méthodes de résolution des VRPs sont scindées en des méthodes heuristiques, et des méthodes exactes. Les méthodes heuristiques parviennent généralement à réaliser un bon compromis entre la qualité et le coût de la solution, mais tout en exigeant un effort substantiel pour raffiner les valeurs des paramètres. En contrepartie, les méthodes exactes garantissent l'optimalité, mais peinent à résoudre les variantes riches du VRP. L'examen de l'état de l'art montre que, à l'encontre des méthodes exactes de Branch-and-Price, les méthodes primales exactes sont très peu abordées. La présente thèse serait la première implémentation des méthodes primales exactes dans un contexte de VRP riche et réel. Nous avons utilisé et adapté un algorithme de génération de colonnes en nombres entiers dit ICG (ICG : integral column generation) qui combine un algorithme primal dans un schéma de génération de colonnes. Composé de quatre modules séquentiels, chacun coopère pour trouver une solution entière optimale ou presque optimale, sans avoir recours aux méthodes traditionnelles tels le branchement ou l'ajout des coupes. Cette capabilité est l'un des facteurs clés de réussite, qui a permis la résolution efficace d'un problème réel et difficile. Dans la première contribution, nous avons réussi une première implémentation de ICG dans le cadre d'un VRP réel avec fenêtres de temps, flotte hétérogène interne et externe, contraintes de compatibilité de sites et un éventail de règles de métiers. Le problème maître (PM) a été formulé comme un problème de partitionnement d'ensembles SPP (SPP : set partitioning problem), et le sous-problème (SP) a été modélisé comme un problème de plus court chemin avec contraintes de ressources, modélisé sur un graphe orienté cyclique. Dans ICG, le problème maître restreint (PMR) est résolu à l'aide de l'algorithme primal ISUD (ISUD : integral simplex using decomposition), tandis que le SP est résolu à l'aide de la programmation dynamique. ISUD décompose le PMR en deux sous-problèmes. Le problème réduit (PR) contient les colonnes compatibles avec la solution entière courante S, et cherche une solution entière améliorante. D'autre part, le problème complémentaire (PC) contient les colonnes incompatibles avec S et vise à trouver des directions de descente entières. Littéralement, une colonne est dite compatible avec S si elle peut s'écrire comme combinaison linéaire des colonnes de la solution, sinon elle est dite incompatible. Les résultats de l'expérimentation, conduite sur sept journées opérationnelles, ont fait surgir aussi bien le potentiel d'amélioration de la méthode, que la nécessité de répondre à des questions relevant du fondement théorique. Dans la deuxième contribution, la performance de ICG a été hissée en opérant deux stratégies d'amélioration : (i) au niveau du SP, nous avons proposé une modélisation intelligente et réaliste du réseau de distribution cyclique. Ceci a été performé grâce à une analyse affûtée des caractéristiques des clients et de l'historique des livraisons. Cette amélioration a permis d'économiser une partie considérable du temps investi pour résoudre les SPs. (ii) D'autre part, nous avons évité d'utiliser le branchement en implémentant une stratégie dite de multiphase, qui consiste à résoudre le PC uniquement pour les colonnes qui se trouvent à une certaine distance de la solution courante. Dans la majorité des itérations, le PC trouve directement des directions qui mènent vers des solutions entières. Pour le reste, le module de recherche de voisinage permet souvent d'aboutir rapidement à une solution entière dans le voisinage de la solution courante. Finalement, vu son éventuelle influence sur la performance de l'algorithme,il était crucial d'analyser, aussi bien théoriquement qu'empiriquement, la qualité de la solution duale que nous utilisons. La performance confirmée de l'algorithme a été démontrée sur 30 instances réelles d'un VRP riche, incluant jusqu'à 199 clients, et ce en comparaison avec une méthode duale fractionnaire de type Branch-and-Price. Tous les résultats ont fait l'objet de tests rigoureux et dont la réalisabilité a été testée et validée en pratique. À travers cette thèse, notre objectif ultime est de proposer non seulement un algorithme efficace, mais également la stratégie propice pour le mettre en place dans la pratique. La troisième contribution se veut d'apporter une brique manquante à la méthodologie de résolution des VRPs dans le milieu pratique. Nous avons capitalisé notre expérience dans une étude de cas réelle, qui étudie la problématique de VRP sous la perspective d'un prestataire logistique intégré. La stratégie expliquée et les outils exposés constituent un guide utile pour mener à bien la résolution d'un VRP en pratique tout en mettant à jour un savoir-faire bienvenu auprès de la communauté des chercheurs et des étudiants. Dans la dernière contribution, nous avons présenté une étude initiale portant sur deux pistes d'amélioration susceptibles de renforcer la performance de la méthode primale ICG. L'objectif ultime serait d'implémenter une technique efficace de telle sorte que la recherche des solutions entières se fasse dans des voisinages potentiels, et ce, sans pénaliser le temps total de calcul. Dans un premier temps, nous avons implémenté une première approche dite ZOOM, où le processus de recherche est guidé par une direction de descente fractionnaire. Les résultats numériques préliminaires ont clairement montré que ZOOM a considérablement amélioré la performance de ICG. Ceci nous a conduits à proposer une seconde approche, qui consiste à remplacer ZOOM par une heuristique. Dans un premier temps, nous avons testé la viabilité d'une heuristique hybride adaptative, dite H-ALNS (H-ALNS : Hybrid Adaptive Large Neighbourhood Search) sur nos instances. Les résultats obtenus ont révélé que l'heuristique n'est relativement performante que sur les petites instances. Ce constat nous a incités à proposer des dispositifs adéquats afin de réussir l'incorporation de H-ALNS à ICG. Ces techniques exploitent les informations de nature duale et primale pour décider des arcs à éliminer. En effet, les arcs coûteux, longs ou rarement empruntés seraient dynamiquement enlevés. L'implémentation d'une telle stratégie d'hybridation est une piste de recherche qui est en cours d'exploration. Les résultats des contributions réalisées jusqu'ici témoignent de la viabilité de la piste de recherche explorée dans le cadre de ce projet de recherche. Avec ces aboutissements, nous avons droit de penser que la programmation primale en nombres entiers est un paradigme facilement transférable en pratique, qui mérite d'être amplement employé afin de résoudre efficacement des VRPs riches.  ABSTRACT: The mission of operational research is to reconcile theoretical knowledge and practical business realities. Solving a complex problem with real-world constraints is very difficult, requiring a rigorous research methodology coupled with an unfailing intervention perspective. In practice, industrial problems are much more complex than they are in theory. A good feasible solution in the mathematical sense is not the same in practice. A practical algorithm for industry must combine capabilities such as speed, reliability, adaptability and simplicity. The vehicle routing problem (VRP) is a compelling topic for operational research. It represents the mathematical description of countless applications in everyday life. We aim to solve a major transport problem arising within most logistics service providers. The latter have the mission to manage the logistics operations of several contractors. In particular, they schedule the routing of a huge number of commodities across extremely complex logistics networks. In this context, VRPs are particularly rich in constraints, and very difficult to tackle. Such a challenge has gradually built up our project. After an extensive flow analysis and logistics mapping, the weak leg of the value chain was identified, namely the last mile delivery. This involves the distribution of a variety of goods from urban distribution centers to a range of end consumers (supermarkets, retailers, individuals, etc.). To date, efforts have tended to focus on modeling this problem as a rich VRP, encompassing a wide range of constraints such as time windows, heterogeneous fleet, business rules, delivery options, and compatibility. Nevertheless, a proper solution can be implemented only if it is in line both with operational and managerial configurations. The methods for solving VRPs are split into heuristic methods and exact methods. Heuristic methods generally manage to achieve a good compromise between the quality and the cost of the solution, but require a substantial effort to refine the parameters values. On the other hand, exact methods guarantee optimality, but are struggling to solve the rich variants, and are restricted to tractable problems. Examination of the state of the art showed that, in contrast to dual fractional methods, very little attention has been devoted to exact primal methods. The present thesis would be the first successful deployment of exact primal methods in a rich and real VRP context. We have used and adapted the integral column generation (ICG) algorithm, which combines a primal algorithm in a column generation scheme. Composed of four modules, each one cooperates to find an optimal or near-optimal integer solution, without using traditional methods such as branching or adding cuts. This capability is one of the key success factors, which enabled the effective resolution of a difficult real-world problem. In the first contribution, we successfully performed a first implementation of ICG in the context of a real VRP problem with time windows, internal and external heterogeneous fleet, site compatibility constraints and a range of business rules. The master problem was formulated as a set partitioning problem (SPP), and the sub-problem (SP) was modeled as a shortest path problem with resource constraints, modeled on a cyclic oriented graph. ICG is a sequential algorithm where the restricted master problem (RMP) is solved using the integral simplex using decomposition (ISUD) algorithm, while the SP is solved using dynamic programming. ISUD decomposes the RMP into two sub-problems. The complementary problem (CP) contains the incompatible columns, and aims at finding integer descent directions. On the other hand, the reduced problem (RP) deals with the compatible columns and looks for an improving integer solution. Literally, a column is said to be compatible with a solution S if it can be written as a linear combination of its columns, otherwise it is said to be incompatible. The computational results, conducted over seven operational days, highlighted both the potential for improvement of the method and the need to address theoretical underlying issues. In the second contribution, ICG's performance was enhanced by operating two improvement strategies: (i) at the SP level, we proposed an intelligent and realistic modeling of the cyclic distribution network. This was achieved through a careful analysis of the customers' characteristics and the historical delivery records. This improvement saved a considerable amount of time invested in solving the SPs. On the other hand, (ii) we avoided using branching by implementing a so-called multiphase strategy, which consists in solving the CP only for columns which are at a specific distance from the current solution. In the majority of iterations, the CP directly found directions leading to integer solutions. For the rest, the Neighborhood Search module generally leads quickly to an integer solution in the neighborhood of the current solution. Finally, given its possible impact on the performance of the algorithm, it was crucial to analyze, both theoretically and empirically, the quality of the dual solution we have used. The well-proven performance of the algorithm was demonstrated on 30 real instances of a rich VRP, with up to 199 clients, in comparison with a Branch-and-Price method. All results have been carefully tested and practically validated for feasibility. Through this thesis, our main purpose is to propose not only an efficient algorithm, but also the appropriate strategy to put it into practice. The third contribution aims to provide a methodology of solving VRPs in the practical environment. We have capitalized on our experience through a real-life case study, which explores the problem of VRP from the perspective of an integrated logistics provider. The strategy outlined and the described tools provide a useful guide to successfully resolve a VRP in practice, while at the same time updating a know-how that is welcomed by the research community and its students. In the last contribution, we presented an introductory study for further improvements to enhance the performance of the primal ICG method. The idea is to implement an efficient technique so that the search for integer solutions is conducted in potential neighborhoods, yet without penalizing the total computing time. As a first step, we have deployed a first technique called ZOOM, where the search process is guided by a fractional descent direction. Preliminary numerical results clearly showed that ZOOM has significantly improved ICG performance in terms of computing time. Next, we applied a hybrid adaptive heuristic called H-ALNS (H-ALNS: Hybrid Adaptive Large Neighbourhood Search). To begin with, we tested the viability of the heuristic on our instances. The results achieved then prompted us to consider a suitable hybridization strategy, offering a good compromise between the heuristic's properties and those of an exact primal method. This subject is still an ongoing research topic. The results of the contributions made so far testify to the viability of the research topic that was explored in this thesis. Thus, we believe that integer primal programming paradigm is easily transferable in practice and that merits to be widely employed in solving rich VRPs models.


identifier: Fiorentino, M. (2020). Architectural Exploration of KeyRing Self-Timed Processors  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les dernières décennies ont vu l'augmentation des performances des processeurs contraintes par les limites imposées par la consommation d'énergie des systèmes électroniques : des très basses consommations requises pour les objets connectés, aux budgets de dépenses électriques des serveurs, en passant par les limitations thermiques et la durée de vie des batteries des appareils mobiles. Cette forte demande en processeurs efficients en énergie, couplée avec les limitations de la réduction d'échelle des transistors—qui ne permet plus d'améliorer les performances à densité de puissance constante—, conduit les concepteurs de circuits intégrés à explorer de nouvelles microarchitectures permettant d'obtenir de meilleures performances pour un budget énergétique donné. Cette thèse s'inscrit dans cette tendance en proposant une nouvelle microarchitecture de processeur, appelée KeyRing, conçue avec l'intention de réduire la consommation d'énergie des processeurs. La fréquence d'opération des transistors dans les circuits intégrés est proportionnelle à leur consommation dynamique d'énergie. Par conséquent, les techniques de conception permettant de réduire dynamiquement le nombre de transistors en opération sont très largement adoptées pour améliorer l'efficience énergétique des processeurs. La technique de clock-gating est particulièrement usitée dans les circuits synchrones, car elle réduit l'impact de l'horloge globale, qui est la principale source d'activité. La microarchitecture KeyRing présentée dans cette thèse utilise une méthode de synchronisation décentralisée et asynchrone pour réduire l'activité des circuits. Elle est dérivée du processeur AnARM, un processeur développé par Octasic sur la base d'une microarchitecture asynchrone ad hoc. Bien qu'il soit plus efficient en énergie que des alternatives synchrones, le AnARM est essentiellement incompatible avec les méthodes de synthèse et d'analyse temporelle statique standards. De plus, sa technique de conception ad hoc ne s'inscrit que partiellement dans les paradigmes de conceptions asynchrones. Cette thèse propose une approche rigoureuse pour définir les principes généraux de cette technique de conception ad hoc, en faisant levier sur la littérature asynchrone. La microarchitecture KeyRing qui en résulte est développée en association avec une méthode de conception automatisée, qui permet de s'affranchir des incompatibilités natives existant entre les outils de conception et les systèmes asynchrones. La méthode proposée permet de pleinement mettre à profit les flots de conception standards de l'industrie microélectronique pour réaliser la synthèse et la vérification des circuits KeyRing. Cette thèse propose également des protocoles expérimentaux, dont le but est de renforcer la relation de causalité entre la microarchitecture KeyRing et une réduction de la consommation énergétique des processeurs, comparativement à des alternatives synchrones équivalentes.  ABSTRACT: Over the last years, microprocessors have had to increase their performances while keeping their power envelope within tight bounds, as dictated by the needs of various markets: from the ultra-low power requirements of the IoT, to the electrical power consumption budget in enterprise servers, by way of passive cooling and day-long battery life in mobile devices. This high demand for power-efficient processors, coupled with the limitations of technology scaling—which no longer provides improved performances at constant power densities—, is leading designers to explore new microarchitectures with the goal of pulling more performances out of a fixed power budget. This work enters into this trend by proposing a new processor microarchitecture, called KeyRing, having a low-power design intent. The switching activity of integrated circuits—i.e. transistors switching on and off—directly affects their dynamic power consumption. Circuit-level design techniques such as clock-gating are widely adopted as they dramatically reduce the impact of the global clock in synchronous circuits, which constitutes the main source of switching activity. The KeyRing microarchitecture presented in this work uses an asynchronous clocking scheme that relies on decentralized synchronization mechanisms to reduce the switching activity of circuits. It is derived from the AnARM, a power-efficient ARM processor developed by Octasic using an ad hoc asynchronous microarchitecture. Although it delivers better power-efficiency than synchronous alternatives, it is for the most part incompatible with standard timing-driven synthesis and Static Timing Analysis (STA). In addition, its design style does not fit well within the existing asynchronous design paradigms. This work lays the foundations for a more rigorous definition of this rather unorthodox design style, using circuits and methods coming from the asynchronous literature. The resulting KeyRing microarchitecture is developed in combination with Electronic Design Automation (EDA) methods that alleviate incompatibility issues related to ad hoc clocking, enabling timing-driven optimizations and verifications of KeyRing circuits using industry-standard design flows. In addition to bridging the gap with standard design practices, this work also proposes comprehensive experimental protocols that aims to strengthen the causal relation between the reported asynchronous microarchitecture and a reduced power consumption compared with synchronous alternatives. The main achievement of this work is a framework that enables the architectural exploration of circuits using the KeyRing microarchitecture.


identifier: Destras, O. (2020). Modelling of Artificial Neural Networks with Integrated Photonics  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les algorithmes d'apprentissage profond sont des éléments clés d'interconnection des objets du 21ème siècle. Ils permettent de traiter de grand ensembles de données rapidement et de manière automatique. Cependant, la quantité de données à notre disposition ne fait qu'augmenter, et avec elle la latence et la consommation d'énergie de ces algorithmes. Avec la fin de la loi de Moore, l'application du Deep Learning sur ordinateur électronique devient un défis important à relever. La photonique, permettant une grande puissance de calcul et le traitement de données à haute vitesse, apparait comme une potentielle alternative.Nous étudions donc la possibilité de reproduire les différentes fonctions d'un algorithme d'apprentissage profond avec des composants optiques. Ces fonctions peuvent être résumées en quatre catégories :1. Pré-traitement des données d'entrée 2. Propagation avant des données 3. Analyse des données en sortie 4. Optimisation du réseau de neurones Une première étape vers l'utilisation de réseaux optiques d'apprentissage profond, et l'objectif de ce mémoire, est la production de circuits optiques conçus pour une tâche précise, telle que la reconnaissance d'images. Nous nous retrouvons donc dans le cas de figure suivant :le pré-traitement des données d'entrées est effectué en dehors du réseau optique, et permet, en partie, la conversion des données d'entrée en signaux optiques. L'analyse des données en sortie est exécutée en dehors du circuit, grâce à un photodétecteur qui permet de transformer la lumière en une grandeur mesurable.  ABSTRACT: In the information age, and particularly now in the 21st century, mankind has seen a radical shift in the world. There has never been so much data, and its rate of growth keeps climbing. We can safely say that objects are now deeply interconnected. A key tool to handle this huge amount of data and complex connections is deep learning. Deep learning algorithms help us process sizeable data sets rapidly and without human intervention. However, as we accumulate more and more data, even deep learning algorithms are not enough: their power usage is too high, and as the data sets get bigger, so too does the processing time. The limitation of Moore's law by physical barriers, makes the application of deep learning on electronic computers very challenging. Current research points to the usage of alternative technologies in order to overcome these limitations, whereas integrated photonics emerges as one viable solution. Indeed, optical components would allow a bigger computing power and better processing speed. Here, we study the possibility of replicating the functions we use in traditional deep learning algorithms with optical components. We can classify these functions into four different categories:1. Pre-processing of input data 2. Forward propagation of data 3. Output data analysis 4. Neural network optimization.A first step towards creating optical deep learning networks is the production of optical networks designed to fulfill specific tasks, such as image recognition. In this thesis, we will study the feasibility of programming optical networks to create deep learning algorithms,by following the four categories presented before. Thus, we proceed as follows: first, the input data is pre-processed outside of the circuit.


identifier: Ksantini, N. (2021). Spectroscopie Raman de tissus biologiques dans le domaine temporel  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La spectroscopie Raman est un outil d'imagerie optique à la popularité grandissante pour le diagnostic du cancer. Il exploite la diffusion inélastique pour identifier la composition moléculaire d'un échantillon. Or, la probabilité d'occurrence de cette diffusion étant très faible, dans des environnements à la composition moléculaire complexe elle est très souvent masquée par un autre phénomène résultant de l'interaction lumière - matière : la fluorescence. C'est particulièrement le cas dans les tissus biologiques qui contiennent naturellement une quantité importante de molécules émettrices de fluorescence. Pour isoler le spectre Raman, on a le plus souvent recours à des algorithmes mathématiques, dont la portée reste limitée. Une méthode prometteuse pour supprimer l'effet de la fluorescence est l'utilisation du domaine temporel. Elle se base sur la différence de profil temporel entre les deux phénomènes pour rejeter la fluorescence et isoler le Raman.   Le comptage de photon unique corrélée dans le temps est une technique communément utilisée pour la mesure du temps de vie de fluorescence. Grâce à l'arrivée récente de détecteurs à photon unique ultra rapide, plusieurs systèmes de spectroscopie Raman en temporel ont été développés à partir de cette technologie. Cependant, elle n'a encore jamais été testée sur des tissus biologiques. Ce projet consiste donc à évaluer la pertinence de la spectroscopie Raman en temporel dans le contexte biomédical de la reconnaissance moléculaire de tissus.  Un premier système, utilisant un laser à lumière visible, a été conçu. À l'aide d'un détecteur à la commande ultra-rapide, il a été capable de réduire l'importante fluorescence émise à ces mêmes longueurs d'onde sur un morceau de viande de bœuf par l'application d'une fenêtre temporelle, laissant ainsi apparaître des pics Raman caractéristiques de l'échantillon. De plus, il a été démontré que la réduction progressive du signal de fond, majoritairement composé de fluorescence, permet d'augmenter la qualité des spectres Raman comparativement au seul traitement mathématique.  Un second système a alors été développé avec, cette fois, une source dans le proche infrarouge, dans le but de comparer les résultats avec un système de spectroscopie Raman conventionnel, qui utilise cette même plage spectrale. Combinant de manière inédite la mesure dans le domaine de Fourier et le comptage de photon unique corrélé dans le temps, ce nouveau système a démontré une importante réduction du signal de fond ainsi qu'une bonne correspondance avec les résultats du système conventionnel sur des échantillons biologiques.  ABSTRACT: Raman spectroscopy is an increasingly popular optical imaging tool for cancer diagnostic. It exploits inelastic scattering to identify the molecular composition of a sample. However, since the probability of occurrence of this scattering is very low, in environments with a complex molecular composition it is very often masked by another light - matter interaction: the fluorescence. This is particularly the case in biological tissues which naturally contain a significant number of fluorescence-emitting molecules. To isolate the Raman spectrum, we most often use mathematical algorithms, which remains limited. One promising method to suppress the effect of fluorescence is the use of the time domain. It is based on the difference in temporal profile between the two phenomena to reject fluorescence and isolate Raman.  Time correlated single photon counting is a commonly used technique for measuring fluorescence lifetimes. With the recent arrival of ultra-fast single-photon sensors, several time-based Raman spectroscopy systems have been developed based on this technology. However, it has never been tested in biological tissue before. This project therefore consists in evaluating the relevance of time-domain Raman spectroscopy in the biomedical context of tissue recognition.  A first system, using a visible light laser, has been designed. Using an ultra-fast controlled detector, it was able to reduce the large fluorescence emitted at these same wavelengths on a piece of beef by applying a time window, thus revealing Raman peaks characteristic of the sample. In addition, it has been shown that the gradual reduction of the background signal, mainly composed of fluorescence, makes it possible to increase the quality of Raman spectra when compared with a solely algorithmic approach.  A second system was then developed with, this time, a source in the near infrared, in order to compare the results with a conventional Raman spectroscopy system, which uses this same spectral range. Combining in an unprecedented way the measurement in the Fourier domain and the time-correlated single photon counting, this new system demonstrated a significant reduction of the background signal as well as a good correspondence with the results of the conventional system on biological samples.


identifier: Stile, G. (2020). Controlled Drug Delivery for Cancer Treatment Using Electrospun Structure  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer étant l'une des premières causes de décès dans les pays développés, les chercheurs doivent continuer à mettre au point de nouvelles stratégies eÿcaces pour traiter les patients. De nombreux traitements couramment utilisés agissent souvent sur des processus cellulaires de base, entraînant des e˙ets secondaires et nuisant à la qualité de vie du patient. En outre, ces médicaments ont souvent des fenêtres thérapeutiques très étroites et, en raison de leur mode d'administration, leur concentration initiale dépassera le seuil de toxicité. Les stratégies récemment développées pour répondre à ces problèmes sont la combinaison d'une administration contrôlée et ciblée des médicaments, visant un traitement localisé avec un dosage plus faible libéré sur une plus longue période. D'autre part, l'électrofilage et l'électronébulisation sont des méthodes qui suscitent un intérêt croissant pour la fabrication de composés pharmaceutiques. Ces techniques partagent une configuration simple qui permet une grande polyvalence, permettant même l'électrofilage de plusieurs solutions à la fois, en électrofilage coaxial. Cette caractéristique permet d'obtenir des particules noyau-enveloppe en une seule étape, di˙éremment de la plupart des méthodes actuellement employées pour ce faire. Ce projet vise à utiliser la technique d'électronébulisation pour concevoir et tester un vecteur d'administration de médicaments. La littérature a été examinée afin de trouver un agent pharmaceutique présentant un profil de toxicité qui nécessiterait le plus une libération pro-gressive, in situ. En fait, le médicament choisi, doxorubicin (DOX), est connu pour aug-menter les risques de cardiomyopathies à long terme, même à très faible dose. Le délai et les conditions les plus appropriés pour l'administration ont ensuite été recherchés, afin de comprendre les exigences que le matériau de piégeage devrait avoir. Cela a abouti au choix d'un copolymère 50/50 poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), qui serait capable de perdre lentement de la masse et de libérer le médicament sur une période de trois à quatre semaines. Afin de réduire les coûts et les risques, l'ibuprofène a été choisi comme médicament test lors des étapes préliminaires des travaux. L'optimisation du processus d'électronébulisation, par un mélange d'analyse de la littérature et d'essais et erreurs, a permis d'obtenir des particules de 598 ±286 nm. Malheureusement, les expériences se sont arrêtées lorsque les mesures contre le Covid-19 ont été mises en place et une fois l'accès aux laboratoires rétabli, les conditions environnementales ont changé et les paramètres optimisés n'ont pas donné les mêmes résultats. Après une phase de tests visant à rétablir les conditions idéales pour les paramètres optimisés, la production a été transférée dans une installation di˙érente, équipée d'un système capable de surmonter les problèmes. Grâce aux connaissances acquises lors de la précédente optimisation, des particules de 685,9±286 nm ont été rapidement produites, permettant au projet de passer à la phase suivante. La dégradation du polymère et l'administration du médicament ont été caractérisées par une série de tests qui ont consisté à immerger deux groupes d'échantillons de particules pendant 28 jours, un groupe dans une solution de PBS avec un pH de 7.4, l'autre dans une solution similaire avec un pH de 6.6, afin d'imiter l'environnement acide que l'on trouve dans les tissus cancéreux. Le pH des échantillons, ainsi que leur perte de poids, ont été suivis au fil des semaines, tandis que des spectres FTIR étaient acquis pour caractériser la libération du médicament et que les échantillons étaient mis de côté pour être lyophilisés et observés plus tard avec MEB. La baisse du pH a permis de confirmer la dégradation du PLGA. L'observation avec le MEB a montré que les particules avaient formé des agglomérats en PBS. En ce qui concerne l'administration du médicament, la présence d'agglomérats plus gros a certainement retardé le délai prévu. Si ces tests ont permis d'avoir une première idée du comportement des particules, plusieurs problèmes rencontrés ont mis en évidence la nécessité de les répéter afin de fournir un aperçu beaucoup plus précieux des structures produites. Enfin, les travaux présentés ici ont permis de tester la faisabilité de l'utilisation de la technique d'électro-pulvérisation coaxiale comme autre moyen de produire des particules nanométriques cœur-enveloppe. Deux questions principales ont permis de conclure que cette technique pourrait être mieux appliquée à l'échelle micrométrique. En e˙et, si les particules peuvent être obtenues à plus petite échelle, le processus d'optimisation peut être long et il peut y avoir des concessions à faire en ce qui concerne leur morphologie. En outre, le rendement a tendance à être très faible et devrait certainement être amélioré pour être compétitif dans un cadre industriel.  ABSTRACT: With cancer being one of the first causes of death in developed countries, researchers need to keep coming up with new, eÿcient strategies to treat patients. Many of the treatments commonly employed often act on basic cellular processes, causing side e˙ects and hindering the patient's quality of life. Moreover, these drugs often have very narrow therapeutic win-dows and, due to their administration methods, their initial concentration will overshoot the toxicity threshold. The recent strategies developed to address these issues are the combina-tion of controlled and targeted drug delivery, aiming for a localized treatment with a lower dosage released over a longer time. On the other hand, the electrospinning and electrospraying are methods gaining increased interest for the fabrication of pharmaceutical compounds. These techniques share a simple set-up that allows for great versatility, even allowing for the electrospinning of multiple solution at once, in coaxial electrospinning. This feature can obtain core-shell particles in a single step, di˙erently than most methods currently employed to do so. This project set out to employ the coaxial electrospraying technique to design and test a drug delivery carrier. The literature was looked into to find a pharmaceutical agent with a toxicity profile that would most need a gradual, in situ release. In fact, the chosen drug, doxorubicin (DOX), is known to increase risks of long-term cardiomyopathies even with very low dosages. The most appropriate time frame and conditions for the delivery were then researched, to understand the requirements that the entrapping material would need have. This resulted in the choice of a 50/50 poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) copolymer, which would be able to slowly lose mass and release the drug over the course of three to four weeks. To reduce costs and risks, ibuprofen was selected as a test drug during the preliminary steps of the work. The optimization of the electrospraying process, through a mix of literature review and trial and error, allowed to obtain particles of 598 ±286 nm. Unfortunately, the experiments came to a halt as measures against Covid-19 were put in place and once access to the laboratories was reestablished the environmental conditions had changed and the optimized parameters were not achieving the same results. After a phase of tests geared towards restoring the ideal conditions for the optimized parameters, the production moved to a di˙erent set-up, equipped with a system able to overcome the issues. Thanks to the knowledge acquired with the previous optimization, particles of 685.9 ±286 nm were quickly produced, allowing the project to proceed to its next phase.The degradation of the polymer and the delivery of the drug were characterized in a series of tests which involved submerging two sample groups of particles over the course of 28 days, one group in a PBS solution with a 7.4 pH, the other in a similar solution with a 6.6 pH, in order to mimic the acidic environment found in cancer tissues. The pH of the samples, as well as their weight loss was monitored through the weeks, while FTIR spectra were being taken to characterize the drug release and samples were put aside to be freeze dried and later observed with SEM. The pH decrease was able to confirm the degradation of PLGA. The SEM observation showed that the particles had formed agglomerates in PBS. For what concerns the drug delivery, the presence of bigger clusters has certainly delayed the expected time frame. While these tests allowed for an initial outlook over the particles' behaviour, several issues encountered highlighted the need to repeat them in order to provide a much more valuable insight regarding the structures produced. Finally, the work here presented was able to test the feasibility of employing the coaxial electrospraying technique as an alternative way to produce nanometric core-shell particles. Two main issues brought to the conclusion that this technique might be better applied to the micrometric scale. In fact, while particles can be obtained in the smaller scale, the optimization process can be lengthy and there might be concessions to be made for what concerns their morphology. Moreover, the yield tends to be very poor and would need to be certainly improved to be competitive in an industrial setting.


identifier: Benoit, M.-É. (2021). Réingénierie de l'environnement évier afin de réduire la propagation des pathogènes opportunistes en milieu hospitalier  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les pathogènes opportunistes sont souvent isolés de l'environnement évier, soit au niveau des drains et des aérateurs de robinet. Les bactéries retrouvées sur ces composantes d'évier peuvent causer des infections nosocomiales et ont été liées à de nombreuses épidémies dans les établissements de soins de santé. Cette étude a donc pour but d'intervenir au niveau de différentes composantes d'évier afin de réduire la propagation des pathogènes opportunistes provenant de l'environnement évier en milieu hospitalier. Pour les deux premières parties du projet, différentes composantes d'évier ont été analysées. Premièrement, la production d'aérosols et la charge bactérienne des aérosols de différents modèles d'aérateurs d'évier ont été mesurées au niveau d'un pilote. Les résultats ont montré que certains types d'aérateurs peuvent propager une grande concentration d'aérosols dans l'environnement. Aussi, lorsqu'un aérateur est encrassé ou contaminé, sa production d'aérosols contaminés augmente. Un nettoyage en profondeur de l'aérateur permet de revenir aux valeurs d'un aérateur neuf. Deuxièmement, l'efficacité de différentes interventions au niveau du drain a été évaluée sur des éviers d'un hôpital : une désinfection au chlore, une désinfection à l'eau chaude, l'installation d'un drain auto-désinfectant et l'installation d'un nouveau drain.  ABSTRACT: Opportunistic pathogens are frequently isolated from faucet aerators and drains and can cause nosocomial infections. Numerous hospitals outbreaks were linked to pathogens recovered from sink drains and aerators. Therefore, the aim of this study was to reduce the spread of opportunistic pathogens originating from the hospital sink environment through the application of different interventions on the sink components. For the first two parts of the project, different sink components were analysed. First, the aerosol production and the aerosol pathogen load of different aerator models were measured in a controlled environment set-up. Results showed that certain types of aerators were able to spread a higher number of aerosols in the environment. Also, the contamination or partial clogging of an aerator can result in an increased production of the aerosols containing bacteria. Thorough cleaning of the aerator reduced the production of contaminated aerosols back to initial values obtained when the aerator was new. Secondly, the efficacy of different drain interventions was evaluated on hospital sinks: chlorine disinfection, thermal disinfection, self-disinfecting drain and installation of a new drain. The thermal disinfection and the self-disinfecting drain successfully reduced the bacterial concentration measured in the drains. These two drain interventions and the aerator producing the least number of aerosols were selected for the third and last part of the project.


identifier: Rossit, M. (2020). Utilisation des stériles miniers concassés et compactés comme couche de contrôle des écoulements pour contrôler le DMA  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'exploitation de la fosse Doyon a produit pendant plusieurs années des quantités importantes de roches stériles que la mine a accumulé à la surface dans deux haldes nommée halde Nord et halde Sud. Les roches entreposées dans la halde Sud, composées de minéraux réactifs, relâchent des quantités importantes de drainage minier acide (DMA) lorsqu'elles sont au contact de l'air et de l'eau. La mine Westwood localisée à côté de l'ancienne mine Doyon, dans son exploitation, continue de générer des stériles miniers mais qui sont cette fois-ci peu ou pas générateurs de DMA. Aujourd'hui, la mine souhaiterait restaurer la halde Sud. De façon provisoire, la mine souhaiterait évaluer l'option de réduire les flux de DMA à traiter en construisant un recouvrement composé de stériles miniers concassés et compactés qui proviendraient de la mine Westwood. L'objectif principal de cette étude est d'estimer combien d'eau pourra être déviée par ce genre de recouvrement. Des essais en laboratoire ont été menés pour d'abord caractériser les propriétés hydrogéologiques et géotechniques des matériaux. Le stérile 0/19 mm de la mine Westwood a été classifié comme un sable silteux avec présence de graviers, selon la classification USCS. Les résultats des essais aux limites d'Atterberg ont montré que la fraction fine des stériles est faiblement plastique et non argileuse. Des essais de compactage ont permis de déterminer les teneurs en eau optimales et les masses volumiques sèches optimales. Les caractéristiques hydrogéologiques des stériles 0/19 mm et 0/800 mm ont aussi été testées en laboratoire. Une différence notable a été constatée entre les CRE des deux matériaux. La capacité de rétention d'eau du stérile concassé 0/19 mm est plus importante (ψa=300 cm) que dans le stérile brut (ψa=3 cm). La conductivité hydraulique saturée a été évaluée entre 10-4 et 10-5 cm/s pour les stériles concassés et entre 10-2 et 10-3 cm/s dans les stériles bruts. Un recouvrement expérimental fait de stériles miniers Westwood de 50 m de long, sur 9 m de large avec des pentes à 10% et 20% a été conçu et construit à la mine. Il est composé d'une couche de 60 cm d'épaisseur en stériles miniers concassés compactés (0/19 mm) qui repose sur une couche de fondation en stériles miniers brut de 1,50 m d'épaisseur (0/800 mm). Le recouvrement a été construit sur la halde Sud au mois d'août 2018 et a été équipé de 6 stations qui ont mesurées la teneur en eau volumique et la succion à 20, 50 et 90 cm de profondeur. Deux drains ont été installés à la surface de la cellule expérimentale pour quantifier le ruissellement. Des lysimètres installés sous les stériles miniers de fondation (0/800 mm) ont permis d'estimer les volumes d'eau qui s'infiltrent à travers le recouvrement. Les données obtenues (percolation, ruissellement et stockage) ont ensuite été comparées avec les données de précipitations enregistrées par la station météorologique du site. Le suivi en conditions naturelles a montré que la teneur en eau volumique dans les couches à l'automne est significativement supérieure à celle l'été. Les eaux collectées par les drains de surface ont permis d'estimer un taux de ruissellement moyen de 40% pour la pente inclinée à 20% contre 20% pour la pente inclinée à 10%. La partie du recouvrement inclinée à 20% a aussi été testée sous un taux de précipitations critique de 24,6 mm/h pendant 3 heures, représentant un événement extrême ayant une période de récurrence de 75 à 100 ans; cet événement correspond à un volume d'eau appliqué sur la surface de la cellule expérimentale de 11,3 m3 ou 82 mm/m2. Le taux de récupération calculé a montré que le recouvrement permet de dévier à l'aide du ruissellement 95% des volumes d'eau appliqués en surface. La différence entre le taux de récupération calculé lors du suivi en conditions naturelles et celui de l'essai simulé avec un taux intense de précipitation a montré que l'efficacité de la couche dépend de la durée pendant laquelle la précipitation est appliquée. Cette différence dépend aussi de l'état de la teneur en eau volumique au début de l'épisode de précipitations. Plus la teneur en eau volumique initiale est élevée au début d'un épisode de précipitation, plus la déviation est importante. L'analyse des taux de précipitation a montré qu'à partir d'un taux de précipitation supérieur à 1,5 mm/h, la pente inclinée à 20% a dévié plus d'eau, sinon, pour les taux de précipitation inférieurs à 1,5 mm/h, le taux est à peu près équivalent pour les deux pentes. Les résultats expérimentaux ont démontré que, pour limiter les flux de DMA provenant de la halde Sud, la construction d'un recouvrement provisoire fait de stériles miniers concassés (0/19 mm) compactés permettrait de dévier une quantité importante d'eau vers le bas de la cellule, ce qui limiterait les volumes de DMA générés et diminuerait les coûts de traitement de manière conséquente.  ABSTRACT: The operation of the Doyon pit for several years produced significant quantities of waste rock that the mine accumulated at the surface in two dumps called the North Dump and the South Dump. Rocks stored in the South Dump, composed of reactive minerals, release significant amounts of acid mine drainage (AMD) when exposed to air and water. The Westwood mine located next to the former Doyon mine, in its operation, continues to generate waste rock but low acid generating potential. In a near future, the mine would like to reclaim the South Dump. One of the option to reduce the volume of AMD to be treated is to build a cover made of crushed and compacted waste rock that would come from the Westwood mine. The main objective of this study is to assess how much water can be diverted by this kind of cover. Firstly, laboratory tests were carried out to characterize the hydrogeological and geotechnical properties of the tested materials. The 0/19 mm waste rock from the Westwood mine was classified as silty sand with the presence of gravels, according to the USCS classification. The results of the Atterberg test showed that the fine fraction of the waste rock is weakly plastic and not clayey. Compaction tests were performed to determine the optimum water contents and the optimum dry densities. The hydrogeological characteristics of the 0/19 mm and 0/800 mm waste rock were also tested in the laboratory. A significant difference was observed between the water retention curves (WRCs) of the two materials. The air entry value (AEV) of the 0/19 mm crushed waste rock is greater (AEV = 300 cm) than in the raw waste rock (AEV = 3 cm). The saturated hydraulic conductivity was evaluated between 10-4 and 10-5 cm/s for the crushed waste rock and between 10-2 and 10-3 cm / s for the coarse waste rock. An experimental cover made of Westwood waste rock of 50 m long, 9 m wide with 10% and 20% slopes was designed and built at the mine. This cover is made of 60 cm of compacted crushed mine waste rock (0/19 mm) at the top and 1.50 m of coarse waste rock (0/800 mm). The cover was built on the South Dump in August 2018 and was equipped with 6 monitoring stations that measured the volumetric water content and suction at several depth (20, 50 and 90 cm). Two drains were installed at the surface of the experimental cell to quantify the runoff. Lysimeters installed at the base of the waste rock (0/800 mm) allowed to estimate the volumes of water that infiltrated the cover. The data obtained (percolation, runoff and storage) were then compared with the precipitation data recorded by the site meteorological station. Monitoring under field conditions showed that the volumetric water content in the layers is significantly higher in Fall than in the Summer. The water collected by the surface drains allowed to estimate an average runoff rate of 40% for the slope inclined at 20% instead to 20% for the slope inclined at 10%. The 20% inclined part of the cover was also tested under a critical precipitation rate of 24.6 mm/h during 3 hours, representing an extreme event with a return period of 75 to 100 years. The volume of water applied to the surface of the experimental cell is 11.3 m3 or 82 mm/m2. The recovery rate showed that the cover can divert 95% of the water volumes applied to the surface by runoff. The difference between the recovery rate calculated for natural conditions and the artificial intense rainfall event showed that the effectiveness of the cover depends also on the precipitation duration. This difference depends on the initial volumetric water content of the cover at the start of the precipitation event. A higher initial volumetric water content induces a greater diversion capacity. Results analysis showed that for a precipitation rate greater than 1.5 mm/h, the 20% inclined slope diverted more water, otherwise, for precipitation rates less than 1.5 mm/h, the diversion capacity is roughly equivalent for both slopes. The results suggest that, to limit the volume of AMD generated by the South Dump, the construction of a temporary cover made of compacted crushed mine waste rock (0/19 mm) to divert precipitation water is an interesting alternative. If this diverted water can be separated from the AMD, a significant reduction of the water treatment cost can be achieved.


identifier: Amrou, R. (2020). Évaluation de l'utilisation des mélanges till-boues de traitement du DMA comme couche de rétention d'humidité dans un recouvrement de type CEBC  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les sites miniers renfermant des rejets générateurs de drainage minier acide (DMA) doivent être restaurés afin de limiter leur impact à long terme sur l'environnement. Différentes techniques ont été conçues pour leur réhabilitation et qui visent à limiter le flux d'oxygène et/ou de l'eau vers les résidus réactifs. En climat humide, divers types de recouvrement peuvent être utilisés dans la restauration des parcs à résidus incluant les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC). Des matériaux qui composent ces recouvrements peuvent être d'origine naturel (sable, silts) ou recyclés (résidus et stériles miniers) et nécessitent l'utilisation d'un matériau fin pour la construction de la couche de rétention d'eau. Par ailleurs, la neutralisation des eaux minières acides par la chaux génère des quantités de boues considérables qui sont généralement entreposées dans des bassins de décantations. Dans une perspective de développement durable (réutilisation des rejets miniers) et lorsque les matériaux fins requis ne sont pas disponibles aux alentours des sites miniers à restaurer, des mélanges sols-boues (MSBs) pourraient être utilisés comme composantes d'une CEBC visant à contrôler la génération de DMA et permettraient de réduire les coûts associés au transport et au stockage des boues, ainsi que l'impact ces derniers sur l'environnement. L'objectif principal de ce projet est d'évaluer le potentiel de valorisation des boues solides de traitement du DMA pour produire des mélanges de sols granulaires (ex. tills) et de boues ayant les caractéristiques chimiques et hydrogéotechniques requises pour jouer le rôle d'une couche de rétention d'humidité d'une CEBC. Pour atteindre cet objectif, des sous-objectifs (SO) ont été identifiés et consistaient à : • SO 1 : étudier le potentiel de lixiviation des mélanges till-boues (MTBs) à l'aide des essais cinétiques de lixiviation en colonnes pendant une année. Au total six mélanges till-boues avec des teneurs en boues : β de 10, 20 et 30% (β correspond à la masse de boues humides/masse de sol humide) et trois matériaux témoins (till, boues Westwood (ww) et boues Waite-Amuet (wa)) ont été utilisés. Ces colonnes ont été soumises à des cycles de mouillage et de drainage et les lixiviats récupérées après chaque cycle ont suivis et analysés pour suivre l'évolution du comportement hydrogéochimique de ces matériaux (pH, conductivité électrique, potentiel redox Eh, acidité, alcalinité, métaux dissous et sulfates); • OS2 : évaluer l'efficacité des mélanges et tester leurs capacités à jouer le rôle d'une couche de rétention d'humidité à l'échelle du laboratoire. Dans ces essais, des colonnes instrumentées simulant des recouvrements multicouches (CEBC) ont été soumises à des cycles de mouillage et de drainage. Les lixiviats récoltés, sont analysés de point de vue physico-chimique. Également des mesures de succion, des teneurs en eau volumiques et des concentrations d'oxygène ont été réalisées. • OS3 : en utilisant la modélisation numérique par SEEP/W (Geoslope Ltd, 2019), différents configurations de recouvrements CEBC à base des MTBs ont été simulées. Les résultats de cette étude montrent que : - la prédiction du potentiel de génération d'acidité (PGA) montre que les matériaux de base et les MTBs sont non générateurs d'acidité ; - pour l'ensemble des colonnes, le pH est neutre autour de 8 et la conductivité électrique varie entre 2 et 4 mS/cm, ce qui prouve que les lixiviats sont moins à moyennement chargés en ions ; - la concentration de Zn, de Fe et de Cu dans les lixiviats des colonnes instrumentées tend à diminuer progressivement et restent sous la limite de la directive 019. Cependant, dans la colonne des résidus ww (témoin), le Zn et Cu augmentent d'une façon significative dès le deuxième cycle et dépassent la limite la directive 019 (˃0,5 mg/l pour Zn et ˃0,3 mg/l pour Cu) indiquant ainsi la génération du drainage neutre contaminé ; - suite à la modélisation thermodynamique par Visual Minteq, des familles de minéraux secondaires peuvent se précipiter à savoir les oxydes et les hydorxydes d'Al (boehmite, gibbsite et diaspore), les sulfates (alunite et barite) et les oxydes de Fe et Cu (hercynite et ténorite). - les caractéristiques hydrogéotechniques (courbe de rétention d'humidité CRH et conductivité hydraulique saturée ksat) des MTBs placées dans les recouvrements ont été mesurés au laboratoire. Les valeurs de la pression d'entré d'air (AEV : air entry value) ont été déterminées à partir des CRE. Elles correspondent à 58 kPa pour le till, 20 kPa pour les MTBs wa de 10 et 20% de β, 18 kPa pour le MTB wa à 30% de β et 1,4 kPa pour le sable. Pour les MTBs ww (10, 20 et 30% de β), les AEV mesurées correspondent à 19, 20 et 32 kPa respectivement ; - pour les MTBs, ksat est de l'ordre de 10-6 cm/s alors qu'elle est de 10-3 cm/s pour le sable ; - les teneurs en eau volumiques (w) et les succions ont été mesurées au niveau des couches de rétention d'eau. Les succions varient entre 5 à 13 kPa en bas des couches de rétention d'humudité (CRH) des MTB wa et entre 15 à 17 kPa en haut de la même couche. Pour les MTB ww, les succions mesurées se situent entre 10 à 15 kPa et entre 13 à 17 kPa respectivement en bas et en haut de CRH. Les succions mesurées sont demeurées en dessous des AEV indiquant ainsi le maintien des CRH à un haut degré de saturation en eau; - la performance des MTBs a été également évaluée à l'aide du flux d'O2. Pour la colonne témoin (résidus), le flux d'O2 diminue avec le temps, il passe de 70 à 36 mol/m3/an pendant une durée de suivi de 180 jours. Ce flux a été réduit à des valeurs inférieures à 1 mol/m3/an au centre et en bas des CRH ; - le comportement hydrique des recouvrements a été simulé par SEEP/W et les résultats indiquent que la CRH a été maintenue à un degré de saturation supérieur à ˃86% même pour des conditions sans réalimentation pendant 60 jours. Suite à ces résultats obtenus, les MTBs testés pourraient être utilisés comme couche de rétention d'eau dans un recouvrement de type CEBC. Cependant, il est recommandé de tester le comportement des mélanges dans les CEBC à l'échelle de terrain en prenant en considération les conditions climatiques afin d'évaluer leur performance.  ABSTRACT: When mine sites containing tailings are considered as generating of acid mine drainage (AMD), these mines site must be restored in order to limit their impact on the environment. Different techniques for mine site reclamation were developed to limit oxygen and/or water infiltration to reactive tailings. In humid climates, various types of covers can be used including capillary barrier effect covers (CBEC). The materials that can be used in the cover construction are natural (sand, silts) or recycled (waste rock) and require the use of a finer material for the construction of the moisture-retaining layer. In addition, neutralization of acid mine water with lime generates a considerable quantity of sludge, which are generally stored in storage facilities (SF). In a sustainable development (Re-use of mining tailings), when the required finer materials are not available nearby the sites, soil-sludge mixtures (SSMs) could be used as a component of a CBEC to control the generation of AMD and reduce the costs associated with the transport and storage of sludge and its impact on the environment. The main objective of this project is to evaluate the potential of AMD treatment solids sludge to produce mixtures of granular soils (e.g. tills) and sludge (SSMs) with the chemical and hydrogeotechnical characteristics properties required for the MRL. To achieve this objective, sub-objectives were performed and corresponds to: 1) Study of the leaching potential of SSMs through small column using leach kinetic tests during one year. A total of six till-sludge mixtures with sludge contents of 10, 20 and 30% (β corresponds to wet sludge/wet soil mass) and three materials (till, Westwood sludge (ww) and Waite-Amulet sludge (wa)) were used. These columns were submitted to wetting and drying processes and leachates recovered after each cycle were analysed to with the objective to evaluate the hydrogeochemical behaviour of these materials (pH, electrical conductivity, Eh redox potential, acidity, alkalinity, dissolved metals and sulphates); 2) evaluate the efficiency of the mixtures and their capacity to act as a MRL on a laboratory scale through infiltration and drainage tests by using instrumented columns (measuring water content, suction and O2 flow) simulating multilayer covers (CBEC). The collected leachate is analyzed physically and chemically; 3) simulate different configurations of CBEC covers based on SSMs by using numerical modeling. In these simulations, SEEP/W code was used (Geoslope Ltd, 2020). The results of this study show that: - The prediction of the potential to generate acidity (PGA) shows that used materials (except tailings) and SSMs are non-acid generating ; - For all the columns, the pH is neutral (around 8) and the electrical conductivity varies between 2 and 4 mS/cm, proving that the leachates are less to moderately charged with ions; - The concentration of Zn, Fe and Cu in the leachates from the instrumented columns tends to decrease gradually and remains below the limit of Directive 019. On the other hand, in the tailings (control column), Zn and Cu increase significantly from the second cycle and exceed the limit of directive 019 (˃0,5 mg/l for Zn and ˃0,3 mg/l for Cu); - Based one thermodynamic modelling, secondary minerals can precipitate : oxides and hydorxides of aluminium (boehmite, gibbsite and diaspore), sulphates (alunite and barite) and oxides of iron and copper (hercynite and tenorite); - The hydrogeotechnical characteristics (CRW and ksat) of the SSM were measured in the laboratory and the air entry values (AEV) were determined with CRW. They correspond to 58 kPa for till, 20 kPa for wa SSM of 10 and 20% of β, 18 kPa for wa SSM wa at 30% of β and 1,4 kPa for sand. Thus, for ww SSM (10, 20 and 30% β), the measured AEV corresponds to 19, 20 and 32 kPa, respectively; - For all SSMs, ksat value is around 10-6 cm/s and equal 10-3 cm/s for sand; - The volumetric water contents (θw) and suctions were measured at the MRLs. The suctions vary between 5 to 13 kPa near the bottom of the MRL of wa SSM and between 15 to 17 kPa near the top of the same layer. For ww SSM, the suctions in the lower level vary between 10 to 15 kPa and between 13 to 17 kPa in the upper level. The saturation degree in the column of the ww SSM at 20% β is higher than 80%; - The performance of SSM was evaluated by O2 flux and numerical modelling. For the tailings control column, the O2 flux decreased with time from 70 to 36 mol/m3/year for a follow-up period of 180 days. However, the flux through the CBEC covers indicates values lower than 1 mol/m3/year; - The hydrogeological behaviour of the CCBE was simulated by SEEP/W; capillary phenomena are well created between MRLs and the sand layers. The MRL have a good capacity to retain water (Sr˃86%). According to these results, the SSM tested could be used as a MRL in a CCCBE. However, it is still recommended to further investigate the chemical stability of sludge and to test the behaviour of mixtures in CCBE at field scale by integrating mine site climatic conditions.


identifier: Naser Addin, D. (2020). Conception d'une interface adaptative en réalité augmentée pour gérer des systèmes autonomes dans le déroulement de missions critiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans une situation critique, de nombreux humains risquent leur vie pour en sauver d'autres. Les technologies innovantes pourraient grandement améliorer la conscience de la situation des acteurs de l'urgence, réduire le risque humain ainsi qu'augmenter la facilité de résolution des missions. Nous avons étudié cette idée en concevant une interface en réalité augmentée (RA) pour contrôler un essaim de drones durant une situation d'urgence.Durant ce travail, nous avons conçu cette interface pour gérer plusieurs drones et accroître la connaissance de la situation dans les situations critiques. L'essaim était composé de drones autonomes qui fournissaient un flux important d'informations. Le projet consistait à com-prendre les besoins humains dans les situations d'urgence et concevoir une application AR pour un visiocasque.Nous nous sommes concentrés sur la situation et les besoins du SIM (Service de sécurité incen-die de Montréal). Nous avons développé une solution qui conjointement avec un planificateur de mission dirige l'essaim fonctionnant sous l'infrastructure développée par le partenaire in-dustriel. Nous avons ensuite mis en place une simulation d'urgence avec un bâtiment de grande hauteur en feu où les participants devaient comprendre la situation en utilisant le visiocasque AR.Pour tester notre technologie et valider nos hypothèses, nous avons conçu une une simula-tion stressante et diÿcile pour être testée avec des gens de Polytechnique Montréal. Nous comparons l'eÿcacité d'un ordinateur basique et d'un visiocasque de réalité augmentée afin d'établir une comparaison et de mesurer l'eÿcacité de la RA. Nous terminons en expliquant que le casque de RA était moins eÿcace qu'un ordinateur dû notamment à la toute première utilisation de cet outil. Cependant, le visiocasque montre des résultats proches de l'ordina-teur et la technologie a été appréciée par tous les participants.  ABSTRACT: In critical situations, many humans risk their lives to save others. Innovative technologies could greatly improve the situational awareness of emergency responders, reduce human risk and increase the resolution's mission. We investigated this idea by designing an augmented reality (AR) interface to control a swarm of drones during an emergency situation.During this work, we designed an interface to manage multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) and increase situational awareness in critical situations. The swarm was composed of autonomous UAVs that provided a significant flow of information. The project consisted of understanding human needs in emergency situations and designing an AR application for a headset.We focused on the situation and the needs of the SIM (Montreal Fire Safety Service). We developed a solution that, simultaneously with a mission planner, manages drones in the field operating with the infrastructure developed by the industrial partner. We then set up an emergency simulation with a high-rise building on fire where participants had to understand the situation using AR headset.To test our technology and validate our hypotheses, we tested our solution with people from Polytechnique Montreal during a stressful and diÿcult simulation. We compare the e˙ectiveness of a basic computer and an augmented reality headset to compare and measure the e˙ectiveness of AR. We concluded by explaining that the AR headset was less e˙ective than a computer, due in part to the very first use of this tool. However, the headset shows results close to the basic computer, and the technology was appreciated by all participants. We saw an improvement with the headset almost similar to the computer. Our results showed that augmented reality could, with more training and practice, improve conditions in emergency situations.


identifier: Tucny, J.-M. (2020). Modélisation des écoulements de gaz raréfiés au travers de filtres fibreux par la méthode de Boltzmann sur réseau  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les particules fines suspendues dans l'air (aussi nommées aérosols) sont nocives pour la santé humaine et pour l'environnement. La filtration des aérosols (ou la séparation de ces particules de l'air) est donc un procédé d'une importance cruciale. Les filtres fibreux sont généralement choisis pour leur haute performance et leur compacité. L'ajout de nanofibres (<1 μm) déposées sur une couche de microfibres ou mélangées à des microfibres a été proposé pour améliorer ces filtres. La théorie de la fibre unique est souvent utilisée pour prédire la performance des filtres à aérosols. Cependant, cette théorie prend pour acquis que les fibres d'un filtre sont toutes du même diamètre et ignore donc les impacts potentiels de la structure multicouche. La simulation numérique directe des écoulements gazeux au travers de milieux fibreux doit être utilisée pour tenir compte des interactions entre les fibres. Or, les effets de raréfaction qui apparaissent autour des nanofibres doivent être considérés pour prédire quantitativement la performance des milieux filtrants.  ABSTRACT: Suspensions of fine particles (also called aerosols) are harmful to human health and the environment. The filtration of airborne particles (or the separation of these particles from the air) is therefore a process of crucial importance. Fibrous filters are generally chosen for their high performance and compactness. The addition of nanofibers (<1 μm) deposited on a layer of microfibers or mixed with microfibers has been proposed to improve these filters. The single fiber theory is often used to predict the performance of aerosol filters. However, this theory assumes that the fibers of a filter are all the same diameter and therefore ignores the potential impacts of the multilayer structure. Direct numerical simulation of gas flows through fibrous media must be used to account for the interactions between the fibers. However, the rarefaction effects that occur around nanofibers must be considered to quantitatively predict the performance of the filter media.


identifier: Labranche, A. (2020). Conception of a Low-Noise Ultrafast Fiber Laser System Toward nJ Phase Stable Pulses in the Mid-Infrared  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le contexte du développement technologique d'un nouveau laboratoire en photonique quantique ultrarapide, un système laser tout-fibre à maintien de polarisation est présenté. En exploitant les propriétés de stabilité exceptionnelle des lasers à fibres dopées à l'erbium, l'objectif de ce projet est de générer un train d'impulsions fs dont le niveau de bruit se rapproche de la limite quantique. Dans le but de faire de la recherche novatrice en spectroscopie à résolution temporelle, l'intensité des impulsions produites par le système laser fibré est maximisée pour entrainer efficacement un processus non linéaire de génération de fréquences dans l'infra-rouge moyen. Dans le présent travail, un laser à fibre dopée à l'erbium atteignant passivement la synchronisation de modes est construit, et celui-ci produit de manière fiable et robuste un train d'impulsions ultrabrèves à un taux de répétition de 75.4 MHz. Le bruit d'intensité de l'oscillateur maître est profondément caractérisé. Les résultats indiquent un bruit d'intensité relative de 0.023 % (0.048 %) intégré sur une plage de fréquence allant de 10 Hz à 100 kHz (1 MHz). L'analyse de la densité spectrale de puissance du bruit d'intensité relative de l'oscillateur révèle une domination du bruit technique à basses fréquences induit par le laser de pompe. Afin d'augmenter significativement l'intensité des impulsions produites par l'oscillateur maître, un amplificateur à fibre dopée à l'erbium est conçu et caractérisé. Une distribution longitudinale ajustée de la dispersion à travers le système fibré permet d'obtenir une énergie d'impulsion de 4.2 nJ tout en contrôlant l'impact des effets optiques non linéaires dans l'amplificateur. De même, la composition spectrale des impulsions est élargie jusqu'à 55 nm de largeur à mi-hauteur afin de permettre une durée temporelle d'impulsion théoriquement minimale de 53 fs. Un modèle numérique de la propagation des impulsions dans le système d'amplification laser fibré est développé afin de faciliter le pro-cessus d'optimisation du spectre en sortie de l'amplificateur. Les simulations révèlent qu'une compression temporelle excessive dans la fibre de sortie de l'amplificateur pourrait causer une dégradation de la qualité des impulsions. Pour contrer les impacts indésirables de la variation de phase spectrale irrégulière observée dans le présent système, le modèle numérique est utilisé pour proposer une nouvelle configuration de dispersion. Les prochaines étapes pour l'optimisation du système sont claires, et l'efficacité d'un processus de compression temporelle des impulsions en sortie de l'amplificateur s'en trouvera améliorée, tout comme la forme des impulsions elle-même.  ABSTRACT: An ultrafast all-PM Er:fiber laser system is presented in the context of a larger technological scheme for research in quantum optics. The objective is to obtain an ultralow-noise high peak power pulse train for eÿcient driving of nonlinear frequency mixing processes and generation of phase-stable pulses in the MIR. A self-starting passively mode-locked Er:fiber laser operating at the repetition rate of 75.4 MHz has been constructed and optimized for noise reduction. The intensity noise of the master oscillator has been extensively studied, and shows an integrated rms RIN of 0.023 % (0.048 %) on a frequency range of 10 Hz to 100 kHz (1 MHz). Through analysis of the RIN PSD, we find that our laser free-running intensity noise is dominated by pump technical noise at low frequency. A broadband EDFA running in the self-similar pulse amplification regime has been constructed for pulse energy amplification to 4.2 nJ and its dispersion map permits controlled SPM spectral broadening to 55 nm (FWHM). For further optimization of the EDFA output spectrum and pulse compressibily, a numerical model of the EDFA pulse propagation has been developed solving the NLSE, with gain implementation. From analysis of the EDFA output spectrum together with the simulations results, it is found that excessive temporal compression of the pulse in the EDFA output fiber may compromise the pulse shape quality. The numerical simulations are utilized to propose a strategic change to the amplification stage setup that could yield a clean output spectrum and eÿcient GVD compensation of the residual chirp for a compressed pulse duration approaching the theoretical transform-limited value of 53 fs (FWHM) and peak powers above 60 kW.


identifier: Morin, A. (2020). Fort couplage photon-magnon d'échantillons ferromagnétiques dans des cavités hyperfréquences : Application aux réseaux de nanofils ferromagnétiques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le phénomène de fort couplage photon-magnon dans les systèmes constitués d'un échantillon ferromagnétique placé dans une cavité hyperfréquences a connu un intérêt scientifique marqué au cours des dernières années. Ce domaine émergent, portant le nom d'électromagnonique de cavité, offre des promesses très intéressantes au niveau du traitement de l'information quantique, particulièrement pour l'établissement de réseaux quantiques en permettant la conversion cohérente bidirectionnelle d'un photon micro-ondes vers un photon optique. Ce domaine représente également un terrain d'étude vaste pour les systèmes quantiques hybrides, car il a été démontré qu'il était possible de former des systèmes cohérents triplement résonants, par exemple en couplant le système photon-magnon à un phonon, à un qubit supraconducteur ou à un photon optique. Ces systèmes ont donné naissance aux nouveaux domaines connus sous les noms de magnomécanique de cavité, de magnonique quantique et d'optomagnonique de cavité, respectivement. Ces systèmes quantiques hybrides ont un avenir prometteur pour le développement de nouvelles technologies basées sur le transfert cohérent de l'information quantique. Dans cette thèse, nous nous intéressons au phénomène de fort couplage photon-magnon dans les réseaux de nanofils ferromagnétiques. Ces matériaux effectifs, à eux seuls, présentent un fort intérêt technologique puisque leurs propriétés électriques et magnétiques peuvent être conçues avec une grande flexibilité par la modification de leurs paramètres géométriques et par la modification de l'anisotropie des fils les constituant. Ces réseaux de nanofils font donc l'objet de plusieurs investigations visant à les employer dans des dispositifs micro-ondes, tels que des isolateurs multibandes. Ils font également partie de la famille des cristaux magnoniques, dont l'ingénierie des relations de dispersion pourrait permettre le développement d'un nouveau type de traitement de l'information basé sur les ondes de spin. Le Laboratoire de magnétisme de Polytechnique Montréal, où la majorité des travaux contenus dans cette thèse a pris place, possède depuis plusieurs années une expertise dans la fabrication et la caractérisation des réseaux de nanofils ferromagnétiques et c'est cette expertise qui nous a lancé sur la voie d'étude empruntée dans cet ouvrage. En particulier, des expériences de résonance ferromagnétique effectuées dans la plage de fréquences allant de 50 GHz à 75 GHz peu de temps avant le début de nos travaux ont mis en évidence des phénomènes de couplage inattendus et inexpliqués. Nous avons formulé l'hypothèse que ces phénomènes de couplage proviennent d'un couplage du mode de résonance ferromagnétique avec un mode photonique.  ABSTRACT: The strong photon-magnon coupling regime has been the subject of numerous studies in the past few years. Systems involving a ferromagnetic sample placed inside a microwave cavity form the prototypical example of this new field called cavity electromagnonics. Attraction to this field of research resides mainly in its potential for quantum information processing. As an example, it has been shown that this strong photon-magnon coupling can lead to a coher-ent bidirectional conversion of microwave photons to optical photons. This could pave the way to the development of long-range quantum networks based on superconducting quantum circuits. The strong photon-magnon coupling also allows the coherent coupling to a third oscillator, which opens many possibilities in the general field of quantum hybrid systems. For example, the strongly coupled photon-magnon system can also interact coherently with a phonon, a superconducting qubit or an optical photon. These findings lead to new fields of research, namely cavity magnomechanics, quantum magnonics and cavity optomagnon- ics. These fields all have the potential to bring important developments for the coherent manipulation of quantum information. In this thesis, we are interested in the strong photon-magnon coupling regime described above in samples of ferromagnetic nanowire arrays. These nanowire arrays are interesting for the various technological advantages they could bring in the development of microwave devices and in the field of spintronics. These advantages mainly come from the fact that the effective properties of these arrays can be designed to serve different goals, from tuning the anisotropy of the whole array to engineering the dispersion relations in order to create magnonic band gaps. Ferromagnetic nanowire arrays could find useful applications, for example, in multi-modal isolators and in spintronic devices as magnonic crystals, allowing the processing of information carried out in the form of spin waves. The research presented in this thesis was mainly done at Polytechnique Montréal in the Laboratoire de magétisme, which has a strong expertise in the fabrication and characterization of these ferromagnetic nanowire arrays. This expertise initiated our studies of the strong coupling regime in these materials, as it was noticed, shortly before the works presented here, that the ferromagnetic resonance spectra of our nanowire arrays were showing coupling signatures with an unknown and unpredicted mode of resonance in the frequency range between 50 GHz to 75 GHz. This observation led to the hypothesis that this unknown mode was in fact a photonic one.


identifier: Paim Pressi, L. (2020). Impact of Controlled Oxygen Content and Microstructure on the Mechanical Behavior of 13Cr-4Ni Steel  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les turbines hydrauliques en acier inoxydable 13Cr-4Ni sont des composantes critiques des centrales hydro-électriques. Ces pièces sont exposées à des contraintes sévères en service (chargement cyclique dans un environnement d'écoulement d'eau douce). Ces conditions requièrent un design de matériau optimal ainsi qu'une méthode de mise en oeuvre précise. Plus spécifiquement, ces turbines subissent de fortes vibrations qui peuvent mener à de la fatigue et à un bris catastrophique de l'équipement. Le débit d'eau douce élevé mène à un environnement dynamique aqueux propice à la cavitation et à la corrosion par piqûres. Ces défauts macroscopiques de surface agissent comme des concentrateurs de contraintes et comme des sites d'initiation de fissure menant à un phénomène de fatigue accéléré. À l'heure actuelle, il y a un manque fondamental de connaissances quant à la contribution du procédé de mise en oeuvre de l'alliage et d'autres facteurs qui y sont liés (tels les niveaux d'impuretés et la méthode de fusion utilisée pour faire la synthèse – maintien en température). Cette étude vise à quantifier l'impact de 1) la présence d'impuretés critiques comme l'oxygène et 2) la microstructure de l'acier 13Cr-4Ni (acier CA6NM) sur sa résilience Charpy et sa dureté.  ABSTRACT: 13Cr-4Ni stainless steel hydraulic turbines are critical components of hydroelectric power stations. They are exposed to challenging operating conditions (i.e. cyclic loads in a freshwater environment) which requires optimal material design and manufacturing process. More specifically, these turbines experience strong vibrations and noise that may lead to fatigue and premature failure. The massive freshwater flow also induces a dynamic aqueous environment that promotes cavitation and pitting corrosion. These surface macroscopic defects act as stress concentrators and crack initiators at the origin of accelerated fatigue phenomena. However, there is a lack of understanding about the contribution of the production process of this alloy and other factors related to it (such as impurities and different production methods) affecting the performance of machinery produced with CA6NM.


identifier: Fournier-Lupien, J.-H. (2020). Étude de la dynamique du quench dans différentes architectures de rubans supraconducteurs à haute température critique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La découverte du premier supraconducteur à haute température critique (HTS) en 1986 marque une grande étape dans l'histoire des matériaux supraconducteurs. Cette découverte a permis de révéler la famille des cuprates, qui inclut les supraconducteurs avec la température critique la plus élevée, envisagés industriellement. Opérés à température plus élevée que les supraconducteurs à basse température critique (LTS), certains HTS peuvent être refroidis à l'azote liquide (relativement bon marché) contrairement aux LTS, qui nécessitent des liquides de refroidissement plus dispendieux comme l'hélium liquide. Le REBaCuO (où l'acronyme RE signifie : terre rare) fait partie de la famille des cuprates et est envisagé dans la fabrication d'électro-aimants pour des applications à fort champ magnétique notamment les accélérateurs de particules et le confinement magnétique. Pour des applications de ce genre, le REBaCuO est typiquement élaboré sous forme de couches minces sur un ruban métallique flexible afin d'être bobiné. Lors de l'utilisation de REBaCuO sous forme de ruban, il n'est pas rare d'observer des zones du ruban qui perdent leurs propriétés supraconductrices en raison d'une variation locale du courant critique. À fort courant, ces zones (appelée points chauds) se mettent à s'élargir à une certaine vitesse appelée la vitesse de propagation de la zone normale (NZPV). Si la NZPV est trop faible et que les points chauds ne sont pas détectés à temps, la température locale peut augmenter de façon à endommager le ruban. Un problème des rubans HTS comme le REBaCuO est que leur NZPV est très faible (0.1−10 cm/s à 77 K) comparativement aux LTS (100−1000 cm/s à 4 K), ce qui les rend plus vulnérables aux points chauds. Une solution à ce problème est l'architecture de ruban appelée current flow diverter (CFD), développée à Polytechnique Montréal, qui permet d'augmenter la NZPV de ces rubans. L'augmentation de la NZPV dans ces rubans permet une détection plus rapide des points chauds, ce qui les protège mieux. Cette architecture consiste en un ruban HTS commercial (Ag/HTS/substrat) où l'interface résistive entre le supraconducteur et l'argent (Ag) a été modifiée de telle sorte qu'elle est élevée au centre du ruban et faible sur les bords. Néanmoins, pour le moment, la technique de fabrication de l'architecture CFD n'a été montrée que sur de petits échantillons (12 cm) et est difficilement réalisable par les manufacturiers de ruban HTS.  ABSTRACT: The discovery of the first high-temperature superconductor (HTS) in 1986, was a big step in the history of superconductivity. This discovery led quickly to unveil the cuprate family, which includes materials expected to be used in all kinds of industrial applications. Used at higher temperature than low temperature superconductors (LTS), HTS can be cooled with liquid nitrogen, a cheaper coolant compared to liquid helium used for LTS. The REBaCuO (where RE stands for rare earth elements) is a member of the cuprate family and is expected to be used in high-field applications such as particle accelerators and magnetic confinement. For those applications, REBaCuO is grown as a thin film on a flexible metallic tape. This type of tape is called coated conductors. Due to the variation of the critical current along the HTS tape, it is common that some parts of the tape lose their superconducting properties. At high current, these normal zones (called hot spots) tend to grow at constant speed called the normal zone propagation velocity (NZPV). If the NZPV is low and the hot spots are not detected in time, a degradation of the tape can occur due to the high temperature generated by resistive heating at the hot spots locations. One problem of the HTS tapes like the REBaCuO is their low NZPV (0.1−10 cm/s at 77 K) compared to the LTS (100−1000 cm/s at 4 K). Because of that, the HTS tapes are more vulnerable to damages caused by hot spots. A solution to this problem is the current flow diverter (CFD) architecture, developed at Polytechnique Montréal, which accelerates the NZPV, allowing a faster detection of hot spots. This architecture, consists in a commercial HTS tape (Ag/HTS/substrate) where the interfacial resistance between the silver (Ag) and the HTS has been modified in order to have a high value in the center of the tape and a low value on the sides of the tape. However, so far, this architecture has been realized only on short samples (12 cm) and is hard to implement in an industrial environment.


identifier: Araya Marchena, M. E. (2020). Evaluation of the Effect of Polymer Structures on the Composting Degradability of Nitrogen-Rich Energetic Binders  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La recherche de nouveaux composés « énergétiques » pour des applications militaires, feux d'artifice, aérospatiales, coussins gonflables (automobiles), s'est concentrée ces dernières décennies sur des substances à forte teneur en azote, y compris les polymères à hétérocycles comme les 1,2,3-triazoles et les tétrazoles. Dans cette étude, quatre polymères (deux à base de tétrazoles: PVT et PVT-PAN ; et deux à base de polyazoture de glycidyle, GAP réticulé au triazole : GAP-BPM et GAP-DCHD) ont été synthétisés et leur biodégradabilité a été étudiée par compostage pendant 18 jours. Les échantillons ont été analysés avant et après le compostage par 13C-RMN d'état solide, FTIR, microscopie IR, SEM-EDS, DSC, DMA et détermination de la fraction soluble dans le dichlorométhane. Les polymères à base de tétrazoles, le polyvinyl tétrazole (PVT) et le polyvinyl tétrazole-co-acrylonitrile (PVT-PAN), ont montré une biodégradabilité élevée et, dans certains cas, une disparition totale de l'échantillon au jour 18. Le groupement nitrile du PVT -PAN a montré une hydrolyse en sels carboxyliques.  ABSTRACT: The research for new “energetic” compounds with various applications (military, fireworks, aerospace, airbags) has focused during the last decades on substances with high nitrogen content, including polymers with heterocyclic rings like 1,2,3- triazoles, and tetrazoles. In this study, four polymers (two based on tetrazoles and two based on triazole-crosslinked glycidyl azide polymer GAP) were synthesized and their biodegradability was studied by composting for 18 days. The samples were analyzed before and after the composting by SS 13C-NMR, FTIR, IR Microscopy, SEM-EDS, DSC, DMA, and soluble fraction determination in dichloromethane. The polymers based on tetrazoles, Poly vinyl tetrazole (PVT) and Poly vinyl tetrazole-co- acrylonitrile (PVT-PAN), showed high biodegradability, and in some cases even total disappearance of the sample by day 18. The nitrile moiety of the PVT-PAN showed hydrolysis into carboxylic salts.


identifier: Ouellet, J. (2020). Croissance de nanotubes de carbones en continu pour produire des harpes permettant de collecter les microgouttelettes d'eau du brouillard  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Chaque être humain doit consommer au minimum 2,5 L d'eau par jour pour survivre. Bien que la terre contienne suffisamment d'eau pour fournir toute la population, la mauvaise répartition de cette eau cause un stress hydrique dans certaines régions plus arides. Ces régions doivent se tourner vers des sources d'eau alternatives comme l'eau de mer et l'humidité de l'air afin de subvenir aux besoins de leur population. Pour les régions populeuses et à proximité de la mer, la désalinisation de l'eau de mer est la solution privilégiée. Cependant, dans les régions rurales, lorsqu'aucune source d'eau est disponible à proximité, des fermiers doivent payer autour de 90 % de leur salaire pour subvenir aux besoins en eau de leur famille et élevage. Certaines femmes et enfants doivent marcher jusqu'à 9 km chaque jour pour s'approvisionner en eau. Si ces régions sont sujettes à des brouillards réguliers, masses d'air humide contenant des gouttelettes d'eau en suspension, cette source est celle qui est envisagée. L'engorgement des filets usuels empêche la capture optimale de l'eau. Une géométrie de harpes, des fils parallèles verticaux, augmente l'efficacité du dispositif et celui-ci sera amélioré dans ce projet. De nombreuses recherches ont montré qu'une surface hydrophobe permet d'augmenter le taux de collecte d'eau dans ce genre de systèmes. Ce projet utilise des nanotubes de carbone (NTC) comme nanostructure hydrophobe. Les NTC sont formés de feuilles de graphènes enroulés, carbones sp2 ordonnées en nid d'abeille.  ABSTRACT: Each human being must consume a minimum of 2.5 L of water per day to survive. Although the planet contains enough water to supply the entire population, the poor distribution of this resource causes water scarcity in arid regions. These regions must find alternative water sources such as sea water and air humidity in order to meet the needs of their people. For populous regions close to the sea, desalination of seawater is the preferred solution. However, in rural areas, when no water source is available nearby, farmers must pay around 90 % of their wages to provide water for their families and livestock. Some women and children must walk up to 9 km every day to get water. When these areas are subject to regular mists, moist air masses containing suspended water droplets, this source is the most promising considered. The clogging of standard nets prevents optimal water capture. A harp geometry, vertical parallel wires, increases the efficiency of the standard device and will be further improved in this project. Research has shown that a hydrophobic surface increases the rate of water collection. This project uses carbon nanotubes (CNTs) as the hydrophobic nanostructure, formed from coiled sheets of graphene, sp2 carbon ordered in a honeycomb like structure.