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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Par

Johanne DUCASTEL

Soutenue le 21 novembre 2007

Étude des résonances morphologiquement dépendantes et application à la caractérisation de microparticules en milieu diphasique
Jury

Thèse dirigée par Dr Gérard GRÉHAN

Président :
Gérard GOUESBET, Professeur, INSA de Rouen

Rapporteurs :
Alex TAYLOR, Professeur, Imperial College, Londres
Fabrice LEMOINE, Professeur, ENSEM, Nancy

Examinateurs :
Frédéric GRISCH, Maître de Recherche, ONERA, Palaiseau
Jeroen van BEECK, Professeur associé, Institut von Karman, Bruxelles
Gérard GRÉHAN, Directeur de Recherche au CNRS, CORIA, Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Énergétique

Résumé
Les ressources limitées en énergies fossiles, la production excessive d’émissions polluantes et l’avenir encore incertain des énergies alternatives constituent l’un des enjeux majeurs de ce siècle. La compréhension de l’interaction des processus physiques mis en jeu dans les écoulements complexes est ainsi devenue incontournable. Depuis les dernières décennies, un effort important a été voué à leur description, notamment par le développement de différentes techniques de mesure, jugées peu ou non intrusives. Le travail réalisé au cours de cette thèse visait l’étude d’un phénomène particulier propre aux particules micrométriques de forme sphérique : les Résonances Morphologiquement Dépendantes (MDR) qui se manifestent sous la forme de pics d’intensité dans les spectres de diffusion. Leur étude complète a permis le développement d’un algorithme d’exploitation basé sur la théorie de Mie et s’appuyant sur la seule mesure des positions et des largeurs des pics. Son utilisation dans une campagne expérimentale reposant sur l’extraction de spectres de fluorescence a démontré une réelle capacité des MDR pour la mesure fine du diamètre. La détermination de l’indice de réfraction s’est révélée cependant moins satisfaisante avec une précision située entre la deuxième et la troisième décimales pour une résolution de 0.3 Å, ce qui n’a pas empêché l’évaluation de gradients radiaux d’indice au niveau de la quatrième décimale. L’ensemble de ces résultats laisse entrevoir de nombreuses applications comme la mesure de taux d’évaporation instantanés ou le couplage des MDR à d’autres techniques de mesure plus performantes pour la quantification de l’indice global de réfraction.

Mots clefs : MDR (Résonance Morphologiquement Dépendante), TLMG (Théorie de Lorenz-Mie Généralisée), métrologie optique, diffusion de la lumière, particule micrométrique, écoulement diphasique, mesure de taille, gradient de température, émission laser.

Abstract
The limited fossil fuel resources, the excessive production of pollutant emissions and the uncertain future of alternative sources of energy represent one of the major issues of this century. In this context, the comprehension of the interaction between the physical processes involved in complex flows has become of prime interest. Since the last decades, an important effort has been devoted to describe them, especially through the development of different measurement techniques, which are considered little or non-intrusive. The work realized during this thesis aimed at studying a particular phenomenon specific to spherical microparticles : the Morphology Dependent Resonances (MDR) which appear in the shape of intensity peaks in the scattering spectra. A complete investigation has enabled us to develop an algorithm based on Mie theory and relying on the unique measurement of the positions and the widths of the peaks. Its implementation in an experimental campaign measuring fluorescence spectra has revealed a real ability of the MDR for the precise diameter determination. Nonetheless, the case of the refractive index turned out to be less satisfying, with a maximal precision situated between the second and the third decimals for a resolution of 0.3 Å, which did not restrain us to reveal the presence of radial refractive index gradients up to the fourth decimal. All these results give rise to numerous applications such as instantaneous evaporation rate measurements or the coupling of the MDR with other measurement techniques more dedicated to the evaluation of the global refractive index.

Keywords : MDR (Morphology Dependent Resonance), GLMT (Generalized Lorenz-Mie Theory), optical metrology, light scattering, microparticle, two-phase flow, size measurement, temperature gradient, lasing.

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