Modélisations et inversions des diagrammes de diffusion particulaire enregistrés par un photodétecteur organique conformable

Size distribution of particle systems analyzed with organic photodetectors

• Auteur / Autrice : Matthias Sentis
• Direction : Fabrice Onofri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Lemoine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Hespel, Séverine Barbosa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Lemoine, Claude Rozé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Diffusion (physique)

Capteurs optiques

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Détecteurs photo-Organiques

Granulométrie optique

Diffusion de la lumière par des particules

Méthode de Monte-Carlo

Diffusion simple et multiple

Inversion

Singularités

Tache de rétrodiffusion

Organic photo-Sensors

Optical particle sizing

Monte-Carlo model

Light scattering by particles

Single and multiple scattering

Inversion

Optical singularities

Backscattering spotlight

Résumé

Dans le cadre d'un consortium entre centres de recherche publics et industriels, ce travail de thèse de doctorat s'est attaché à démontrer l'intérêt des détecteurs photo-organiques (OPS) pour la caractérisation des suspensions et écoulements diphasiques. Les principes de plusieurs granulomètres permettant la caractérisation de ces milieux lorsqu'ils sont confinés dans une cuve cylindrique transparente (configuration standard du Process Analytical Technology) ont été proposés. Pour évaluer et optimiser les performances de ces systèmes, un code de simulation de type Monte-Carlo a été spécifiquement développé. Ce dernier permet de prendre en compte les nombreux paramètres du problème comme le profil du faisceau laser, les différentes surfaces spéculaires composant le montage, la composition du milieu particulaire (concentration, diamètre moyen, écart-type, matériau,...), la forme et la position des OPS. Les propriétés de diffusion des particules sont traitées à l'aide des théories de Lorenz-Mie et de Debye, de même qu'un modèle hydride prenant en compte les contributions géométriques et physiques. Pour les milieux dilués (diffusion simple), l'analyse repose sur l'inversion des diagrammes de diffusion obtenus sur une large plage angulaire ou au voisinage de singularités optiques remarquables (arc-en-ciel, diffusion critique, diffraction). Pour les milieux denses (diffusion multiple), les pistes étudiées reposent sur l'analyse des caractéristiques de la tache de rétrodiffusion.

As part of a consortium between academic and industry, this PhD work investigates the interest and capabilities of organic photo-sensors (OPS) for the optical characterization of suspensions and two-phase flows. The principle of new optical particle sizing instruments is proposed to characterize particle systems confined in a cylinder glass (standard configuration for Process Analytical Technologies). To evaluate and optimize the performance of these systems, a Monte-Carlo model has been specifically developed. This model accounts for the numerous parameters of the system: laser beam profile, mirrors, lenses, sample cell, particle medium properties (concentration, mean & standard deviation, refractive indices), OPS shape and positions, etc. Light scattering by particles is treated either by using Lorenz-Mie theory, Debye, or a hybrid model (that takes into account the geometrical and physical contributions). For diluted media (single scattering), particle size analysis is based on the inversion of scattering diagrams obtained over a wide angular range or near optical singularities (rainbow, critical scattering, diffraction). For dense media (multiple scattering), the solutions foreseen are based on the analysis of the backscattering spotlight characteristics.