Subnanosecond pulsed power technology for biomedical and military applications

Technologie des puissances pulsées subnanosecondes pour des applications biomédicales et militaires Cette thèse porte sur le développement et l'utilisation de la technologie des puissances pulsées subnanosecondes pour des applications aux domaines biomédical et militaire. L'électroporation (formation électrique de pores) est un phénomène qui augmente la perméabilité de la membrane cellulaire lorsqu'elle est exposée à des champs électriques pulsés (CEP) de haute intensité et de courte durée. Les premiers résultats rapportés dans la littérature sur les effets des CEP sur les cellules biologiques ainsi que pour le traitement du cancer en médecine ont été suivis avec une attention significative de la part de la communauté scientifique, principalement au cours des dernières décennies. Il existe deux types de techniques CEP appliquées in vivo : invasives et non invasives. La première technique utilise des paires métalliques d'électrodes pénétrantes pour appliquer le champ électrique tandis que dans la seconde, le champ électrique est généré à travers des électrodes mises en contact avec la peau, sans pénétration dans le corps. Ici, le terme sans contact désignera l’approche traitant de la génération de champs électriques à distance de la structure métallique d'une source CEP (antenne). L'un des objectifs de cette thèse est de fournir une preuve de concept d'une technologie sans contact permettant la perméabilisation des cellules sans être en contact avec les électrodes du système. La première étape vers l'accomplissement de cet objectif était donc de comprendre le rôle des CEP subnanosecondes sur les cellules. Elle est dédiée à la détermination des paramètres CEP tels que l'amplitude, la durée, le temps de montée, le nombre d'impulsions et la fréquence de répétition des impulsions capables d'induire la perméabilisation des cellules biologiques suivant une approche "avec contact". Le résultat final obtenu par une analyse électromagnétique 3D détaillée montre que des champs électriques d’au moins 12 kV/cm pour 20 000 impulsions électriques appliquées à une fréquence de répétition de 50 Hz, induisent efficacement l'électroperméabilisation de bactéries E. Coli. Après avoir fourni les paramètres CEP requis pour induire l'électroperméabilisation cellulaire, une preuve de concept d'un système d'exposition CEP sans contact a été construite et validée par les résultats biologiques obtenus.Une ligne de formation d'impulsions monopolaires a été développée pour être utilisée avec un dispositif haute puissance sans contact pour une future application dans le domaine biomédical. En relation avec cela, une preuve de concept d'une technique CEP sans contact utilisant des champs électriques générés par des champs magnétiques variant rapidement dans le temps est proposée. Pour réaliser cette tâche, une technique nouvelle et innovante est présentée, et une estimation approximative des caractéristiques requises pour le développement de générateurs de puissances pulsées est fournie.Concernant la seconde application de cette thèse pour le domaine militaire, les détails de la conception et du développement d'un système de génération d'impulsions bipolaires subnanosecondes associé à une antenne ultra large bande développée à l’Institut de Recherche XLIM sont élaborés. Ce dernier sera utilisé pour détruire ou annihiler des engins explosifs improvisés, armes particulièrement utilisées lors des conflits et attentats terroristes en raison de leur simplicité de construction, de leur disponibilité et de leur capacité destructrice.Pour permettre une conception et une optimisation précises des systèmes de formation d'impulsions, une approche par co-simulation électromagnétique 3D est développée à l'aide des modules Microwave et Design Studio de CST.Cette thèse couvre également de nombreux aspects concernant la modélisation 3D des techniques de mesures utilisées dans le domaine des puissances pulsées qui peuvent servir de méthode d'étalonnage ou de technique de contrôle pour les futurs systèmes de puissances pulsées.