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Recherche et développement sur un détecteur d’ions légers dans l’air
Research and development on a light ions detector in air

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

ROUX Raphael
+33 1 69 08 51 27

Résumé/Summary

Le but du stage est de fabriquer un détecteur d’ions légers de quelques MeV fonctionnant dans l’air. Les capteurs que nous utilisons habituellement seraient endommagés par le flux direct. A partir de simulations et de prototypes il faudra mettre au point une méthode pour mesurer les ions diffusés dans l’air.
The purpose of this work is to fabricate a detector for light ions of few MeV in air. The commercial detectors we use would be damaged by the direct beam of ions. Starting from calculations, simulations and then prototyping one will has to find a set-up to measure the ions scattered in air and deduce the incoming flux.

Sujet détaillé/Full description

Dans le cadre d’une expérience utilisant un faisceau d’ions Hélium de quelques MeV extrait dans l’air, il est nécessaire de mesurer le flux d’ions arrivant sur un échantillon. Le problème est que ce flux, compris entre 1000 et 10000 ions/s, tombe dans une zone « grise » des détecteurs commerciaux. Pour y remédier, il est proposé de faire une détection indirecte du faisceau en mesurant une fraction diffusée dans l'air hors axe de celui-ci avec un détecteur classique. Il faudra ainsi développer une solution technique grâce à des simulations numériques, construire un prototype et le valider par des mesures avec le faisceau d’ions.
Le Laboratoire d'Etude des Eléments Légers (LEEL) poursuit des thèmes de recherche qui se concentrent autour du comportement des éléments légers dans les matériaux pour l'énergie. Il contribue également aux études liés aux effets d’irradiation et notamment la radiolyse de solutions. C’est sur cette thématique que ce projet s’inscrit. L’étudiant sera inséré dans le groupe technique en charge de l’accélérateur. Ce groupe, à la tête duquel se trouve le chercheur responsable de l’étudiant, est composé d’un ingénieur de recherche, d’un assistant ingénieur compétent en électrotechnique et en automates, d’un assistant ingénieur mécanicien et électrique et d’un opérateur. Ils assurent le bon fonctionnement de l’accélérateur (destiné aux analyses et aux irradiations), mais aussi les maintenances de ce dernier.
In the framework of an experiment using a Helium ions beam of few MeV extracted in air, it is required to measure the ions flux incoming on a sample. The issue is related to the flux, namely between 1000 and 10000 ions/s which falls in a gap of the commercial detectors. To overcome this problem, we propose to operate an indirect detection of the beam thanks to a measurement of the small number of ions scattered off-axis in air with a classical detector. The candidate should have to develop a technical solution thanks to calculations and simulations of the interaction of the ions with air. Then, a prototype would have to be fabricated and checked by measurements with the ions beam.
This work will be carried out in the framework of the Laboratory for the study of light elements. This laboratory is engaged in topics focused on the behavior of light elements in the materials for energy. It contributes also to the studies related to the damages induced by the radiation and namely, the radiolysis in solutions. It is on this topic that the project is linked. The student will be inserted in the technical group in charge of the accelerator. This group, with the person responsible for the student at its head, is composed of one research engineer, one engineer-assistant specialized in electro techniques and automatisms, one engineer-assistant in mechanics and electricity and the operator of the accelerator. They take care about the operation of the accelerator (used for the analyses of matter and irradiation) as well as its maintenance.

Mots clés/Keywords

Instrumentation, interaction particules-matière
Instrumentation, interaction particle-matter

Compétences/Skills

simulations numériques, mesures d'un faisceau d'ion
numerical simulations, ions beam measurements

Logiciels

bureautique, traitement de données
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Suivi in situ des batteries sodium-oxygène par spectroscopie RMN à l'état solide
Investigating of sodium-oxygen batteries using in situ solid-state NMR spectroscopy

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GAUTHIER Magali/ WONG Alan
+33 1 69 08 45 30

Résumé/Summary

L’objectif du projet est de comprendre à l'aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) in situ les mécanismes de réaction dans les batteries sodium-oxygène.
The aim of the project is to understand using in situ solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) the reactions mechanisms in sodium-oxygen batteries.

Sujet détaillé/Full description

Les batteries métal-O2 ont attiré beaucoup d'attention ces dernières années en tant que possible solution de remplacement aux batteries lithium-ion largement utilisées aujourd’hui. Cela concerne en particulier les batteries sodium-oxygène (Na-O2) en raison de leur haute densité d'énergie théoriqu, de leur faible polarisation et, plus important encore, du faible coût et de l’aspect plus respectueux de l'environnement du sodium. Cependant, le développement des batteries au Na-O2 présente de nombreux défis tels que la stabilisation des produits de décharge, la faible cyclabilité et la nécessité de concevoir des cathodes performantes. Sur un aspect plus fondamental, il est nécessaire de comprendre les mécanismes électrochimiques régissant le fonctionnement des batteries Na-O2. L’identification précise des chemins réactionnels lors de la décharge et des produits formés (NaO2 ou Na2O2), ainsi que l’étude de la réactivité avec l’électrolyte, sont cruciales. Les techniques in situ / operando peuvent capturer sans équivoque les changements dynamiques dans l'environnement de la cellule pendant le cyclage et fournir des informations essentielles sur des phases intermédiaires qui peuvent être indétectables lors d'analyses ex situ. L’objectif de l’étudiant sera d’identifier les réactions électrochimiques et chimiques dans les batteries Na-O2 en temps réel lors du cyclage en utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) in situ. Le travail consistera à 1) optimiser les conditions de cyclage de la cellule in situ RMN récemment conçue au NIMBE pour étudier les batteries métal-O2 et 2) comprendre les mécanismes de réduction et d'évolution de l'oxygène (ORR/OER) ainsi que les mécanismes de dégradation de l’électrolyte dans une cellule Na-O2 comprenant une électrode positive à base de carbone et un électrolyte à base d’un solvant de type glyme.
Rechargeable metal-O2 batteries have attracted much attention in recent years as a possible alternative to the widely used lithium-ion batteries. Particularly for sodium-oxygen batteries (Na-O2), this is due to their potential high energy density, low polarization, and more importantly low-cost and eco-friendly aspect of sodium. However, great challenges remain in the development of Na-O2 batteries, including the stabilization of the discharge products, poor cyclability and the need for new cathode design. On a more fundamental aspect, one much completely grasps the understanding of the underlying electrochemical mechanisms taking placed inside the Na-O2 battery.1 Clear identifications of the discharge electrochemical pathways and their products (NaO2 or Na2O2), as well as the reactivity of the electrolyte, are crucial. In situ/operando techniques can capture the dynamic changes unequivocally in the cell working environment during cycling and provide unprecedented information on intermediate phases that may be undetectable through ex situ analyses. The master student’s objective will be to investigate the electrochemical and chemical reactions in Na-O2 batteries under real-time potential cycling using recently emerged in situ solid-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy. The work will consist of 1) optimizing the cycling conditions of the newly designed in situ solid-state NMR cell at NIMBE for studying metal-O2 batteries and 2) understanding the oxygen reduction and evolution reactions (ORR/OER) mechanisms as well as electrolyte’s degradation in a Na-O2 cell comprising a carbon-based positive electrode and an electrolyte based on glyme solvents.

Compétences/Skills

Electrochimie, RMN
Electrochemistry, NMR

 

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