Le sujet de cette thèse est l'interférométrie X à réseaux: une technique d’imagerie développée pour la première fois il y a quelques années et qui donne des images de phase et de diffusion (small angle X-ray scattering) de haute sensibilité. Cette technique a un potentiel considérable pour la visualisation du structures qui absorbent faiblement les rayons X, et pour la détection de détails plus petits que la résolution du détecteur, par exemple les fissures et les fibres. Des structures de ce type ne peuvent pas être visualisées avec l’imagerie conventionnelle à rayons X en absorption. Dans le cadre des travaux sur cette thèse, un interféromètre à réseau à rayons X pour radiographie et tomographie multimodale a été installé à la ligne de lumière ID19 de l‘European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble, France. L’excellente performance de cet instrument a été démontrée sur une grande variété d'échantillons de tissus biologiques mous, sur des échantillons paléontologiques, et sur des tissus osseux. Une autre partie des ce travail porte sur des améliorations de la technique d’imagerie elle-même. La première des ces améliorations consiste en un développement de méthodes avancées pour la tomographie avec réseaux. Ces méthodes peuvent réduire considérablement la dose livrée à l’échantillon durant les mesures nécessaires pour la reconstruction tomographique tout en préservant la qualité d’image. Un autre résultat majeur dans le cadre de ce travail est la conception, la mise en oeuvre et la démonstration d’un interféromètre à réseau à deux dimensions (2D). Cet appareil utilise des réseaux bidimentionnels au lieu de réseaux linéaires. L’interféromètre 2D produit des cartes d'angles de réfraction et des images de type champ sombre dans plusieurs directions du plan d’image et améliore considérablement la qualité des radiographies à réseau. Le champ d’application de l’interféromètre 2D n’est pas limité à l'imagerie par rayons X, puisque le nouveau dispositif peut aussi être particulièrement utile pour la caractérisation de composantes optiques de haute précision, tel que démontré par des expériences de métrologie à la longueur d'onde d'utilisationsur des lentilles réfractives pour rayons X. / The subject of this thesis is X-ray grating interferometry: an imaging technique first demonstrated a few years ago, which yields high-sensitivity phase and dark-field (small angle X-ray scattering) images of the investigated specimen. It bears tremendous potential for the visualization of low-absorbing features, and for the detection of details smaller than the resolution of the imaging system, such as cracks and fibers. Structures of this type cannot be visualized with conventional absorption X-ray imaging. As a part of this thesis work, an X-ray grating interferometer for multimodal radiography and tomography was installed at the beamline ID19 of the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, France. The excellent performance of this instrument has been demonstrated on a large variety of soft-tissue biological samples, on paleontological specimens, and on osseous tissues. Another part of the present work concerns improvements of the imaging technique itself. The first of these improvements consists in the development of advanced schemes for grating-based tomography. These schemes can substantially reduce the dose delivered to the sample during a grating-based tomography scan, while preserving the image quality. Another major achievement of this thesis is the design, implementation and demonstration of a two-dimensional (2D) grating interferometer. This device uses gratings structured in two dimensions rather than line gratings. The 2D interferometer gives refraction angle and dark-field signals in multiple directions of the image plane and significantly improves the quality of the grating-based radiographies. The application range of the 2D interferometer is not restricted to X-ray imaging; the new device may also be particularly useful for high-precision optics characterization, as is shown by in-situ at-wavelength investigations of X-ray refractive lenses.

Der weltraumgestützte Gravitationswellendetektor LISA (Laser Interferometer Space Antenna) besteht aus drei identischen Satelliten an Bord derer sich jeweils zwei frei schwebende Testmassen befinden. Die Lage der einzelnen Testmassen in Bezug auf die zugehörige optische Bank muss mit einer Genauigkeit besser 1 pm/sqrt(Hz) in der Abstands- und besser 10 nrad/sqrt(Hz) in der Winkelmessung erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wird ein kompaktes optisches Auslesesystem präsentiert, welches als Prototyp für diese Abstands- und Winkelmetrologie dient. Das dafür entwickelte polarisierende Heterodyn-Interferometer mit räumlich getrennten Frequenzen basiert auf einem hoch-symmetrischen Design, bei dem zur optimalen Gleichtakt-Unterdrückung Mess- und Referenzarm die gleiche Polarisation und Frequenz sowie annähernd gleiche optische Pfade haben. Für die Winkelmessung wird die Methode der differentiellen Wellenfrontmessung eingesetzt. In einem ersten Prototyp-Aufbau wird ein Rauschniveau von weniger als 100 pm/sqrt(Hz) in der Translations- und von weniger als 100 nrad/sqrt(Hz) in der Winkelmessung (beides für Frequenzen oberhalb 0.1 Hz) demonstriert. In einem zweiten Prototyp-Aufbau werden zusätzlich eine Intensitätsstabilisierung und ein Phasenlock der beiden Frequenzen implementiert. Die analoge Phasenmessung ist durch eine digitale, FPGA basierte, ersetzt. Mit diesem Aufbau wird ein Rauschen kleiner 5 pm/sqrt(Hz) in der Translationsmessung und kleiner 10 nrad/sqrt(Hz) in der Winkelmessung, beides für Frequenzen größer 0.01 Hz, erreicht. Eine Rausch-Analyse wurde durchgeführt und die Nichtlinearitäten des Interferometers bestimmt. Das Interferometer wurde im Hinblick auf die LISA Mission entwickelt, findet seine Anwendung aber auch bei der Charakterisierung der dimensionalen Stabilität von ultra-stabilen Materialien sowie in der optischen Profilometrie. Die Adaptierung des Interferometers dazu sowie erste Resultate zu beiden Anwendungen werden in dieser Arbeit präsentiert. / The space-based gravitational wave detector LISA (Laser Interferometer Space Antenna) consists of three identical satellites. Each satellite accommodates two free-flying proof masses whose distance and tilt with respect to its corresponding optical bench must be measured with at least 1 pm/sqrt(Hz) sensitivity in translation and at least 10 nrad/sqrt(Hz) sensitivity in tilt measurement. In this thesis, a compact optical readout system is presented, which serves as a prototype for the LISA proof mass attitude metrology. We developed a polarizing heterodyne interferometer with spatially separated frequencies. For optimum common mode rejection, it is based on a highly symmetric design, where measurement and reference beam have the same frequency and polarization, and similar optical pathlengths. The method of differential wavefront sensing (DWS) is utilized for the tilt measurement. In a first prototype setup noise levels below 100 pm/sqrt(Hz) in translation and below 100 nrad/sqrt(Hz) in tilt measurement (both for frequencies above 0.1 Hz) are achieved. A second prototype was developed with additional intensity stabilization and phaselock of the two heterodyne frequencies. The analog phase measurement is replaced by a digital one, based on a Field Programmable Gate Array (FPGA). With this setup, noise levels below 5 pm/sqrt(Hz) in translation measurement and below 10 nrad/sqrt(Hz) in tilt measurement, both for frequencies above 0.01Hz, are demonstrated. A noise analysis was carried out and the nonlinearities of the interferometer were measured. The interferometer was developed for the LISA mission, but it also finds its application in characterizing the dimensional stability of ultra-stable materials such as carbon-fiber reinforced plastic (CFRP) and in optical profilometry. The adaptation of the interferometer and first results in both applications are presented in this work.

Planetary systems are not only composed of planets, but also of km-sized rocky and icy bodies that are confined within belts similar to the Asteroid and Kuiper belt in the Solar System. Mutual collisions within these belts grind down solids producing dust and giving rise to debris discs. Primitive asteroids and comets likely played a major role in the emergence of life on Earth through their delivery of volatiles early in the lifetime of our planet. Cometary impacts, therefore, could be a necessary condition for the emergence of life in exoplanets and the study of debris discs essential to determine the ubiquity of such phenomenon. Moreover, exocometary discs provide a unique window into the origins and outer regions of planetary systems as comets do within our Solar System. Initially, in Chapter 1 I present an overview of the study of exoplanetary systems, focusing on debris discs. I discuss the basics of planet formation, its connection with debris discs, and how these evolve and interact with planets. I also describe how we observe these discs and probe their volatile component that is locked inside exocomets, and some evidence supporting the idea of exocomets venturing into the inner regions of planetary systems. Then, in Chapters 2, 3, 4 and 5 I present new ALMA observations of the systems HD 181327, η Corvi, the multiplanet system 61 Vir and HD 107146, which host debris discs. In the first two, I highlight the derivation of the density structure of their discs and the detection of volatiles being released by exocomets; while in the third and fourth I compare the observations with simulations, which I use to set constraints on the underlying planetesimal distribution and mass and orbital distance of unseen planets. Finally, in Chapter 6 I present result obtained from N-body simulations to study the process of inward transport of comets by a multiplanetary system and how these can deliver material to inner planets and explain the frequently observed exozodiacal dust. To conclude, in Chapter 7 I summarise the results and conclusions of this dissertation and discuss ongoing and future work.

L’évolution des techniques altimétriques de la bande Ku Nadir vers la bande Ka et l’interféro-métrie large fauchée proche Nadir dans le contexte de la mission SWOT (« Surface Water Ocean Topography », CNES/NASA) soulève de nouvelles questions scientifiques quant à la validité des modèles de rétrodiffusion des surfaces d’eau dans cette bande de fréquence et les erreurs sur les estimations de hauteurs d’eau dues aux mouvements de ces surfaces au cours du temps. Un modèle de rétrodiffusion (GO4) adapté à la configuration SWOT est présenté. Il conserve la précision du modèle de référence de l’Optique Physique tout en gardant la simplicité du modèle plus couramment employé de l’Optique Géométrique. En plus du paramètre classique de pente, il introduit un paramètre supplémentaire, dit de « courbure effective » (msc). Le modèle permet l’inversion des paramètres de pente et de courbure de la surface sous certaines conditions déve-loppées dans ce manuscrit. La validité des modèles conjoints de rétrodiffusion en bande Ka et de surface d’eau a été vérifiée sur des mesures radar effectuées en soufflerie dans un environnement contrôlé. Dans une dernière partie, les propriétés temporelles du signal rétrodiffusé ont été étudiées, en particulier le temps de corrélation et le décalage Doppler induit par le mouvement des vagues. Nous étudions l’influence de ces quantités sur les performances de la synthèse SAR non focalisée du système SWOT. / The evolution of the altimetric techniques from Ku-band to Ka-band and the wide swath al-timetry in the context of the SWOT mission (« Surface Water Ocean Topography », CNES/NASA) raises new scientific questions about the validity of the backscattering models from water sur-faces in such a frequency band and errors in estimating water heights from time-evolving water surfaces. A backscattering model (GO4) adapted to the SWOT configuration is introduced. It preserves the accuracy of the referencial Physical Optics model while maintaining the simplicity of the clas-sical Optical Geometrics model. In addition to the classical slope parameter, it introduces another parameter called as « effective curvature » (msc). This model allows the inverson of the surface slope and curvature parameters under certain conditions which are developped in this manus-cript. The joint validity of the backscattering models in Ka-band and from water surfaces is che-cked from controlled wind-wave tank radar measurements . In a last part, the temporal properties of the backscattered signal is studied, in particular the correlation time and the Doppler shift induced by waves motion. Influence of the latters on the non focused SAR synthesis is studied in the context of the SWOT system.

Si on excepte le pôle fayalite, les propriétés élastiques des olivines (Fe,Mg)2SiO4 riches en fer n'ont pratiquement pas été étudiées malgré leur existence avérée sur Terre et sur Mars. Le but de cette thèse est donc d'étudier l'évolution des propriétés élastiques en fonction de la teneur en fer des olivines. Des agrégats polycristallins à grains fins ont été densifiés à l'aide de la technique de frittage flash (SPS) pour quatre compositions différentes (Fa44, Fa63, Fa81 and Fa100) à partir de poudre nanométriques d'oxydes synthétisées en atmosphère contrôlée. Les échantillons ont été étudiés jusqu'à des pressions de 6,4 GPa sur la presse DIA de la ligne X17B2 du National Synchrotron Light Source au Brookhaven National Laboratory. Les volumes de maille des échantillons et du NaCl (pour la calibration en pression) ont été déterminés par diffraction des rayons X afin de calculer le module de compressibilité isotherme (KT0) à l'aide de l'équation d'état de Birch-Murnaghan. Malgré nos efforts pour obtenir une pression hydrostatique, nous observons une importante contrainte déviatorique dans toutes les expériences. Grâce au réseau de 10 détecteurs de la ligne expérimentale et à la méthode de Singh (1993), nous avons tenté de corriger les valeurs de distance interréticulaire des effets de la contrainte déviatorique. Les données corrigées ne sont toutefois pas suffisantes pour déterminer une valeur de la dérivée en pression K'. Elle nous permettent cependant de proposer, en lien avec les valeurs de la littérature, un évolution de KT0 en deux palier : les compositions proches des pôles purs auraient des valeurs constantes de ~128 GPa pour les olivines riches en Mg et de ~135 GPa pour les olivines riches en Fe, alors que la valeur augmenterait rapidement d'un palier à l'autre entre Fa50 and Fa70. Pour les échantillons Fa81 et Fa100, nous avons également effectué des mesures à l'aide d'interférométrie ultrason combinée à de l'imagerie en rayons X. Les modules de compressibilité adiabatique (KS0) et de cisaillement (G) ont été calculés à partir des vitesse de propagation des ondes P et S. Les valeurs obtenues une fois les valeurs converties en KT0 sont significativement plus basses que les valeurs de diffraction des rayons X. Par contre, les valeurs de G s'accordent bien avec l'évolution linéaire en fonction de la teneur en fer des olivines proposée par Liu et al. (2005). / Except for the fayalite end-member, elastic properties of iron-rich olivine (Fe,Mg)2SiO4 have never been fully studied despite their aknowledged natural existence on Earth and Mars. The purpose of this thesis is to investigate on the evolution of elastic properties with regard to the iron content of olivines. Fine-grained polycrystalline aggregates of four different compositions (Fa44, Fa63, Fa81 and Fa100) were sintered by Spark Plasma Sintering (SPS) from nano-powder olivines synthesised under controlled atmosphere. These samples were then studied at pressures up to 6,4 GPa using the DIA press at X17B2 beamline of the late National Synchrotron Light Source at Brookhaven National Laboratory. Unit cell of the samples and NaCl pressure calibrant were determined using X-ray diffraction and used to calculate the isothermal bulk modulus (KT0) by fitting to a Birch-Murnaghan equation of state. Despite our best efforts to apply a hydrostatic pressure on the sample, a high level of deviatoric stress was observed in every experiment. Correction for the deviatoric stress on the d-spacing data was applied using the 10 detectors setup of the beamline and the calculations from Singh (1993) but is not sufficient to calculate a precise pressure derivative K'. These corrected data combined with literature allow us to propose a two level evolution of KT0, with constant values of ~128 GPa for the Mg-rich olivines and ~135 GPa for the Fe-rich olivines, connected by a quick raise between Fa50 and Fa70. In addition, we conducted ultrasonic interferometric measurements combined with X-ray imaging on the Fa81 and Fa100 samples. The adiabatic bulk modulus (KS0) and shear modulus (G) were calculated from compression and shear wave velocities. When converted into KT0, KS0 values are significantly lower than the X-ray diffraction ones. On the opposite, G values are in good agreement with the linear evolution with iron content of olivines calculated by Liu et al. (2005).

<p> In the past two decades, great interest in weakly ionized plasmas sustained by high voltage nanosecond pulsed plasmas at high repetition rates has emerged. For such plasmas, the electron number density does not significantly decay between pulses, unlike the electron temperature. Such conditions are favorable to reconfigurable plasma antennas where the low electron temperature may enable the reduction of the Johnson–Nyquist thermal noise if an antenna is operated in the plasma afterglow. Moreover, it may be possible to sustain such conditions with RF pulses. Doing so could enable a plasma antenna that transmits the driving frequency when the pulse is applied and receives other frequencies with low thermal noise between pulses.</p> <p>To study nanosecond pulsed plasmas, experiments were performed in a parallel-plate electrode configuration in argon and nitrogen gas at a pressure of several Torr and repetition frequencies of 30-75 kHz. To measure the time-resolved electron number density in the afterglow of each pulse, a custom 58.1 GHz homodyne microwave interferometer was constructed. The voltage and current measurements were made using a back current shunt (BCS). Initial analysis of the measured electron density in both plasmas indicated that the electron thermalization was much faster than the electron decay. In the nitrogen plasma, dissociative recombination with cluster ions was the dominant electron loss mechanism. However, the dissociative recombination rates of the electrons in the argon plasma suggested the presence of molecular impurities, such as water vapor. Therefore, to better understand the recombination mechanisms in argon plasma with trace amounts (0.1% or less by volume) of water vapor under the experimental conditions, a 0-D kinetic model was developed and fit to the experimental data. The influence of trace amounts of water on the electron temperature and density decay was studied by solving electron energy and continuity equations. It was found that in pure argon, Ar⁺ ions dominate while the electrons are very slow to thermalize and recombine. Including trace amounts of water impurities drastically reduces the time for electrons to thermalize and increases their rate of recombination. </p> <p>In addition to large quasi-steady electron number densities and low electron temperature in the plasma afterglow, plasmas sustained by nanosecond pulses use a lower power budget than those sustained by RF or DC supplies. The efficiency of the power budget can be characterized by measuring the ionization cost per electron, defined as the ratio of the energy deposited in a pulse to the total number of electrons created. This was experimentally determined in air and argon plasmas at 2-10 Torr sustained by 1-7 kV nanosecond pulses at repetition frequencies of 0.1-30 kHz. The number of electrons were determined from the measured electron density through microwave interferometry and assuming a plasma volume equivalent to the volume between electrodes. The energy deposited was calculated from voltage and current measurements using both a BCS as well as high frequency resistive voltage divider and fast current transformer (FCT). It was found that the ionization cost in all conditions was within a factor of three of Stoletov’s point (the theoretical minimum ionization cost) and two orders of magnitude less than RF plasma.</p><p> </p><p>Having shown that it is possible to generate high electron density, low electron temperature plasmas with nanosecond pulses, it was necessary to now create a plasma antenna prototype. Initially, commercial fluorescent light bulbs were used and ignited using surface wave excitation at various RF frequencies and powers. The S₁₁ of the antenna response was measured by a VNA through a novel coupling circuit, while the deposited power was measured using a bi-directional coupler. Next, a custom plasma antenna was created in which the pressure and gas composition could be varied. In addition to the S₁₁ and deposited power, the antenna gain, and the electron number density were also measured for a pure argon plasma antenna at pressures of 0.3-1 Torr. Varying the applied power shifts the antenna resonance frequency while increasing the excitation frequency caused an increase in measured electron density for the same deposited power. Initial tests using direct electrode excitation of a twin-tube integrated compact fluorescent light bulb with nanosecond pulses have successfully been achieved. Future efforts include designing the proper circuitry to time-gate out the large pulse voltage to facilitate safe antenna measurements in the plasma afterglow.<br></p>

Nous nous intéressons, dans cette étude, à la caractérisation d'un défaut en développe une méthode ultrasonore basée sur la diffusion multiple des ondes. Pour cela, nous avons utilisé un béton base polymère endommagé par un essai de flexion en trois points. La technique d’'Interférométrie par Onde de Coda (CWI) prend en compte les ondes issues de la diffusion multiple et qui parcourent de ce fait une distance très grande devant celle séparant la source et du récepteur. Cette technique montre la sensibilité de la coda quand le matériau est soumis en résonance non linéaire où l’ influence des conditions de l’ environnement est considéré comme limité par l’ utilisation d’ un signal différent de référence. Les résultats expérimentaux ont montré que l’ efficacité de la méthode dépend du plan de vibrations considérées. Dans le but d'étudier l’ anisotropie d’ un défaut créé dans un béton base polymère nous avons utilisé les données de l’'Emission Acoustique (EA) récoltées au cours d’ essais acoustiques en Résonance Non Linéaire pour les deux plans. L’ existence d'une différence entre les signaux enregistrés au cours de mesures de l’ EA montrent que nous produisons différents micro-mécanismes dont la présence et / ou l'absence ont un impact important important sur l'interaction entre l'onde ultrasonore et le défaut. / Nonlinear Resonance (NR) and Coda Wave Interferometry (CWI) have proved to be efficient to detect and follow the evolution of micro-cracks within a strongly scattering media (concrete, rocks, etc.). Nevertheless, the localization of the cracks using the same techniques is not straight forward. In order to avoid the conditioning and its subsequent relaxation effect related to NR, CWI is simultaneously applied when concrete samples are vibrating in the linear regime. Based on a comparative study of the coda signals contents (non ballistic part) in the absence and under the weak linear vibration, the localization of the mechanically induced scatterers was possible depending on the scatterers' main direction with respect to the vibration plane. The latter point raises the issue of the generated types of vibration at the scatterers. Therefore, investigations were performed using the Acoustic Emission (AE) technique, which has served to verify that the acoustic activity during the linear vibrations does change depending on the considered experimental configuration. The latter, has also a direct effect on the frequency content of the recorded AE hits showing the potential link existing between the quantitative analysis of AE hits and the generated vibration mechanisms of the existing micro-cracks.

This mémoire presents my current research interests in micro and nano-mechanics in a comprehensive manuscript. Our experimental device is first presented: this atomic force microscope, designed and realized in the Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon, is based on a quadrature phase differential interferometer. It features a very high resolution (down to 10 fm/rtHz) in the measurement of deflexion, down to low frequencies and on a huge input range. The dual output of the interferometer implies a specific handling to interface common scanning probe microscope controllers. We developed analog circuitries to tackle static (contact mode) and dynamic (tapping mode) operations, and we demonstrate their performance by imaging a simple calibration sample. As a first application, we used the high sensitivity of our interferometer to study the mechanical behavior of micro-cantilevers from their fluctuations. The keystone of the analysis is the Fluctuation-Dissipation Theorem (FDT), relating the thermal noise spectrum to the dissipative part of the response. We apply this strategy to confront Sader's model for viscous dissipation with measurements on raw silicon cantilevers in air, demonstrating an excellent agreement. When a gold coating is added, the thermal noise is strongly modified, presenting a 1/f like trend at low frequencies: we show that this behavior is due to a viscoelastic damping, and we provide a quantitative phenomenological model. We also characterize the mechanical properties of cantilevers (stiffness and Elastic Moduli) from a mapping of the thermal noise on their surface. This analysis validates the description of the system in term of its normal modes of oscillations in an Euler-Bernoulli framework for flexion and in Saint-Venant approach for torsion, but points toward a refined model for the dispersion relation of torsional modes. Finally, we present peeling experiments on a single wall carbon nanotube attached to the cantilever tip. It is pushed against a flat substrate, and we measure the quasi-static force as well as the dynamic stiffness using an analysis of the thermal noise during this process. The most striking feature of these two observables is a plateau curve for a large range of compression, the values of which are substrate dependent. We use the Elastica to describe the shape of the nanotube, and a simple energy of adhesion per unit length Ea to describe the interaction with the substrate. We analytically derive a complete description of the expected behavior in the limit of long nanotubes. The analysis of the experimental data within this simple framework naturally leads to every quantity of interest in the problem: the force plateau is a direct measurement of the energy of adhesion Ea for each substrate, and we easily determine the mechanical properties of the nanotube itself.

La mesure de l’émittance transverse du faisceau est fondamentale pour tous les accélérateurs, et en particulier pour les collisionneurs, son évaluation precise étant essentielle pour maximiser la luminosité et ainsi la performance des faisceaux de collision.Le rayonnement synchrotron (SR) est un outil polyvalent pour le diagnostic non-destructif de faisceau, exploité au CERN pour mesurer la taille des faisceaux de protons des deux machines du complexe dont l’énergie est la plus élevée, le SPS et le LHC où l’intensité du faisceau ne permet plus les techniques invasives.Le travail de thèse documenté dans ce rapport s’est concentré sur la conception, le développement, la caractérisation et l’optimisation des moniteurs de taille de faisceau basés sur le SR. Cette étude est fondée sur un ensemble de calculs théoriques, de simulation numériques et d’expériences conduite au sein des laboratoires et accélérateurs du CERN. Un outil de simulation puissant a été développé, combinant des logiciels classiques de simulation de SR et de propagation optique, permettant ainsi la caractérisation complète d’un moniteur SR de la source jusqu’au détecteur.La source SR a pu être entièrement caractérisée par cette technique, puis les résultats validés par observation directe et par la calibration à basse énergie basée sur les mesures effectuées avec les wire-scanners (WS), qui sont la référence en terme de mesure de taille de faisceau, ou telles que la comparaison directe avec la taille des faisceaux obtenue par déconvolution de la luminosité instantanée du LHC.Avec l’augmentation de l’énergie dans le LHC (7TeV), le faisceau verra sa taille diminuer jusqu’à atteindre la limite de la technique d’imagerie du SR. Ainsi, plusieurs solutions ont été investiguées afin d’améliorer la performance du système: la sélection d’une des deux polarisations du SR, la réduction des effets liés à la profondeur de champ par l’utilisation de fentes optiques et l’utilisation d’une longueur d’onde réduite à 250 nm.En parallèle à l’effort de réduction de la diffraction optique, le miroir d’extraction du SR qui s’était avéré être la source principale des aberrations du système a été entièrement reconçu. En effet, la détérioration du miroir a été causée par son couplage EM avec les champs du faisceau, ce qui a conduit à une surchauffe du coating et à sa dégradation. Une nouvelle géométrie de miroir et de son support permettant une douce transition en termes de couplage d’impédance longitudinale dans le beam pipe a été définie et caractérisée par la technique dite du “streched wire”. Egalement, comme méthode alternative à l’imagerie directe, un nouveau moniteur basé sur la technique d’interférométrie à deux fentes du SR, non limité par la diffraction, a également été développé. Le principe de cette méthode est basé sur la relation directe entre la visibilité des franges d’interférence et la taille de faisceau.Comme l’emittance du faisceau est la donnée d’intérêt pour la performance du LHC, il est aussi important de caractériser avec précision l’optique du LHC à la source du SR. Dans ce but, la méthode “K-modulation” a été utilisée pour la première fois au LHC en IR4. Les β ont été mesurés à l’emplacement de tous les quadrupoles et ont été évalués via deux algorithmes de propagation différents au BSRT et au WS. / Measuring the beam transverse emittance is fundamental in every accelerator, in particular for colliders, where its precise determination is essential to maximize the luminosity and thus the performance of the colliding beams.
 Synchrotron Radiation (SR) is a versatile tool for non-destructive beam diagnostics, since its characteristics are closely related to those of the source beam. At CERN, being the only available diagnostics at high beam intensity and energy, SR monitors are exploited as the proton beam size monitor of the two higher energy machines, the Super Proton Synchrotron (SPS) and the Large Hadron Collider (LHC). The thesis work documented in this report focused on the design, development, characterization and optimization of these beam size monitors. Such studies were based on a comprehensive set of theoretical calculations, numerical simulations and experiments.A powerful simulation tool has been developed combining conventional softwares for SR simulation and optics design, thus allowing the description of an SR monitor from its source up to the detector. 
The simulations were confirmed by direct observations, and a detailed performance studies of the operational SR imaging monitor in the LHC, where different techniques for experimentally validating the system were applied, such as cross-calibrations with the wire scanners at low intensity (that are considered as a reference) and direct comparison with beam sizes de-convoluted from the LHC luminosity measurements.In 2015, the beam sizes to be measured with the further increase of the LHC beam energy to 7 TeV will decrease down to ∼190 μm. In these conditions, the SR imaging technique was found at its limits of applicability since the error on the beam size determination is proportional to the ratio of the system resolution and the measured beam size. Therefore, various solutions were probed to improve the system’s performance such as the choice of one light polarization, the reduction of depth of field effect and the reduction of the imaging wavelength down to 250 nm.In parallel to reducing the diffraction contribution to the resolution broadening, the extraction mirror, found as the main sources of aberrations in the system was redesigned. Its failure was caused by the EM coupling with the beam’s fields that led to overheating and deterioration of the coating. A new system’s geometry featuring a smoother transition in the beam pipe was qualified in terms of longitudinal coupling impedance via the stretched wire technique. A comparison with the older system was carried out and resulted in a reduction of the total power dissipated in the extraction system by at least a factor of four.A new, non-diffraction limited, SR-based monitor based on double slit interferometry was designed as well as an alternative method to the direct imaging. Its principle is based on the direct relation between the interferogram fringes visibility and the beam size.Since the beam emittance is the physical quantity of interest in the performance analysis of the LHC, determining the optical functions at the SR monitors is as relevant as measuring the beam size. The “K-modulation” method for the optical function determination was applied for the first time in the LHC IR4, where most of the profile monitors sit. The βs at the quadrupoles were measured and via two different propagation algorithms the βs at the BSRT and the WS were obtained reducing significantly the uncertainty at the monitors location.

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