L'imagerie par rayons X est fortement développée dans notre société et notamment dans les domaines industriels, médicaux ou sécuritaires. L'utilisation de cette méthode d'imagerie des structures internes (pour la détection d'irrégularité, de contrôle non destructif de pièces ou de menaces) est quotidienne. En radiographie, le contraste produit sur les images est relié à la variation de l'atténuation du flux de rayons X, qui est fonction de la densité, de l'épaisseur du matériau étudié ainsi que de la longueur d'onde utilisée. Ainsi par exemple, des gaines métalliques, des os ou des armes amènent du contraste sur l'image. Mais en plus de leur atténuation, les rayons X vont subir un déphasage qui est d'autant plus important que le matériau est peu atténuant. Ce phénomène va amener du contraste, dit de phase, permettant d'imager des matériaux peu denses tels que des plastiques, composites, tissus mous ou explosifs. Ce travail de thèse présente le développement et l'adaptation, dans le domaine des rayons X, de méthodes d'imagerie par contraste de phase sur des équipements de laboratoire. Le but est de compléter, d'une manière plus accessible et quotidienne, les demandes d'évaluation non destructives. Ce manuscrit se découpe suivant deux axes portant sur la simulation d'une part et sur le développement instrumental d'autre part. Un outil de simulation a été développé portant sur une description hybride alliant optique géométrique et optique ondulatoire. Les limites du modèle et des validations sont présentées. La partie instrumentale se focalise sur l'étude de deux techniques d'imagerie différentielle de phase. La première technique est de l'interférométrie à décalage multilatéral, dont l'adaptation sur tube à rayons X est réalisée pour la première fois. Une exploitation intéressante de la redondance de la mesure que produit la technique sera notamment introduite. La deuxième approche est une technique d'interférométrie de suivi de tavelure, dont nous présenterons une nouvelle exploitation. / X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. In most of the radiographic techniques, the image contrast depends on the attenuation of the X-ray beam by the sample. This attenuation is function of the density and thickness of the object and of the wavelength. Therefore, objects like metal covers, bones or weapons bring contrast on the image. In addition to attenuation, phase shifting happens, in particular for low-attenuating material. This phenomenon brings contrast, called phase contrast, and allows a X-ray image of low-attenuating material as plastics, composites, soft tissues or explosives. This work presents development and adaptation, in the X-ray domain, of phase contrast imaging techniques on laboratory equipment. The goal is to bring phase contrast imaging in daily use. This manuscript is split in two parts, simulation and instrumentation. A simulation tool has been developed, mixing geometrical optic and wave optic. Limits of the model and validation are presented. For the instrumental part, two interferometric techniques have been considered. The first one is multi-lateral interferometry where adaptation on X-ray tube is presented for the first time. Interesting use of the measurement recurrence will be introduced. The second one is speckle tracking interferometry, recently adapted on X-ray tube, for which we present new advancements.

La diffusion Compton inverse est un moyen unique pour produire des rayons X quasi-monochromatiques via l'interaction entre des électrons relativistes et une impulsion laser. Ce processus présente l'avantage de produire des flux très élevés de rayons X avec des énergies supérieures à quelques dizaines de keV. De plus, la divergence du faisceau de sortie est beaucoup plus grande que dans les sources de lumière synchrotron classiques et le faisceau de rayons X est donc plus facile à manipuler. Nous présentons une source de rayons X en construction à l'Université Paris-Sud, ThomX. Cette source utilise un faisceau d'électrons de 50 MeV qui interagit à 16,7 MHz avec une impulsion laser de quelques picosecondes dont la puissance moyenne est à l'état de l'art avec 600 kW, permettant de produire des rayons X entre 30 et 50 keV avec un flux de 10^{13} ph/s. Cette gamme d'énergie ainsi que la dépendance énergie-angulaire provenant du processus physique conviennent aux applications sociétales comme la radiothérapie ou l'histoire de l'art.Une cavité optique de très haute finesse (> 24000) est utilisée comme prototype pour effectuer des travaux de R&D pour la source ThomX. 400 kW de puissance laser moyenne ont été stockés avec succès dans cette cavité, en utilisant un faisceau laser d'entrée de seulement 40 W. Ce résultat, unique au monde, permet d'envisager l'achèvement de la source de rayons X de faible coût et de haut flux ThomX. Cette thèse explique les études expérimentales et analytiques qui ont été réalisées pour atteindre cette performance, dont une généralisation du processus d'empilement des impulsions laser pour les faisceaux laser ayant une fréquence de répétition différente de celle de la cavité, et les méthodes développées pour l'amélioration expérimentale du couplage spatial. / Inverse Compton Scattering provides a unique way to produce quasi-monochromatic X-rays via the interaction of relativistic electrons with a laser pulse. This process has the advantage of producing very high fluxes of X-rays with energies above a few tens of keV. In addition the output beam divergence is much larger than in classical synchrotron light sources and the X-ray beam is thus easier to manipulate. We present an X-ray source under construction at Paris-Sud University, ThomX. This source uses a 50 MeV electron beam that collides at 16.7 MHz with a few picoseconds pulsed laser beam whose power is enhanced at the state of the art 600 kW average power to produce X-rays between 30 and 50 keV with a flux of 10^{13} ph/s. This energy range as well as the energy-angular dependence coming from the physical process are suitable for societal applications like radiotherapy or art history.A very high finesse optical cavity (> 24000) is used as a prototype to perform R&D for the ThomX source. 400 kW of average laser power have been successfully stored in this cavity, using an input laser beam of only 40 W. This result, unique in the world, is a pathway towards the completion of the low-cost, compact, high flux X-ray source ThomX. This thesis explains the experimental and analytical studies that have been performed to reach this performance, including a generalization of the process of laser pulse stacking to frequency-detuned laser beams, and the methods developped for experimental spatial coupling enhancement.

Effectuer des mesures de polarimétrie des rayons X provenant de sources astrophysiques permettrait d’obtenir de nombreuses informations sur les objets émetteurs : géométrie des disques d’accrétion de pulsars, champ magnétique au cœur des restes de supernovæ ou encore détermination du spin des trous noirs. Ces informations fondamentales sont pour l’instant inaccessibles à cause de l’absence de polarimètres X performants.L’utilisation de l’effet photoélectrique pour effectuer de la mesure spectro polarimétrique des rayons X mous dans la bande d’énergie de 1 keV à 15 keV apparaît comme une approche bien plus adaptée que l’utilisation de la diffraction de Bragg ou de la diffusion Thomson. La polarimétrie par le truchement de l’effet photoélectrique repose sur la mesure de la direction d’éjection du photoélectron, laquelle est modulée par la direction de polarisation de la lumière incidente. Il s’agit alors de construire un détecteur permettant un recul suffisant des photoélectrons afin de reconstruire leurs traces, et les détecteurs gazeux sont par nature des candidats idéaux. Cette thèse traite du développement et de la caractérisation d’un spectro-polarimètre `a rayons X-mous d’un genre entièrement nouveau : Caliste-MM. Il consiste en un détecteur gazeux, le piggyback Micromegas associé à une électronique de lecture miniature baptisée Caliste. L’une des principales innovations de ce détecteur tient au fait que son électronique de lecture est située en dehors du milieu gazeux. Les charges créées dans le piggyback diffusent dans une couche résistive répandue sur une céramique venant fermer le détecteur gazeux. Le module électronique Caliste enregistre le signal qui se répand dans la couche résistive à travers la céramique et une fine lame d’air par couplage capacitif. Le détecteur est ainsi composé de deux parties complètement indépendantes : conversion de la lumière et amplification par le piggyback, et lecture du signal par le Caliste. Les deux peuvent alors être développées indépendamment l’une de l’autre, l’électronique étant protégée des étincelles développées dans le détecteur grâce à la couche résistive du piggyback.Les caractéristiques détaillées du détecteur sont étudiées et présentées : forme des évènements, gain, résolution en énergie, ainsi que la variation de ces caractéristiques avec les différents paramètres du détecteur. Des modèles analytiques sont comparés aux résultats obtenus afin d’expliciter les phénomènes physiques responsables de la topologie des évènements enregistrés. Les différentes méthodes pour obtenir une trace reconstructible issue de photoélectrons sont aussi étudiées : utilisation d’une électronique de lecture plus finement pixélisée (utilisant ainsi pleinement le concept d’électronique découplée), test en basse pression ou utilisation de gaz légers comme l’Hélium ou le Néon.Enfin, grâce à des mesures effectuées sur le faisceau 100% polarisé de la ligne Métrologie du synchrotron SOLEIL, le facteur de modulation du détecteur est mesuré et présenté à différentes énergies de 6 à 12 keV. Une mesure du facteur de modulation de 92% à 8 keV prouve le grand potentiel de ce nouveau spectro-polarimètre et l’intérêt de son concept innovant. / Performing X-ray polarimetry of astrophysical sources could provide precious insight into the properties of the emitting objects, for example the geometry of pulsars accretion disks, magnetic field inside the core of supernovae remnants or measurement of black holes spin. These fundamental observations are today impossible due to the missing performance of X-ray polarimeters. The use of the photo-electric effect to perform spectro-polarimetry in the energy band of 1 keV to 15 keV appears to be like a much better approach than the use of Bragg diffraction or Thomson scattering. Performing polarimetry with the photo-electric effect relies on the measurement of the ejection direction of the photo-electron, which is modulated by the polarization direction of the incoming light. In order to reconstruct the photo-electron track, a detector allowing the photo electrons to recoil far enough is needed. Gaseous detectors are naturally perfect candidates. This PhD thesis focusses on the development and the characterization of a soft X-ray spectro- polarimeter of a completely new design : Caliste-MM. It consists of a gaseous detector called piggyback Micromegas associated with a miniature 3D readout electronics baptized Caliste. The main innovation of this detector comes from the fact that its readout electronics is located outside the gaseous medium. The charges created inside the piggyback diffuse in a resistive layer spread on a solid ceramic plate that closes the detector. The Caliste records the signal of the charges in the resistive layer through the ceramic and a small air layer by capacitive induction. The detector is composed of two completely independent parts : the piggyback where the X-ray conversion and amplification takes place, and the Caliste for the recording of the signal. These two parts can then be developed independently. Moreover the electronics are protected from sparks thanks to the resistive layer of the piggyback.The detailed characteristics of the detector are studied such as the shape of the events, the gain and the energy resolution. Analytical models are compared to the obtained results in order to explain the physical phenomena responsible for the topology of the recorded events. Different strategies to improve the reconstruction of the photo-electrons are explored including for example finer pitched readout electronics, low pressure and the use of lighter gases such as Neon or Helium. Finally, thanks to the measurements performed on the 100% linearly polarized beam of the Mtrologie line of the SOLEIL synchrotron facility, the modulation factor of the detector has been measured at different energies ranging from 6 keV to 12 keV. A measurement of the modulation factor of 92% at 8 keV proves the high potential of this new spectro-polarimeter and the interest into its innovative design.

Cette thèse présente les travaux de recherche effectués dans le but de concevoir et optimiser un instrument de métrologie du front d’onde et d’imagerie de phase sur faisceau synchrotron dans la gamme des rayonnements X durs. L’étude s’est focalisée sur la conception d’un interféromètre à réseau unique dont l’extraction des informations associées à l’analyse du front d’onde s’effectue par démodulation Fourier. Ces choix ont été déterminés par la volonté de concevoir un instrument robuste pouvant fonctionner sur une large gamme de conditions expérimentales sans avoir à modifier et accorder les paramètres et éléments constitutifs fondamentaux de l’instrument à chaque expérience. Ceci se résume par la contrainte forte de pouvoir réaliser une calibration absolue du système de façon à garantir la prise de mesure ultérieure par acquisition d’un interférogramme unique tout en s’affranchissant des erreurs de mesure déterministes de l’instrument.La variable expérimentale la plus importante correspond à l’énergie de travail; par conséquent la conception de l’interféromètre s’est organisée autour de la recherche de performances constantes sur une large bande spectrale pour des énergies entre 10 à 30keV, et a conduit à l’étude et à la mise en œuvre d’une configuration interférométrique innovante. Celle-ci exploite un régime diffractif particulier du réseau permettant d’accéder à la propriété d’achromaticité (non rigoureuse) par repliement des performances de mesure sur cette bande spectrale, et ce, pour un instrument reposant pourtant sur un composant diffractif fondamentalement chromatique.D’autre part, afin de garantir l’analyse quantitative de l’information portée par les modulations interférométriques générées par le réseau, nous avons également optimisé les traitements numériques et abouti au développement d’un algorithme de pré-traitement des interférogrammes permettant de s’affranchir des effets de bord lors de l’analyse d’images à support fini. Les artefacts rencontrés sont connus sous le nom de phénomènes de Gibbs et apparaissent dans le cas général de la transformée de Fourier d’un signal discontinu. Ainsi, annuler ces effets de bord permet également de gérer les problèmes d’éclairement partiel de la pupille de l’analyseur dont la gestion est essentielle en métrologie de front d’onde.Enfin nous présenterons les résultats expérimentaux de validation du concept interférométrique et de mesures applicatives en métrologie optique et en imagerie de phase sur des échantillons d’intérêt issus de domaines variés, de la biologie à la paléontologie. / This PhD dissertation presents the optimization and design of a wavefront analyzer dedicated to optical metrology and phase imaging on synchrotron sources in the hard X-ray regime. We chose to develop a single grating interferometer combined with a phase retrieval algorithm based on Fourier analysis. The main purpose here is to conceive a bulk instrument able to work in a great variety of experimental conditions without having to tune the parameters of the instrument in between experiments. This is thus related to the key constraint that is to calibrate the wavefront analyzer so that any further measurements could be corrected from any deterministic errors and allow single shot measurements of any sample.The key varying parameter in synchrotron experiments is the radiation energy (or wavelength). Therefore, the design of the interferometer aimed at minimizing the discrepancies of its performances over a broad spectral range from 10 to 30keV . This research lead in one hand to the description and implementation of an innovative interferometric configuration based on the achromatization of the instrument performances over this spectral range, despite the chromatic nature of the grating.On the other hand, in order to guaranty the quantitative analysis of interferograms, we also optimized the numerical approach to extract and treat the information they contain. This lead to the development of a conditioning procedure for a subsequent phase retrieval by Fourier demodulation. It fulfills the classical boundary conditions imposed by Fourier transform techniques and allows a nearly artifact-free extraction of the information.At last, experimental results demonstrate first, the viability of the grating achromatization concept, and then, the possibility to realize the metrology of grazing incidence optics at different wavelengths. The instrument was then used for phase imaging purposes of biological and archaeological samples.

La résistance antimicrobienne est devenue un problème majeur de santé publique. L’usage parfois abusif d’antibiotiques conduit à la sélection et à la propagation mondiale de mécanismes de résistance. Grâce à leur efficacité clinique et faible toxicité, les β-lactamines sont les antibiotiques les plus prescrits actuellement, et le mécanisme de résistance le plus répandu est l’expression de β-lactamases. Dans ces conditions, le développement de nouveaux traitements antimicrobiens, pour des cibles connues ou nouvelles, est essentiel. Plus particulièrement, le développement de nouveaux inhibiteurs des β-lactamases est très prometteur, permettant de continuer l’utilisation des antibiotiques existants. Les études biochimiques et structurales des nouvelles β-lactamases et leurs mutants synthétiques, par cristallographie aux rayons X ou par différentes techniques de modélisation moléculaire (modélisation par homologie, « docking », dynamique moléculaire, analyse du réseau des molécules d’eau) permettent une meilleure compréhension de ces enzymes. Dans ce contexte, nous avons caractérisé plusieurs β-lactamases du point de vue phénotypique, biochimique et structural.La β-lactamase CMY-136 contient une mutation inhabituelle, Y221H, par rapport à CMY-2, dans une position qui est très conservée parmi les enzymes de classe C. Les études cristallographiques et de modélisation moléculaire ont révélé des interactions stériques défavorables autour de la position mutée 221 qui peuvent affecter la conformation et la dynamique de la boucle Ω, et qui pourraient expliquer l’hydrolyse plus efficace des substrats volumineux et l’affinité plus faible de la plupart des substrats par rapport à la CMY-2.La structure cristallographique de la β-lactamase OXA-427, une nouvelle carbapénèmase de classe D, montre une Lys73 très peu carbamoylée, ce qui est très inhabituel pour cette classe d’enzyme, ainsi qu’un pont hydrophobe à proximité du site actif. Les simulations de dynamique moléculaire ont montré que la boucle β5-β6 est plus flexible et dans une conformation étendue. Ces résultats peuvent expliquer le profil d’hydrolyse unique observé expérimentalement pour cette enzyme.Les modifications dans la boucle β5-β6 de la β-lactamase OXA-48 (mutations d’alanines, délétions systematiques, remplacement par la boucle β5-β6 de la β-lactamase OXA-18) provoquent des modifications importantes dans le profil d’hydrolyse, avec une acquisition graduelle d’une activité cephalosporinase et une diminution de l’activité carbapénémase dans certains cas. Des études de cristallographie aux rayons X et modélisation moléculaire suggèrent que les différences de conformation et de flexibilité dans cette boucle et les régions adjacentes permettent une meilleure fixation des céphalosporines plus volumineuses, par rapport à l’OXA-48. L’analyse de la dynamique des molécules d’eau dans le site actif montre des changements qui sont potentiellement responsables de la diminution de l’activité par rapport aux carbapénèmes. En complément des études sur les mutants naturels, ces résultats confirment l’importance de la boucle β5-β6 pour la spécificité de substrat des enzymes de type OXA-48. La structure cristallographique du mutant 217ΔP de l’OXA-48 présente une conformation auto-inhibée inattendue, induite par la présence d’un ion nitrate, un inhibiteur auparavant inconnu des β-lactamases de classe D.La Beta-Lactamase DataBase(BLDB, http://bldb.eu) développée dans notre équipe est une ressource publique exhaustive contenant des données relatives aux β-lactamases, vérifiées et mises à jour régulièrement. Cette base de données contient tous les mutants naturels et synthétiques de β-lactamases, ainsi que toutes les structures 3D disponibles dans la PDB et la caractérisation phénotypique.Globalement, ces résultats représentent le prérequis pour une meilleure compréhension des relations structure-fonction des β-lactamases et pour le futur développement rationnel d’inhibiteurs pour ces enzymes. / Antimicrobial resistance (AMR) has become a major threat to public health nowadays. The use and abuse of antibiotics is increasingly leading to selection and spread of resistance mechanisms worldwide, greatly compromising our capacity to treat infectious diseases. AMR might ultimately result in a future without effective antimicrobial therapy. Due to their safety and clinical efficacy, β-lactams are the most utilized antimicrobial therapy, and the most common resistance mechanism is the expression of β-lactamases. Therefore, the development of new antimicrobial drugs, for novel or already known targets, is of utmost importance. In particular, the development of novel inhibitors towards β-lactamases is also quite promising, as it would allow us to continue using the effective and safe antimicrobial drugs already available today. The biochemical and structural study of novel β-lactamases or synthetic mutants, through X-ray crystallography and various molecular modelling techniques (homology modelling, docking, molecular dynamics, water network analysis), can provide valuable information. In this context, we have characterized phenotypically, biochemically and structurally several β-lactamases.The CMY-136 β-lactamase possesses an unusual mutation, Y221H, as compared to CMY-2, in a position highly conserved among class C ß-lactamases. Crystallographic and molecular modelling experiments reveal a steric impediment around the mutated position 221 that may affect the conformation and dynamics of the Ω-loop, and therefore account for an increased turnover rate for bulky substrates and a decreased affinity for most substrates as compared to CMY-2.The crystal structure of the OXA-427, a novel class D carbapenemase, shows the Lys73 only partially carbamoylated, a very unusual characteristic for this class of β-lactamases, and an unexpected hydrophobic bridge in the vicinity of the active site. Moreover, molecular dynamics simulations revealed an extended and highly flexible β5-β6 loop. Altogether, these features may explain the unique hydrolytic profile determined experimentally for this enzyme.Modifications in the β5-β6 loop of the OXA-48 β-lactamase (alanine scanning, systematic deletions, replacement with the β5-β6 loop from OXA-18) result in profound changes in the hydrolytic profile, with gradual acquisition of cephalosporinase activity and decrease of carbapenemase activity in some cases. X-ray crystallography and molecular modelling studies suggest that the altered conformation and flexibility of this loop and of adjacent regions in these mutants may allow for the better accommodation of the bulkier cephalosporins, compared to OXA-48. Additionally, water dynamics analysis highlighted changes in the water network around and inside the active site cavity that may be responsible for the lower activity towards carbapenems. Together with studies on other naturally occurring mutants, results corroborate the relevance of the β5-β6 loop on the substrate profile of OXA-type enzymes. Crystal structure of the OXA-48 217ΔP mutant reveals an unexpected self-inhibited conformation induced by the presence of a nitrate ion, a previously unknown inhibitor of class D β-lactamases.Finally, the Beta-Lactamase DataBase (BLDB, http://bldb.eu) developed in our laboratory is a comprehensive, manually curated public resource providing up-to-date structural and functional information on β-lactamases. It contains all reported naturally-occurring β-lactamases and synthetic mutants, together with all available 3D structures from the PDB and the phenotypical characterization.Overall, these results constitute an essential foundation for a better understanding of the structure-function relationship of β-lactamases, which may prove crucial for the future rational development of β-lactamase inhibitors.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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