In this work, we describe our recent efforts aimed at determining the mechanism of signal change for a diffraction-based sensor (DBS) system. The DBS detects analyte-binding events by monitoring the change in diffraction efficiency that takes place when analyte molecules adsorb to target molecules that have been patterned onto a surface. The exact parameters that affect the intensity of the diffraction intensity are currently not well understood.<p>In this work, the formalism used to describe the behaviour of volume-phase holography is used to understand the parameters that effect the diffraction intensity. It is hypothesized that the major factors that effect the diffraction intensity are the differences in optical path length between the wave trains that reflect off the diffraction grating and those that reffect off the substrate surface. Also key is the difference in refractive index between the two media. Two approaches were developed to investigate this hypothesis; the first was to develop a series of gratings of varying thickness using polyelectrolyte multilayers. The indices of refraction of these gratings were adjusted by the incorporation of charged gold nanoparticles. Since DBS systems operate by monitoring the binding of analyte molecules, a second series of experiments were developed to investigate the changes in diffraction intensity as micometer sized carboxylated beads were loaded onto an avidin grating. The first aspect that was investigated was the effect of adding more particles onto the grating surface on diffraction intensity. Second, the extent to which the particles reduced the periodicity of the diffraction grating, and the effect on the observed intensity of the diffraction signal were also investigated. Finally, this work shows the first use of a DBS system to extract the rate of and the maximum surface coverage of a specific binding reaction.

The overarching goal of this project was to improve breast cancer screening protocols first by collecting small angle x-ray scattering (SAXS) images from breast biopsy tissue, and second, by applying pattern recognition techniques as a semi-automatic screen. Wavelet based features were generated from the SAXS image data. The features were supplied to a classifier, which sorted the images into distinct groups, such as normal and tumor. <p>The main problem in the project was to find a set of features that provided sufficient separation for classification into groups of normal and tumor. In the original SAXS patterns, information useful for classification was obscured. The wavelet maps allowed new scale-based information to be uncovered from each SAXS pattern. The new information was subsequently used to define features that allowed for classification. Several calculations were tested to extract useful features from the wavelet decomposition maps. The wavelet map average intensity feature was selected as the most promising feature. The wavelet map intensity feature was improved by using pre-processing to remove the high central intensities from the SAXS patterns, and by using different wavelet bases for the wavelet decomposition. <p>The investigation undertaken for this project showed very promising results. A classification rate of 100% was achieved for distinguishing between normal samples and tumor samples. The system also showed promising results when tested on unrelated MRI data. In the future, the semi-automatic pattern recognition tool developed for this project could be automated. With a larger set of data for training and testing, the tool could be improved upon and used to assist radiologists in the detection and classification of breast lesions.

Ultrafast electron diffraction (UED) is a method of directly imaging system dynamics at the atomic scale with picosecond time resolution. In this thesis I present theoretical analyses of the experimental processes, and construct models in order to better understand UED experiments and to guide future refinements. In particular, I derive a model of electron bunch propagation and a model of electron bunch diffraction, where both models take into account all bunch parameters. To analyse the propagation of electron bunches, I present a mean-field analytic Gaussian (AG) model. I derive a system of ordinary differential equations that are solved quickly and easily to give the bunch dynamics. The AG model is compared to N -body numerical simulations of initially Gaussian bunches, and I demonstrate excellent agreement between the two result sets. I also present a comparison of the AG model with numerical simulations of quasi-Gaussian and non-Gaussian distributions, extending the applicability of the AG model to the propagation of ``real-world'' bunches. During propagation, electron bunches can be shaped by electron-optic devices, which are necessary to attain high brightness, sub-100 fs bunches. I investigate two types of electron-optic devices: one is a magnetic lens used for collimating or focusing bunches, the other is a bunch compressor. I derive bunch parameter transformations for each of the electron-optic devices, and present numerical calculations using these transformations along with the AG model showing the effects of the devices on the evolution of the bunch parameters. To analyse electron bunch diffraction in UED experiments, I present a general scattering formalism. Using single-scattering and far-field approximations, I derive an expression for the diffracted signal that depends on the electron bunch properties just before scattering. Using this expression I identify the transverse and longitudinal coherence lengths and discuss the importance of these length scales in diffraction pattern formation. I also discuss the effects of different bunch parameters on the measured diffracted flux, and present sample numerical calculations for scattering by nanosize particles based on this model. This simulation demonstrates the cumulative effects of the bunch parameters, and shows the complex interplay of the bunch and target properties on the diffracted signal.

The overarching goal of this project was to improve breast cancer screening protocols first by collecting small angle x-ray scattering (SAXS) images from breast biopsy tissue, and second, by applying pattern recognition techniques as a semi-automatic screen. Wavelet based features were generated from the SAXS image data. The features were supplied to a classifier, which sorted the images into distinct groups, such as normal and tumor. <p>The main problem in the project was to find a set of features that provided sufficient separation for classification into groups of normal and tumor. In the original SAXS patterns, information useful for classification was obscured. The wavelet maps allowed new scale-based information to be uncovered from each SAXS pattern. The new information was subsequently used to define features that allowed for classification. Several calculations were tested to extract useful features from the wavelet decomposition maps. The wavelet map average intensity feature was selected as the most promising feature. The wavelet map intensity feature was improved by using pre-processing to remove the high central intensities from the SAXS patterns, and by using different wavelet bases for the wavelet decomposition. <p>The investigation undertaken for this project showed very promising results. A classification rate of 100% was achieved for distinguishing between normal samples and tumor samples. The system also showed promising results when tested on unrelated MRI data. In the future, the semi-automatic pattern recognition tool developed for this project could be automated. With a larger set of data for training and testing, the tool could be improved upon and used to assist radiologists in the detection and classification of breast lesions.

In this work, we describe our recent efforts aimed at determining the mechanism of signal change for a diffraction-based sensor (DBS) system. The DBS detects analyte-binding events by monitoring the change in diffraction efficiency that takes place when analyte molecules adsorb to target molecules that have been patterned onto a surface. The exact parameters that affect the intensity of the diffraction intensity are currently not well understood.<p>In this work, the formalism used to describe the behaviour of volume-phase holography is used to understand the parameters that effect the diffraction intensity. It is hypothesized that the major factors that effect the diffraction intensity are the differences in optical path length between the wave trains that reflect off the diffraction grating and those that reffect off the substrate surface. Also key is the difference in refractive index between the two media. Two approaches were developed to investigate this hypothesis; the first was to develop a series of gratings of varying thickness using polyelectrolyte multilayers. The indices of refraction of these gratings were adjusted by the incorporation of charged gold nanoparticles. Since DBS systems operate by monitoring the binding of analyte molecules, a second series of experiments were developed to investigate the changes in diffraction intensity as micometer sized carboxylated beads were loaded onto an avidin grating. The first aspect that was investigated was the effect of adding more particles onto the grating surface on diffraction intensity. Second, the extent to which the particles reduced the periodicity of the diffraction grating, and the effect on the observed intensity of the diffraction signal were also investigated. Finally, this work shows the first use of a DBS system to extract the rate of and the maximum surface coverage of a specific binding reaction.

Detonation diffraction has been, and remains, an active area of research. However, detonation diffraction into a confined volume, and specifically the transformation of a planar detonation into a cylindrical detonation, is an area which has received little attention. Experimental work needs to be conducted on detonation diffraction into a confined volume to better understand how the interaction of the diffracted shock wave with a confining wall impacts the detonation diffraction process. Therefore, a facility was constructed to study this problem, and experiments were conducted to determine under what conditions a planar detonation could be successfully transformed into a cylindrical detonation. Four different fuel-oxidizer mixtures, C₂H₂+ 2.5 O₂, C₂H₂+ 4 O₂, C₂H₄+ 3 O₂ and H₂+ 0.5 O₂, were tested in this study using a combination of pressure transducers and soot foil records as diagnostics. Three different regimes of successful transmission; spontaneous re-ignition, continuous reflected re-initiation, and discontinuous reflected re-initiation, were identified. The detonation cell size and the distance from the tube exit to the confining wall, or gap size, were determined to be the most important parameters in the transmission process and a linear correlation for determining whether or not transmission will be successful for a given set of initial conditions was developed for gap sizes between 10 and 35 mm. For gap sizes smaller than 10 mm or gap size larger than 35 mm the linear correlation does not apply. Finally, the results of this study are compared to results on detonation diffraction into a confined volume available in the literature and explanations for any disagreements are given. This study showed that when compared to transmission of a detonation into an unconfined volume, the transmission of a detonation into a confined volume, for the majority of gap sizes, is possible for a wider range of conditions. However, for extremely small gap sizes, when compared to transmission into an unconfined volume, the range of conditions for which successful transmission is possible into a confined volume is actually narrower.

Lorsque le cisaillement entre en compétition avec la dynamique du fluide, on entre alors dans le domaine des déformations non-linéaires. La biréfringence induite par cisaillement dans la phase isotrope des polymères cristaux liquides en peigne (PCLP), est un phénomène non-linéaire associé à de longs temps de relaxation, et bien que spectaculaire, il ne peut être expliqué ni par un couplage du cisaillement avec le temps de<br />vie des fluctuations d'orientation prétransitionnelles, ni avec le temps terminal viscoélastique. Les descriptions conventionnelles ne sont donc pas assez puissantes pour décrire la biréfringence induite par cisaillement.<br />En contrôlant les propriétés interfaciales, nous montrons que la réponse rhéologique des PCLP, en particulier dans l'état isotrope, est fondamentalement différente du comportement d'écoulement habituellement décrit à basses fréquences : le fondu présente un caractère élastique prédominant (gel ou solide). Cette élasticité, observée loin de toutes transitions, n'est ni due aux propriétés mésomorphes, ni à la dynamique prétransitionnelle.<br />L'analyse des propriétés dynamiques de polymères ordinaires, amorphes, enchevêtrés et non enchevêtrés confirme que cette élasticité est une propriété générique. Nous montrons que l'augmentation de l'épaisseur et de la déformation induit une chute de l'élasticité. L'effet de l'épaisseur a été interprété par la participation de paramètres dissipatifs qui apportent de la mobilité au système. A faible épaisseur et à faible amplitude de déformation, la mesure est affranchie de ces paramètres non conservatifs et l'élasticité intrinsèque est alors mesurée. Nous montrons que l'élasticité intrinsèque augmente, puis sature à une valeur qui coïncide avec la hauteur du plateau caoutchoutique, au delà d'une masse moléculaire critique qui coïncide avec la définition du régime enchevêtré. Les forces intermoléculaires de cette élasticité sont du même ordre de grandeur que l'élasticité provenant des enchevêtrements. Nous montrons que la force de la réponse élastique dépend fortement de la nature de ces interactions intermoléculaires.

Ce travail de thèse porte sur une protéine de la catalyse enzymatique : l'inhibiteur de la trypsine pancréatique bovine ou BPTI qui est un système modèle très étudié par différentes techniques mais peu par diffusion de neutrons. Il s'agit d'une petite protéine (58 résidus d'acides aminés, poids moléculaire de 6500 Da) qui possède une très grande stabilité puisqu'elle ne peut être dénaturée à des température inférieures à 95°C ou à des pressions inférieures à 14 kbar. Cette stabilité est due à la présence de trois ponts disulfures et de trois ponts salins. Nous avons étudié la structure et la dynamique de l'état natif et des états dénaturés par la température et par la pression, du BPTI, par la technique de diffusion de neutrons. La diffusion de neutrons aux petits angles nous a permis d'observer une augmentation du rayon de giration de la protéine en solution à 95°C et une réduction de ce rayon à 6000 bar. La forme ellipsoïdale de la molécule à l'état natif n'est pas modifiée entre 22°C et 95°C mais présente une augmentation du volume du BPTI. De plus, la forme du BPTI est modifiée depuis une forme ellipsoïdale dans l'état natif, vers une forme globulaire à 3000 bar et micellaire lorsque la pression atteint 5000 et 6000 bar. Des expériences complémentaires par spectroscopie infrarouge et UV-visible, en température et en pression, ont permis de confirmer ces résultats. La diffusion quasiélastique de neutrons a permis d'observer un effet antagoniste de la température et de la pression sur les mouvements globaux et sur la dynamique interne du BPTI en solution. L'augmentation de la température a pour effet d'induire des mouvements globaux et internes plus rapides tandis que l'augmentation de la pression induit un ralentissement de ces mouvements.

Nous étudions l'interface formée par la mise en contact :<br />- d'un polymère fondu constitué de chaînes libres,<br />- d'un réseau de chaînes interconnectées par des points de réticulation, dessinant des «mailles » Le profil de cette interface réseau/fondu est étudié par réflectométrie de neutrons. On trouve que les chaînes perméent le réseau en volume seulement si leur masse est inférieure à celle de la maille. Au-delà, le gonflement à l'équilibre est très faible en volume. L'interface se limite à la taille de la maille. L'existence d'hétérogénéités de réticulation, établie dans des travaux antérieurs par diffusion de neutrons en volume, est peu nette ici. La cinétique d'établissement de l'interface est plus lente que dans le cas de l'interdiffusion entre deux fondus.<br />L'adhésion à cette interface réseau/fondu est étudiée par clivage : on sépare les deux couches fines de réseau et de fondu, préalablement pressées en sandwich entre deux plaques de polymère. Les problèmes de pollution de l'interface par le polymère des plaques ont été résolus. Dans la thématique de l'adhésion, les aspects originaux sont ici : une interface contrôlée, éventuellement large du fait des hétérogénéités (d'où une interface résistante) et la cohésion des chaînes en réseau (d'où une dissipation coopérative de l'énergie). Nous avons comparé clivages statique et dynamique. Le sondage de la surface après fracture par faisceau d'ions (détection du deutérium) permet une caractérisation précise de son cheminement, après résolution des problèmes de rugosité.<br />Ces mesures d'adhésion montrent un renforcement de l'interface quand la masse du fondu est<br />grande devant la maille du réseau, malgré une interface plus étroite. Nous interprétons ce paradoxe par une augmentation du nombre de boucles à l'interface. Mais nous n'avons pas de signature de l'existence d'hétérogénéités en surface.<br />Enfin, ce texte rapporte aussi des études préliminaires mais prometteuses de l'interface entre deux<br />réseaux.

L'importance des porcelaines dentaires (pour les méthodes de reconstruction) est liée à l'utilisation de la technique de la Porcelaine Fondue sur Métal (PFM) pour améliorer la résistance des dépôts de céramique.<br />Plusieurs couches de porcelaine sont déposées sur un métal élaboré par moulage. Le coefficient de dilatation thermique de ces porcelaines doit être le plus proche possible de celui de l'alliage. La température de fusion de l ‘alliage doit, de plus, être supérieure à celle de la céramique pour réussir l'opération.<br />Cette étude porte sur l'évaluation du comportement mécanique à l'interface d'une céramique déposée sur un substrat d'alliage de palladium. Une caractérisation microstructurale et l'évaluation des contraintes résiduelles ont été menées sur différentes couches de l'échantillon. Des évaluations de contraintes ont été réalisées par diffraction neutronique et par rayonnement synchrotron à haute énergie pour caractériser l'état mécanique de l'échantillon. En effet, les propriétés mécaniques des couches métalliques dépendent grandement des contraintes résiduelles induites par l'application du revêtement. Il est alors essentiel de caractériser ces contraintes. Nous présentons ici les aspects généraux de l'évaluation des contraintes résiduelles, un modèle micro-mécanique appliqué dans notre étude et un bref calcul théorique.<br />Des mesures par diffraction ont été réalisées dans différentes zones de l'échantillon. En particulier, nous avons employé la diffraction neutronique pour analyser la surface et l'épaisseur de la céramique vitreuse et le<br />coeur du substrat métallique, et le rayonnement synchrotron à haute énergie pour étudier l'interface céramique - métal. De cette façon, nous avons obtenu les meilleures informations sur les différentes régions de l'échantillon analysé.<br />Pour ces techniques expérimentales, les mesures conduites aux interfaces entre deux différents matériaux sont très difficiles à analyser à cause des déplacements parasites importants du pic de diffraction qui existent dans ces conditions. Ces déplacements ne sont pas liés à l'état de contraintes du volume balayé et peuvent être plus importants que les effets induits par les contraintes. Nous avons développé, pour résoudre ce problème, une modélisation complète des spectromètres 2-axes, basée sur une simulation de type Monte Carlo. Cette modélisation est effectuée à la fois pour les spectromètres de neutrons, et pour les installations utilisant le rayonnement de synchrotron. Elle permet d'optimiser les conditions expérimentales et de définir précisément la taille et la position du volume sonde.<br />La microstructure de la céramique dentaire et de l'alliage de palladium a été enfin étudiée en utilisant la diffraction des rayons X (DXR), la Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et la Spectrométrie à Dispersion d'Energie (EDS). La Microscopie Electronique à Transmission (TEM) à été aussi employée pour étudier les propriétés structurales des matériaux.