Les propriétés exceptionnelles des sources de rayonnement synchrotron ont été et sont de plus en plus exploités dans des disciplines très différentes, allant de l'archéologie à la chimie, de la science des matièraux a la biologie, de la médecine à la physique. Parmi ces propriétés, il est important de mentionner la haute brillance, le spectre continu, le haut degré de polarisation, la structure temporelle, la petite taille de la source et la petite divergence du faisceau. Ces dernières propriètèes entraînant une forte cohérence transversale du rayonnement produit. La cohérence du faisceau a permis le développement des nouvelles techniques comme par exemple, l'imagerie à contraste de phase, la spectroscopie à corrélation des photons et l'imagerie par diffraction des photons cohérents. Par conséquent, il est de première importance que les éléments optiques puissent préserver cette propriété, perturbant le moins possible la front d'onde. Ce travail de thèse se constitue de trois parties. Dans la premiere partie, je vais présenter le travail effectué au sein du groupe optique de l'ESRF dans la caractérisation des cristaux de diamant synthétique de haute qualité prévus pour des applications aux optiques pour les rayons X. Cet caractérisation a été effectué en utilisant différentes techniques rayons X complémentaires, telles que la diffractométrie à haute résolution, la topographie, la diffraction en incidence rasante, la réflectométrie et des mesures de préservation de cohérence en utilisant l'effet Talbot. Dans la deuxième partie, je expose les résultats obtenu dans l'étude du comportement à haute température des domaines ferroélectriques dans un cristal périodiquement polarisé. Dans cet type d'étude, basé sur la diffraction de Bragg-Fresnel, est nécessaire un haute cohérence du faisceau. Dans la troisième partie, je présents des résultats obtenu dans la caractérisation des diamants prévus pour des applications autres que les optique rayons X.

Le concept de durabilité des sols et de leurs propriétés se développe avec la pression anthropique croissante. Les minéraux argileux (type, quantité, propriétés) sont des composants essentiels de la durabilité des fonctions des sols. La compréhension des processus de leur formation, leurs transformations et leur réactivité est une des clés de la gestion des sols. Mes travaux de recherche s'insèrent dans ce cadre général avec pour finalité une meilleure connaissance des minéraux argileux des sols et de leur rôle sur les propriétés physico-chimiques des sols. Les travaux présentés concernent le développement progressif d'une méthode d'identification précise des minéraux argileux et de quantification de la proportion relative de chacun des phyllosilicates. La méthodologie employée dérive de celle développée pour l'étude des minéraux argileux dans les séries diagénétiques. Celle-ci a été adaptée avec des fractionnements infra-micrométriques compte tenu des spécificités des minéraux argileux des sols (petite taille, chimie hétérogène, faible cristallinité). La modélisation directe des diffractogrammes de rayons X permet une description complète des diffractogrammes et l'identification des phases les moins bien cristallisées qui sont abondantes dans les sols et jusqu'à présent difficiles à décrire. Le projet de recherche se focalise sur 1) l'application de la méthodologie sur des chronoséquences de sols pour préciser les processus pédogénétiques et démêler les modifications 'naturelles' de celles liés à l'action de l'homme (pratiques culturales, utilisation du sol) ; 2) la connaissance des minéraux intergrades alumineux, minéraux clés de la compréhension des processus d'altération dans les sols acides et 3) le couplage de la pétrographie quantitative et de la minéralogie quantitative pour étudier des processus d'altération en relation avec le développement de la porosité associée qui sont tous les deux des facteurs importants de la 'fertilité' des sols.

Une nouvelle méthodologie d'analyse monocristalline par diffraction des rayons X (DRX) a été développée pour combler une lacune de l'analyse des contraintes d'ordre II (à l'échelle du grain) dans un matériau cristallin à structure non cubique. Cette méthode est basée sur la méthode d'Ortner I en introduisant le tenseur métrique qui lie le tenseur des déformations et les distances inter réticulaires mesurées par DRX. Avec cette nouvelle méthodologie, lorsque le repère cristallin direct n'est ni nécessairement orthogonal ni nécessairement normé, un repère orthonormé associé au repère cristallin direct est défini, où la majorité des calculs sont exécutés avec les règles de calcul usuelles. La méthode des moindres carrés nous permit de prise en compte de plus de 6 mesures minimum pour obtenir une meilleure estimation de G et déterminer les incertitudes statistiques. L'application expérimentale dans un bi cristaux cuivre nous a permit d'avoir validé cette nouvelle méthode. Par cette méthode, des contraintes résiduelles d'ordre II dans une couche galvanisé à gros grains sur l'acier sont déterminées après un traitement thermique de recuit. Les 4 grains orientés différemment sont été aussi quantitativement caractérisés in situ sous une sollicitation extérieure. Les résultats ont bien démontré le mécanisme de déformation élastique et plastique à l'échelle des grains et entre les grains. Par conséquent, cette méthode développée est donc adaptable et significative pour détermination des déformations et des contraintes à l'échelle des grains dans un monocristaux ou multicristaux à cristalline structure quelconque.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des propriétés structurales et dynamiques, en fonction de la température et de la pression, des structures unidimensionnelles des fullerènes C60 et C70, respectivement de formes sphériques et ellipsoïdales, confinés dans les nanotubes de carbone. Ces nano-hybrides sont communément appelées peapods. La structure des peapods est étudiée à l'aide de la diffraction des rayons X et de la diffraction électronique. La simulation des diagrammes de diffraction permet de déterminer la structure des nanotubes de carbone (rayon moyen (0.7nm), distribution de rayons) ainsi que le taux de remplissage des nanotubes par les fullerènes et le paramètre de maille des chaînes de fullerènes. Dans le cas des peapods de C70, l'orientation des molécules en fonction du diamètre des nanotubes est analysée et la valeur du diamètre « critique » de changement d'orientation est déterminée. Les évolutions de la structure des chaînes de fullerènes (dilatation thermique, polymérisation, coalescence) en fonction de la température et/ou de la pression sont étudiées et comparées pour les deux sortes de fullerènes considérés. Des différences sont observées entre fullerènes C60 et C70 quant à la polymérisation à hautes pressions et températures. Les molécules de C60 polymérisent par cyclo-addition [2+2] dans les nanotubes, mais pas celles de C70, ce résultat étant expliqué par le confinement par le nanotube de carbone. La structure des nanotubes bifeuillets obtenus par la coalescence des chaînes de fullerènes des peapods C60 et C70 à très haute température semble indépendante de la nature des fullerènes. Le rayon moyen des nanotubes internes est estimé à 0.36 nm. Le mécanisme de formation du tube interne est discuté. Finalement la dynamique des peapods est étudiée par diffusion inélastique des neutrons. Une forte mobilité orientationnelle des fullerènes C60 est mise en évidence jusqu'à assez basses températures. Celle-ci est interprétée en considérant le caractère fortement unidimensionnel des chaînes de fullerènes.

Une nouvelle technique de radiothérapie, l'hadronthérapie, irradie les tumeurs à l'aide d'un faisceau de protons ou d'ions carbone. L'hadronthérapie est très efficace pour le traitement du cancer car elle permet le dépôt d'une dose létale très localisée, en un point dit ‘pic de Bragg', à la fin du trajet des particules. La connaissance de la position du pic de Bragg, avec une précision millimétrique, est essentielle car l'hadronthérapie a prouvé son efficacité dans le traitement des tumeurs profondes, près des organes vitaux, ou radio-résistantes. Un enjeu majeur de l'hadronthérapie est le contrôle de la délivrance de la dose pendant l'irradiation. Actuellement, les centres de traitement par hadron thérapie effectuent un contrôle post-thérapeutique par tomographie par émission de positron (TEP). Les rayons gamma utilisés proviennent de l'annihilation de positons émis lors la désintégration bêta des isotopes radioactifs créés par le faisceau de particules. Ils ne sont pas en coïncidence directe avec le pic de Bragg. Une alternative est l'imagerie des rayons gamma nucléaires émis suites aux interactions inélastiques des hadrons avec les noyaux des tissus. Cette émission est isotrope, présentant un spectre à haute énergie allant de 100 keV à 20 MeV. La mesure de ces rayons gamma énergétiques dépasse la capacité des systèmes d'imagerie médicale existants. Une technique avancée de détection des rayons gamma, basée sur la diffusion Compton avec possibilité de poursuite des électrons diffusés, a été proposée pour l'observation des sources gamma en astrophysique (télescope Compton). Un dispositif, inspiré de cette technique, a été proposé avec une géométrie adaptée à l'Imagerie en Hadron Thérapie (IHT). Il se compose d'un diffuseur, où les électrons Compton sont mesurés et suivis (‘tracker'), et d'un calorimètre, où les rayons gamma sont absorbés par effet photoélectrique. Nous avons simulé un scénario d'hadronthérapie, la chaîne complète de détection jusqu'à la reconstruction d'événements individuels et la reconstruction d'une image de la source de rayons gamma. L'algorithme ‘Expectation Maximisation' (EM) à été adopté dans le calcul de l'estimateur du maximum de vraisemblance (MLEM) en mode liste pour effectuer la reconstruction d'images. Il prend en compte la réponse du système d'imagerie qui décrit le comportement complexe du détecteur. La modélisation de cette réponse nécessite des calculs, en fonction de l'angle d'incidence de tous les photons détectés, de l'angle Compton dans le diffuseur et de la direction des électrons diffusés. Dans sa forme la plus simple, la réponse du système a un événement est décrite par une conique, intersection du cône Compton et du plan dans lequel l'image est reconstruite. Une forte corrélation a été observée, entre l'image d'une source gamma reconstruite et la position du pic de Bragg. Les performances du système IHT dépendent du détecteur, en termes d'efficacité de détection, de résolution spatiale et énergétique, du temps d'acquisition et de l'algorithme utilisé pour reconstituer l'activité de la source de rayons gamma. L'algorithme de reconstruction de l'image a une importance fondamentale. En raison du faible nombre de photons mesurés (statistique de Poisson), des incertitudes induites par la résolution finie en énergie, de l'effet Doppler, des dimensions limitées et des artefacts générés par l'algorithme itératif MLEM, les images IHT reconstruites sont affectées d'artefacts que l'on regroupe sous le terme ‘bruit'. Ce bruit est variable dans l'espace et dépend du signal, ce qui représente un obstacle majeur pour l'extraction d'information. Ainsi des techniques de dé-bruitage ont été utilisées. Une stratégie de régularisation de l'algorithme MLEM (WREM) en mode liste a été développée et appliquée pour reconstituer les événements Compton. Cette proposition est multi-résolution sur une base d'ondelettes orthogonales. A chaque itération, une étape de seuillage des coefficients d'ondelettes a été intégrée. La variance du bruit a été estimée à chaque itération par la valeur médiane des coefficients de la sous-bande de haute fréquence. Cette approche stabilise le comportement de l'algorithme itératif, réduit l'erreur quadratique moyenne et améliore le contraste de l'image.

De nombreuses stratégies thérapeutiques sont explorées pour trouver un traitement curatif aux gliomes de haut grade pour lesquels il n'existe pas de réelle solution. Parmi ces techniques, la radiothérapie apporte une réponse significative mais limitée par un effet différentiel insuffisant pour éradiquer la tumeur tout en préservant les tissus sains. La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron permet d'augmenter cet effet différentiel en augmentant localement la dose de rayonnement au niveau de la tumeur, par l'effet synergique d'une irradiation avec des rayons-X de basse énergie (< 100 keV) en présence d'un élément lourd préalablement incorporé à la tumeur. Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre de la préparation des essais cliniques de radiothérapie stéréotaxique prévus au synchrotron de Grenoble. Le premier objectif de ce travail a été l'optimisation des paramètres l'irradiation basée sur une étude dosimétrique globale des plans de traitement. Nous avons notamment montré l'intérêt d'utiliser un nombre fini et apparié de faisceaux correctement pondérés pour homogénéiser la dose dans la tumeur. La suite de ces travaux a consisté en l'étude de la répartition des dépôts d'énergie à l'échelle cellulaire prenant en compte la distribution fine de l'élément lourd dans le tissu (micro-dosimétrie). Il est en effet crucial que les photoélectrons générés sur les atomes lourds, qui restent dans l'espace extracellulaire dans le cas des agents de contraste iodés, puissent atteindre les cibles cellulaires. Cette approche microdosimétrique a été comparée à des résultats de survie cellulaire obtenus in vitro, soit sur un modèle cellulaire 3D (cellules tumorales cultivées sous forme de sphéroïdes), soit sur des cellules irradiées en suspension dans un milieu iodé.

La radiodétection des rayon cosmiques de haute énergie est actuellement l'objet d'une intense activité de recherche, tant sur le plan expérimental que théorique. La problématique actuelle est de savoir si elle représente une technique compétitive par rapport à ou en complément des techniques de détection classiques; aussi bien afin de couvrir les surfaces permettant d'accumuler de la statistique aux plus hautes énergies (autours de 10^20 eV -- là où l'astronomie des particules deviendrait possible) que de caractériser précisément le rayonnement cosmique à des énergies plus modérées (quelques 10^18 eV). Au cours de ce travail, nous avons tenté de nous approcher de la réponse à cette question, grâce à des modélisations de l'émission radio, à l'analyse de données expérimentales et en préparant les détecteurs à venir. Au niveau modélisation, l'émission géosynchrotron des particules des gerbes a été abordée analytiquement en utilisant un modèle de gerbe simplifiée et d'autre part avec la simulation Monte Carlo AIRES pour obtenir un développement de gerbe réaliste. Différentes dépendances du champ électrique ont été extraite, dont une proportionnalité du champ avec le vecteur -v*B sous certaines conditions. Expérimentalement, l'analyse des données du détecteur CODALEMA a permis de mieux caractériser le champ électrique produit par les gerbes, avec notamment la topologie de la distribution du champ au sol, la dépendance avec l'énergie et un champ compatible avec une proportionnalité avec -v*B. Ces différents résultats sont regroupé sous la forme d'une formule générale du champ. Davantage de données sont probablement nécessaires avant de statuer définitivement sur l'intérêt de la radiodétection. La formule obtenue grâce à CODALEMA a finalement été utilisée pour extrapoler les résultats de CODALEMA a un futur grand réseau, résultat appliqué notamment au détecteur AERA de l'Observatoire Pierre Auger.

Quatre sources de rayons gamma ont été associées à des systèmes binaires dans notre galaxie: le microquasar Cygnus X-3 et les binaires gamma LS I +61°303, LS 5039 et PSR B1259-63. Ces systèmes sont composés d'une étoile compagnon massive et d'un objet compact de nature inconnue, sauf dans PSR B1259-63 où un pulsar jeune a été détecté. Je propose ici un modèle théorique complet pour expliquer l'émission et la variabilité gamma de haute énergie dans les binaires émettant en gamma. Dans ce modèle, le rayonnement de haute énergie est produit par la diffusion Compton inverse des photons stellaires sur des paires électron-positron ultrarelativistes injectées par un pulsar jeune dans les binaires gamma et dans un jet relativiste dans les microquasars. La modulation du flux TeV dans LS 5039 est bien reproduite en combinant les effets d'émission, d'absorption et du recyclage de l'émission par une cascade de paires. Néanmoins, ce modèle ne permet pas d'expliquer l'émission gamma dans LS I +61°303 et PSR B1259-63. D'autres processus doivent dominer dans ces systèmes plus complexes. Dans Cygnus X-3, le rayonnement gamma peut être reproduit de manière convaincante avec l'émission Compton amplifiée Doppler de paires dans un jet relativiste. Les binaires gamma et les microquasars offrent un environnement nouveau permettant l'étude des vents de pulsar et des jets relativistes à de très petites échelles spatiales.

La thèse s'intéresse à l'étude des rayons cosmiques de très hautes énergies qui lorsqu'ils pénètrent l'atmosphère terrestre dissipent leur énergie en produisant une multitude de particules secondaires, cet ensemble étant appelé une gerbe atmosphérique. L'expérience CODALEMA permet l'étude de l'émission radioélectrique des gerbes atmosphériques, au moyen d'antennes dans le domaine de fréquences de 1 à 100 MHz. Nous avons étudié dans un premier temps certaines questions concernant le calcul du champ électrique à partir des caractéristiques de la gerbe dans le but de dégager les effets prépondérants dans la génération du signal radio. Nous avons ensuite examiné comment exploiter une méthode de prédiction linéaire pour permettre la détection des transitoires associés aux gerbes dans l'environnement radioélectrique bruité dans la gamme de fréquence où l'expérience est menée. Nous avons enfin examiné comment les signaux récoltés permettent d'étudier le mécanisme d'émission du champ électrique par les gerbes. Ce travail d'analyse permet de faire un pont entre les deux premières études.

La détermination de la structure cristalline d'un échantillon nécessite la prise en compte de son caractère anisotrope et du même coup l'analyse quantitative de texture devient de plus en plus importante. Ce type d'analyse a recours à la mesure de figures de pôles par diffraction de RX ou de neutrons, et à l'affinement des ODF. Couplée à d'autres types d'analyses (microstructure, contraintes résiduelles ...) utilisant les mêmes diagrammes de diffraction, l'analyse du profil global incluant l'analyse texturale a pris le nom d'analyse combinée.<br />Ce travail détaille les mesures d'analyse combinée, pour des expériences de diffraction X et de neutrons. Nous appliquons l'analyse combinée par diffraction X à la détermination des vitesses de propagation d'ondes élastiques générées par excitation photoacoustique picoseconde, dans des films d'or texturés. L'évolution technologique a permis le développement de détecteurs 2D, réduisant considérablement les temps de mesures neutroniques. Nous développons l'analyse combinée et la calibration associée sur le détecteur CAPS de l'instrument D19, qui réduit les temps d'acquisition et permet de développer l'analyse quantitative de texture magnétique, pour mettre en évidence la réorientation des moments magnétiques sous champ modéré (~0,3 T).<br />Ce mémoire est finalement consacré à l'étude de l'analyse MQTA, qui caractérise les matériaux magnétiques en termes de distribution macroscopique de l'orientation des moments, et étudie comment le signal magnétique résultant est lié aux cristallites et aux microstructures de l'échantillon. Nous détaillons ici l'aspect théorique de l'analyse MQTA, et illustrons son application sur un échantillon de fer « doux ».