Dans cette thèse je présente les résultats de mes études sur le magnétisme et la dynamique de l'aimantation de systèmes en couches minces couplées soit à travers une couche non ferromagnetique, soit une couche antiferromagnetique. Il s'agit de systèmes qui s'insèrent dans le contexte de l'enregistrement magnétique. <br />Les techniques étudiées sont la spectroscopie d'absorption X (XMCD et XMCD résolu en temps) et l'effet magnéto-optique Kerr et la microscopie Kerr en mode pompe sonde. Les mesures XMCD résolues en temps exploitent la structure temporelle du rayonnement synchrotron pour avoir accès à la dynamique de l'aimantation avec sélectivité chimique. Une extension récente de cette technique est la microscopie PEEM résolue en temps. <br />Ces outils ont été utilisés pour étudier la dynamique de l'aimantation des couches magnétiques de vannes de spin où le couplage magnétostatique entre couches influence le mode de renversement. Dans des multicouches Pt/Co couplées par échange avec une couche AF nous avons montré que le retournement de l'aimantation est fortement influencé par l'interaction F/AF.

Dans le domaine de la tomographie par rayons X préclinique, la tomographie spectrale est une voie de plus en plus en plus explorée. Les objectifs de la tomographie spectrale sont tant la caractérisation et la quantification des tissus et agents de contraste que l'amélioration de contraste entre tissus mous. Cela passe par l'exploitation de l'information spectrale (ou énergétique) des photons X et non plus seulement par la quantité de rayons X détectée comme en tomographie standard par absorption de rayons X. L'intérêt de la tomographie spectrale se trouve renforcé par l'arrivée des caméras à comptage comme le détecteur à pixels hybrides XPAD3 qui ont la capacité de sélectionner les photons X en fonction de leur énergie. Ce détecteur a été développé pour fonctionner dans le micro-tomodensitomètre PIXSCAN construit au CPPM. Dans ce contexte, cette thèse a deux buts~: participer à la construction du prototype PIXSCAN et y effectuer une preuve de concept de la tomographie spectrale. Le premier but est rempli grâce au développement de l'interface d'acquisition du PIXSCAN. Le second est atteint par l'implantation de la méthode de séparation de composantes dont le but est d'isoler les contributions photoélectrique, Compton et celles des agents de contraste. Ce travail débute par la caractérisation de cette méthode et se termine par sa démonstration sur données réelles acquises à l'aide du prototype PIXSCAN.

Cette étude évalue le potentiel, comme détecteur de rayons X, des capteurs à pixel CMOS conçus pour la trajectométrie des particules chargée. Nous démontrons l'intérêt de la construction d'une image par comptage de photons uniques pour la définition de celle-ci. Un dispositif exploitant une source X est développé pour mesurer la résolution spatiale sur l'impact des photons. Une simulation complète sous GEANT4 montre que le système permet d'estimer cette résolution avec une incertitude de 2 µm. L'application du protocole caractérise la détection directe des rayons X de basse énergie (< 10 keV) par un capteur CMOS avec une résolution de 52 lp/mm. Une méthode de détection indirecte, couplant un cristal de CsI(Tl) finement segmenté au capteur CMOS, est employée pour les énergies supérieures à 10 keV. La résolution spatiale dans ces conditions atteint 15 lp/mm. Une simulation détaillée explique cette performance limitée par les caractéristiques d'émission de lumière du cristal employé.

Dans ce travail de thèse, la microspectrométrie Raman a été mise à profit pour décrire les changements structuraux induits par la réaction électrochimique d'insertion/désinsertion des ions lithium dans des composés de structure lamellaire LiCoO2 et cubique LiMn2O4 et LiNi0.4Mn1.6O4, utilisés comme électrodes positives dans les batteries Li-ion. L'étude du composé d'électrode LiCoO2 pendant le processus de charge permet de mettre en évidence une région biphasée où la phase initiale coexiste avec une nouvelle phase hexagonale caractérisée par une expansion du paramètre inter-feuillets de l'ordre de 3% et un affaiblissement de la liaison Co-O dans le plan des feuillets. Dans le cas de LiMn2O4, une nouvelle attribution du spectre Raman a pu être proposée. Pendant la charge à 4V, un mécanisme à trois phases (phase initiale LiMn2O4, phase intermédiaire, phase pauvre en lithium) est décrit par spectroscopie Raman alors que la diffraction des RX ne permet pas d'observer la phase intermédiaire dans nos conditions de mesure. L'étude de l'insertion électrochimique du lithium dans LiMn2O4 (région 3V), a permis de montrer pour la première fois par spectroscopie Raman la formation progressive d'une phase tétragonale de composition Li2Mn2O4 qui coexiste avec la phase cubique initiale et qui est pure en fin de décharge. La réversibilité de cette transition structurale a également été démontrée. Dans le cas du composé substitué au nickel, LiNi0.4Mn1.6O4, une attribution complète du spectre Raman est proposée pour la première fois. L'étude par diffraction des RX du matériau en fonction de l'état de charge et de décharge met en évidence une conservation de la structure cubique avec des variations modérées de paramètres de maille. Le spectre Raman présente quant à lui des variations très significatives qui rendent compte de la présence dans des proportions différentes des espèces redox impliquées dans le fonctionnement électrochimique (Mn4+, Mn3+, Ni2+, Ni3+, Ni4+). Une analyse spectrale par décompositions de bandes permet d'identifier et de quantifier les proportions relatives des différents couples redox du nickel. Une réversibilité complète de la signature Raman est observée en décharge. Une application concrète et originale de la spectroscopie Raman a consisté à étudier le mécanisme d'autodécharge qui est observé pour le matériau LiNi0.4Mn1.6O4 complètement chargé. L'évolution des spectres Raman permet de mettre en évidence une réduction rapide et quantitative des ions Ni4+ pendant les premières heures de séjour dans l'électrolyte, puis un processus plus lent de réduction des ions Ni3+. Enfin, pour la première fois également, l'insertion du lithium dans le composé LiNi0.4Mn1.6O4 a été explorée par microspectrométrie Raman et a permis notamment d'identifier l'empreinte Raman de la phase la plus réduite de symétrie tétragonale Li2Ni0.4Mn1.6O4. L'originalité de ce travail a été d'apporter un grand nombre de données Raman expérimentales sur des matériaux d'électrode performants fonctionnant à 4V. De nouvelles attributions ont pu être proposées pour les composés initiaux, et des données vibrationnelles inédites ont été fournies sur les composés formés en charge et en décharge. Dans certains cas, ces données ont permis, sur la base d'une analyse détaillée des spectres Raman par décompositions de bandes, de proposer un raisonnement quantitatif sur l'existence de phases ou d'espèces redox en mélange. Il conviendrait bien sûr de corroborer ces nouvelles données et attributions par des calculs théoriques ab initio capables de simuler les fréquences et les intensités des modes vibrationnels dans les structures hôtes et lithiées

L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une perte de la qualité osseuse qui entraîne un risque de fracture accru, notamment au niveau vertébral. Des modèles en éléments finis basés sur la tomodensitométrie permettent d'estimer la résistance vertébrale, et donc le risque de fracture, mais leur utilisation en routine clinique est limitée par le coût et l'irradiation engendrée par la tomodensitométrie. L'estimation la résistance vertébrale à partir d'un modèle en éléments finis basés sur l'imagerie basse dose, telle que l'absorptiométrie biphotonique à rayons X, ou la stéréo-radiographie EOS en double énergie, permettrait une utilisation en routine clinique. Cette thèse contribue au développement de la modélisation à partir de l'imagerie basse dose pour la prédiction du risque de fracture. Un modèle en éléments finis de résistance vertébrale y est évalué par rapport à un modèle basé sur la tomodensitométrie, et une étude de sensibilité identifie les facteurs importants du modèle sont analysés. Des méthodes de maillage hexaédrique morpho-réalistes à partir de la reconstruction 3D, et d'estimation de la distribution de densité à partir d'image 2D de densité y sont développées. De plus, profitant des possibilités du système EOS qui permet de radiographier le patient de la tête aux pieds, une méthode préliminaire est proposée pour estimer l'effort exercé sur les vertèbres in vivo. Nous espérons que nos méthodes pourront être utilisées très prochainement in vivo, et contribuer à l'estimation du risque de fracture ostéoporotique, et à la prise en charge des patients à risque de fracture.

Ce travail tente de caractériser les modifications structurales affectant les minéraux argileux lors de leur diagenèse d'enfouissement. Ces évolutions structurales ont été décrites dans la littérature comme résultant d'une transformation illite-smectite, par l'intermédiaire d'édifices interstratifiés dont la teneur en feuillets illitiques augmente avec la profondeur d'enfouissement. Historiquement, la diffraction des rayons a été l'outil privilégié pour mettre en évidence ces évolutions structurales du fait des modifications induites sur les profils de raies caractéristiques de ces interstratifiés. Afin de permettre une identification objective des interstratifiés, souvent présents en mélanges complexes de phases aux caractéristiques proches, une méthode de traitement numérique (décomposition) des diffractogrammes de rayons X a été développée afin d'en isoler les différentes contributions élémentaires. L'identification minéralogique est ensuite réalisée par comparaison des paramètres (position, largeur à mi-hauteur) déterminés pour chacune de ces contributions avec les valeurs obtenus sur des diffractogrammes calculés sur la base de modèles structuraux. Ces modèles intègrent la teneur en illite (smectite) des interstratifiés, l'état d'hydratation des smectites, la taille des domaines cohérents de diffraction, ainsi que des paramètres permettant de décrire l'ordre partiel ou la ségrégation. Cette méthodologie a enfin été appliquée sur des échantillons provenant de plusieurs puits forés dans le bassin de Paris et décrivant une section E-W, ainsi que sur des échantillons provenant des séries de référence du Gulf Coast. En s'appuyant sur l'analyse morphologique et chimique des particules argileuses de ces séries réalisée par Didier Champion, les résultats obtenus permettent de proposer des mécanismes réactionnels pour la transformation minéralogique observée. En particulier, la diminution de la teneur en smectite des interstratifiés correspond à la croissance de feuillets illitiques autour des particules pré-existantes par un processus analogue au mûrissement d'Ostwald. La chimie du pôle illite est fixe et présente une charge de ~0.9 par O10(OH)2.

Th.--Sci. phys.--Toulouse 3, 1977. N°: 774.

Cette thèse s’intéresse à la conception de nouveaux matériaux compositesferroélectriques/diélectriques aux propriétés accordables en tension. Des granules diélectriques(MgO, TiO2) obtenues par atomisation sont dispersées dans une matrice ferroélectrique (Ba1-xSrxTiO3). Le mélange est ensuite densifié par Spark Plasma Sintering (SPS). Une approcheoriginale est développée afin de déterminer les paramètres reliant la microstructure aux propriétésphysiques pour chacune des étapes de la boucle d’optimisation élaboration - caractérisation -modélisation. La stratégie adoptée s’appuie sur i) l’utilisation des propriétés spécifiques du frittageSPS qui offre une gestion précise des interfaces entre les différents composés. Cette méthode nonconventionnellea permis l’élaboration de composites ferroélectriques architecturés, constituésd’inclusions diélectriques de géométries contrôlées ; ii) les potentialités offertes par lamicrotomographie X comme moyen de description de la microstructure 3D des matériauxcomposites aux étapes clés de leur conception. Couplée à de puissants outils de traitements desimages elle permet d’extraire les éléments pertinents guidant l’optimisation et la compréhension despropriétés finales ; iii) le développement d’un modèle numérique 3D de l’accordabilité appliquédirectement à la géométrie réelle des matériaux extraite des images de microtomographie. Cetteétape est essentielle pour comprendre l’origine de la redistribution du champ électrique entre lesphases. Les résultats numériques obtenus sont directement confrontés aux mesuresexpérimentales. / This thesis is focused on the conception of new tunable ferroelectric/dielectric compositematerials. Dielectric granules (MgO, TiO2) obtained by spray-drying are dispersed in a ferroelectricmatrix (Ba1-xSrxTiO3). Mixing powder is then densified by Spark Plasma Sintering (SPS). An originalapproach is developed in order to determine parameters linking the microstructure to the physicalproperties for each step of the elaboration - characterization - modelling optimization procedure.The adopted strategy is based on i) specific SPS properties which provide an accurate control of theinterfaces between each components; ii) potentialities offered by X-ray microtomography to describethe internal 3D microstructure of the composite materials during the key steps of their elaboration.Associated with powerful image processing tools, it allows to obtain relevant elements guiding theoptimization and understanding of the final properties; iii) the development of a 3D numerical modelof tunability applied directly to the real geometry which has been extracted from 3Dmicrotomography images. This step is essential to understand the origin of the redistribution of theelectric field between the different phases. Numerical results are directly compared to experimentalmeasurements.

La nitruration des aciers est un traitement thermochimique très utilisé dans l'aéronautique. Il est connu pour améliorer la tenue en fatigue des composants mécaniques. Il est basé sur la diffusion de l'azote en surface des pièces traitées. Des mécanismes complexes sont alors mis en jeu et provoquent la naissance de contraintes internes et de déformations dites "résiduelles" des pièces traitées. Suivant leur géométrie, les pièces peuvent se déformer de plusieurs millimètres, et être soumises à des contraintes internes de traction-compression importantes. L'objectif de ce travail est de proposer une modélisation multi-physiques du traitement de nitruration permettant de prédire, pour n'importe quelle géométrie de pièce, les contraintes résiduelles et les déformations qu'elles subiront lors du traitement. Ces informations, précieuses aux ingénieurs, permettront de mieux maîtriser, et donc d'optimiser les processus de dimensionnement et de fabrication des pièces nitrurées. / Nitriding of steel is a thermo-chemical treatment well known to improve the mechanical properties of the material. It is based on the diffusion of nitrogen into the surface of treated parts. Complex phenomena are then involved and generate residual stresses and distortions. Depending on their geometry, parts can be distorted up to several millimeters and be subject to significant internal tensile-compression stresses. The aim of this work is to provide a multi-physical model of the nitriding in order to predict, for any part geometry, their residual stresses and distortions after treatment. These informations, precious for engineers, will allow to optimize the design and the manufacturing processes of nitrided parts.

Les rayons cosmiques (RC) ont un rôle fondamental sur la dynamique et l'évolution chimique des nuages moléculaires interstellaires, qui sont le lieu de formation stellaire et planétaire. Les RC sont probablement accélérés dans les enveloppes en expansion des rémanents de supernova (SNR), ainsi les nuages moléculaires situés à proximité peuvent être soumis à d'intenses flux de RC. Les protons relativistes ont principalement deux effets sur les nuages moléculaires : 1) en rencontrant le milieu dense, les protons de haute énergie (>280 MeV) induisent via la désintégration des pions l'émission de photons gamma. à cause de ce processus, les associations SNR-nuages moléculaires sont des sources intenses d'émission GeV et/ou TeV présentant des spectres similaires à celui des protons incidents. 2) à plus basse énergie, les RC pénètrent le nuage et ionisent le gaz, induisant la formation d'espèces moléculaires caractéristiques appelées traceurs de l'ionisation. L'étude de ces traceurs permet de déduire des informations sur les RC de basse énergie inaccessibles aux autres méthodes d'observation. J'ai étudié l'ionisation des nuages moléculaires par les RC près de trois SNR : W28, W51C et W44. Il existe des preuves observationnelles d'interaction avec le nuage voisin pour chaque SNR (présence de gaz choqué, masers OH, émission gamma). Mon travail repose sur la comparaison d'observations millimétriques des traceurs de l'ionisation à des modèles de chimie appliqués à ces nuages denses. Dans chaque région, nous avons déterminé un taux d'ionisation supérieur à la valeur standard, confortant l'hypothèse d'une origine des RC dans l'enveloppe du SNR voisin. L'existence d'un gradient d'ionisation en s'éloignant de l'onde de choc du SNR apporte des contraintes précieuses sur les propriétés de propagation des RC de basse énergie. La méthode utilisée repose sur l'observation des ions moléculaires HCO+ et DCO+, qui montre des limitations importantes à haute ionisation. C'est pourquoi j'ai également cherché à identifier des traceurs alternatifs de l'ionisation, par un effort croisé de modélisation et d'observation. En particulier, dans la région W44, les observations de N2H+ ont permis de mieux contraindre les conditions physiques, les abondances volatiles dans le nuage et l'état d'ionisation du gaz. Ce projet de recherche a amené une meilleure compréhension de la chimie induite par les RC dans les nuages moléculaires. Il a également ouvert de nouvelles perspectives de recherche interdisciplinaire vers la compréhension des RC, des observations millimétriques aux observations gamma. / Cosmic rays (CR) are of tremendous importance in the dynamical and chemical evolution of interstellar molecular clouds, where stars and planets form. CRs are likely accelerated in the shells of supernova remnants (SNR), thus molecular clouds nearby can be irradiated by intense fluxes of CRs. CR protons have two major effects on dense molecular clouds: 1) when they encounter the dense medium, high-energy protons (>280 MeV) create pions that decay into gamma-rays. This process makes SNR-molecular cloud associations intense GeV and/or TeV sources whose spectra mimic the CR spectrum. 2) at lower energies, CRs penetrate the cloud and ionise the gas, leading to the formation of molecular species characteristic of the presence of CRs, called tracers of the ionisation. Studying these tracers gives information on low-energy CRs that are unaccessible to any other observations. I studied the CR ionisation of molecular clouds next to three SNRs: W28, W51C and W44. These SNRs are known to be interacting with the nearby clouds, from the presence of shocked gas, OH masers and pion-decay induced gamma-ray emission. My work includes millimeter observations and chemical modeling of tracers of the ionisation in these dense molecular clouds. In these three regions, we determined an enhanced CR ionisation rate, supporting the hypothesis of an origin of the CRs in the SNR nearby. The evolution of the CR ionisation rate with the distance to the SNR brings valuable constraints on the propagation properties of low-energy CRs. The method used relies on observations of the molecular ions HCO+ and DCO+, which shows crucial limitations at high ionisation. Therefore, I investigated, both through modeling and observations, the chemical abundances of several other species to try and identity alternative tracers of the ionisation. In particular, in the W44 region, observations of N2H+ bring additional constraints on the physical conditions, volatile abundances in the cloud, and the ionisation state. This research brought valuable insight into the CR induced chemistry in the interstellar medium. It also brought new perspectives of interdisciplinary research towards the understanding of CRs, from millimeter to gamma-ray observations.