Dans le cadre de ses actions de R&D sur la caractérisation non destructive, le CEA dispose d’un système d'imagerie photonique de haute énergie. Ce dispositif, unique en France, permet de réaliser des radiographies et des tomographies sur des objets de grands volumes, tels que des colis de déchets radioactifs. Le Laboratoire de Mesures Nucléaires, qui mène les projets de recherche sur cette installation, a engagé une évolution majeure du système en lançant l'approvisionnement d'une nouvelle source X d'énergie augmentée et d'un banc mécanique de positionnement d'une capacité de 5 tonnes afin de pouvoir caractériser des objets de grande épaisseur : jusqu'à 140 cm de béton. Les travaux qui ont fait l'objet de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte de caractérisation et de mise en service du nouveau tomographe, qui permet la mise en place de nouvelles modalités d'examen telles que la tomographie bi-énergie.La première partie de la thèse consiste en une étude approfondie des performances du nouveau tomographe en termes de capacité de pénétration et de résolution spatiale. Elle concerne à la fois la source X et le système de détection. La source X est un accélérateur linéaire Saturne reconditionné pour atteindre des énergies comprises entre 15 et 20 MeV pour des débits de dose supérieurs à 100 Gy/min. Les caractéristiques attendues de cette source sont évaluées par simulation : spectres, taches focales et débits de dose. En parallèle, la recherche d'un système de détection adapté conduit à mettre en compétition trois détecteurs : une série de semi-conducteurs CdTe non jointifs, une caméra linéaire à scintillateur CdWO4 segmenté et des écrans horizontaux de CsI filmés par des caméras bas bruit. Tous trois font l'objet d'une analyse par comptage de quanta (Quantum Accounting Diagram) permettant de mettre en lumière les qualités et limites de chacun à travers l'évaluation et la comparaison d'indicateurs complémentaires de leurs performances : efficacité quantique de détection, rapport signal sur bruit, résolution spatiale et gamme dynamique. Cette étude théorique est complétée, corrigée et validée par des campagnes de mesures expérimentales et permet finalement de prévoir les performances attendues avec l'accélérateur Saturne, et ainsi définir le meilleur détecteur pour l'imagerie des objets ciblés.La seconde partie de la thèse concerne le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation des matériaux par tomographie bi-énergie afin d’identifier au mieux le numéro atomique effectif du matériau et sa densité. L'état de l'art sur les techniques actuelles fait ressortir une méthode potentiellement intéressante pour les besoins de la caractérisation de colis de déchets nucléaires : la décomposition en double effet. Initialement développée pour l'imagerie de plus basse énergie, elle a été adaptée à la gamme d’énergie du tomographe en modifiant les interactions photon-matière prises en compte dans le procédé. La méthode a été testée et validée sur des simulations d'examens tomographiques obtenues avec le code de simulation MODHERATO.Il ressort de ces travaux de thèse que le nouveau système d'imagerie du CEA Cadarache devrait être en mesure à la fois d'accueillir et caractériser des objets massifs avec une qualité d'image satisfaisante et une résolution spatiale submillimétrique, mais également de mettre en œuvre des examens de tomographie bi-énergie permettant d'évaluer le numéro atomique et la densité des matériaux composant les objets examinés. / As part of its research and development activities on non-destructive characterisation, CEA utilizes a high-energy photonic imaging system. This instrument, unique in France, allows radiographic and tomographic analyses on large objects (e.g., nuclear waste drums). The "Laboratoire de Mesures Nucléaires", responsible for running research projects in the facility, has launched a major upgrade of the system by providing a new higher energy X-ray source and a new mechanical bench possessing a 5 t load, which allows the characterisation of thick objects (up to 140 cm concrete thickness). This PhD thesis concerns the characterisation and commissioning of the new computed tomography (CT) system and introduces new examination modalities, such as dual-energy CT.The first part of the thesis is a comprehensive study of the performance of the upgraded CT system, specifically regarding penetration capacity and spatial resolution and concerning both the X-ray source and the detection system. The X-ray source is a linear accelerator called Saturne, which has been repackaged to reach energies between 15 and 20 MeV with dose rates greater than 100 Gy/min. Simulation is used to assess the expected features of this source: spectra, focal spots and dose rates. Parallel comparison among three detectors -a series of non-abutting CdTe semiconductor sensors, a linear camera with segmented CdWO4 scintillators and horizontal screens of CsI filmed by low noise cameras - assessed the most suitable detection system. All three detection systems are studied using a quantum accounting analysis that highlights potentials and limitations of each system and enables measurement of complementary indicators of their performance: detector quantum efficiency, signal to noise ratio, spatial resolution and dynamic range. This theoretical study is completed, corrected and validated by experimental measurement campaigns. This extensive study predicts the expected performance when combined with the Saturne accelerator, allowing selection of the most appropriate detector for the imaging of large objects.The second part of the thesis concerns the development of a new method for the characterisation of materials by dual-energy CT, allowing a better assessment of the effective atomic number and the density of the material. The state of the art of current techniques highlights the potential interesting method for the characterising nuclear waste: the double effect decomposition. Initially developed for lower energy X-ray imaging, it has been adapted to match the energy range of the CT system by adapting the photon/matter interactions taken into account in the process. The method has been tested and validated on tomographic simulations obtained with the simulation code MODHERATO.This PhD work has shown that the new CT system of the CEA Cadarache has the potential to characterise massive objects with a satisfactory image quality and milli-scale spatial resolution. It also opens opportunities for the execution of dual-energy CT evaluations allowing the assessment of the atomic number and density of materials composing the examined objects.

Ce travail est consacré à la synthèse et à la caractérisation de composés chalcogénures. Pour la plupart nouveaux, ces composés ont la particularité de présenter des structures complexes ou dont le désordre amène une certaine complexité. La première partie de ce manuscrit est consacré à l’étude du nouveau composé monocristallin Ba0,5Cr5Se8 et de la solution solide polycristalline BaxCr5Se8 (0,5 ≤ x ≤ 0,55). Ce composé fait partie de la famille des pseudo-hollandites. Sa structure cristalline a été déterminée par diffraction des rayons X sur monocristal, un abaissement de la symétrie est observé par rapport aux pseudo-hollandites usuelles. Ces composés sont antiferromagnétiques avec une température de transition unique à 58 K, la structure magnétique du composé a été déterminée par diffraction des neutrons sur échantillon polycristallin, et sa maille magnétique correspond à une maille cristalline doublée selon b et c. Les propriétés thermoélectriques des composés sont étudiées, Ba0.5Cr5Se8 présente une ZT de 0,12 à 800 K. La deuxième partie s’est d’abord focalisée sur une structure similaire à la précédente, TlIn5Se8. Toutefois trop résistif, les structures de deux nouveaux composés ont été étudiées : TlIn4,8Cr0,2Se8 et Tl0,98In13,12Se16,3Te2,7. Ce dernier présente sur certains sites un désordre considéré statique. Finalement, le dernier chapitre a permis de mettre en avant des composés de la famille de composé lamellaire MnPSe3, ayant la particularité de présenter une paire P2. La structure du nouveau composé In2Ge2Te6 est résolue et les propriétés thermoélectriques des composés InSiTe3, Cr2Si2Te6, Cr2Ge2Te6 et In2Ge2Te6 sont étudiées. Des défauts d’empilement ont été mis en lumière et expliquent l’impact sur le libre parcours moyen des phonons. L’ensemble des composés dont les propriétés thermoélectriques ont été étudiées présentent des conductivités thermiques faibles, bien en deçà du W.m-1.K-1 dans de nombreux cas. Des ZTs de 0,18 à 673 K et 0,43 à 773 K sont trouvées pour In2Ge2Te6 et Cr2Ge2Te6. / This work has been focused on synthetizing and characterising chalcogenide compounds. Most new, those compounds show complex structures or where disorder bring complexity. The first part of this manuscript is dedicated to the study of the new single-cristalline Ba0.5Cr5Se8 and of the related polycristalline solid-solution BaxCr5Se8 (0.5 ≤ x ≤ 0.55). This compound is part of the pseudo-hollandite family. Its cristalline structure has been resolved by means of single-crystal X-ray diffraction, a lowering of symetryis observed compared to usual pseudo-hollandites. All antiferromagnetic, the compounds exhibit a transition at 58 K, the magnetic structure has been resolved using neutron diffraction on polycrystal and is twice the cristalline one along b and c. Thermoelectric properties of the compounds have been studied and a maximum ZT of 0.12 is observed at 800 K for Ba0.5Cr5Se8. The second section has first focused on a similar structure to the previous one, TlIn5Se8. Although too resistive to be interesting, two new compounds have been studied: TlIn4.8Cr0.2Se8 and Tl0.98In13.12Se16.3Te2.7. The latter quaternary exhibits static disorder on specific crystallographic sites. The last chapter highlights compounds from the lamellar compound MnPSe3 family, with the particularity to possess P2 pairs. The structure of the new In2Ge2Te6 has been resolved and thermoelectric properties of the InSiTe3, Cr2Si2Te6, Cr2Ge2Te6 and In2Ge2Te6 have been studied. Stacking faults were observed in In2Ge2Te6 and explain the impact on the phonon mean free path. All the compounds whose thermoelectric properties have been studied exhibit low thermal conductivity, below 1 W.m-1.K-1 for most of them. ZTs of 0.18 at 673 K and 0.43 at 773 K were found for In2Ge2Te6 and Cr2Ge2Te6.

L’objectif de ce travail est de caractériser l’interaction entre le Lanréotide – un octapeptide dicationique – et des membranes composées de lipides. Bien que ce peptide soit très soluble, il possède des propriétés d’autoassemblage. Au-delà d’une concentration critique – qui est sensible à la température et à la force ionique – ce peptide s’auto-assemble en nanotubes dont la structure a été résolue par l’équipe. Ce travail de thèse comporte deux volets : d’une part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes anioniques, d’autre part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes neutres.Nous adoptons une approche structurale afin de caractériser les mélanges membrane-peptide : diffusion de rayons X, spectroscopie infrarouge (ATR-FTIR), microscopie électronique (coloration négative et cryofracture) ; ainsi qu’une approche quantitative (ultrafiltration et dosage) afin de déterminer la stœchiométrie des interactions. En présence de lipides anioniques, le Lanréotide interagit en totalité avec les membranes jusqu’à les saturer. Cette interaction, qui n’est pas abolie à forte force ionique (2M de NaCl ou de phosphate), provoque un autoassemblage du peptide à la surface des membranes. Ce phénomène génère des autoassemblages mixtes constitués d’un empilement de bicouches de peptide prises en sandwich entre des bicouches de lipides. Ces empilements s’enroulent selon une spirale d’Archimède, c’est-à-dire une spirale régulière dont le pas est constant. Dans ces assemblages mixtes le peptide est organisé dans un nouveau mode d’assemblage dont la structure est ici résolue.Dans le cas des mélanges membranes neutre-Lanréotide, un coefficient de partage du peptide entre l’eau et les lipides est mis en évidence. Ceci suggère que dans ces conditions le peptide peut traverser les membranes. Enfin l’interaction du Lanréotide avec ces membranes provoque une diminution de sa concentration critique d’assemblage. / The aim of this work is to characterize the interaction between the Lanreotide – a dicationic octapeptide – and membranes composed of lipids. Even if the peptide is very soluble, it has self-assembling properties. Above the critical concentration – which is sensitive to both temperature and ionic strength – the peptide self-assembles into nanotubes whose structure has been solved by the team. The present work is divided into two parts: on one side the study of the interaction of the Lanreotide with anionic membranes, on the other one the study of the interaction of the Lanreotide with neutral membranes.We adopted a structural approach to characterize the membrane-peptide mixture: X-ray scattering, vibrational spectroscopy (ATR-FTIR), electron microscopy (negative staining and freeze-fracture) ; we also used a quantitative approach (ultrafiltration and peptide quantification) in order to determine the stoichiometry of the interaction. In the presence of anionic lipids, the peptide interacts with membranes until its saturation. This interaction, which is not abolished at high ionic strength (2M NaCl or phosphate), induces the self-assembly of the peptide at the surface of the membrane. This phenomenon generates mixed self-assemblies composed of a stack of peptide bilayers sandwiched by lipids bilayers. These stacks wrap into an Archimedian spiral which is a regular spiral with a constant step. In these mixed assemblies, the peptide is organized in a new architecture compared to the self-assemble nanotubes. This new structure has been characterized and solved in this study.In the case of neutral membrane-Lanreotide mixture, the peptide partitions between water and lipids. This observation suggests that in this condition the peptide is able to cross the membranes. The peptide-membrane interaction also decreases the critical concentration of the peptide.

L’utilisation de réseaux optiques dans la géométrie de diffraction conique a connu ces dernières décennies un essor remarquable dans les domaines UV et X grâce à ses propriétés particulières: absence de l’écrantage derrière les traits du réseau aux incidences rasantes, faible dispersion angulaire limitant l’étirement temporel, efficacité de diffraction élevée. Son usage s’est imposé pour la monochromatisation d’impulsions ultra-brèves. C’est aussi l’une des deux options retenues par la Nasa pour le spectrographe à réseau de l’Observatoire à rayon X de la future mission Lynx. Ce travail de thèse contribue au développement de méthodes numériques pour modéliser les effets de diffraction par des réseaux dans une géométrie encore peu étudiée sous cet aspect. La complexité de cette étude réside dans le couplage inhérent entre les deux états fondamentaux de polarisation. Du point de vue numérique, il impose un calcul ‘’vectoriel’’, là où, en géométrie classique des calculs scalaires suffisent. Notre travail s’est appuyé sur les méthodes numériques de calcul de diffraction par des structures périodiques déjà développées dans le cadre de la géométrie classique. Ces méthodes sont basées sur la théorie différentielle, qui consiste à propager une série d’ondes planes au travers de la zone modulée. La méthode différentielle employée est complétée par l’usage de l’algorithme de propagation de la matrice réflectivité. On contourne ainsi certains problèmes de convergence. Dans la partie théorique de ce travail, ces algorithmes sont étendus pour s’adapter aux cas de géométrie oblique. Sur cette base théorique, nous avons pu développer un code de calcul, nommé COROX, fonctionnant dans toutes les géométries d’utilisation. Un certain nombre de réseau types ont été étudiés, tant en géométrie oblique que classique, pour mettre en évidence, non seulement les efficacités de diffraction mais encore les effets de polarisation, (paramètres de Stokes et matrice de Müller) ainsi que les phases spectrales. Des propriétés intéressantes ont été remarquées, comme l’existence d’une composante circulaire non négligeable diffractée par réseau lamellaire quand l’onde incidente polarisée à 45° par rapport au plan du réseau. Le comportement de la phase spectrale est également une donnée significative pour une future gestion d’impulsions ultra-brèves. Des mesures de diffraction ont été effectuées sur la ligne Métrologie du Synchrotron SOLEIL, sur un réseau blazé de 150 traits/mm. Un accord raisonnable entre efficacités mesurées et calculées est constaté si l’on tient compte de la forte rugosité du réseau étudié. / The conical geometry of optical grating diffraction has been suggested and studied, in the last 10 years, for cutting edge applications in the VUV and X-ray domains, due to its specific properties such as: absence of screen inside the grating grooves at grazing incidence, low angular dispersion which limits the temporal spread of short pulses, very high diffraction efficiencies. It has been accepted as the first choice technology for VUV short pulses monochromatization. It is also one of the two options selected by NASA, for the grating spectrograph of the future X-ray Observatory of the Lynx mission. This thesis reports our contribution to the development of numerical methods in order to model the effects of diffraction by optical gratings in this still little studied geometry. This study is made more complex by an inherent coupling between the two fundamental polarization modes. From the numerical aspect, it requires performing “vectorial” computations, whereas, in a classical diffraction geometry, scalar computations are sufficient. Our work is based on numerical methods already developed for modeling optical diffraction by periodic structures in the framework of classical geometry. These methods are using on the differential theory, whose main concept is propagating a set of plane waves throughout the modulated area. We use the differential method together with an algorithm of reflectivity matrix propagation. It overcomes some of the convergence issues. In the theoretical part of this work, reflectivity matrix algorithms are extended to the case of oblique geometry. On these theoretical grounds, we developed a computation code, named COROX, which can be applied in any geometry. A number of typical grating cases have been studied, both in the conical and of le classical one. The output is not only the diffraction efficiencies, but also the polarization properties (Stokes parameters, Müller matrix), as well as the spectral phases. Interesting properties have been noticed, such as the presence of a non-negligible circularly polarized component diffracted from a lamellar grating when the incident wave is linearly polarized at 45° from the grating plane. The spectral phase behavior is also a significant data for an eventual shape tayloring of ultrashort pulses. Diffraction efficiency measurements have been performed on the Metrology beamline of Synchrotron SOLEIL, using a 150 lines/mm blazed grating as a test object. A reasonable agreement between measured and computed efficiencies has been obtained, provided that the rather high roughness of this grating is taken into account.

Ce manuscrit a pour sujet principal la diffraction par rayons X des matériaux ondes de densité de charges (ODC). Nous avons étudié le cristal quasi-1D NbSe3 ainsi que le quasi-2D TbTe3. Plusieurs grands instruments ont été utilisés pour cette étude, le synchrotron ESRF de Grenoble sur la ligne ID01 ainsi que le laser à électron libre LCLS à Stanford. Premièrement, grâce à la cohérence du faisceau X à LCLS, nous avons pu observer une perte de cohérence transverse dans NbSe3 lors de l’application d’un courant électrique au-dessus d’un certain seuil ainsi qu’une compression longitudinale de l’ODC. Ensuite, à l’ESRF, nous avons utilisé un faisceau X focalisé au micromètre par une Fresnel zone plate pour scanner l’ODC localement par diffraction sur NbSe3 puis ensuite sur TbTe3. Lorsqu’un courant est appliqué sur l’échantillon, nous avons observé une déformation transverse indiquant que l’ODC est bloquée au niveau de la surface de l’échantillon dans NbSe3. Dans le cas de TbTe3, l’ODC tourne sous courant présentant un cycle d’hystérésis lorsque le courant passe continument de positif à négatif. Nous avons aussi pu constater dans plusieurs régions, toujours pour TbTe3, la création de défauts d’irradiation localisés induisant une compression-dilatation de l’ODC. Dans une dernière partie théorique, nous montrons comment la théorie du transport électrique de l’ODC par un train de solitons portants chacun une charge ainsi que la prise en compte du blocage de l’ODC sur la surface de l’échantillon que nous avons vu expérimentalement permet de comprendre plusieurs mesures de résistivité en fonction des dimensions de l’échantillon trouvées dans la littérature. Nous présentons ensuite plusieurs idées pour expliquer du blocage de l’ODC sur les surfaces au niveau microscopique et proposons l’hypothèse d’une ODC commensurable en surface (et incommensurable dans le volume). / The main subject of this manuscript is the X-ray diffraction of charge density wave (CDW) materials. We studied the quasi-1D NbSe3 crystal and the quasi-2D TbTe3. Several large instruments facilities were used for this study, the ESRF synchrotron in Grenoble on the ID01 line and the LCLS free electron laser in Stanford. First, thanks to the coherence of the X-beam at LCLS, we were able to observe a loss of transverse coherence in NbSe3 when applying an electrical current above a certain threshold as well as a longitudinal compression of the CDW. Then, at the ESRF, we used an X-ray beam focused on the micrometer scale by a Fresnel zone plate to scan the CDW locally by diffraction on NbSe3 and on TbTe3. When a current is applied to the sample, we observed a transverse deformation indicating that the CDW is pinned on the sample surface in NbSe3. In the case of TbTe3, the CDW rotates under current showing a hysteresis cycle when one is continuously changing from positive to negative current. We have also observed in several regions, in TbTe3, the creation of localized irradiation defects inducing a compression-dilation of the CDW. In a last theoretical part, we show how the theory of electric transport in the CDW state by a train of charged solitons, as well as taking into account the CDW pinning on the surface of the sample that we have seen experimentally, allows us to understand several resistivity measurements, found in the literature, made on samples with different dimensions. Finally, we present several ideas for an explanation of the CDW pinning at the surfaces on a microscopic level and propose the hypothesis of a commensurate CDW on the surface (and incommensurate in volume).

L’utilisation de la mousse en récupération assistée du pétrole (Enhanced Oil Recovery, EOR) présente un avantage indéniable par rapport à l’injection du gaz seul pour pallier les problèmes de ségrégation gravitaire et de digitations visqueuses. Son utilisation systématique en ingénierie du réservoir nécessite des connaissances plus approfondies sur son comportement en milieu poreux. La littérature montre deux types d’approches expérimentales basées soit sur des études pétrophysiques effectuées sur des systèmes poreux 3D et basées sur des mesures de pressions intégrées sur l’ensemble du milieu poreux, soit sur des études micro-fluidiques qui permettent une visualisation directe de l’écoulement mais qui sont limitées à des systèmes modèles dans des géométries à 1 ou 2 dimensions. L’objectif de cette thèse est de faire le pont entre ces deux approches. La stratégie proposée consiste à caractériser in situ l’écoulement de la mousse dans des milieux poreux 3D à différentes échelles, en utilisant des techniques complémentaires permettant d’accéder à une large gamme de résolutions spatiale et temporelle. Un environnement instrumenté donnant accès aux mesures pétro-physiques classiques a été développé puis couplé à différentes cellules d’observation conçues spécifiquement pour chaque instrument de caractérisation. Dans un premier temps, un scanner X a été utilisé pour décrire et visualiser les écoulements de la mousse à l’échelle de la carotte. La rhéologie de la mousse à cette échelle a pu être étudiée en fonction des conditions d’injections comme la vitesse interstitielle du gaz et la qualité de mousse. Dans un deuxième temps, la technique de diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) a permis de sonder la texture de la mousse en écoulement sur trois ordres de grandeurs en taille. Des informations in situ sur la texture de la mousse en écoulement (taille et densité des bulles et des lamelles) ont pu être mesurées pour différentes qualités de mousse puis en fonction de la distance au point d’injection. Une comparaison avec les caractéristiques géométriques du milieu poreux a également été effectuée. Dans un troisième temps, la micro-tomographie X rapide haute résolution sur Synchrotron a été utilisée pour visualiser la mousse en écoulement à l’échelle du pore. Cette technique a permis de confirmer de visu certaines caractéristiques de la mousse mesurées par SANS et de décrire en sus les effets d’intermittence du piégeage de la mousse. Cette étude constitue une étape importante de la caractérisation multi-échelle de l’écoulement des mousses en milieux poreux 3D et apporte des éléments de réponse à certaines hypothèses admises. / Foam has long been used as a mobility control agent in Enhanced Oil Recovery (EOR) processes to enhance sweep efficiency and overcome gravity segregation, viscous fingering and gas channeling, which are gas-related problems when the latter is injected alone in the reservoir. However, the systematic use of foam in reservoir engineering requires more in-depth knowledge of its dynamics in porous media. The literature shows two types of experimental approaches based either on petrophysical studies carried out on 3D porous systems and based on pressure measurements, or on microfluidic studies that allow direct visualization of foam flow but are limited to 1D or 2D model systems. The research investigated in this thesis aims to bridge the gap between these two approaches. The proposed strategy is to characterize in situ the foam flow in 3D porous media with techniques providing a wide range of temporal and spatial resolutions. A coreflood setup giving access to classical petro-physical measurements was developed and then coupled to different observation cells designed specifically for each characterization instrument. First, an X-ray CT scanner was used to describe and visualize the foam flow at the core scale. The rheological behavior of foam on this scale was studied as a function of the injection conditions such as gas velocity and foam quality. Secondly, Small Angle Neutron Scattering (SANS) was used to probe the foam structure in situ during the flow, on a wide length scale, up to three orders of magnitude in size. In situ foam texture (size and density of bubbles and lamellae) was measured for different foam qualities and at different propagation distances from the injection point. A comparison to the geometric characteristics of the porous medium was also realized. Thirdly, High Resolution Fast X-ray Micro-tomography on a Synchrotron was used to visualize the foam flow at the pore scale. This allowed to confirm visually some foam characteristics measured with SANS and to investigate on local intermittent gas trapping and mobilization. This study is an important step in the multi-scale characterization of foam flow in 3D porous media and provides some answers to certain generally accepted assumptions.

Les minéraux argileux sont omniprésents à la surface de la Terre. Leur forme plaquettaire et leur taille le plus souvent (sub)micrométrique en font des composants influençant, entre autres, la perméabilité et la capacité d’échange ionique des sols et des roches. L’étude des milieux poreux argileux est ainsi d’importance notamment pour l’exploitation et la préservation de ressources naturelles, le suivi de polluants ou encore le stockage de CO2. Si les propriétés physico-chimiques des surfaces argileuses contrôlent les processus d’adsorption-désorption de l’eau et des ions, la porosité et l’anisotropie du réseau poral gouvernent les processus de diffusion au sein des milieux poreux argileux. Dans ce contexte, le travail présenté dans ce mémoire de thèse se focalise sur la caractérisation de l’orientation des particules argileuses, et son influence sur l’anisotropie des propriétés de diffusion de l’eau dans le réseau poral. Une première partie de ce manuscrit regroupe des analyses systématiques de l’organisation des particules argileuses dans des milieux poreux modèles et naturels variés. Tout d’abord, une étude de milieux poreux modèles simulés et expérimentaux composés de disques sédimentés, monodisperses en taille, a mis en évidence une relation simple entre l’anisotropie d’orientation des particules et l’anisotropie de la phase porale. Puis, une étude de l’orientation préférentielle des particules argileuses dans des milieux poreux expérimentaux composés de minéraux argileux purs a été réalisée pour des compositions minéralogiques et des modes de dépôt variés. Une généralisation de la description des fonctions de distribution d’orientation des particules argileuses a été proposée et appliquée avec succès à trois milieux poreux naturels. Ces résultats visent ainsi à faciliter la prise en compte de l’orientation préférentielle des particules argileuses dans la description géométrique des milieux poreux argileux. La seconde partie de ce mémoire de thèse tente de faire le lien entre l’anisotropie de la phase solide, telle que décrite précédemment par l’orientation préférentielle des particules, et les prédictions de diffusion de l’eau dans ces milieux poreux argileux. Une première étude couplant des simulations numériques et des mesures expérimentales a été réalisée pour des milieux de kaolinite ayant des anisotropies contrastées, tout autre paramètre égal par ailleurs (porosité du milieu, taille et forme des particules). Les résultats montrent une évolution d’un facteur 2 du coefficient de diffusion de l’eau dans la direction longitudinale par rapport à l’axe de compaction et une évolution de l’anisotropie de diffusion d’une valeur de 1 (isotrope) à environ 5 (le plus anisotrope mesuré). Des mesures complémentaires ont ensuite permis d’établir une loi d’Archie modifiée prédisant le coefficient de diffusion de l’eau à partir du couple porosité/orientation des particules pour une gamme de porosité de 30 à 60%. Ces résultats visent à faciliter la prise en compte de l’orientation des particules argileuses dans les modèles de diffusion macroscopique de l’eau. En parallèle, l’influence d’un gradient de salinité et les rôles des porosités interfoliaire et interparticulaire sur la dynamique de l’eau et des ions Na+ et Cl- au sein de milieux de vermiculites (milieu chargé à double porosité) ont été analysés pour des organisations de particules connues. / Clay minerals are ubiquitous at the surface of the Earth and can influence, among other properties, the permeability and the ionic exchange properties of soils and rocks due to their platy shape and their most often (sub)micrometric size. Thus, studying clay porous media is of prime importance for different research fields such as: the exploitation and conservation of natural resources, the tracking of pollutants or CO2 storage. While the physicochemical properties of the surface of clay minerals control the adsorption-desorption mechanisms of water and ions, it is the porosity and the anisotropy of the poral network that govern diffusion phenomenon within clay porous media. In this respect, the work presented in the following doctoral thesis focuses on the characterization of clay particle orientation and its influence on anisotropic diffusion properties of water in the associated pores. A first part of this manuscript gathers systematic structural analyses of various model and natural samples. One study presents the analyze of experimental and simulated stackings made from sedimented discs with a unique particle size. Results underlined a simple correlation between the particle orientation anisotropy and the poral network anisotropy. Then, an other study was performed on experimental media made of pure clay minerals for various mineralogical compositions and various preparation methods. Based on this data, a reference function was proposed to describe the experimental orientation distribution functions and was successfully applied to three natural porous media. These results aim to facilitate and improve the description of the preferential orientation of clay particles as part of a geometrical characterization of clay porous media. A second part of this manuscript try to describe the link between the anisotropy of the solid phase, previously characterize by the particle orientation, and the prediction of water diffusion coefficients in these clay porous media. A study using both simulated and experimental media was performed on kaolinite porous media presenting contrasted anisotropy and with all other parameters held equal (porosity of the medium, size and shape of particles). Results show a variation of water diffusion coefficients with a factor 2 in the longitudinal direction, compared to the compaction axis, and an anisotropic diffusive ratio varying from 1 (isotropic) to almost 5 (most anisotropic medium analyzed). Then, complementary measures allowed establishing a modified version of Archie’s law that predicts water diffusion coefficients from the porosity/particle orientation couple for a range of porosity of 30-60%. These results aim to improve the description of the orientational anisotropy of clay particles in macroscopic diffusion models of water. Simultaneously, the influence of a salinity gradient and the roles of interparticular and interfoliar porosities are discussed for the diffusion of water, Na+, and Cl- within vermiculite media (charged media with double porosity) for known structural organizations.

Les résidus textiles archéologiques de l’Orient ancien sont rares. En Mésopotamie, la plupart des connaissances sur les textiles proviennent de textes cunéiformes. Fabriqués à partir de fibres animales ou végétales, les textiles sont périssables dans la plupart des environnements archéologiques. Un des principaux processus de préservation exceptionnelle de fibres archéologiques implique le contact avec un artefact métallique, ce phénomène est appelé « minéralisation ». Très peu de travaux ont été consacrés à l’étude approfondie des processus de minéralisation des textiles cellulosiques. Ce travail de doctorat a consisté à étudier à multi-échelles l’interaction entre substrat métallique à base cuivre et textile ancien, à partir d’échantillons provenant des sites archéologiques de Tello, de Nausharo et de Gonur-Depe (3e et 2e millénaire av. J.-C.). Le travail a permis de mettre en place une nouvelle méthodologie d’imagerie par microtomographie synchrotron de rayons X semi-quantitative afin de décrire la composition de ces systèmes complexes, hétérogènes et réactifs en 3d. Ces développements nous ont permis d’approfondir la description archéologique de ces textiles et de leur contexte d’enfouissement, en relation avec la question de leur production et de leur usage passés. Nous avons enfin abordé la description du système hybride fibres–produits de corrosion et la présence de signatures organiques dans ces systèmes hybrides altérés en vue de décrire les mécanismes à l’origine de leur conservation exceptionnelle. / Archaeological textile remains from the ancient East are rare. In Mesopotamia, most of the knowledge about textiles comes from cuneiform texts. Made from animal or vegetable fibres, textiles are perishable in most archaeological environments. One of the main processes of exceptional preservation of archaeological fibres involves contact with a metallic artefact, this phenomenon is called "mineralization". Very little work has been done on the in-depth study of the mineralization processes of cellulosic textiles. This PhD work consisted of a multi-scale study of the interaction between copper-base substrate and ancient textiles, based on samples from the archaeological sites of Tello, Nausharo and Gonur-Depe (3rd and 2nd millennium BC). The work made it possible to implement a new imaging methodology using synchrotron-based semi-quantitative X-ray microtomography to describe the composition of these complex, heterogeneous and reactive systems in 3d. These developments have allowed us to deepen the archaeological description of these textiles and their burial context in relation to the question of their production and use in past times. Finally, we discussed the description of the hybrid system of fibre-corrosion product and the presence of organic signatures in these altered hybrid systems in order to describe the mechanisms underlying their exceptional conservation.

Les matériaux à Onde de Densité de Charge (ODC) ont été très étudiés durant les années 80 pour leurs propriétés de transport remarquables. Pourtant il reste plusieurs questions sans réponse. L’utilisation de nouvelles techniques expérimentales permet de répondre à certaines de ces questions. Après avoir présenté les principes de base de la Diffraction Cohérente des Rayons X (DCRX), nous montrons, en prenant comme exemple l’étude des boucles de dislocation dans le silicium, comment cette technique expérimentale permet de sonder les défauts de phase présents dans les cristaux.Nous poursuivons par des expériences sur les composés NbSe3 et K0.3MoO3 qui se trouvent être des systèmes canoniques pour l’étude des ODC. Nous montrons notamment grâce à la DCRX l’influence des défauts dans le glissement d’une ODC dans le composé NbSe3.Pour finir nous présentons des expériences sur la coexistence entre les ODC et onde de densité de spin dans le Chrome ainsi que la coexistence des ODC et de la supraconductivité dans le composé NbSe2. Ces expériences préliminaires laissent à penser que la supraconductivité augmente la cohérence de l’ODC et que la transition de spin flip, présente dans le Chrome, a des effets sur l’ODC. / Charge Density Wave (CDW) compounds have been extensively studied during the 80s for their remarkable transport properties. Yet, there are still many unanswered questions. The use of new experimental techniques can address some of these issues.After presenting the basic principles of Coherent X-ray diffraction (CXRD), we show, using as an example the study of dislocation loops in silicon, how this experimental technique allows probing phase faults present in crystals.We continue with studies on CDW in the canonical compounds NbSe3 and K0.3MoO3. We study with DCRX the influence of defects in the sliding of a CDW in the compound NbSe3.Finally we present experiments on coexistence between CDW and spin density wave in Chromium and the coexistence of CDW and superconductivity in the compound NbSe2. These preliminary experiments suggest that superconductivity increases the coherence of CDW and that the spin-flip transition, present in Chromium, has effects on CDW.

Ce travail de thèse s’est attaché à investiguer, d’une part, le mécanisme d’érosion interne par suffusion dans les ouvrages hydrauliques en terre, et d’autre part, les conséquences qu’il pourrait avoir sur le comportement mécanique du sol, l’objectif principal étant d’améliorer notre compréhension de ce processus et du comportement des sols érodés. La démarche adoptée est principalement expérimentale, réalisée à différentes échelles : du macroscopique, à l’échelle du matériau, au microscopique, à l’échelle des grains constitutifs. A l’échelle macroscopique, des essais de suffusion ont été réalisés sur des échantillons de sol à l’aide d’un nouveau dispositif d’essai d’érosion, appelé perméamètre de suffusion, développé dans le cadre de cette thèse. Après érosion dans le perméamètre, les échantillons érodés sont transférés par une procédure de congélation / décongélation dans un dispositif d’essai triaxial afin d’étudier leur comportement sous chargement mécanique. Les résultats obtenus à cette échelle ont permis de donner un aperçu général du mécanisme de suffusion et de mettre en évidence son impact sur les propriétés de résistance au cisaillement du sol. A l’échelle microscopique, une analyse fine a pu être menée en réalisant un essai de suffusion des mesures in-operando de tomographie à rayons X et de la visualisation locale par techniques optiques sur un sol artificiel. La caractérisation du sol à cette échelle microstructurale a permis de mieux comprendre le processus de suffusion, notamment en mettant en évidence l’apparition et le développement de fortes hétérogénéités qui semblent avoir une influence importante sur la réponse mécanique des sols érodés / This thesis work has investigated, on the one hand, the mechanism of internal erosion by suffusion in earthen hydraulic structures, and, on the other hand, the consequences suffusion can cause on the mechanical behavior of soils, the main objective being to improve our understanding of both the suffusion process and the behavior of eroded soils. The approach adopted was mainly experimental, by a multi-scale scope: from macroscopic, at the material scale, to microscopic, at the grain scale. At the macroscopic scale, suffusion experiments were performed on gap-graded cohesionless soil samples using a newly developed testing device, called the suffusion permeameter. Then, the eroded samples are transferred by a freeze/thaw procedure to a triaxial device to study their behavior under mechanical loading. The achieved results provide a general overview of the suffusion mechanism at the sample scale and highlight its impact on soil shear resistance properties. At the microscopic scale, the suffusion mechanism has been studied by performing a suffusion test with in-operando x-ray tomography and using local visualization based on optical techniques in an artificial soil. Subsequent grain-scale analysis has provided a deeper understanding of suffusion process through the characterization of the eroded soil microstructure, particularly highlighting the occurrence and development of strong heterogeneities, which appear to play a key role in the macroscopic mechanical behavior of eroded soils