Différentes techniques d'imagerie par contraste de phase des rayons X ont été récemment développées. Contrairement aux méthodes conventionnelles, qui mesurent les propriétés d'absorption des tissus, ces techniques donnent aussi le contraste du déphasage introduit par l'échantillon. Puisque le changement dans la phase peut être important même quand les différences en atténuation sont faibles ou absentes, le contraste d'image obtenable peut être considérablement augmenté, notamment pour les tissus mous biologiques. Ces méthodes sont donc très prometteuses pour une application dans le domaine médical. Cette Thèse a le but de contribuer à une compréhension plus profonde de ces techniques, en particulier la propagation-based imaging (PBI), la analyzer-based imaging (ABI) et la grating interferometry (GIFM), et d'étudier leur potentiel et la meilleure implémentation pratique pour les applications médicales. Une partie importante de cette Thèse est dédiée à l'utilisation d'algorithmes mathématiques pour l'extraction, à partir des images acquises, d'informations quantitatives (absorption, réfraction et diffusion) concernant l'échantillon. En particulier, cinq parmi les algorithmes les plus connus pour la technique ABI sont analysés théoriquement et comparés expérimentalement, dans les modalités planaire et tomographique, en utilisant des fantômes et des échantillons de tissu mammaire et d'os-cartilage. Une méthode semi-quantitative pour l'acquisition et la reconstruction d'images tomographiques dans les techniques ABI et GIFM est aussi proposée. Les conditions de validité sont analysées en détail et la méthode, permettant une simplification considérable de l'implémentation pratique, est vérifiée expérimentalement sur des fantômes et des échantillons humains. Enfin, une comparaison théorique et expérimentale des techniques PBI, ABI et GIFM est présentée. Les avantages et les désavantages de chacune des techniques sont mis en évidence. Les résultats obtenus par cette analyse peuvent être très utiles pour déterminer quelle technique est la plus adaptée à une application donnée. / Several X-ray phase-contrast techniques have recently been developed. Unlike conventional X-ray methods, which measure the absorption properties of the tissues, these techniques derive contrast also from the modulation of the phase produced by the sample. Since the phase shift can be significant even for small details characterized by weak or absent absorption, the achievable image contrast can be greatly increased, notably for the soft biological tissues. These methods are therefore very promising for applications in the medical domain. The aim of this Thesis is to contribute to a deeper understanding of these techniques, in particular propagation-based imaging (PBI), analyzer-based imaging (ABI) and grating interferometry (GIFM), and to study their potential and the best practical implementation for medical imaging applications. An important part of this Thesis is dedicated to the use of mathematical algorithms for the extraction, from the acquired images, of quantitative sample information (the absorption, refraction and scattering sample properties). In particular, five among the most known algorithms based on the geometrical optics approximation have been theoretically analysed and experimentally compared, in planar and tomographic modalities, by using geometrical phantoms and human bone-cartilage and breast samples. A semi-quantitative method for the acquisition and reconstruction of tomographic images in the ABI and GIFM techniques has also been proposed. The validity conditions are analyzed in detail and the method, enabling a considerable simplification of the imaging procedure, is experimentally verified on phantoms and human samples. Finally, a theoretical and experimental comparison of the PBI, ABI and GIFM techniques is presented. The advantages and drawbacks of each of these techniques are discussed. The results obtained from this analysis can be very useful for determining the most adapted technique for a given application.

Depuis la découverte des rayons X par Röntgen, l'imagerie radiographique utilise le contraste d'absorption. Cette technique est efficace uniquement si les objets à étudier sont suffisamment absorbants. C'est pour cela qu'on peut détecter une lésion osseuse avec une radiographie, mais pas une lésion ligamentaire.Toutefois, l'imagerie par contraste de phase peut permettre de surmonter cette limite. Depuis les années 2000, s'appuyant sur des travaux similaires existant en optique visible, les scientifiques des rayons X essayent de mettre au point des dispositifs sensibles au contraste de phase et compatibles avec des applications industrielles comme l'imagerie médicale ou le contrôle non-destructif. Néanmoins, les architectures classiques des interféromètres sont très difficiles à mettre en place dans les rayons X durs, et sont trop contraignantes pour être transférables vers l'industrie. C'est pourquoi des dispositifs utilisant des réseaux de diffraction ont été les plus développés. Ils ont permis d'obtenir les premières images de radiographie par contraste de phase sur des humains vivants.Mais les architectures proposées aujourd'hui utilisent plusieurs réseaux et son contraignantes pour les industriels. C'est pourquoi j'ai développé au cours de ma thèse un système n'utilisant qu'un unique réseau de phase. J'ai montré qu'un tel dispositif peut générer des interférogrammes achromatiques et invariants par propagation. Ce dispositif a permis d'effectuer des mesures de contraste de phase quantitatives sur un fossile biologique, ainsi que des mesures métrologiques sur des miroirs plans sensibles aux rayons X. / Since Röntgen discovered X-rays, X-ray imaging systems are based on absorption contrast. This technique is inefficient for weakly absorbing objects. As a result, X-ray standard radiography can detect bones lesions, but cannot detect ligament lesions.However, phase contrast imaging can overcome this limitation. Since the years 2000, relying on former works of opticians, X-ray scientists are developing phase sensitive devices compatible with industrial applications such as medical imaging or non destructive control.Standard architectures for interferometry are challenging to implement in the X-ray domain.This is the reason why grating based interferometers became the most promising devices to envision industrial applications. They provided the first x-ray phase contrast images of living human samples.Nevertheless, actual grating based architectures require the use of at least two gratings, and are challenging to adapt on an industrial product. So, the aim of my thesis was to develop a single phase grating interferometer. I demonstrated that such a device can provide achromatic and propagation invariant interference patterns. I used this interferometer to perform quantitative phase contrast imaging of a biological fossil sample and x-ray flat mirror metrology.

Le stratum corneum (SC), couche supérieure de l’épiderme, est composé principalement de cornéocytes entourés d’une matrice lipidique. Cette structure particulière confère au SC son rôle de barrière et protège l’organisme de la perte en eau, de la pénétration de substances exogènes et de l’irradiation ultra-violette (UV). La matrice lipidique du SC est constituée de trois lipides majeurs : les céramides, les acides gras et le cholestérol organisés en phase cristalline. Cette matrice est la principale voie de pénétration des molécules exogènes à travers la peau. L’estimation de l’absorption cutanée pour l’analyse du risque des produits cosmétiques est basée sur les recommandations de l’Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE) qui prend en compte les propriétés physicochimiques des molécules i.e. Log Pow (lipophilie) et MW (masse moléculaire). En effet, l’OCDE considère une absorption de 100% pour une molécule ayant une MW inférieure à 500g/mol et un Log Pow compris en -1 et +4. En dehors de ces valeurs, l’OCDE applique une estimation de 10%. Hors, cette estimation est bien souvent loin de la réalité et a besoin d’être affinée. Notre travail s’est focalisé sur le développement d’un critère d’évaluation de la pénétration cutanée afin de moduler les données de l’OCDE par trois approches différentes : chromatographie d’affinité, spectroscopie de fluorescence et microspectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR) avec une source synchrotron. Etant donné que les propriétés barrières de la peau sont étroitement liées à la composition en céramides du SC, les méthodes développées en chromatographie d’affinité et spectroscopie de fluorescence se sont focalisées sur l’interaction céramide-molécules. Un critère prédictif de la pénétration percutanée a été défini avec chacune de ces méthodes :  et I. La troisième méthodologie a consisté à développer un autre critère (Sindex) par microspectroscopie FTIR avec une source synchrotron. La distribution cutanée des molécules a été suivie sur coupes microtomées de biopsies humaines. A partir de Sindex, une cartographie prédictive de la pénétration percutanée des molécules a été établie. Notre design expérimental comprenait des molécules (filtres UV, conservateurs, actifs cosmétiques) avec des Log Pow et MW variés (cf annexe 1). La pénétration cutanée de ces molécules a été étudiée avec une méthode de référence : cellules de Franz couplées à la chromatographie. Ces données de référence ont servi à valider les modèles et critères prédictifs développés. Ce travail a permis d’explorer de nouvelles pistes pour l’étude prédictive de la pénétration percutanée et de développer ainsi de nouveaux critères. Utilisés en complément des propriétés physicochimiques des molécules, ces nouveaux critères permettent d’affiner l’estimation de la pénétration cutanée de molécules exogènes pour l’analyse du risque. / The stratum corneum (SC) is the upper skin layer and due to its particular composition, corneocytes embedded in a lipidic matrix, it owns a role of barrier function and protects our body against water loss, penetration of exogenous molecules and UV irradiation. Its lipidic matrix is composed of three major lipids: fatty acids, cholesterol and ceramides, organised in liquid crystalline phase. This high cohesion creates cement between corneocytes. This cement is the principal pathway taken by the exogenous molecules to penetrate the skin. Percutaneous penetration estimation of cosmetic products is today based on the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) recommendations, regarding molecules structural characteristics i.e. Log Pow (polarity) and MW (molecular weight). The OECD claims that 100% dermal absorption may be assumed if the exogenous molecule molecular mass is lower than 500 g/mol and Log Pow ranged between -1 and +4. Besides these values, a 10% coefficient is applied. This approach is sometimes far from reality. Our work focused on developing new evaluation criteria of percutaneous penetration from three different approaches: affinity chromatography, fluorescence spectroscopy and FTIR microspectroscopy with a synchrotron source in order to modulate OECD predictions. Considering that skin barrier properties are closely linked to ceramide composition and conformation within the SC, two methods were developed to study the interaction between ceramides and exogenous molecules by affinity chromatography and fluorescence spectroscopy. A predictive criterion of percutaneous penetration was developed from each of these methods:  and I. The third methodology consisted of developing a predictive criterion, Sindex, by FTIR microspectroscopy with a synchrotron source, on microtomized cuts of human skin biopsies. A predictive cartography was build from Sindex. Our experimental design included exogenous molecules (e.g. UV filters, preservatives, cosmetic actives) with various Log Pow and MW (cf annexe 1). Molecules skin penetration was studied with a Franz cell device coupled to HPLC analysis. These results served as reference data to validate our predictive models and criteria.This work permitted to set up new methods for predicting skin penetration of exogenous molecules and to develop complementary predictive criterion to Log Pow and MW. These new criterion will serve to modulate OECD predictions.

Les éléments chimiques métalliques tels que Fe, Cu ou Zn sont présents en quantité infime dans le cerveau. Le rôle de ces métaux traces dans les fonctions neuronales, telles que la transmission synaptique et les processus de mémorisation, reste encore largement à élucider. En outre, une dyshoméostasie des métaux est retrouvée dans de nombreuses neuropathologies, telles que maladie d’Alzheimer, de Parkinson ou sclérose latérale amyotrophique. Les mécanismes d’interaction des métaux traces au niveau neuronal sont difficiles à décrire faute de méthodes analytiques possédant une résolution et une sensibilité adaptées pour en déterminer la distribution à l’échelle synaptique. La spectrométrie de fluorescence-X synchrotron (SXRF) est une méthode d’analyse chimique multi-élémentaire permettant de décrire la distribution quantitative de ces éléments à l’échelle subcellulaire avec une résolution nanométrique (40 nm avec la ligne ID16A du synchrotron ESRF) et une très haute sensibilité. Afin d’interpréter avec précision les résultats d’imagerie chimique, nous avons développé un protocole pour corréler l’imagerie nano-SXRF avec la microscopie super résolutive de déplétion par émission stimulée (STED) permettant ainsi la corrélation des distributions des métaux avec celle de protéines cibles en super résolution. Nous avons marqué les microtubules et l’actine-F de neurones primaires d’hippocampe de rat puis imagé le cytosquelette par microscopie STED avant de déterminer par spectrométrie SXRF les distributions des éléments P, S, Fe, Cu et Zn. Nous avons ainsi mis en évidence la colocalisation du Zn et des microtubules au niveau dendritique ainsi qu’une localisation du Cu essentiellement dans le cou des épines dendritiques riches en F-actine, et une distribution du Fe sous forme de points très localisés dans les dendrites. Ces résultats ont révélé le rôle essentiel du Zn dans l’architecture du cytosquelette des neurones d’hippocampe et la méthode d’imagerie corrélative développée ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des dyshoméostasies des métaux dans les maladies neurodégénératives. / Metallic chemical elements such as Fe, Cu or Zn are present in minute quantities in the brain. The role of these trace metals in neuronal functions such as synaptic transmission and memory processes remains largely unclear. Moreover, metal dyshomeostasis is found in many neuropathologies, such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s or amyotrophic lateral sclerosis. The interaction mechanisms of trace metals at the neuronal level are difficult to describe because of the lack of analytical methods with appropriate resolution and sensitivity to determine metal distribution at the synaptic level. Synchrotron X-ray fluorescence spectrometry (SXRF) is a multielemental chemical analysis method for describing the quantitative distribution of these elements at the sub-cellular scale with a nanometric resolution (40 nm at ESRF beamline ID16A ) and a very high sensitivity. In order to accurately interpret chemical imaging results, we have developed a protocol to correlate nano-SXRF imaging with stimulated emission depletion super resolution microscopy (STED), allowing the correlation of metal distribution and that of target proteins in super resolution. We labeled microtubules and F-actin of primary rat hippocampal neurons and imaged the cytoskeleton by STED microscopy before determining the distributions of P, S, Fe, Cu and Zn by SXRF spectrometry. We evidenced the colocalization of Zn and microtubules at the dendritic level and a localization of Cu mainly in the neck of dendritic spines rich in F-actin, and a distribution of Fe in the form of very localized points in the dendrites. These results highlight the crucial role of Zn in cytoskeleton architecture of hippocampal neurons and the developed correlative imaging method opens new perspectives for the study of metal dyshomeostasis in neurodegenerative diseases.

La Thérapie par MicroFaisceaux (MRT) et la Thérapie Stéréotaxique par Rayonnement Synchrotron (SSRT) sont des techniques innovantes de radiothérapie expérimentale développées actuellement à l'ESRF. L'utilisation de modèles tumoraux différents pour chaque technique limite leur comparaison. <br />En MRT, sur rats porteurs de tumeur 9L, la médiane de survie des rats contrôle est doublée (de 20 jours à 40 jours) lors d'irradiation avec un espacement de 200 µm entre les microfaisceaux voire triplée (67 jours) à 100 µm d'espacement (mais provoquant alors d'importantes lésions du tissu sain). L'influence importante du collimateur multifentes, a également été démontrée. La combinaison de diverses drogues avec la technique de MRT a été testée. Des résultats prometteurs (médiane de survie de 40 jours et 30% de survivants à long terme) sont obtenus en injectant du gadolinium en intracérébral avant une irradiation MRT en faisceaux croisés à 460 Gy. De plus, l'irradiation MRT de tumeurs à stade plus précoce permet de quadrupler la médiane de survie (79 jours) et d'obtenir 30% de survivants à long terme. La mise en place d'un ciblage de la tumeur par imagerie avant l'irradiation et l'utilisation d'un collimateur adapté permettront d'améliorer encore ces résultats. Les différences entre les deux modèles tumoraux utilisés en MRT (modèle 9L) et en SSRT (modèle F98) étant importantes des expériences comparatives MRT/SSRT ont été réalisées sur ces deux modèles. Les résultats obtenus montrent une efficacité proche des 2 techniques sur le modèle F98 et une meilleure efficacité de la MRT sur le modèle 9L. Ces résultats pourront permettre d'orienter le type tumoral adapté à chaque technique.

Die Aufklärung des kooperativen Materialtransports während des Sinterns von Metallen zielt auf eine verbesserte Vorhersage und theoretische Beschreibung des Sinterprozesses ab. Dem kooperativen Materialtransport wird in der Literatur ein signifikanter Beitrag zur Gesamtschwindung zugeschrieben. Lose oder gepresste Pulverschüttungen weisen unter Wärmebehandlung eine Volumenabnahme auf. Neben der Zentrumsannäherung und dem Wachstum der Sinterkontakte rührt diese Schwindung von spannungsbedingten Relativbewegungen der Partikel in Form von Translationen und insbesondere von Rotationen her. Die Sinterprozesse wurden bereits seit den 1940er Jahren für Zwei-Teilchen-Modelle, sowie für 1- und 2-dimensionale Versuchsanordnungen ausführlichen Analysen unterzogen. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich aber nur bedingt auf 3-dimensionale Proben übertragen. Berechnungen der Gesamtschwindung basieren auf dem Zwei-Teilchen-Modell auf und berücksichtigen den kooperativen Materialtransport nur in unzureichendem Maße, so dass eine Diskrepanz zwischen berechneter und an realen Sinterkörpern beobachteter Schwindung auftritt. In dieser Arbeit wurde der kooperative Materialtransport im Sinteranfangsstadium (bis 1050°C) am Modellsystem Kupfer mittels Synchrotron-Computertomographie an 3-dimensionalen Proben untersucht. Die Tomographie bietet als erste Methode die Möglichkeit, Partikelbewegungen in 3-dimensionalen Proben über mehrere Sinterschritte hinweg zerstörungsfrei zu untersuchen und quantitative Daten zu erhalten. Auf diese Weise konnten die Bewegungen eines jeden Partikels in-situ über den Sinterverlauf verfolgt werden. Zur Bestimmung der Orientierungsänderung der sphärischen Partikel war es notwendig, die Partikel mittels Focused Ion Beam mit Markierungen zu versehen. Die Detektion und Auswertung der Partikelbewegung erfolgte über eine eigens entwickelte Analysesoftware basierend auf photogrammetrischen Methoden. Diese Software erlaubt es, Aussagen über Rotationsgeschwindigkeit und Rotationswinkel der Partikel sowie über die Dichte, Zentrumsannäherung, Änderung der Koordinationszahl und Gesamtgröße zu treffen. Neben der bereits in der Literatur dargestellten Rotation der Partikel in Bezug auf dessen Kontaktpartner konnte zusätzlich eine Eigenrotation um den eigenen Schwerpunkt festgestellt werden. Es wurde ein neues Modell entwickelt, das neben Diffusionsmechanismen auch Korngrenzengleiten zulässt und damit Eigenrotationen ermöglicht. / The investigation of the cooperative material transport of metals during sintering aims to improve the theoretical descriptions of the sintering process. In literature the cooperative material transport is ascribed to have a significant contribution to the total shrinkage. Loose or pressed powder packed beds show a volume shrinkage during heat treatment. This shrinkage is caused by centre approach and the growth of sintering necks but also results of particle movements like translations and particularly rotations. The sintering process was investigated in detail since the 1940’s on the basis of the two particle model as well as on 1- and 2- dimensional test arrangements. The obtained data can be transferred to 3-dimensional specimens only to a limited extent. Calculations of the total shrinkage are based on the two particle model and do hardly consider the cooperative material transport. That is why there is a difference between calculated and measured shrinkage in real sinter compacts. In this study the cooperative material transport was investigated in the initial sintering stage (up to 1050°C) in the model system copper. These measurements were conducted on 3-dimensional samples using synchrotron computed tomography. Tomography offers for the first time the opportunity to investigate particle movements in 3-dimensional samples non-destructively during several sintering steps to obtain quantitative data. Using this method it was possible to track the particle movements during the sintering process in-situ. To determine orientation rearrangements of spherical particles it was necessary to mark each particle by focused ion beam with a borehole. The detection and analysis of particle movements was carried out by custom image analysis software using photogrammetric methods. This software is able to determine the rotation speed and angle of particles, the local density, the centre approach, the change of the coordination number and the total size of a specimen. Beside the in literature described particle rotation in relation to contact partners an additional intrinsic rotation around the centre of mass of a particle was discovered. A new model was developed which permits not only diffusion mechanisms but also grain boundary sliding and therefore allows intrinsic rotations.

Le travail effectué dans le cadre de cette thèse porte sur l'étude d'un atténuateur de rayonnement X à gaz et du plasma produit à l'intérieur. Un atténuateur à gaz est composé d'une chambre remplie du gaz, généralement argon ou krypton à quelques centaines de millibars, qui absorbe la partie de basse énergie d'un spectre de rayonnement X de synchrotron, en réduisant la puissance reçu par les éléments optiques en aval sans affecter les propriétés de la partie de haute énergie du spectre. L'absorption des photons crée une région de gaz chaud et ionisé autour du parcours du faisceau X, en réduisant la densité du gaz localement. A détaillé bilan énergétique entre tous les processus impliqués c'est nécessaire pour être capable de prédire l'absorption et opérer et dessiner atténuateurs a gaz efficacement. Un modèle hybride que combine techniques de modélisation Monte Carlo et fluides à été développé pour déterminer le bilan énergétique et simuler l'absorption de rayonnement X. Le modèle a été valide expérimentalement pas études incluant absorption de puissance, spectroscopie optique d'émission et spectroscopie d'absorption par laser à diodes. Les résultats des simulation et expériences montre un plasma confiné autour du parcours du faisceau X, recombinant dans le volume de gaz et avec une température maximale de plusieurs centaines de Kelvin. Le modèle a été capable de prédire l'absorption de rayons X avec un erreur de entre 10 et 20%, qui permettre son utilisation comme première approximation pour le dessin et opération de atténuateurs a gaz et aussi comme point de partie pour modèles plus affinées. / The work done in the context of this thesis focuses in the study of an X-ray gas attenuator and the plasma produced within. An X-ray gas attenuator consists on a vessel filled with gas, usually argon or krypton at a few hundreds millibars, that absorbs the low energy fraction of a synchrotron X-ray spectrum, reducing the power received by downstream optical elements without affecting the properties of the high energy part of the spectrum. The absorption of the photons creates a region of hot, ionized gas around the X-ray beam path, decreasing locally the gas density. A detailed energy balance between all the involved processes is required to be able to predict the absorption and operate and design gas attenuators efficiently. A hybrid model combining Monte Carlo and fluid modelling techniques has been developed to determine the energy balance and simulate the X-ray absorption. The model has been validated by experimental studies including power absorption, optical emission spectroscopy and tunable laser absorption spectroscopy. The results of both simulation and experiments show a plasma confined around the X-ray beam path, recombining in the bulk of the gas and with a maximum temperature of several hundreds of Kelvin. The model was able to predict the X-ray absorption within a 10-20% of error, which allows its use as a first approximation for the design and operation of gas attenuators, and also provides a starting point for more refined models.

Le contexte de cette thèse est l'étude de la cohérence partielle dans les faisceaux synchrotron produits par les anneaux de stockage de basse émittance, comme l’ESRF-EBS. L'objectif principal est la compréhension et l'application de la physique sous-jacente pour l'implémentation et le développement d'outils de calcul.Nous développons d’abord une théorie de l'optique-statistique pour les radiations émisses par des anneaux de stockage qui est basée sur le théorème de Kim et sur les contributions de Geloni et al. Nous utilisons ces formules d'une manière détaillée et légèrement différente. Nous insistons sur l'importance des paramètres stochastiques des faisceaux d'électrons pour décrire les propriétés de cohérence. Nous observerons que la longueur du paquet des électrons n’affecte pas les propriétés de la cohérence s’il y a un couplage faible entre la position longitudinal de l’électron et ses autres paramètres.Nous avons construit une description de l'optique statistique pour l’émission synchrotron liée aux modes de cohérence. Nous voyons qu'un ensemble est complètement cohérent si et seulement si ses modes de cohérences se réduisent a un seul mode. Geloni et al. mentionnent que l’émission d’un synchrotron est un processus stochastique gaussien. Nous ajoutons qu’il a une moyenne nulle et il est symétrique circulaire. En conséquence nous pouvons donner une interprétation physique au degré de cohérence spectrale en termes de densité de probabilité conditionnée de forme gaussienne.Nous avons développé et implémenté un algorithme qui calcule la décomposition de la densité spectrale en modes de cohérences. Il peut être appliqué à un faisceau d'électrons avec un paramètre Twiss-alpha fini et une dispersion d’énergie. Nous avons implémenté deux versions de l'algorithme. La première résout l'équation de Fredholm dans une base de fonctions constantes par morceaux. Les calculs pour les hautes harmoniques d'un onduleur et pour des émittances relativement larges demandent une trop grande mémoire pour être calculées. Pour réduire la mémoire requise, nous avons développé une méthode en deux pas. On résout d'abord l'équation pour un faisceau d'électron de divergence nulle, puis on ajoute les effets de la divergence dans un second temps.Nous présentons des tests approfondis qui incluent une distribution des électrons du type fonction delta, des champs électriques gaussiens dont les résultats analytiques sont connus, ainsi qu'une comparaison avec des résultats Monte Carlo produits par SRW.Nous appliquons cet algorithme sur un nombre de cas particuliers. Nous déterminons combien de modes sont nécessaires pour inclure 95% de la densité spectrale et comment le degré de cohérence spectrale change. Nous trouvons que la dispersion d'énergie ajoute des modes de cohérence. Cet effet est négligeable pour des anneaux courants mais pour l’ESRF-EBS elle ajoute des nouveaux modes. Des onduleurs plus courts et des plus hautes harmoniques augmentent le nombre de modes. Une comparaison entre un onduleur placée dans un point avec alpha fini et dans un point symétrique ne montre pas de différences significative. Une réduction artificielle de l’émittance du anneau ESRF-EBS montre un décroit du nombre de mode jusqu’à arriver à un seul mode.Nous avons simulé une ligne de lumière simplifiée focalisant 1:1. Une réduction de la taille de l'ouverture change les valeurs propres du spectre vers des modes de plus en plus petits ce qui entraine aussi une réduction du flux. Nous présentons une comparaison entre la densité spectrale calculée avec l’approximation Gauss-Shell, l’approximation analytique et l’approximation de la séparation. Bien qu'il n'y a pas d'erreurs négligeables entre le calcul exact et l'approximation de la séparation, nous concluons que cette dernière peut être une bonne et rapide solution permettant des calculs sur des ordinateur portables.Nous terminons cette thèse par une discussion/des idées sur de futures recherches. / The context of this thesis is the study of the partial coherence in synchrotron beams produced by ultra low emittance storage rings, like the ESRF-EBS ring under construction. As main objectives we had the understanding, application and development of the underlying physics and the implementation of computer tools able to calculate the relevant parameters.In the first part of this thesis we develop a theory for statistical optics for storage ring radiation. It is based on the brightness convolution theorem by Kim and on the subtle but very important theoretical contributions from Geloni et al. We derive their formulas in a slightly different way or in more a detailed form.We emphasize the importance of the description of the electron beam stochastic for the coherence properties of storage ring emission. We observe that for weak coupling of the longitudinal electron position to the other beam parameters the bunch length is a free parameter in view of coherence properties.We build our description of statistical optics around coherent modes. We show that an ensemble is completely coherent if and only if its coherent mode decomposition is a single mode. Geloni et al. mentioned that the synchrotron storage ring emission is a Gaussian random process. We add that the process has zero mean and is circularly-symmetric. In consequence we can give the spectral degree of coherence a physical interpretation in terms of Gaussian shaped conditional probability densities.We developed and implemented an algorithm that calculates the coherent mode decomposition of the cross spectral density for a given wavelength. It can be applied to electron beams with finite Twiss alpha and with energy spread. We implemented two algorithms. The first version solves the Fredholm equation in a two-dimensional step function basis set. Because of its memory requirements high undulator harmonics or current lattices with high emittances cannot be calculated. To reduce the memory requirements we developed the two-step method that solves the problem first for an electron beam with zero divergence and adds the effects of the divergence in a second step. The algorithms use the eigensolver library SLEPc. The implementations of the algorithms are open source.We present extensive tests of the algorithms. They include a delta-function shaped electron beam, a Gaussian single electron reference electric field, whose results are analytically known, and comparisons to SRW Monte Carlo samplings.We apply the algorithm to some particular cases. We determine how many modes are necessary to incorporate 95% of the spectral density and how the spectral degree of coherence changes. We find that the energy spread adds extra coherent modes. This effect is negligible for current lattices but for the ESRF-EBS lattice it accounts for a significant fraction of the total modes. Shorter undulators and higher harmonics increase the number of modes. A comparison between an undulator placed at a point with finite alpha and at a symmetry point shows no significant differences. A reduction of the ESRF-EBS beam parameters show a decrease of the mode numbers until they reach a single mode. We simulate a simple 1:1 imaging beamline with an aperture in the image plane. A reduction of the aperture size changes the eigenvalue spectrum to fewer and fewer modes that is paid with a decrease of flux. We present a comparison of the calculated cross spectral density with a Gaussian Schell-model, an analytic approximation and a separation approximation. Although there are not negligible errors between the exact calculation and the separation approximation we come to the conclusions that the separation approximation might be a good and quick approximation that allows the calculation on portable computers.We end the thesis with some ideas for future research.

Le traitement des gliomes de haut grade constitue aujourd'hui encore un réel enjeu médical. Les techniques actuellement disponibles sont principalement palliatives et permettent d'augmenter la survie des patients de quelques mois seulement. Une technique innovante de radiothérapie consiste à renforcer la dose déposée dans la tumeur grâce à l'injection d'atomes lourds de manière spécifique dans celle-ci au préalable d'une irradiation de photons de basse énergie (50-100 keV). Cette technique a fait l'objet d'essais précliniques et maintenant d'essais cliniques de phases I et II sur la ligne médicale du synchrotron Européen dont le rayonnement monochromatique et intense est particulièrement adapté pour l'application. L'utilisation d'un agent de contraste (AC) iodé (Z=53) injecté par voie veineuse permet d'améliorer le bénéfice de la radiothérapie mais n'est cependant pas suffisante pour l'élimination complète de la tumeur. En effet, l'accumulation passive d'atomes lourds dans la tumeur n'est pas assez importante et le caractère extracellulaire d'un AC ne maximise pas l'efficacité biologique de l'irradiation. Les nanoparticules (NPs) métalliques apparaissent comme un moyen efficace pour repousser ces limites. Dans le cadre de cette thèse, des études ont été conduites sur la lignée cellulaire de gliome F98 afin de caractériser la toxicité et l'internalisation de trois types de nanoparticules différents : nanoparticules de gadolinium (GdNPs 3 nm), d'or (AuNPs 13 nm) et de platine (PtNPs 6 nm). La survie cellulaire a également été évaluée après différentes conditions d'irradiation de photons monochromatiques en présence de ces nano-objets. La dépendance de la réponse cellulaire à l'énergie du rayonnement incident ainsi qu'à la distribution subcellulaire des NPs a permis de mettre en évidence plusieurs mécanismes mis en jeu dans ce traitement. A concentration identique, les NPs diminuent la survie cellulaire de manière plus importante qu'un AC, validant ainsi l'intérêt microdosimétrique des NPs. L'effet est préférentiel à basse énergie (keV) indiquant que la photoactivation des atomes lourds est en partie responsable la réponse cellulaire. Par ailleurs, les GdNPs et les PtNPs se sont aussi montrées efficaces pour diminuer la survie cellulaire en combinaison à une irradiation à haute énergie (1.25 MeV) indiquant qu'un mécanisme de radiosensibilisation différent de la photoactivation intervient également. Les études précliniques, ont montré que le recouvrement complet de la tumeur par les NPs constitue un point clé pour garantir le bénéfice thérapeutique du traitement. Dans cette optique, une méthode de tomographie à deux énergies développée au synchrotron, a été caractérisée dans le cadre de ce travail. L'étude a permis d'imager de manière quantitative et simultanée la tumeur (mise en évidence par un AC iodé) et son recouvrement par des GdNPs (injectées par voie directe) chez le rongeur porteur d'un gliome. La correspondance entre la distribution de l'AC et la tumeur a également été étudiée à l'aide de techniques d'imagerie à haute résolution (IRM, tomographie X par contraste de phase et histologie). / Gliomas treatment is still a serious challenge in medicine. Available treatments are mainly palliative and patients' survival is increased by a few months only. An original radiotherapy technique consists in increasing the dose delivered to the tumor by loading it with high Z atoms before an irradiation with low energy X-rays (50-100 keV). Preclinical studies have been conducted using iodine contrast agent (CA) (Z=53) and 50 keV X-rays. The increase of the animals' survival leads today to the beginning of clinical trials (phases I and II) at the medical beamline of the European synchrotron, where the available monochromatic and intense photons beam is well suited for this treatment. The use of intravenously injected CA is however insufficient for curing rat's bearing glioma. Indeed, the contrast agent's accumulation is limited by the presence of the BBB and it remains extracellular. Metallic nanoparticles (NPs) appear interesting for improving the treatment efficacy. During this work, three different types of NPs have been studied: GdNPs (3 nm), AuNPs (13 nm) and PtNPs (6 nm). Their toxicity and internalization have been evaluated in vitro on F98 rodent glioma cells. Cells' survival has also been measured after different irradiation conditions in presence of these NPs and with monochromatic photons beams. Several mechanisms implicated in the treatment have been highlighted by the study of the cells' response dependence to the incident particles energy and to the sub cellular NPs distribution during irradiation. For identical concentrations, NPs were more efficient in cells killing than CA, illustrating their microdosimetric potential. The effect was also preferential for low energy X-rays, indicating that photoactivation of heavy atoms plays a role in the cells' death. GdNPs and PtNPs have also lead to an effect in combination to high energy photons (1.25 MeV), indicating that another mechanism may also increase the cell sensitivity to radiations with such NPs. Preclinical trials, performed on rats bearing F98 glioma, have shown that the complete tumor's overlap with NPs is a key point for the success of this treatment. Dual energy computed tomography (CT) has been developed at the synchrotron medical beamline and evaluated during this PhD thesis. The study has allowed quantitatively and simultaneously imaging the tumor (highlighted by iodinated CA) and the GdNPs distribution injected intracerebrally in rodents bearing glioma. The comparison between the CA distribution and the tumor's volume has also been performed using high spatial resolutions imaging methods (MRI, X-rays phase contrast tomography and histology).

Les optiques multicouches pour rayons-X sont généralement constituées de centaines de périodes de couches alternées. L'épaisseur d'une période est de quelques nanomètres. Une multicouche est souvent déposée sur un substrat de silicium avec une taille typique de 60 × 60 × (60~300) mm3. Le rapport de dimensions (~107) entre la taille de l'optique et de l'épaisseur de l'empilement est très élevé et il peut conduire à un très grand nombre d'éléments (~1016). Certains éléments spéciaux avec fonctions de couche sont disponibles dans ANSYS (de 2011), ce qui signifie que les propriétés de chaque couche peuvent être définies. Par l'utilisation des éléments nommés « layer-functioned », le modèle d'analyse thermique-structurelle a été mise en œuvre pour les optiques multicouches. Le nombre d'éléments est réduit par un facteur supérieur à 30 et le nombre effectif de sous-couches gérables par les ordinateurs actuels augmente beaucoup. Basé sur la modèle d'éléments finis de l'optique multicouche, la distribution tridimensionnelle non-uniforme de température peut être simulée avec des paramètres variables de charge thermique, de conditions de refroidissement, de propriétés des matériaux, de géométries du substrat et des films de revêtement. Les contraintes et déformations thermiques peuvent être résolues quantitativement.Des miroirs à réflexion totale et des monochromateurs multicouches refroidis à l'eau et à l'azote liquide ont été étudiés avec des paramètres typiques de charge thermique, de refroidissement et de géométrie. Les effets de refroidissement de l'optique et de la charge thermique du faisceau de rayons-X ont été décrits. Il est montré que les influences de la température sur le revêtement et la déformation sont négligeables. La contrainte dans le substrat n'est que légèrement augmentée (<0.1%). Cependant, des fortes contraintes sont induites dans les couches en raison de la différence de CTE, ce qui peut être critique pour la survie de l'optique. Pour la condition de refroidissement à l'eau, la couche est sous contrainte de compression de plusieurs dizaines de MPa, ce qui est normalement inférieur à la résistance du matériau de la couche. Pour la condition de refroidissement à l'azote liquide, cependant, une grosse contrainte de traction de plusieurs centaines de MPa apparait dans la couche lorsque l'optique est refroidie jusqu'à la température de l'azote liquide (80 K). Cette contrainte de traction peut dépasser la résistance à la traction (UTS) pour certains types de matériaux de couche. La contrainte thermique dans l'optique multicouche dépend de la différence de CTE entre le matériau de la couche et le matériau du substrat, mais elle est indépendante de la différence des CTE entre les différentes sous-couches. En principe, pour minimiser la contrainte thermique, le matériau de revêtement doit avoir un CTE proche de celle du substrat, un module de Young et un coefficient de Poisson plus petits. En outre, une grande résistance du matériau de la couche est bénéfique pour sa capacité à résister à la contrainte thermique.Pour obtenir des informations appropriées sur le comportement des multicouches sous l'influence de la charge thermique, des propriétés telles que le module de Young, le ratio entre CTE et module de Poisson des multicouches sont déterminés indirectement en mesurant la variation de la courbure due au changement de température. Des couches simples de B4C, Pd et Cr et des multicouches [Pd/B4C] d'épaisseurs de l'ordre du nanomètre sont préparées et mesurées. Les résultats expérimentaux montrent que tous les matériaux étudiés présentent un CTE et/ou un module de Young inférieur par rapport aux données dans la littérature. Cela est particulièrement vrai pour les couches minces de B4C. Par conséquent, la contrainte thermique réelle et la contrainte dans les couches de revêtement d'un miroir ou de multicouches optiques sont sensiblement plus petites que les résultats calculés avec les propriétés des matériaux massifs. / Multilayer optics for X-rays typically consists of hundreds of periods of alternating sub-layers coated on a silicon substrate. The thickness of one period of sub-layers is a few nanometers. The silicon substrate is typically a block of 60 mm large, 60 mm wide and 60 to 300 mm long. The high aspect ratio (~107) between the size of the optics and the thickness of the multilayer can lead to a very large number of elements (~1016) for the numerical simulation (by FEA). Some special layer-functioned elements have been developed recently (in 2011) in ANSYS, which means the properties of each layer can be explicitly defined. In this work, the thermal-structural analysis model has been implemented for multilayer optics by use of these layer-functioned elements. The number of meshed elements is considerably reduced by a factor of more than 30 and the number of sub-layers feasible for the present computers is increased significantly. Based on the finite element model of multilayer optics, the non-uniform three-dimensional temperature distribution can be simulated with variable heat load parameters, cooling conditions, material properties and geometries of the substrate and the coating films. The thermal stress and deformation can be solved quantitatively.Single layer coated mirrors and multilayer monochromators cooled by water or liquid-nitrogen are studied with typical parameters of heat-load, cooling, and geometry. The effects of cooling-down of the optics and the X-ray beam heat-load are described. It is shown that the influences from the coating on temperature and deformation are negligible. The stress in the substrate is only slightly increased (<0.1%). However, large layer stresses are induced due to the different thermal expansion coefficients (CTE) between the layer and substrate materials, which are the critical issues for the survival of the optics. For the water cooling condition, the layer is under compressive stress of tens of MPa which is normally less than the strength of the layer material. For the liquid-nitrogen cooling condition, however, large tensile stress of several hundreds of MPa is formed in the layer as the optics is cooled more than 200 K down to the liquid-nitrogen temperature (80K). This tensile stress can exceed the ultimate tensile strength (UTS) for some kinds of layer materials. The thermal stress in multilayer optics depends on the difference in CTE between the layer material and the substrate material, but it is independent on the CTE difference between different sub-layers. In principle, to minimize the thermal stress, the coating material should have a CTE closer to that of the substrate, smaller Young's modulus and Poisson's ratio. Moreover, a higher strength of the layer material is beneficial for its ability to withstand the thermal stress.To acquire appropriate information about the behaviour of thin multilayer films under the influence of thermal loading, material properties such as Young's modulus, Poisson's ratio and CTE, of thin multilayer films are determined indirectly by measuring the curvature change due to uniform temperature change. B4C, Pd and Cr single layers and [Pd/B4C] multilayers of thicknesses in the nanometer range are prepared and measured. The experimental results show that all of the studied materials exhibit lower CTE and/or Young's modulus than expected from bulk data in the literature. This is particularly true for the thin B4C films. Therefore, the real thermal stress and strain in the coating layers of a mirror or multilayer optics are significantly smaller than the calculated results with bulk material properties.results with bulk material properties.