Spectral computed tomography with energy-resolving detectors has a potential to improve the detectability of images and correspondingly reduce the radiation dose to patients by extracting and properly using the energy information in the broad x-ray spectrum. A silicon photon-counting detector has been developed for spectral CT and it has successfully solved the problem of high photon flux in clinical CT applications by adopting the segmented detector structure and operating the detector in edge-on geometry. The detector was evaluated by both the simulation and measurements. The effects of energy loss and charge sharing on the energy response of this segmented silicon strip detector with different pixel sizes were investigated by Monte Carlo simulation and a comparison to pixelated CdTe detectors is presented. The validity of spherical approximations of initial charge cloud shape in silicon detectors was evaluated and a more accurate statistical model has been proposed. A photon-counting energy-resolving application specific integrated circuit (ASIC) developed for spectral CT was characterized extensively by electrical pulses, pulsed laser and real x-ray photons from both the synchrotron and an x-ray tube. It has been demonstrated that the ASIC performs as designed. A noise level of 1.09 keV RMS has been measured and a threshold dispersion of 0.89 keV RMS has been determined. The count rate performance of the ASIC in terms of count loss and energy resolution was evaluated by real x-rays and promising results have been obtained. The segmented silicon strip detector was evaluated using synchrotron radiation. An energy resolution of 16.1% has been determined with 22 keV photons in the lowest flux limit, which deteriorates to 21.5% at an input count rate of 100 Mcps mm−2. The fraction of charge shared events has been estimated and found to be 11.1% for 22 keV and 15.3% for 30 keV. A lower fraction of charge shared events and an improved energy resolution can be expected by applying a higher bias voltage to the detector. / <p>QC 20121123</p>

La caractérisation du micro-endommagement et la compréhension de son rôle dans le métabolisme ou dans la fragilisation osseuse restent des challenges, tout particulièrement en raison de l'absence de techniques de mesures bien adaptées à son étude. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouvelles techniques non-invasives pour détecter et suivre l'accumulation de micro-endommagement osseux, en particulier celui qui se manifeste par la présence de microfissures. L'objectif de la thèse est d'évaluer la sensibilité de la spectroscopie ultrasonore non-linéaire (NRUS) à l'accumulation du micro-endommagement osseux. La sensibilité et la reproductibilité de la technique NRUS ont tout d'abord été optimisées. Puis, deux groupes d'échantillons d'os cortical ont été prélevés sur des diaphyses fémorales humaines. Les spécimens du premier groupe ont été endommagés progressivement par fatigue en flexion 4-points. Le second groupe a subi un test de ténacité pour initier et propager de manière contrôlée une fissure unique. Nos résultats montrent que la non-linéarité mesurée des échantillons fatigués et fissurés augmente de manière significative après les étapes de fatigue ou le test de ténacité. De plus, nous observons une corrélation significative entre la variation relative du paramètre non-linéaire et l'augmentation de la densité de petites fissures (évaluée par microtomographie par rayonnement synchrotron). Enfin, le niveau de non-linéarité des spécimens fissurés est significativement corrélé à la longueur totale de la fissure. Ces résultats suggèrent que la technique NRUS optimisée est sensible à l'accumulation du micro-endommagement osseux.

Cette thèse présente les résultats de travaux de recherche d'une part concernant les réactions en phase gazeuse de petites molécules à des températures extrêmes et d'autre part portant sur la photophysique de nanoparticules de carbone. Les résultats obtenus, au moyen d'une combinaison de méthodes sophistiquées, sont d'intérêt pour la combustion et les milieux astrophysiques. Les coefficients de vitesse des réactions à hautes températures (300-1116K) entre le radical cyanure CN avec deux hydrocarbures (C₂H₄ et C₂H₆) ont été mesurés à l'aide d'un nouvel prototype d'étude de réaction à haute température en phase gazeuse: le réacteur à haute température couplé à la technique PLP-LIF (Pulsed Laser Photolysis-Laser Induced Fluorescence). Ces réactions se sont montrées rapides et révélant une barrière d'énergie. Le préalable à l'étude de la cinétique de ces réactions est la détermination de la température rotationnelle de l'écoulement par spectroscopie du radical CN et l'étude de sa relaxation vibrationnelle par des calculs semi-empiriques. Comme deuxième expérience, on s'est intéressé à la réaction d'attachement électronique à basse température (39-170K) sur la molécule POCl₃ au moyen du dispositif CRESU (Cinétique de réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme). Le coefficient d'attachement électronique de cette réaction a été déterminé montrant une faible dépendance de la température du gaz. On a aussi montré l'inversion des voies de sortie, dissociative et non dissociative, aux alentours de la température T=170K mettant en jeux deux produits ioniques majoritaires. La dernière partie de la thèse expose notre perspective de recherche pour étudier la photophysique de nanoparticules de carbones produites par combustion. On a pu mettre en œuvre un système de production de nanoparticules de suie à l'aide d'un brûleur. Cette expérience consiste à sonder l'interaction de celles-ci avec des rayons X mous (1eV-1keV) par détection de photoélectrons et spectrométrie de masse à temps de vol.

La diffraction des rayons X est une technique non destructive fréquemment utilisée en sciences des matériaux pour déterminer les contraintes résiduelles à une échelle macroscopique. Du fait de la complexité croissante des nouveaux matériaux et de leurs applications, il devient nécessaire de connaître l'état de déformation / contrainte à une échelle plus petite. Dans ce sens, un outil expérimental appelé microdiffraction Kossel a été développé au sein d'un microscope électronique à balayage. Il permet de déterminer l'orientation cristallographique et les déformations / contraintes avec une résolution spatiale de plusieurs micromètres. Des analyses ont aussi été réalisées avec un rayonnement synchrotron. Une méthodologie expérimentale a été développée de manière à optimiser l'acquisition des clichés et leur post-traitement. La procédure de détermination des contraintes a été validée en comparant les états de contrainte de monocristaux sous chargement mécanique in situ, obtenus en microdiffraction Kossel et avec des techniques de diffraction classiques. La microdiffraction Kossel a ensuite été appliquée à des matériaux polycristallins en diminuant progressivement la taille des grains analysés. Des hétérogénéités intergranulaires assez marquées ont par exemple été mesurées sur un acier IF. Des mesures ont enfin été réalisées sur des couches minces représentatives des composants de la microélectronique.

Diffraction Enhanced Imaging (DEI) is an X-ray imaging technique providing specific information about the molecular structure of a tissue by means of coherently scattered photons. A Controlled Drift Detector (CDD) is a novel 2D silicon imager developed to be used in X-ray imaging techniques. In this work a final (complete and detailed) analysis of DEI data taken with the CDD in the ELETTRA synchrotron light source facility in Trieste (Italy) in 2005, is presented and the applicability of both this new technique and the novel detector are discussed.

Les métalloprotéines contenant des centres Fe-S jouent un rôle important dans la<br />nature car elles sont impliquées dans des fonctions physiologiques essentielles telles que la<br />photosynthèse, la respiration et la fixation de l'azote.<br />Dans cette thèse, une ferrédoxine impliquée dans la biogenèse des centres Fe-S, et une<br />dioxygenase bactérienne jouant un rôle crucial dans la biodegradation des hydrocarbures<br />aromatiques ont fait l'objet d‘analyses structurales par cristallographie aux rayons X. La<br />structure d'une ferrédoxine de la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus, a été<br />résolue dans les états oxyde et réduit. De petits changements structuraux ont été observes lors de la réduction, notamment au voisinage du centre [2Fe-2S]. Ces changements sont compares a ceux décrits pour des ferrédoxines de structure similaire mais de fonction différente.<br />Une métalloprotéine plus complexe, appartenant a une grande famille de dioxygenases<br />bactériennes, a été étudiée pour son activité d'oxydation des hydrocarbures aromatiques<br />polycycliques (HAP). Cette enzyme a trois composantes, isolée d'une souche de<br />Sphingomonas dégradant les HAP comprend une oxydoréductase a NAD(P)H, une<br />ferrédoxine a centre [2Fe-2S], et composante oxygenase de six sous-unités assemblées en un hexamère de type α3β3. La composante oxygenase, appelée PhnI, contient une centre [2Fe-2S] de type Rieske et un ion ferreux par sous-unité α, qui ont été identifies par leur signature RPE. L'enzyme est douée d'une spécificité du substrat extrêmement large, puisqu'elle est capable d'hydroxyle toute une gamme de HAP fait de 2 a 5 cycles aromatiques, y compris des cancérogènes comme le benz[a]anthracene et le benzo[a]pyrene. Avec le naphtalène comme substrat, des mesures de cinétique ont montre que cette enzyme a un Km bas (0.92 WM) et une constante de spécificité de 2.0 WM-1. s-1. La proteine Phn1 a été cristallisée, et sa structure 3D a été résolue avec une résolution de 1.85 A. En dépit d'une modeste similitude de séquence avec des dioxygenases homologues, le repliement polypeptidique est très semblable.<br />Des différences ont toutefois été observées au niveau de la poche catalytique.<br />Les protéines sous forme cristallisée, notamment les protéines Fe-S, peuvent subir des<br />dommages dus au rayonnement X synchrotron, causant des artefacts lors de la détermination<br />de la structure. Pour essayer de palier cet inconvénient, des rayons X de très haute énergie (55 keV; 0.22 A), qui sont peu absorbes par les protéines, ont été utilises pour résoudre la<br />structure d'une proteine modèle, le lysozyme. Une structure a été établie pour la première fois<br />par cette approche, en utilisant les phases expérimentales obtenues par différentes méthodes.<br />Les applications potentielles en biologie structurale sont discutées.

Les gliomes de haut grade sont des tumeurs cérébrales très agressives. Des techniques particulières combinant l'ajout éléments lourds dans la tumeur à une irradiation avec des rayons X d'énergie inférieure à 100 keV ont été proposées en utilisant une source de type synchrotron. Pour la préparation d'essais cliniques, l'utilisation de systèmes de planification de traitement doit être envisagée de même que la mise en place de protocoles de dosimétrie adaptés. Les objectifs de cette thèse étaient de (1) mettre en place une interface de calcul dosimétrique utilisant un code Monte-Carlo généraliste du transport des particules et (2) proposer une méthode expérimentale de vérification de la dose en volume. L'outil de calcul développé fait appel au code MCNPX pour l'évaluation de la dose dans une géométrie voxélisée à partir des images tomographiques d'un échantillon. Par ailleurs, la répartition volumique de la dose a été évaluée à l'aide d'un gel polymère radiosensible. Les résultats de ces expériences se sont avérés proches des valeurs calculées.

Magma-crust interaction in magma reservoirs and conduits is a crucial process during magma evolution and ascent. This interaction is recorded by crustal xenoliths that frequently show partial melting, inflation and disintegration textures. Frothy xenoliths are widespread in volcanic deposits from all types of geological settings and indicate crustal gas liberation. To unravel the observed phenomena of frothy xenolith formation we experimentally simulated the behaviour of crustal lithologies in volcanic conduits. We subjected various sedimentary lithologies to elevated temperature (maximum 916 °C) and pressure (maximum 160 MPa) in closed-system autoclaves. Experimental conditions were held constant between 24h and 5 days. Controlled decompression to atmospheric pressure then simulated xenolith ascent. Pressure release was a function of temperature decline in our setup. Temperature lapse rate proceeded exponentially; the mean rate during the first 30 minutes was 17.8 ˚C/min and the mean decompression rate during the same interval was 3.0 MPa/min, eventually reaching room temperature after approximately 5.5 hours of slow cooling. The experimental products have been analysed for internal textures by synchrotron X-ray μ-CT at a resolution of 3.4 – 9 microns/pixel. This method permits visualisation and quantification of vesicle volumes, -networks and-connectivity in 3D without destroying the sample. Experimental products closely reproduced textures of natural frothy xenoliths in 3D and define anevolutionary sequence from partial melting to gas exsolution and bubble nucleation that eventually leads to the development of three-dimensional bubble networks. Experimental P-T-t conditions and especially rock lithology proved decisive for degassing behaviour and ensuing bubble nucleation during decompression. Progressive bubble nucleation leads to subsequent bubble coalescence to form interconnected bubble networks. This, in turn, enables efficient gas liberation and release. Our results attest to significant potential of even very common crustal rock types to release volatiles and develop interconnected bubble networks upon heating and decompression in magmatic systems. Crustal volatile input from xenoliths affects magma rheology and may drive magmas to sudden explosive eruptions. Our experiments offer insight into the mechanism of how such crustal volatile liberation is accomplished.

Most urinary tract infections in humans and dogs are caused by uropathogenic strains of , and increasing antimicrobial resistance among these pathogens has created a need for a novel approach to therapy. Bacterial iron uptake and metabolism are potential targets for novel antimicrobial therapy, as iron is a limiting factor in . growth during infection. As a trivalent metal of similar atomic size to iron (III), gallium can interact with a wide variety of biomolecules that normally contain or interact with iron. Gallium compounds disrupt bacterial iron metabolism, are known to accumulate at sites of infection and inflammation in mammals, exert antimicrobial activity against multiple bacterial pathogens in vitro, and may be good candidates as novel antimicrobial drugs. We assessed the suitability of orally administered gallium maltolate as a potential new antimicrobial therapy for urinary tract infections by evaluating its distribution into the bladder, its activity against uropathogenic . in vitro, and its pharmacokinetics and efficacy in a mouse cystitis model. Using a novel application of synchrotron-based analytical methods, we confirmed the distribution of gallium to the bladder mucosa and characterized the relationship between iron and gallium distribution in the bladder. In vitro experiments with human and canine uropathogenic . isolates demonstrated that gallium maltolate exerts antimicrobial effects in a time-dependent, bacteriostatic manner. Minimum inhibitory concentrations ranged from 0.144 µmol/mL to >9.20 µmol/mL with a median of 1.15 µmol/mL. Isolates resistant to ampicillin, ciprofloxacin, or with decreased susceptibility to cephalothin were susceptible to the antimicrobial activity of gallium maltolate, suggesting that resistance to conventional antimicrobials does not predict resistance to gallium maltolate. Pharmacokinetic studies in healthy mice and in a mouse model of urinary tract infection confirmed that gallium is absorbed into systemic circulation after oral administration of gallium maltolate. Gallium is slowly eliminated from the body, with a trend toward longer terminal half-lives in blood and bladder for infected mice relative to healthy mice. This study did not reveal any statistically significant effect of infection status on maximum blood gallium concentrations (4.46 nmol/mL, 95% confidence interval 2.75 nmol/mL – 6.18 nmol/mL and 4.80 nmol/mL, 95% confidence interval 2.53 nmol/mL – 7.06 nmol/mL in healthy and infected mice, respectively) or total gallium exposure in blood and kidney as represented by area under the concentration vs. time curves. Gallium exposure in the bladder was significantly greater for mice with urinary tract infections than for healthy mice. The investigation of gallium distribution within tissues represented a novel application of synchrotron-based analytical techniques to antimicrobial pharmacokinetics. Prior to analysing tissue samples, a library of x-ray absorption spectra was assembled for gallium compounds in both the hard and soft x-ray ranges. The suitability of hard x-ray fluorescence imaging and scanning and transmission x-ray microscopy for localizing and speciating trace elements in tissues was subsequently assessed. Of these methods, only hard x-ray microprobe analysis was well-suited to the analysis and was successfully used for this application. This approach confirmed that gallium arrives at the bladder mucosa after oral administration of gallium maltolate. Furthermore, comparison of iron and gallium distribution within the bladder mucosa indicated that these elements are similarly but not identically distributed and that they do not significantly inhibit one another’s distribution. This finding suggests that gallium may be distributed in part via pathways that do not involve iron. Despite the favorable distribution characteristics of gallium and the persistence of gallium in target tissues following the oral administration of gallium maltolate, its efficacy in a mouse model of urinary tract infection was disappointing. In this study, no statistically significant difference was detected between gallium maltolate, ciprofloxacin and sham treatments in their ability to eliminate bacteria in the urinary tracts. The failure of ciprofloxacin treatment to render bladder tissue culture-negative for an organism that is classified as ciprofloxacin-susceptible in vitro is consistent with observations from other research groups. The similar lack of efficacy observed for gallium maltolate may be related to the large gap between minimum inhibitory concentrations observed in vitro and gallium concentrations observed in tissues from treated mice, but may also be related to the small study size if the effect size of gallium maltolate treatment is small. Given the magnitude of the difference between tissue concentrations and minimum inhibitory concentrations, it may not be possible to increase the dose sufficiently to achieve therapeutic concentrations without causing toxicity. While the results of these experiments suggest that orally administered gallium maltolate may not be a reasonable antimicrobial drug candidate for treating urinary tract infections caused by uropathogenic . , it may be useful for other applications. Other bacterial pathogens may be more susceptible to the antimicrobial effects of gallium maltolate, and local or topical administration could produce much higher concentrations than we observed following oral administration. Continued development of the synchrotron-based analytical techniques used in these experiments could provide new and important opportunities to investigate antimicrobial distribution and metabolism within cells and tissues, particularly for metal-based drugs.

Ces travaux de thèse rentrent dans le cadre de l'étude de la dynamique ultra rapide de l'aimantation. Tout d'abord sont présentés des aspects théoriques, puis les aspects expérimentaux de ces expériences. Pour ce faire, nous avons étudié la réponse d'alliages ferrimagnétiques à composition variables à l'aide d'un dispositif de mesure d'effet Kerr résolu en temps, puis dans une seconde partie, la dynamique de l'aimantation et de la bande de valence du gadolinium épitaxié sur tungstène. Dans ce cadre rentre une étude de l'oxydation de ce matériau, limitant dans le temps les études approfondies. Pour finir, il est mis l'accent sur un phénomène contraignant lors des études de dynamique électronique en photoémission, l'effet de charge-espace. Ceci a pour effet de générer des photoélectrons à partir de métaux, à l'aide d'un processus multiphotonique. Nous proposons dans cette partie un modèle théorique expliquant ce phénomène.Ces travaux sont inscrits dans le cadre du développement du synchrotron SOLEIL, pour permettre le développement du FEMTOSLICING, qui permettra prochainement de mesurer des dynamiques rapides résolues en éléments, à une résolution de l'ordre de la centaine de femtosecondes.