La tomographie au synchrotron

Il existe différentes sources synchrotrons dans le monde et celles utilisées durant ces travaux sont les suivantes :

- Le synchrotron Soleil proche de Paris, avec la ligne d‟imagerie Psiché (Source Optimisé de Lumière d‟Energie Intermédiaire de LURE).

- Le synchrotron SLS (Swiss Light Source) au centre PSI (Paul Scherrer Institut) de Villigen en Suisse, avec la ligne de lumière pour l‟imagerie Tomcat.

- Le synchrotron BESSY II au centre HZB (Helmholtz Zentrum Berlin) à Berlin, avec la ligne EDDI pour les mesures en diffraction et imagerie.

- Le « European Synchrotron Radiation Facility » (ESRF) de Grenoble, avec la ligne de nano imagerie ID16B.

Les différentes caractéristiques de ces sources sont listées à titre informatif dans le tableau II.3 ci-dessous, et le détail des protocoles expérimentaux est exposé ci-après. La valeur notée (*) correspond aux projections suite aux différentes améliorations apportées sur la ligne Psiché.

Source RX Energie (keV) Résolution Δx (µm) Résolution temporelle max (s) Monochromacité ΔE/E Brillance Soleil Psiché [14] 15-100 0,2-100 5 – 0,5 ^(*) ±10^-2 ~10¹⁹ SLS Tomcat [15] 8-45 0,16-11 0,05 [16] ±10^-2 ~10¹⁹ EDDI BESSY II [17] 6-120 2-11 1 - ~10¹⁰ ESRF ID16B [18] 6-65 0,025-1 7 ±10^-3 ~10²¹ RX Solution, EasyTom [19] 10-20 0,25-400 ~120 ±10^-1 <10⁸

Tableau II.3 : Comparaison des sources RX utilisées synchrotron et laboratoire  Mesures in situ

De façon assez similaire au protocole expérimental présenté dans le paragraphe I.4.1, la cellule en PFA (cf. Fig. II.12.b) est disposée sur une tige en hauteur, fixée par un mors au niveau de la platine de rotation. Des fils de connections sont soudés à chaque extrémité de la batterie. Le fil du dessus est maintenu par un système de pince-poulie suspendu au plafond afin d‟éviter tout passage de celui-ci devant le faisceau et toute tension parasite qui entraînerait des mouvements de la cellule. Les photos de la figure II.16 présentent le montage expérimental sur la ligne Tomcat (a, b) et Psiché (c, d). Le potentiostat est placé dans la chambre de mesure qui est fermée durant le fonctionnement des RX. Il est contrôlé depuis l‟extérieur par un ordinateur relié par Ethernet.

Psiché- Les mesures XRCT sont réalisées en exposant la batterie à un faisceau monochromatique de 25 keV (I = 500 mA) et un flux de 10¹³ ph s^-1. Pour chaque scan enregistré durant l‟expérience in situ 1500 projections sont prises avec un temps d‟exposition de 45 ms tout au long des 180° de rotation de l‟échantillon. 21 images de référence et blancs sont acquis au cours du scan. Le temps total d‟acquisition est d‟approximativement 1 min. Les reconstructions sont effectuées en utilisant l‟algorithme de Paganin, avec un ratio delta sur beta de ~25 [22]. Les tomogrammes reconstruits sont redécoupés en des volumes de 943×943×208 µm³ en 32-bit avec une taille de voxel isotrope de 0,65 µm.

Tomcat- Sur cette ligne le faisceau est monochromatique avec une énergie de 20 keV (I = 400 mA) et un flux de 10¹⁴ ph s^-1. Tout au long des 180° de rotation de l‟échantillon, 1001 projections 2D sont enregistrées avec un temps d‟exposition de 700 ms. De plus, 21 images de références et 11 blancs sont acquis en continu durant le scan, ce qui fait un temps total d‟acquisition de ~17 min. Les reconstructions sont effectuées sur le site même de SLS, grâce à une interface ImageJ

[24] et à un algorithme de type Paganin basé sur les méthodes de Fourier avec un ratio delta sur

beta de ~180 [25]. Des volumes 3D de 293×293×137 µm³ (après redimensionnement) et avec une taille de voxel isotrope de 0,163 µm sont obtenus en 32-bit [26, 27].

ID16B- Sur la ligne de lumière pour la nano imagerie ID16B de l‟ESRF [20], la technique d‟holotomographie [21] a été utilisée de la même façon que pour les observations ex situ. Un faisceau conique et monochromatique d‟énergie 17,5 keV et de flux de 1012

ph s^-1 est envoyé sur l‟échantillon. 1499 projections, 20 références et 21 blancs sont enregistrés suivant quatre distances échantillon-détecteur sur un détecteur de type PCO caméra (2560×2160 pixels) pour 360° de rotation et 300 ms de temps d‟exposition par projection. Le temps important de mesure dans le cadre de l‟holotomographie éloigne cette technique de vraies conditions de mesure in situ. C‟est pour cela qu‟une stratégie de « binning » a été employée au niveau du détecteur, permettant de regrouper par deux les pixels de celui-ci. Ainsi, le flux reçu par pixel et par unité de temps est multiplié par quatre, divisant en conséquence le temps d‟exposition théoriquement nécessaire par quatre. Un temps total d‟acquisition de ~24 min est obtenu, contre ~97 min sans « binning ». Ces conditions sont plus représentatives d‟un suivi in situ, au détriment d‟une légère perte de résolution. Les reconstructions se font en deux temps, avec dans un premier temps l‟obtention de la phase à partir d‟un script développé sous Octave et d‟une approche de type Paganin [22] (delta sur beta ~25) ; et ensuite la reconstruction par rétroprojection filtrée suivant le programme PyHST2 de l‟ESRF [23]. Après reconstruction, des volumes de 256×256×108µm3 en 32-bit avec une taille de voxel de 200 nm sont obtenus. Comme dans ce cas précis, la cellule a besoin d‟être déplacée le long de l‟axe de propagation des RX, une stratégie différente a été employée en plaçant un bras articulé (cf. Fig. II.17) au-dessus de la platine de rotation. Lors du déplacement de l‟ensemble de la plateforme, aucun fils ne vient tirer ou déplacer la cellule électrochimique, évitant ainsi toute vibration parasite (cf. Fig. II.18). Les fils électriques sont reliés à une fiche connectique sur le support du bras articulé et sont reliés de l‟autre côté au potentiostat pour éviter toute déconnexion éventuelle lors des scans.

Figure II.16: Montage expérimental de tomographie RX sur (a), (b) Tomcat SLS et (c), (d) sur Psiché, Soleil

Figure II.18: Montage pour XRCT in situ sur ID16B (ESRF)