Développement de la tomographie spectro-ptychographique aux rayons-X pour la caractérisation hyperspectrale 3D de catalyseurs techniques

Development of Spectro Ptychographic X-ray Computed Tomography for the 3D hyperspectral characterization of technical catalysts

• Auteur / Autrice : Redhouane Boudjehem
• Direction : Jean-Louis Hazemann
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 05/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Récupération de phase

Apprentissage profond et automatique

Optimisation linéaire et non linéaire

Tomographie spectrale par rayons X ptychographique

Traitement des images

Tomographie sparse

Phase retrieval

Machine and deep learning

Image processing

Spectral Ptychographic X-ray Computed Tomography

Linear and non-linear optimization

Sparse tomography

Résumé

L'objectif principal de ce doctorat est le développement d'une nouvelle méthodologie de nanoimagerie hyperspectrale 3D pour la caractérisation de catalyseurs techniques en combinant la tomographie aux rayons X et la ptychographie spectrale. La ptychographie est une technique d'imagerie à rayons X cohérente avancée, qui fournit une haute résolution sans précédent, indépendante de la taille de la sonde, et une nanoimagerie hautement quantitative des matériaux. Associée à la tomographie, la tomographie par rayons X ptychographique (PXCT) fournit une imagerie 3D de catalyseurs techniques, ce qui a révolutionné leur caractérisation. l'objectif est d'ajouter des capacités spectrales au PXCT, qui fourniront les emplacements et l'état chimique des métaux qui favorisent ou empoisonnent les catalyseurs avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale élevée dans la microstructure 3D. Deux modalités seront mises en œuvre : 1) Imagerie résonnante et 2) Imagerie spectroscopique de structure proche du bord. Pour cela, ce travail de thèse impliquera, entre autres, des tâches d'analyse optique de Fourier, de propagation d'ondes, de simulation rayonnement-matière, de physique de la structure électronique, d'expériences dans des installations synchrotron, d'analyse de données avancées et de développement de nouveaux algorithmes. Le langage de programmation principal sera Python et constituera une partie importante de ce projet.

The main goal of this Ph.D. project is the development of a novel 3D hyperspectral nanoimaging methodology for the characterization of technical catalysts by combining X-ray computed tomography and spectral-ptychography. The addition of spectral capabilities, similar to near-edge structure spectroscopy, to ptychography will provide the locations and chemical state of the metals that promote or poison the catalysts with high sensitivity and high spatial resolution within the 3D microstructure. Ptychographic X-ray Computed Tomography (PXCT) is the 3D X-ray nanoimaging technique that overcomes these shortcomings and has revolutionized the characterization of technical catalysts .However, access to the localization and state of individual chemical elements within the sample structure is not yet directly possible. By adding spectral capabilities to ptychography and PXCT, this project aims at bridging this gap between the morphological and spectroscopic characterization of technical catalysts. This project comprises samples of hydrocracking and Fluid Catalytic Cracking (FCC) catalysts. The data will be obtained in synchrotron source facilities. High-performance computing resources will be available and Python-based software will be developed for simulation, data analysis, 3D image rendering, and segmentation. Machine and deep learning will be also used for data analysis.