Dissertations / Theses on the topic 'Instrumentation and Detectors'

L'utilisation optimale, dans des applications spécifiques, des Détecteurs Silicium nécessite une connaissance approfondie des phénomènes physiques sous-jacents. Dans ce mémoire, cette idée conductrice est appliquée à deux types de détecteurs : (1) les SiPM et leurs applications en imagerie médicale (2) les détecteurs à pixels planaires (PPS) et leurs applications dans la mise-à-jour du détecteur interne d'ATLAS pour le LHC à haute luminosité. Mon travail personnel sur les SiPM a débuté il y a environ 10 ans. Ainsi la partie (A) de mon HDR rappelle tout d'abord le principe physique de la photodiode à avalanche en mode Geiger (GM-APD), qui constitue la cellule élémentaire d'un SiPM. Puis le fonctionnement du SiPM est développé, avec ses principales caractéristiques physiques, ainsi que les montages expérimentaux mis en œuvre et les mesures de ces paramètres sur les productions des principaux fabricants. La dépendance en température des paramètres des SiPM constitue un inconvénient majeur dans certaines applications, aussi mon travail personnel montre comment on peut en grande partie s'affranchir de cette dépendance, en contrôlant certains paramètres de fonctionnement. Les détecteurs à SiPM présentent des avantages très intéressants au plan électrique, optique, mécanique, etc ..., permettant des applications multiples dans des domaines où une grande surface de détection est requise. Ainsi, les matrices de SiPM sont des composants très attractifs pour des applications d'imagerie médicale. Mon travail dans deux applications de ce type est détaillé : PET à haute résolution pour des petits animaux, et détecteur de radiation portatif pour l'aide à la localisation in situ de tumeurs solides. En parallèle à l'activité SiPM, j'ai été impliquée ces dernières années dans la conception et la caractérisation de nouveaux détecteurs à pixel planaires pour "l'upgrade" de l'expérience ATLAS. La partie (B) de mon HDR expose ainsi les méthodes expérimentales, comme "Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)" et "Spreading Resistance Profiling" (SRP), utilisées pour la mesure de profils de dopage pour le détecteurs PPS. Je démontre ainsi l'importance de ces mesures pour le contrôle du process de fabrication, et la calibration des simulations TCAD (Technology-Computed Aided Design). Les résultats des simulations prévoyant le comportement des nouveaux détecteurs planaires proposés, avec des caractéristiques géométriques et une résistance aux radiations améliorées, sont présentés.

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física<br>The initial goal of the thesis work was to improve the performance of the instrumentation used in the SIMPLE dark matter search. Consequently, the ultimate objective is to find a possible candidate for Dark Matter or improve the knowledge of its nature. Upon a brief description of Dark Matter and the status of its search, the fundamentals of Superheated Liquid Detectors are presented. This thesis presents a robust acoustic instrumentation together with a new method for the identification of bubble nucleations in Superheated Droplet Detectors. This is accomplished through straightforward signal processing techniques applied to the acoustical recording of the nucleation events, which consists of pulse shape identification procedures. A set of tests are presented to evaluate the performance of the proposed algorithms, as well as the new and more reliable instrumentation. An effort to locate a bubble nucleation in the SDDs is accomplished through some elaborated signal processing techniques applied to the acoustical recording of the nucleation events. These include the application of wavelets, the chirp-z transform and pulse shape identification procedures to locate temporally and validate the nucleation for its spatial localization. Acoustic and SDD associated backgrounds are completely discriminated with the developed signal processing techniques. Results from systematic studies are presented for the instrumentation and SDD response,which are used in the SIMPLE dark matter search experiment and possibly in neutron dosimetry. A new bubble nucleation efficiency is drawn out, together with particle discrimination confirmation determined throughout a-n calibrations. SIMPLE's Phase-II Dark Matter results are presented with the implementation of the complete instrumentation in operation for SDDs. These results are simultaneously presented with the full characterization of the local background scenario and gained knowledge of SDD characteristics and dynamics. Interpretations of these results are laid out. The direct future is given through the R&D of a rejuvenation superheated liquid detector, the Big Droplet Chamber. A prototype of this new Bubble Chamber is shown together with its first results of a more prevailing ultrasound acoustic system. Which can possibly reveal in the near future, unseen aspects such as the bubble formation stage in superheated liquids up to now.<br>Fundação para a Ciência e Tecnologia - (SFRH/BD/46545/2008)

La tecnica acustica di verifica sperimentale del range di protoni (ionoacustica) si basa sul rilevamento del debole segnale termoacustico emesso dalla rapida deposizione di energia che avviene alla fine range del fascio, in corrispondenza del picco di Bragg. In questo contesto, questa tesi presenta le principali caratteristiche della strumentazione microelettronica utilizzata per i Proton Sound Detector introducendo specifiche tecniche di progettazione fortemente orientate sia alla massimizzazione del Rapporto Segnale Rumore SNR (a livello di sensore acustico) che minimizzazione della figura di rumore (a livello di amplificatore analogico). La prima parte di questa tesi tratta delle sfide strumentali relative agli esperimenti ionoacustici fornendo dettagli tecnici specifici riguardanti sia la progettazione del sensore acustico (ovvero come costruire il sensore massimizzando l'SNR) sia il design dell'amplificatore a basso rumore (LNA). Verranno presentati i risultati sperimentali di un primo esperimento effettuato presso il Laboratorio Maier-Leibniz di Garching, Monaco, con un fascio di protoni a 20 MeV (scenario preclinico) e verrà mostrato come una progettazione elettronica dedicata a segnali misti permetta di migliorare significativamente il rapporto segnale-rumore e l'accuratezza della localizzazione del picco di Bragg di 6 dB. In questo contesto, questo primo sviluppo del rivelatore raggiunge due importanti obiettivi: il miglioramento dell'SNR a parità di dose e una forte semplificazione della strumentazione del rivelatore rispetto allo stato dell'arte, consentendo una maggiore precisione della misurazione dell'impulso acustico, e allo stesso tempo incrementando la portabilità e la compattezza del dispositivo. Nelle applicazioni cliniche di adroterapia, l'energia del fascio (da 65 MeV fino a 200 MeV) e la dose vengono scelte in funzione dello specifico scenario clinico. Ciò comporta segnali acustici di ampiezza e larghezza di banda diverse, costringendo l’adozione di soluzioni tecnologiche avanzate in grado di gestire un ampio spettro di segnali in termini di larghezza di banda, ampiezza e rumore. Per questo motivo, la seconda parte di questa tesi propone un modello Matlab efficiente e innovativo del fenomeno fisico ionoacustico, che condensa in un unico sistema lineare tempo invariante tutti i processi di conversione dell'energia coinvolti. Il modello ionoacustico proposto sostituisce i complessi strumenti di simulazione classici (usati per caratterizzare il segnale acustico indotto dal fascio di protoni) e facilita lo sviluppo di rivelatori dedicati fornendo una descrizione precisa del segnale acustico nei diversi scenari. Infine, verrà presentato il progetto di una seconda versione del Proton Sound Detector che introduce il concetto di media nel dominio dello spazio (invece della media nel dominio del tempo, basata sull’elaborazione di più shot del fascio che comporta una significativa extra-dose). Questo rilevatore utilizza un sensore multicanale per eseguire una media spaziale dei segnali acquisiti e aumentare l'SNR di 18 dB a parità di dose rispetto al classico approccio monocanale. Questo approccio tuttavia richiede lo sviluppo di elettronica altamente miniaturizzata che non può essere implementata con componenti standard su circuiti stampati. Viene quindi presentato il progetto e la caratterizzazione di un front-end analogico multicanale implementato su un Application-Specified-Integrated-Circuit (ASIC) in tecnologia CMOS 28 nm che permette di elaborare in parallelo tutti i 64 canali del sensore acustico. Questo High-Resolution Proton Sound Detector (HR-ProSD) è completato da un circuito digitale dedicato implementato su FPGA (Field Programmable Gate Array) che consente di mappare in tempo reale e 2D la deposizione di dose nello spazio.<br>Acoustic proton range experimental verification technique (iono-acoustics) is based on sensing the weak thermoacoustic signal emitted by the fast energy deposition (and/or the heating process) at the end of the beam range (Bragg Peak). In this context, this thesis presents the main characteristics of the micro-electronics instrumentation used for proton sound detectors introducing specific design techniques strongly oriented to both maximization of the acoustic Signal-to-Noise-Ratio (at the Acoustic Sensor level) and Noise-Figure minimization (at analog amplifier level). The first part of this thesis addresses all the instrumentation challenges related to iono-acoustic experiments providing specific technical details regarding both acoustic sensor design (i.e. how to build the sensor while maximizing the SNR) and the LNA design. The experimental results of a first experiment carried out at Maier-Leibniz Laboratory in Garching, Munich, with a proton beam at 20 MeV (sub-clinical energy) will be presented and it will be shown how a dedicated mixed-signal electronics design allows to significantly improve the signal-to-noise ratio and the accuracy of the BP localization by 6 dB. In this context, this first detector development achieves two important objectives: the improvement of the acoustic SNR and a strong simplification of the detector instrumentation w.r.t. state-of-the-art, enabling increasing accuracy of the acoustic pulse measurement, and at the same time the portability and compactness of the device. In clinical hadron-therapy applications, variable beam energy (from 65 MeV up to 200 MeV) and variable doses are used as a function of the selected medical treatment. This induces different acoustic pulses amplitude and bandwidth, forcing advanced technological solutions capable of handling a wide spectrum of signals in terms of bandwidth, amplitude, and noise. For this reason, the second part of this thesis proposes an efficient and innovative Matlab Model of the ionoacoustic physical phenomenon, based on englobing in a single mathematical Linear-Time-Invariant-System all energy conversion processes involved in iono-acoustics. The proposed ionoacoustics model replaces classical and complex simulation tools (used to characterize the proton induced acoustic signal) and facilitates the development of dedicated detectors. Finally, the design of a second version of the Proton Sound Detector will be presented that introduces the concept of space-domain averaging (instead of time-domain averaging based on multiple beam shot processing for noise attenuation and thus extra-doses). This detector uses a multi-channel sensor to perform a spatial average of the acquired signals and increase the SNR by 18 dB at the same dose compared to the classic single channel approach. This approach however requires the development of highly miniaturized electronics that cannot be implemented with off-the-shelf components on Printed Circuit Boards. The design and characterization of a multichannel analog front-end implemented on a CMOS 28 nm Application-Specified-Integrated-Circuit (ASIC) which allows to process the 64 channels of the acoustic sensor in parallel is then presented. This High-Resolution Proton Sound Detector (HR-ProSD) is completed by digital circuits implemented on Field Programmable Gate Array (FPGA) that allow to locate in real time the deposition of energy in space.

La première partie de cette étude a consisté à tester les performances de plusieurs détecteurs de neutrons habituellement utilisés pour la radioprotection des accélérateurs de particules à haute énergie. La comparaison a été réalisée à la CERF, un champ unique qui simule le spectre neutronique rencontré à proximité d’accélérateurs à haute énergie et à des altitudes de vols commerciaux. La campagne a permis de comprendre le comportement des différents détecteurs et de quantifier leurs sur/sous- estimations par rapport à la fonction d'équivalent de dose ambiante de référence et de réaliser le benchmark des nouvelles simulations FLUKA réalisée en 2017. La deuxième partie de cette thèse portait sur l’exploration d’un détecteur à neutrons rapides destiné à un nouvel appareil de mesure capable de fonctionner en présence d’un champ magnétique puissant. Le CLYC a été choisi comme candidat potentiel pour la détection neutronique en raison de ses propriétés prometteuses, telles que sa capacité à discriminer les rayons gamma des neutrons rapides et sa résolution énergétique. Cette thèse évalue les performances d'un large cylindre CLYC couplé à une matrice SiPM et compare les résultats à ceux des PMT. Les capacités spectrométriques du CLYC ont été soulignées. Pour le comptage neutronique de nouveaux matériaux ont été étudié en perspective<br>The first part of this study consisted in testing performance of the several neutron detectors usually employed for radiation protec- tion at high-energy particle accelerators. The in- tercomparison was made at CERF, a unique workplace field that simulates the neutron spec- trum encountered in the proximity of high-en- ergy accelerators and at commercial flight alti- tudes. The CERF intercomparison campaign allowed to understand the behaviour of the different detector and quantify their over/underesti- mations with respect to the reference ambient dose equivalent function. Moreover, these experimental data were used to benchmark the new FLUKA simulation performed in 2017. The second part of this thesis was the investigation of a fast neutron detector for a novel radiation survey meter (called B-RAD) able to operate in the presence of a strong magnetic field, to be used for radiation surveys e.g. in the LHC experimental areas. The CLYC was selected as potential candidate for neutron detec-tion because of its promising properties, such as its capability to discriminate gamma rays from fast neutrons and its energy resolution. This thesis evaluated the performance of a 1- inch right CLYC cylinder coupled with a large SiPM array and compared the result with PMTs. The capacity of the CLYC+SiPm for spectros-copy was underligned. For neutron counting, new materials were investigated

This thesis concerns the development of fast neutron instrumentation for beam diagnostic. Two kind of detectors have been developed. The first is a diamond detector for fast neutron measurements at the ChipIr beamline of the ISIS spallation neutron source (Didcot, UK). ISIS is a 50Hz-pulsed source in which neutrons are produced by 800 MeV protons interacting on a heavy metal target. The second is a Gas Electron Multiplier (GEM) detector developed for measurements of the neutron emission map in the deuterium beam prototype facility for the ITER fusion reactor under construction at the RFX site (Padova). Measurements of the so-called Single Event Effects (SEE) are the main application of the ChipIr beamline. SEEs are a potential threat to the robustness of integrated circuits featuring dimensions of tens of nanometers. SEEs occur when a highly energetic particle causes a disruption of the correct operation of an electronic component by striking its sensitive regions. Recent studies have shown that the neutron component above 1 MeV of the cosmic ray radiation is the primary contribution to SEEs for heights < 10 km. In order to evaluate the sensitivity of electronic devices to SEEs, fault-tolerant design techniques must be employed, and extensive analyses are needed to qualify their robustness. Experiments with atmospheric neutrons can be carried out but, due to the low intensity, they require very long periods of data acquisition. Neutron sources represent an opportunity due to the availability of high intensity fluxes which allow for accelerated irradiation experiments. Recent experiments performed at ISIS on the VESUVIO beamline demonstrated the suitability of ISIS for this kind of application. The new ChipIr beamline will provide an atmospheric-like neutron spectrum with a multiplication factor around 10^8. A crucial task for ChipIr design is the development of a neutron beam monitor for measurements of the neutron fluence in the MeV energy range. The detector developed in this thesis as a beam monitor for ChipIr is a Single-crystal Diamond Detector (SDD). Neutron detection using diamonds is based on the collection of the electrons/holes pairs produced by the energy deposited in the crystal following neutron reactions with carbon. First tests were performed in 2009 using a prototype SDD. The device features a p-type/intrinsic/metal Schottky barrier structure where the active (intrinsic) detection layer is obtained by chemical-vapour deposition. Both Time of Flight (ToF) only and biparametric (ToF and pulse height) measurements were successfully performed. Measurements were also performed using a Fission Diamond Detector (FDD). A FDD is a device based on a single crystal diamond coupled to a natural uranium converter foil. The biparametric data collection allowed us to distinguish events from 235U, 238U and from carbon break-up reactions inside the diamond. Limitations to quantitative analysis due to the initial choice of detector thickness and instrumental settings were highlighted by the tests. In a new set of experiments performed in July 2010, April 2011 and October 2011 a new fast neutron detector was tested. The measurements showed three characteristics regions in the biparametric spectra: -background events of low pulse heights induced by gamma-rays; -low pulse height events in the neutron ToF region corresponding to En in the range 2.4-5.7 MeV which are ascribed to elastic scattering on 12C; -large pulse height events in the ToF region corresponding to En>6 MeV which are ascribed to 12C(n,α)9Be and 12C(n,n')3α reactions. Neutron energy information was found to be contained both in the pulse height and in the ToF data, which suggests that SDDs are good candidate detectors for spectroscopy in fast neutron irradiation experiments. The use of diamond detectors as beam monitors requires further characterization of their response to monoenergetic neutrons. The second detector developed in this thesis is a nGEM detector able to map the neutron intensity produced in the SPIDER/MITICA beams at the Consorzio RFX in Padova. The ITER neutral beam test facility under construction in Padova will host two experimental devices: SPIDER, a 100 keV negative hydrogen/deuterium beam, and MITICA, a full scale, 1 MeV deuterium beam. A number of diagnostics will be deployed in the two facilities to qualify the beams. The aim of this thesis was to design a neutron diagnostic for SPIDER, as a first step towards the application of this diagnostic technique to MITICA. The proposed detection system is called CNESM which stands for Close-contact Neutron Emission Surface Mapping. CNESM is placed right behind the beam dump, as close as possible to the neutron emitting surface. It shall provide the map of the neutron emission on the surface of the beam dump. The latter is a rectangular panel made of water cooled pipes used to stop the incoming beam. The CNESM diagnostic system uses nGEM as neutron detectors. These are Gas Electron Multiplier detectors equipped with a cathode that also serves as neutron-proton converter. The diagnostic was designed on the basis of simulations of the different steps, from the deuteron beam interaction with the beam dump to the neutron detection in the nGEM. The deuteron deposition inside the dump was simulated with the TRIM code in order to provide the deposition profile. Neutron emission occurs via fusion reactions between the deuterium beam and the deuterons implanted in the beam dump surface. Neutron scattering in the beam dump was simulated using the MCNPX code. The nGEM cathode is at about 30 mm from the beam dump front surface. It is composed of two layers (polyethylene + aluminum) each ~50μm thick. The aluminum layer stops all protons that are emitted from the polyethylene at an angle higher than 40° relative to the normal to the cathode surface. This means that most of the detected neutrons at a point of the nGEM surface are emitted from the corresponding 40X22 mm^2 beamlet footprint on the dump front surface. The nGEM readout pads (area 20X22 mm^2) will record a useful count rate of ~5 kHz providing a time resolution of better than 1 s. Each nGEM detector maps the neutron emission from a group of 5X16 beamlets: as many as 16 nGEM detectors would be needed to cover the entire beam dump. The effect of the directional detector response due to the Al foil is to decrease the FWHM value to about 30 mm. This level of spatial resolution is adequate for unfolding the neutron source intensity from the 2D event map in the nGEM detector. The first nGEM detector prototype was tested at the FNG neutron source in Frascati, where the directional response of the nGEM cathode to neutrons was verified. The successful design of the CNESM neutron diagnostic for SPIDER provides the basis for its application to MITICA (X100 larger neutron fluxes expected), where it will be particularly useful to resolve the horizontal beam intensity profile.

La presente dissertazione descrive il design, la caratterizzazione e il funzionamento di sistemi elettronici per esperimenti di Fisica delle particelle (LHCb) e Fisica del neutrino (CUORE e CUPID). A partire dal 2019, l'esperimento LHCb presso l'acceleratore LHC sarà aggiornato per lavorare a luminosità più elevata e molti dei suoi rivelatori dovranno essere riprogettati. Il rivelatore RICH, in particolare, dovrà adottare un sistema optoelettronico totalmente nuovo. Lo sviluppo di questo sistema ha già raggiunto una fase avanzata e diversi test eseguiti su fascio hanno permesso di verificare le prestazioni dell'intero sistema. Per migliorare la stabilità, il filtraggio e la regolazione delle tensioni di alimentazione del circuito di front-end, è stato sviluppato un regolatore lineare a basso dropout e resistente alla radiazione, denominato ALDO. Sono qui presentate le strategie di progetto, la misurazione delle prestazioni e i risultati delle campagne di irraggiamento di questo dispositivo. Nel campo della fisica del neutrino, grandi array di macrobolometri, come quelli adottati dall'esperimento CUORE e dal suo futuro aggiornamento CUPID, offrono delle caratteristiche uniche per lo studio del doppio decadimento beta senza neutrini. Il loro funzionamento richiede particolari strategie progettuali nel sistema elettronico di lettura, che è qui descritto nella sua interezza. Sono anche presentate nel dettaglio le misure di qualifica e ottimizzazione dei parametri di funzionamento di tutto il sistema, oltre che l'integrazione all'interno dell'area sperimentale. Infine sono presentati gli aggiornamenti di alcuni sottosistemi elettronici in vista della fase finale di CUPID.<br>The present dissertation describes design, qualification and operation of several electronic instrumentations for High Energy Particle Physics experiments (LHCb) and Neutrino Physics experiments (CUORE and CUPID). Starting from 2019, the LHCb experiment at the LHC accelerator will be upgraded to operate at higher luminosity and several of its detectors will be redesigned. The RICH detector will require a completely new optoelectronic readout system. The development of such system has already reached an advanced phase, and several tests at particle beam facilities allowed to qualify the performance of the entire system. In order to achieve a higher stability and a better power supply regulation for the front-end chip, a rad-hard low dropout linear regulator, named ALDO, has been developed. Design strategies, performance tests and results from the irradiation campaign are presented. In the Neutrino Physics field, large-scale bolometric detectors, like those adopted by CUORE and its future upgrade CUPID, offer unique opportunities for the study of neutrinoless double beta decay. Their operation requires particular strategies in the readout instrumentation, which is described here in its entirety. The qualification and optimization of the working parameters as well as the integration of the system in the experimental area are also thoroughly discussed, together with the latest upgrades of two electronic subsystems for the future CUPID experiment.

Doctor of Philosophy<br>Department of Mechanical and Nuclear Engineering<br>Douglas S. McGregor<br>Advancements in nuclear reactor core modeling and computational capability have encouraged further development of in-core neutron sensors. Measurement of the neutron-flux distribution within the reactor core provides a more complete understanding of the operating conditions in the reactor than typical ex-core sensors. Micro-Pocket Fission Detectors (MPFDs) have been developed and tested previously but have been limited to single-node operation and have utilized highly specialized designs. The development of a widely deployable, multi-node MPFD assembly will enhance nuclear research capabilities. In-core neutron flux measurements include many challenges because of the harsh environment within the reactor core. Common methods of in-core neutron measurement are also limited by geometry and other physical constraints. MPFDs are designed to be small and robust while offering a real-time, spatial measurement of neutron flux. Improvements to the MPFD design were developed based on shortcomings of prior research in which many of the theoretical considerations for MPFDs were examined. Fabrication techniques were developed for the preparation of MPFD components and electrodeposition of fissile material. Numerous arrays of MPFDs were constructed for test deployments at the Kansas State University TRIGA Mk. II research nuclear reactor, University of Wisconsin Nuclear Reactor, Transient REActor Test facility at the Idaho National Laboratory (INL), and Advanced Test Reactor at INL. Preliminary testing of a single MPFD sensor at KSU yielded a linear response to reactor power between 10 kWth and 750 kWth and followed both positive and negative reactivity insertions in real-time. A $1.50 reactor pulse was monitored from the Intra-Reflector Irradiation System, located in reflector region of the KSU TRIGA Mk. II core with 1-ms time resolution. Improved multi-node MPFD arrays were then designed, fabricated, and deployed in flux ports between fuel rods and within an iron-wire flux port which was inserted into the central thimble of the KSU TRIGA Mk. II research nuclear reactor. Work continues to develop MPFDs for deployment at research reactors at INL and elsewhere. Results from the MPFD measurements will be useful for future validation of computational modeling and as part of advanced nuclear fuel development efforts.

Background: The irradiation of cancer patients with charged particles, mainly protons and carbon ions, has become an established method for the treatment of specific types of tumors. In comparison with the use of X-rays or gamma-rays, particle therapy has the advantage that the dose distribution in the patient can be precisely controlled. Tissue or organs lying near the tumor will be spared. A verification of the treatment plan with the actual dose deposition by means of a measurement can be done through range assessment of the particle beam. For this purpose, prompt gamma-rays are detected, which are emitted by the affected target volume during irradiation. Motivation: The detection of prompt gamma-rays is a task related to radiation detection and measurement. Nuclear applications in medicine can be found in particular for in vivo diagnosis. In that respect the spatially resolved measurement of gamma-rays is an essential technique for nuclear imaging, however, technical requirements of radiation measurement during particle therapy are much more challenging than those of classical applications. For this purpose, appropriate instruments beyond the state-of-the-art need to be developed and tested for detecting prompt gamma-rays. Hence the success of a method for range assessment of particle beams is largely determined by the implementation of electronics. In practice, this means that a suitable detector material with adapted readout electronics, signal and information processing, and data interface must be utilized to solve the challenges. Thus, the parameters of the system (e.g. segmentation, time or energy resolution) can be optimized depending on the method (e.g. slit camera, time-of-flight measurement or Compton camera). Regardless of the method, the detector system must have a high count rate capability and a large measuring range (&gt;7 MeV). For a subsequent evaluation of a suitable method for imaging, the mentioned parameters may not be restricted by the electronics. Digital signal processing is predestined for multipurpose tasks, and, in terms of the demands made, the performance of such an implementation has to be determined. Materials and methods: In this study, the instrumentation of a detector system for prompt gamma-rays emitted during particle therapy is limited to the use of a cadmium zinc telluride (CdZnTe, CZT) semiconductor detector. The detector crystal is divided into an 8x8 pixel array by segmented electrodes. Analog and digital signal processing are exemplarily tested with this type of detector and aims for application of a Compton camera to range assessment. The electronics are implemented with commercial off-the-shelf (COTS) components. If applicable, functional units of the detector system were digitalized and implemented in a field-programmable gate array (FPGA). An efficient implementation of the algorithms in terms of timing and logic utilization is fundamental to the design of digital circuits. The measurement system is characterized with radioactive sources to determine the measurement dynamic range and resolution. Finally, the performance is examined in terms of the requirements of particle therapy with experiments at particle accelerators. Results: A detector system based on a CZT pixel detector has been developed and tested. Although the use of an application-specific integrated circuit is convenient, this approach was rejected because there was no circuit available which met the requirements. Instead, a multichannel, compact, and low-noise analog amplifier circuit with COTS components has been implemented. Finally, the 65 information channels of a detector are digitized, processed and visualized. An advanced digital signal processing transforms the traditional approaches of nuclear electronics in algorithms and digital filter structures for an FPGA. With regard to the characteristic signals (e.g. varying rise times, depth-dependent energy measurement) of a CZT pixel detector, it could be shown that digital pulse processing results in a very good energy resolution (~2% FWHM at 511 keV), as well as permits a time measurement in the range of some tens of nanoseconds. Furthermore, the experimental results have shown that the dynamic range of the detector system could be significantly improved compared to the existing prototype of the Compton camera (~10 keV..7 MeV). Even count rates of ~100 kcps in a high-energy beam could be ultimately processed with the CZT pixel detector. But this is merely a limit of the detector due to its volume, and not related to electronics. In addition, the versatility of digital signal processing has been demonstrated with other detector materials (e.g. CeBr3). With foresight on high data throughput in a distributed data acquisition from multiple detectors, a Gigabit Ethernet link has been implemented as data interface. Conclusions: To fully exploit the capabilities of a CZT pixel detector, a digital signal processing is absolutely necessary. A decisive advantage of the digital approach is the ease of use in a multichannel system. Thus with digitalization, a necessary step has been done to master the complexity of a Compton camera. Furthermore, the benchmark of technology shows that a CZT pixel detector withstands the requirements of measuring prompt gamma-rays during particle therapy. The previously used orthogonal strip detector must be replaced by the pixel detector in favor of increased efficiency and improved energy resolution. With the integration of the developed digital detector system into a Compton camera, it must be ultimately proven whether this method is applicable for range assessment in particle therapy. Even if another method is more convenient in a clinical environment due to practical considerations, the detector system of that method may benefit from the shown instrumentation of a digital signal processing system for nuclear applications<br>Hintergrund: Die Bestrahlung von Krebspatienten mit geladenen Teilchen, vor allem Protonen oder Kohlenstoffionen, ist mittlerweile eine etablierte Methode zur Behandlung von speziellen Tumorarten. Im Vergleich mit der Anwendung von Röntgen- oder Gammastrahlen hat die Teilchentherapie den Vorteil, dass die Dosisverteilung im Patienten präziser gesteuert werden kann. Dadurch werden um den Tumor liegendes Gewebe oder Organe geschont. Die messtechnische Verifikation des Bestrahlungsplans mit der tatsächlichen Dosisdeposition kann über eine Reichweitenkontrolle des Teilchenstrahls erfolgen. Für diesen Zweck werden prompte Gammastrahlen detektiert, die während der Bestrahlung vom getroffenen Zielvolumen emittiert werden. Fragestellung: Die Detektion von prompten Gammastrahlen ist eine Aufgabenstellung der Strahlenmesstechnik. Strahlenanwendungen in der Medizintechnik finden sich insbesondere in der in-vivo Diagnostik. Dabei ist die räumlich aufgelöste Messung von Gammastrahlen bereits zentraler Bestandteil der nuklearmedizinischen Bildgebung, jedoch sind die technischen Anforderungen der Strahlendetektion während der Teilchentherapie im Vergleich mit klassischen Anwendungen weitaus anspruchsvoller. Über den Stand der Technik hinaus müssen für diesen Zweck geeignete Instrumente zur Erfassung der prompten Gammastrahlen entwickelt und erprobt werden. Die elektrotechnische Realisierung bestimmt maßgeblich den Erfolg eines Verfahrens zur Reichweitenkontrolle von Teilchenstrahlen. Konkret bedeutet dies, dass ein geeignetes Detektormaterial mit angepasster Ausleseelektronik, Signal- und Informationsverarbeitung sowie Datenschnittstelle zur Problemlösung eingesetzt werden muss. Damit können die Parameter des Systems (z. B. Segmentierung, Zeit- oder Energieauflösung) in Abhängigkeit der Methode (z.B. Schlitzkamera, Flugzeitmessung oder Compton-Kamera) optimiert werden. Unabhängig vom Verfahren muss das Detektorsystem eine hohe Ratenfestigkeit und einen großen Messbereich (&gt;7 MeV) besitzen. Für die anschließende Evaluierung eines geeigneten Verfahrens zur Bildgebung dürfen die genannten Parameter durch die Elektronik nicht eingeschränkt werden. Eine digitale Signalverarbeitung ist für universelle Aufgaben prädestiniert und die Leistungsfähigkeit einer solchen Implementierung soll hinsichtlich der gestellten Anforderungen bestimmt werden. Material und Methode: Die Instrumentierung eines Detektorsystems für prompte Gammastrahlen beschränkt sich in dieser Arbeit auf die Anwendung eines Cadmiumzinktellurid (CdZnTe, CZT) Halbleiterdetektors. Der Detektorkristall ist durch segmentierte Elektroden in ein 8x8 Pixelarray geteilt. Die analoge und digitale Signalverarbeitung wird beispielhaft mit diesem Detektortyp erprobt und zielt auf die Anwendung zur Reichweitenkontrolle mit einer Compton-Kamera. Die Elektronik wird mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen umgesetzt. Soweit möglich, werden die Funktionseinheiten des Detektorsystems digitalisiert und in einem field-programmable gate array (FPGA) implementiert. Eine effiziente Umsetzung der Algorithmen in Bezug auf Zeitverhalten und Logikverbrauch ist grundlegend für den Entwurf der digitalen Schaltungen. Das Messsystem wird mit radioaktiven Prüfstrahlern hinsichtlich Messbereichsdynamik und Auflösung charakterisiert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Anforderungen der Teilchentherapie mit Experimenten am Teilchenbeschleuniger untersucht. Ergebnisse: Es wurde ein Detektorsystem auf Basis von CZT Pixeldetektoren entwickelt und erprobt. Obwohl der Einsatz einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zweckmäßig wäre, wurde dieser Ansatz zurückgewiesen, da kein verfügbarer Schaltkreis die Anforderungen erfüllte. Stattdessen wurde eine vielkanalige, kompakte und rauscharme analoge Verstärkerschaltung mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen aufgebaut. Letztendlich werden die 65 Informationskanäle eines Detektors digitalisiert, verarbeitet und visualisiert. Eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung überführt die traditionellen Ansätze der Nuklearelektronik in Algorithmen und digitale Filterstrukturen für einen FPGA. Es konnte gezeigt werden, dass die digitale Pulsverarbeitung in Bezug auf die charakteristischen Signale (u.a. variierende Anstiegszeiten, tiefenabhängige Energiemessung) eines CZT Pixeldetektors eine sehr gute Energieauflösung (~2% FWHM at 511 keV) sowie eine Zeitmessung im Bereich von einigen 10 ns ermöglicht. Weiterhin haben die experimentellen Ergebnisse gezeigt, dass der Dynamikbereich des Detektorsystems im Vergleich zum bestehenden Prototyp der Compton-Kamera deutlich verbessert werden konnte (~10 keV..7 MeV). Nach allem konnten auch Zählraten von &gt;100 kcps in einem hochenergetischen Strahl mit dem CZT Pixeldetektor verarbeitet werden. Dies stellt aber lediglich eine Begrenzung des Detektors aufgrund seines Volumens, nicht jedoch der Elektronik, dar. Zudem wurde die Vielseitigkeit der digitalen Signalverarbeitung auch mit anderen Detektormaterialen (u.a. CeBr3) demonstriert. Mit Voraussicht auf einen hohen Datendurchsatz in einer verteilten Datenerfassung von mehreren Detektoren, wurde als Datenschnittstelle eine Gigabit Ethernet Verbindung implementiert. Schlussfolgerung: Um die Leistungsfähigkeit eines CZT Pixeldetektors vollständig auszunutzen, ist eine digitale Signalverarbeitung zwingend notwendig. Ein entscheidender Vorteil des digitalen Ansatzes ist die einfache Handhabbarkeit in einem vielkanaligen System. Mit der Digitalisierung wurde ein notwendiger Schritt getan, um die Komplexität einer Compton-Kamera beherrschbar zu machen. Weiterhin zeigt die Technologiebewertung, dass ein CZT Pixeldetektor den Anforderungen der Teilchentherapie für die Messung prompter Gammastrahlen stand hält. Der bisher eingesetzte Streifendetektor muss zugunsten einer gesteigerten Effizienz und verbesserter Energieauflösung durch den Pixeldetektor ersetzt werden. Mit der Integration des entwickelten digitalen Detektorsystems in eine Compton-Kamera muss abschließend geprüft werden, ob dieses Verfahren für die Reichweitenkontrolle in der Teilchentherapie anwendbar ist. Auch wenn sich herausstellt, dass ein anderes Verfahren unter klinischen Bedingungen praktikabler ist, so kann auch dieses Detektorsystem von der gezeigten Instrumentierung eines digitalen Signalverarbeitungssystems profitieren

The effect of Intra-pixel sensitivity variation (IPSV) in charge-coupled devices (CCDs) can be important in astronomical applications. This thesis studies the IPSV in a front-illuminated three-phase EEV05-20 CCD used in the Automated Patrol Telescope (APT), from multiple points of view. To explore the detailed sensitivity variation within pixels, the CCD was scanned using a 4 \mu meter diameter light beam in four colour bands: B, V, R and I. The resulting images clearly show the IPSVs due to the CCD electrode structure, and its dependence on wavelength. Unexpected ghost images appear in the scan images that are most likely due to the charge transfer inefficiency (CTI) of the CCD. A correction procedure for the CTI effect is presented. Using the pixel response function (PRF) which was derived from the CCD scans, instrumental point spread functions (iPSFs) were calculated from dithered images observed by the APT. The accurate iPSFs allowed us to generate a variety of simulated images of APT observations, enabling us to analyse in detail the effect of IPSV on astronomical observations. One of the astronomical impacts of IPSV is on photometry. The IPSV effect on the precision for estimating star fluxes was studied using both observed and simulated images. The IPSV effect can be expressed as magnitude estimation error maps plotted against the fractional part of a star's coordinates. The IPSV effect introduces \pm 4% errors in star fluxes for observed images with the APT in V band. Another astronomical impact of IPSV is on astrometry. IPSV influences the precision for estimating star coordinates, and this was studied using a number of simulated images. The IPSV effect can be expressed as coordinate estimation error maps plotted against the fractional part of a star's coordinates. The IPSV effect introduces \sim 0.02 pixel errors in RMS for images observed with the APT in V band. The appearance of the unexpected ghost images in the CCD scans suggested that CTI might also affect observed images. We examined the effects on PSFs and photometry. The CTI effect does affect the shapes of PSFs, but only to a small fraction. Its effect on photometry is negligible.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento de um sistema eletrônico embarcado dedicado à aquisição de imagens astronômicas. Este sistema é composto principalmente por uma câmera científica astronômica, que abriga um detector de imagem do tipo EMCCD, e por um controlador eletrônico utilizado para a operação e leitura do detector de imagem. São detalhados os estágios que formam o sistema embarcado específico para um instrumento astronômico instalado no telescópico internacional SOAR, no Chile. Cada um destes estágios: sensor, câmera, controlador eletrônico, placa de aquisição de imagens e software, será descrito detalhadamente, desde uma revisão das alternativas de solução até as técnicas de operação de sensores, além da manipulação de controladores eletrônicos. São analisados detalhes referentes ao projeto da câmera, bem como a influência desses detalhes em seu funcionamento. Alguns resultados científicos já alcançados com sistemas embarcados equivalentes são expostos. Também são apresentados os resultados dos ensaios e trabalhos realizados em laboratório para este projeto, e os resultados atingidos com o instrumento já em operação no telescópio.<br>This work presents the results obtained in the development of an embedded electronic system dedicated to the acquisition of astronomical images. This system consists primarily of a scientific astronomical camera, which houses an imaging detector EMCCD, and an electronic controller used for operating and reading the imaging detector. The stages that constitute the embedded system specific to an astronomical instrument installed in the telescopic international SOAR, at Chile, are detailed. Each of these stages: sensor, camera, electronic controller, image acquisition board and software, is described in detail, from a review of alternative solutions to the technical operation of sensors, and manipulation of electronic controllers. Some details of the camera design are analyzed as well as its influence in the camera operation. Some scientific results already achieved with equivalent embedded systems are exposed. It also presents the results of laboratory tests and work done for this project, and the results achieved with the instrument already operating at the telescope.

Cette thèse cofinancée par le CNRS et Framatome a porté sur l'étude d'une cavité supraconductrice de type spoke et de son coupleur de puissance associé. Les résultats ont été utilisés dans le cadre du 5ème PCRD et notamment pour l'accélérateur linéaire de protons de forte intensité(6mA) du projet de réacteur hybride XADS. La cavité (F=352MHz, BETA=0.35) a été testée à 4K et 2K. Ses performances à 4K donnent des marges confortables par rapport au cahier des charges XADS, ce qui est utile pour la fiabilité de l'installation. A 2K le champ accélérateur maximum est de 16MV/M ce qui est une référence mondiale.Le port de couplage de la cavité a été optimisé : sa position et son diamètre ont été modifiés pour diminuer les pertes HF sur l'antenne et limiter les risques de multipacting. Pour minimiser les pertes HF le mode de couplage avec la cavité choisie est électrique.Différents types de fenêtre céramique ont été étudiés afin de rendre fiable ce point critique du coupleur : disques coaxiaux avec ou sans chokes ou cylindrique creux coaxial . L'optimisation a porté sur la puissance réfléchie, les pertes dans la céramique, et le champ électrique de surface. Le disque muni de choke a également été modélisé et a fait l'objet d'une étude grâce à la théorie des lignes. L'ensemble des fenêtres a été étudié de manière systématique en fonction de différents paramètres géométriques. Le disque sans chokes semble un bon candidat pour notre application. La source de puissance sera un amplificateur état solide. Un coupleur entièrement coaxial est réalisable et sera fabriqué et testé prochainement.

Cette thèse étudie la possibilité d'intégrer plusieurs fonctions instrumentales au sein de la matrice de bolomètres pour les observations dans le domaine du sub-millimétrique. Ceci est désormais envisageable grâce aux progrès des micro-technologies.Dans un premier temps, nous avons optimisé le design des pixels polarimétriques inventés pour l'instrument B-BOP du futur observatoire spatial SPICA. Ce travail a notamment permis de quantifier la cross-polarisation (1/1000) et de repenser la géométrie des pixels afin d'obtenir des détecteurs mieux adaptés au rayonnement incident.Cette thèse a également été l'occasion, et ce de manière indépendante à la polarimétrie, de réfléchir à l'intégration de la spectroscopie au sein du plan focal. Pour cela, nous nous sommes orientés vers de l'interférométrie de type Fabry Pérot (FP). Un FP dans un faisceau collimaté présente l'avantage d'être très facilement compatible avec l'imagerie. Toutefois, nous avons choisi d'intégrer le spectromètre au plus près du détecteur (et donc dans le faisceau convergent). Nous avons également initié le développement de FP tout silicium (Si) à haute résistivité afin de réduire les pertes dûes aux miroirs métalliques, conventionnellement utilisés dans nos gammes de longueurs d'onde. Afin d'améliorer les performances spectrales du FP, les miroirs sont fabriqués via un empilement de couches de silicium interposés de vide tels des miroirs de Bragg. Cela permet d'augmenter rapidement le coefficient de réflexion des miroirs sans toutefois en augmenter trop la complexité: une finesse de 215 est, par exemple, attendue à 320 µm pour un FP utilisant des miroirs Si/vide/Si. Ensuite, nous avons étudié le couplage détecteur/FP qui se voit renforcé par la résonance des deux cavités optiques formées par le système complet. Enfin, des calculs ont montré qu'un FP avec une finesse raisonnable (150) mis dans le plan focal ne dégrade que très peu l'imagerie et la spectroscopie.A la fin de cette thèse, plusieurs étalons FP ont été réalisés et ont déjà démontré des propriétés intéressantes: une résolution spectrale de 180 a notamment été obtenue. En plus de cela, les mesures ont montré que le silicium avait une absorption négligeable à 77 K<br>This thesis assesses the potential of gathering several instrumental functions into a bolometer array for sub-millimetric astronomical observations. This possibility is now conceivable thanks to the recent progress made in micro-technologies.First, we optimized the design of polarimetric pixels invented for the B-BOP instrument of the future space observatory SPICA. This work enabled the quantification of the cross-polarization (1/1000) and to rethink the geometry of the pixels in order to obtain detectors better matched to incident radiation.This thesis has also been an opportunity to deal with the integration of spectroscopy within the focal plane, independently from the polarimetry aspect. We accordingly focused on Fabry-Pérot (FP) interferometry, as an FP in a collimated beam can well-suited for imaging. Nonetheless, we chose to integrate the spectrometer closer to the detector (and thus in the convergent beam). We also initiated the development of an FP made from high-resistivity silicon in order to lower the losses due to metallic mirrors, generally used in this range of wavelengths. With the objective to enhance the spectral capabilities of the FP, mirrors are built as a stack of silicon layers, separated by vacuum (Bragg mirrors). This increases the reflectivity of the mirrors while keeping the complexity to a reasonable level : a finesse of 215, for instance, is expected at 320 µm for a FP using Si/vacuum/Si mirrors. As a next step, we studied the detector/FP coupling which is enhanced by the resonance of two optical cavities formed by the whole system. Eventually, calculations showed that an FP with a moderate finesse (150) put in the focal plane barely deteriorates imaging or spectroscopy.By the end of this thesis, several FP etalons have been built and have already demonstrated favorable properties: we obtained a spectral resolution of 180. Moreover, measurements showed that silicon has a negligible absorption at a temperature of 77 K

The Hubble Space Telescope Wide Field Camera 3 (WFC3) near-IR channel is extensively used in time-resolved observations, especially for transiting exoplanet spectroscopy as well as. brown dwarf and directly imaged exoplanet rotational phase mapping. The ramp effect is the dominant source of systematics in the WFC3 for time-resolved observations, which limits its photometric precision. Current mitigation strategies are based on empirical fits and require additional orbits to help the telescope reach a thermal equilibrium. We show that the ramp-effect profiles can be explained and corrected with high fidelity using charge trapping theories. We also present a model for this process that can be used to predict and to correct charge trap systematics. Our model is based on a very small number of parameters that are intrinsic to the detector. We find that these parameters are very stable between the different data sets, and we provide best-fit values. Our model is tested with more than 120 orbits (similar to 40 visits) of WFC3 observations. and is proved to be able to provide near photon noise limited corrections for observations made with both staring and scanning modes of transiting exoplanets as well as for starting-mode observations of brown dwarfs. After our model correction, the light curve of the first orbit in each visit has the same photometric precision as subsequent orbits, so data from the first orbit no longer need. to. be discarded. Near-IR arrays with the same physical characteristics (e.g., JWST/NIRCam) may also benefit from the extension of this model if similar systematic profiles are observed.

Nous avons étudié l'effet des rayons cosmiques dans les détecteurs en utilisant un bolomètre de germanium composite NTD à basse température, et une source de particules alpha comme source générique d'impulsions. Nous avons caractérisé ce bolomètre en constatant que la forme de son impulsion était due à la combinaison de sa réponse impulsionnelle (la somme de deux exponentielles doubles), et des effets liés à la position découlant de la thermalisation des phonons balistiques en phonons thermiques dans son absorbeur. Nous avons établi un schéma décrivant la forme de l'impulsion dans ce bolomètre en comparant une impulsion mathématique générique à une seconde description basée sur la physique thermique. Nous constatons que la thermalisation des phonons balistiques, suivie de la diffusion thermique, jouent un rôle important dans la forme de l'impulsion, en parallèle avec le couplage électrothermique et les effets électriques dépendant de la température. Nous avons modélisé les impulsions en observant que leur comportement peut être reproduit en tenant compte de la réflexion de phonons balistiques sur le bord de l’absorbeur, avec un couplage thermique fort au capteur central du bolomètre. Compte tenu de ces résultats, nous étudions également les effets des rayons cosmiques sur l’instrument Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), en produisant des timelines simulées et en testant la hausse de la valeur moyenne de la température (RMS) sur la plaquette du détecteur. Nous montrons que le flux thermique attendu des rayons cosmiques est au même ordre de grandeur que le maximum autorisé ΔTRMS ce qui constitue une menace sur le budget de la résolution énergétique de l'instrument<br>We have studied the effect of cosmic rays in detectors using a composite NTD germanium bolometer at low temperatures and an alpha particle source as a generic source of pulses. We have characterised this bolometer, finding that its pulse shape is due to a combination of its impulse response function (the sum of two double exponentials), and position-dependent effects arising from thermalisation of ballistic phonons into thermal phonons in its absorber. We have derived a scheme for describing the pulse shape in this bolometer, comparing a generic mathematical pulse shape with a second description based on thermal physics. We find that ballistic phonon thermalisation, followed by thermal diffusion, play a significant role in the pulse shape, along with electro-thermal coupling and temperature-dependent electrical effects. We have modelled the pulses, finding that their behaviour can be reproduced accounting for ballistic phonon reflection off the absorber border, with a strong thermal coupling to the bolometer’s central sensor. With these findings, we also investigate the effects of cosmic rays on the Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), producing simulated timelines and testing the average RMS temperature increase on the detector wafer, showing that the expected cosmic ray thermal flux is within the same order of magnitudeas the maximum allowed ΔTRMS, posing a threat to the instrument’s energy resolution budget

Les principaux objectifs du programme scientifique de l'experience ATLAS sont l'observation ou l'exclusion de physique au-delà du Modèle Standard, ainsi que la mesure de sections efficaces de production de processus du Modèle Standard. Pour ce faire, il est important de mesurer la luminosité au point d'interaction avec une grande précision. Dans l'experience ATLAS, la luminosité est extraite à l'aide de plusieurs détecteurs possédant des efficacités et acceptances géométriques variées. Différentes méthodes, telles que le comptage inclusif (ou en coïncidence) d'événements, ainsi que des mesures de courants intégrés provenant des calorimètres, sont calibrées et comparées afin d'assurer une détermination précise de la luminosité. Afin de permettre une comparaison additionelle et un meilleur contrôle sur les incertitudes systématiques liées à la détermination de la luminosité, une mesure indépendante utilisant le compartiment avant du calorimètre électromagnétique, basé sur la mesure du courant de son système haute-tension, a été développée. Ce document décrit comment la mise en route dud système haute-tension du calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS, ainsi que son application à une mesure de luminosité.

Neutron-rich rare-earth nuclei are among the most collective nuclei that can be found in nature. In particular, the doubly mid-shell nucleus 170Dy is expected to be the nucleus where the collective structure is maximized. This has implications for the astrophysical r-process, since it has been suggested that the collectivity maximum plays an important role in the abundances of the rare-earth elements that are created in supernova explosions. In this work, the collective structure of the five nuclei 168,170Dy and 167,168,169Ho are studied and different theoretical models are used to interpret the evolution of collectivity around the mid-shell. In order to produce and study even more neutron-rich nuclei in this mass region, new radioactive ion beam facilities will be a valuable tool. These facilities, however, require advanced instruments to study the weak signals of exotic nuclei in a high background environment. Two of these instruments are the γ-ray tracking spectrometer AGATA and the neutron detector array NEDA. For AGATA to work satisfactorily, the interaction position of the gamma rays must be determined with an accuracy of at least five millimetres. The position resolution is measured in this work using a model independent method based on the Doppler correction capabilities of the detector at two different distances between the detector and the source. For NEDA, one of the critical parameters is its ability to discriminate between neutrons and γ rays. By using digital electronics it is possible to employ advanced and efficient algorithms for pulse-shape discrimination. In this work, digital versions of the common analogue methods are shownto give as good, or better, results compared to the ones obtained using analogue electronics. Another method which effectively distinguishes between neutrons and γ rays is based on artificial neural networks. This method is also investigated in this work and is shown to yield even better results.

La thèse s'est déroulée dans le contexte de la datation par thermoluminescence. Cette méthode nécessite la mesure en laboratoire de la radioactivité naturelle. Pour cela, nous utilisons un spectromètre au germanium. Pour affiner l'étalonnage de celui-ci, nous l'avons modélisé en utilisant un code de calcul Monte-Carlo : Geant4. Nous avons développé un modèle géométrique qui prend en compte la présence de zones inactives et de défauts de collection de charges dans le cristal de germanium. Les paramètres du modèle ont été ajustés par comparaison avec des résultats expérimentaux obtenus avec une source de 137^Cs. Il apparaît que la forme des zones inactives est moins simple que présenté dans la littérature spécialisée. Ce modèle a été élargit au cas d'une source plus complexe, avec effet de cascade et corrélations angulaires entre photons : le 60^Co. Enfin, appliqué à des sources étendues, il a donné des résultats corrects et nous a permis de valider la simulation de l'effet de matrice.

Aujourd’hui les réacteurs d’irradiations technologiques (MTR) ont un rôle de premier plan pour l’industrie du nucléaire. Dans les réacteurs d’irradiation les niveaux de flux neutroniques et photoniques sont très importants. Un des besoins cruciaux des mesures en MTR est la mise en œuvre d’un dispositif de détection de rayonnement, précis, sélectif, fiable et robuste dans les conditions extrêmes de flux neutroniques et photoniques, et de températures élevées. Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite tels que le carbure de silicium (SiC) le diamant et le nitrure de gallium (GaN) possèdent des propriétés remarquables en termes de tenue en température et de résistance aux radiations. Cette thèse a pour principal objectif la comparaison des performances des détecteurs de neutrons dont les parties sensibles sont faites de carbure de silicium (SiC) avec celles des détecteurs basés sur le diamant pour la mesure de neutrons en conditions d’irradiation identiques. Pour cela nous avons réalisé les essais d’irradiation dans le réacteur de recherche de type maquette critique MINERVE au CEA Cadarache. Nous avons également testé les capteurs pour la détection des neutrons rapides de 14 MeV afin d’investiguer la future possibilité de mesurer en ligne des flux de neutrons rapides notamment pour les besoins de la fusion nucléaire (projet ITER). L’ensemble de ces travaux contribue à l’amélioration de la fonctionnalité du détecteur de neutrons en SiC, qui peut être augmentée en intégrant le détecteur à une électronique adaptée et aux outils spécifiques pour l’analyse du signal développés dans le cadre de cette thèse<br>Nowadays, the material testing reactors (MTR) are playing a crucial role for nuclear industry. The research reactors allow carrying out the research on material damage and nuclear fuel advanced studies. Harsh radiation environment near the nuclear reactor core requires the radiation detectors to be resistant to high radiation level and high temperature. Neutron radiation detector for nuclear reactor applications plays an important role in getting information about the actual neutron flux. Most suitable semiconductors for harsh environment applications are SiC and diamond thanks to their outstanding properties. The aim of this thesis is to compare the ability of these two semi-conductors to detect neutrons. For this purpose, the neutron irradiation tests of detectors were implemented at MINERVE nuclear research reactor at CEA Cadarache. In this work we also studied the response of both materials to 14 MeV neutron beam with the prospect for future applications for fusion facilities. This work helps to improve the SiC-based detector characterization. The functionality of this detector could be enhanced by integrating it with appropriate radiation resistant electronics and tools for the signal analysis which was developed in the frame of this thesis

En physique nucléaire, l'interaction faisceau-cible engendre une multitude d'événements qui ne sont pas tous d'intérêt pour le phénomène physique étudié. Il est donc important de disposer d'un système de sélection nommé trigger. Nous avons étudié et réalisé un nouveau trigger adapté aux expériences menées au GANIL. Nous avons présenté un historique des différents triggers utilisés aux GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) et avons montré la nécessité d'un nouveau trigger modulaire, universel et ouvert. Après une description des différents modes de fonctionnement du nouveau trigger (GANIL Master Trigger, GMT) nous avons décrit les phases de sa conception et de sa réalisation. Le trigger renseigne sur la configuration des détecteurs temporels, or cette information peut être fondamentale dans le cas où la fenêtre d'analyse du trigger couvre plusieurs périodes du faisceau. Nous avons donc proposé une structure de mesure de temps (Time to Digital Converter, TDC) qui permet de lever cette indétermination. Les contraintes de temps mort, d'intégration et de consommation nous ont conduit à proposer une architecture numérique basée sur un compteur associé à une ligne A Retard (LAR). Des calculs simples ont permis de définir la zone de fonctionnement du TDC. Cette zone dépend du rapport cyclique de l'horloge et des retards de la LAR. Des mesures de Non Linéarité Différentielle (NLD) pour des résolutions différentes (1,2,5 et 10 ns) ont permis d'établir les limites de ce système et de mettre en évidence des solutions d'amélioration de ces caractéristiques.

Both the conditions of the epitaxial growth of YBCO thin films on silicon and the MOS devices operation at 77 K are well known. So, we have defined the technological solutions for the monolithic integration of high temperature superconductor bolometers (YBCO) and amplifiers based on PMOS devices. We have replaced their Al metallization by a Pt/Ti structure. The drain and source contacts were obtained by the preliminary formation of Mo-Si compounds. The YBCO thin film was deposited on silicon using CeO2/Yttria-Stabilized-Zirconia (Y SZ) buffer layers and showed a Tc of 86K. The bolometers and the transistors were successfully tested separetely at 300K and 77K. The co-fabrication on the same silicon substrate of YBCO and PMOS devices is a very promising starting point for a new generation of integrated circuits combining the advantages of the superconductive properties of YBCO and electronics in silicon technolgy.

Nous avons développé un concept original de mélangeur à bolomètre supraconducteur en structure quasi-optique destiné à la détection hétérodyne dans le domaine térahertz. Le détecteur est un bolomètre à électron chaud (HEB) en nitrure de niobium (NbN) sur une membrane diélectrique de Si3N4/SiO2 de 1,4 µm d'épaisseur. La membrane est obtenue par une gravure du substrat de silicium. Un miroir focalise le signal THz et une antenne planaire assure le couplage du rayonnement au HEB. Deux blocs mélangeurs ont été développés pendant cette thèse, l'un en configuration axiale et l'autre avec un miroir hors axe. Des antennes planaires de type spirales et double fente ont été conçues pour fonctionner sur la membrane de Si3N4 à des fréquences de 0,6 et 1,4 THz. Une caractérisation FTS réalisée avec une antenne double fente à 0,6 THz a démontré un très bon accord entre la fréquence de résonance mesurée et celle simulée. Une bande passante RF de 40% de la fréquence centrale a été mesurée. Les premières mesures de sensibilité du bloc mélangeur hors axe ont donné des résultats encourageants avec une température de bruit de récepteur de 1300 K à 0,6 THz. La bande passante absolue de la fréquence intermédiaire a été mesurée à 750 MHz. Les travaux à venir sont la montée en fréquence bien au-delà du THz, l'amélioration de la sensibilité du récepteur et le développement de matrice de HEB. Le concept de mélangeur HEB sur membrane pourrait être une solution intéressante pour l'imagerie THz.

L'objectif de mon travail a été de développer, réaliser et tester un spectromètre de masse neutre afin d'étudier les exosphères planétaires : NIMEIS (Neutral and Ion Mass and Energy Imaging Spectrometer). Les particules présentes dans les exosphères planétaires peuvent s'interpréter comme la signature des processus d'interaction entre l'environnement des objets planétaires et leur atmosphère et/ou surface. Un instrument de mesure, capable de déterminer la masse et l'énergie des particules de l'exosphère a été imaginé afin d'identifier et caractériser ces processus. Un modèle numérique d'un spectromètre de masse et d'énergie pour la mesure des neutres et ions exosphériques a été développé afin de répondre aux objectifs instrumentaux imposés par notre connaissance de ces processus. A partir du modèle numérique obtenu, un prototype a été réalisé et des tests ont été effectués. En parallèle, j'ai travaillé sur le développement d'une source d'ionisation, également nécessaire pour le fonctionnement optimal du spectromètre de masse neutre, basée sur l'utilisation de nanotubes de carbone comme émetteurs d'électrons. Nous travaillons en collaboration avec un laboratoire Sud Coréen qui produit les nanotubes de carbone. Mon travail a permis de définir, concevoir et modéliser différents types de dispositifs pour parfaire l'extraction des électrons. J'ai également travaillé sur la définition et l'optimisation du modèle numérique de l'optique de l'instrument PICAM (Planetary Ion CAMera). PICAM est un spectromètre de masse d'ions de la mission Bepi-Colombo ayant pour objectif d'étudier l'exosphère ionisée de Mercure. La particularité de cet instrument est de mesurer la masse, l'énergie et de produire une image instantanée d'un champ de vue hémisphérique. L'optimisation du modèle s'est faite à partir d'un modèle numérique en partant du design de l'instrument DION de la mission Phobos-Grunt (Vaisberg et al. 2010). L'objectif de cette optimisation a consisté en la recherche d'une augmentation du facteur géométrique, indispensable dans le cadre de l'exploration de Mercure.

Dans le cadre du projet Laser MégaJoule (LMJ), des chaînes de mesure, appelées diagnostics, sont nécessaires à la qualification de l'atteinte de l'ignition. Parmi ces diagnostics, des imageurs X devront observer le développement d'instabilités hydrodynamiques à la surface du microballon. L'imagerie de ces instabilités sera faite dans le domaine X par radiographie ou en utilisant l'émission propre de la cible. Aucun imageur X conçu aujourd'hui pour le LMJ ne permet de réaliser une telle image. L'imageur X développé dans cette thèse devra donc réaliser une image à haute résolution et à haute énergie tout en respectant les contraintes de fonctionnement lié à une installation telle que le LMJ. Nous avons tout d'abord étudié et amélioré un diagnostic existant : EHRXI. Nous avons optimisé la bande d'énergie X utile à l'imagerie par ce diagnostic en l'étendant jusqu'à 12 keV. Nous avons obtenu des résolutions inférieures à 5 μm dans un champ de 1 mm de diamètre. Ce diagnostic a été déployé avec succès sur les installations laser ELFIE 100 TW et OMEGA. Avec le retour d'expérience obtenu avec EHRXI nous avons conçu un prototype de diagnostic pour le LMJ : Merssix. Ce microscope aura une résolution inférieure à 5 μm dans un champ de 500 μm de diamètre pour des énergies s'étendant jusqu'à 22 keV. Merssix a été pensé et adapté aux conditions expérimentales du LMJ. Sa conception met notamment en jeu une sélection spectrale pour permettre une utilisation en radiographie en présence d'un environnement X complexe.

Ce document décrit une partie de mes travaux de recherche effectué entre 2002 et 2010 au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées dans les domaines de la sécurité routière et des ouvrages d'art. Le premier domaine concerne la vision à travers les milieux diffusants. L'objectif est de proposer des dispositifs de surveillance du réseau routier ou d'aide à la conduite en situations météorologiques dégradées (pluie, neige, brouillard, fumée, etc.). Je présente les phénomènes physiques limitant la vision dans le brouillard et des dispositifs permettant de répondre à cette problématique. Le second domaine traite de l'auscultation des structures d'ouvrages d'art par des techniques non destructives. Deux exemples sont présentés, l'un tiré des travaux sur l'auscultation des composites collés en surface du béton et l'autre concernant l'auscultation des conduits de précontrainte extérieure. Pour chacun des sujets, je présente les dispositifs et les méthodes mis en oeuvre. Les résultats de modélisation numériques sont comparés aux mesures expérimentales.

Aujourd’hui les réacteurs d’irradiations technologiques (MTR) ont un rôle de premier plan pour l’industrie du nucléaire. Dans les réacteurs d’irradiation les niveaux de flux neutroniques et photoniques sont très importants. Un des besoins cruciaux des mesures en MTR est la mise en œuvre d’un dispositif de détection de rayonnement, précis, sélectif, fiable et robuste dans les conditions extrêmes de flux neutroniques et photoniques, et de températures élevées. Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite tels que le carbure de silicium (SiC) le diamant et le nitrure de gallium (GaN) possèdent des propriétés remarquables en termes de tenue en température et de résistance aux radiations. Cette thèse a pour principal objectif la comparaison des performances des détecteurs de neutrons dont les parties sensibles sont faites de carbure de silicium (SiC) avec celles des détecteurs basés sur le diamant pour la mesure de neutrons en conditions d’irradiation identiques. Pour cela nous avons réalisé les essais d’irradiation dans le réacteur de recherche de type maquette critique MINERVE au CEA Cadarache. Nous avons également testé les capteurs pour la détection des neutrons rapides de 14 MeV afin d’investiguer la future possibilité de mesurer en ligne des flux de neutrons rapides notamment pour les besoins de la fusion nucléaire (projet ITER). L’ensemble de ces travaux contribue à l’amélioration de la fonctionnalité du détecteur de neutrons en SiC, qui peut être augmentée en intégrant le détecteur à une électronique adaptée et aux outils spécifiques pour l’analyse du signal développés dans le cadre de cette thèse<br>Nowadays, the material testing reactors (MTR) are playing a crucial role for nuclear industry. The research reactors allow carrying out the research on material damage and nuclear fuel advanced studies. Harsh radiation environment near the nuclear reactor core requires the radiation detectors to be resistant to high radiation level and high temperature. Neutron radiation detector for nuclear reactor applications plays an important role in getting information about the actual neutron flux. Most suitable semiconductors for harsh environment applications are SiC and diamond thanks to their outstanding properties. The aim of this thesis is to compare the ability of these two semi-conductors to detect neutrons. For this purpose, the neutron irradiation tests of detectors were implemented at MINERVE nuclear research reactor at CEA Cadarache. In this work we also studied the response of both materials to 14 MeV neutron beam with the prospect for future applications for fusion facilities. This work helps to improve the SiC-based detector characterization. The functionality of this detector could be enhanced by integrating it with appropriate radiation resistant electronics and tools for the signal analysis which was developed in the frame of this thesis

Ce travail avait pour buts d'évaluer la responsabilité des processus de diffusion, effusion et ionisation dans la transformation atome-ion, de mieux comprendre le comportement temporel des dispositifs ISOL, et d'en faire bénéficier les développements de systèmes de production ISOL. Ces buts ont été en partie atteints : les résultats obtenus avec les ECS ECR de SPIRAL 1 et de SPIRAL 2 et leur confrontation ont permis de décrire analytiquement leur comportement temporel et de mettre en évidence sous quelles conditions il est possible de considérer comme séparables les processus de diffusion, effusion et ionisation, et par conséquent de les considérer comme consécutifs.

Ce travail est caractérisé par le fait qu'il se situe à la frontière entre technologie et recherche plus fondamentale. Le mémoire est organisé en 6 parties. Dans le chapitre 2, je donne un aperçu du travail mené dans le cadre du co-encadrement d'une thèse au sein de mon 1er laboratoire d'accueil, au CEA/Grenoble, dont l'objectif était de déterminer la distribution des populations ioniques dans un plasma de source ECR. Au chapitre 3, après avoir très brièvement rappelé les principes et techniques de l'analyse par faisceaux d'ions, je présente quelques caractéristiques de la microsonde nucléaire du CEA/Saclay en précisant ses spécificités. Le chapitre 4 donne quelques illustrations des applications dans le domaine des sciences des matériaux auxquelles j'ai participé au fil du temps. Les applications dans le domaine de la biologie, que j'ai contribué à développer au sein du laboratoire sont présentées au chapitre 5. Un développement important que j'ai mené sur la microsonde, ici à visée d'irradiation, est présenté au chapitre 6. Le chapitre 7 ouvre les perspectives de recherche qui me semblent intéressantes à développer dans les années à venir.

La mise en œuvre des réfrigérateurs à dilution implique la consommation d'4He liquide. Ces réfrigérateurs ne sont pas autonomes et leur utilisation devient ainsi contraignante et onéreuse lorsque les laboratoires ne disposent pas de système de reliquéfaction.<br />A la fin des années 1990, les tubes à gaz pulsé bi-étagés commerciaux ont atteint des performances telles, que l'idée de les utiliser à la place des bains d'4He classiques commençé à émerger. Quelques prototypes de laboratoire furent ainsi développés, dont un exemplaire commercialisé par l'Air Liquide en collaboration avec le CNRS-CRTBT.<br />Cette thèse, réalisée au CRTBT et cofinancée par l'Air Liquide, a permis d'étudier le couplage d'un réfrigérateur à dilution avec un tube à gaz pulsé afin de réaliser un appareil commercial offrant des performances comparables, en volume expérimental et puissance froide, aux réfrigérateurs classiques de moyenne puissance.<br />Dans un premier temps, nous avons porté notre attention sur la réalisation du cryostat. L'absence de fluides cryogéniques permettant la thermalisation homogène des diverses entités, ainsi que la puissance frigorifique limitée par les performances du tube à gaz pulsé et les vibrations générées par ce dernier constituaient les principales caractéristiques de notre étude.<br />Nous avons réalisé un cryostat offrant un volume expérimental de 750 mm sur un diamètre de 200 mm. Le temps de prérefroidissement est de 12 heures entre 300 K et 4,2 K.<br />Dans un second temps, nous avons étudié l'intégration du réfrigérateur à dilution.<br />Le prérefroidissement de l'injection d'3He entre 300 K et 4,2 K nous a amenés à développer un système de thermalisation spécifique permettant d'optimiser l'utilisation des ressources du tube à gaz pulsé. Ce développement a abouti à un brevet CNRS-Air Liquide. <br />Le prérefroidissement entre 4,2 K et la température de l'évaporateur a constitué un travail important concernant l'étude du principe de refroidissement par échangeurs Joule-Thomson.<br />Nous avons ainsi atteint des températures inférieures à 10 mK et obtenu des débits de circulation allant de 90 à 200 micromoles par seconde avec des temps de condensation de l'ordre de 2 heures pour un réfrigérateur à deux échangeurs discrets.

La mise en œuvre des réfrigérateurs à dilution implique la consommation d'4He liquide. Ces réfrigérateurs ne sont pas autonomes et leur utilisation devient ainsi contraignante et onéreuse lorsque les laboratoires ne disposent pas de système de reliquéfaction. A la fin des années 1990, les tubes à gaz pulsé bi-étagés commerciaux ont atteint des performances telles, que l'idée de les utiliser à la place des bains d'4He classiques commençé à émerger. Quelques prototypes de laboratoire furent ainsi développés, dont un exemplaire commercialisé par l'Air Liquide en collaboration avec le CNRS-CRTBT. Cette thèse, réalisée au CRTBT et cofinancée par l'Air Liquide, a permis d'étudier le couplage d'un réfrigérateur à dilution avec un tube à gaz pulsé afin de réaliser un appareil commercial offrant des performances comparables, en volume expérimental et puissance froide, aux réfrigérateurs classiques de moyenne puissance. Dans un premier temps, nous avons porté notre attention sur la réalisation du cryostat. L'absence de fluides cryogéniques permettant la thermalisation homogène des diverses entités, ainsi que la puissance frigorifique limitée par les performances du tube à gaz pulsé et les vibrations générées par ce dernier constituaient les principales caractéristiques de notre étude. Nous avons réalisé un cryostat offrant un volume expérimental de 750 mm sur un diamètre de 200 mm. Le temps de prérefroidissement est de 12 heures entre 300 K et 4,2 K. Dans un second temps, nous avons étudié l'intégration du réfrigérateur à dilution. Le prérefroidissement de l'injection d'3He entre 300 K et 4,2 K nous a amenés à développer un système de thermalisation spécifique permettant d'optimiser l'utilisation des ressources du tube à gaz pulsé. Ce développement a abouti à un brevet CNRS-Air Liquide. Le prérefroidissement entre 4,2 K et la température de l'évaporateur a constitué un travail important concernant l'étude du principe de refroidissement par échangeurs Joule-Thomson. Nous avons ainsi atteint des températures inférieures à 10 mK et obtenu des débits de circulation allant de 90 à 200 micromoles par seconde avec des temps de condensation de l'ordre de 2 heures pour un réfrigérateur à deux échangeurs discrets<br>The dilution refrigerators operation implies liquid consumption. These refrigerators are not stand-alone, so their use becomes constraining and expensive for laboratories which do not have liquefaction facilities. At the end of the 90's, the performance of commercial two-stage pulse tubes were good enough that the idea to use them to replace traditional helium baths emerged. Laboratory prototypes were developed. One of them was marketed by Air Liquide in collaboration with the CRTBT. In the framework of this thesis carried out at the CRTBT and co-funded by Air Liquide, a dilution refrigerator coupled to a pulse tube was studied. The objective is to produce a commercial apparatus offering equivalent performances to traditional refrigerators in terms of experimental volume and cooling power. In a first step we focused on the cryostat study. In particular the absence of cryogenic fluids enabling the homogeneous thermalisation of the various entities, as well as the limited cooling power of the pulse tube and the induced vibrations were investigated. A cryostat offering an experimental volume of 750mm length with a diameter of 200 mm was then designed and manufactured. The precooling time between 300 K and 4,2 K is 12 hours. In a second step, we studied the integration of the dilution refrigerator into the cryostat. The 3he inlet precooling between 300 K to 4,2 K was done by developing a specific system allowing to optimize the pulse tube resources. This work led to a CNRS/Air Liquide patent. The precooling between 4,2 K and the temperature of the still required an important work on the Joule-Thomson exchangers. We reached temperatures lower than 10 mK and obtained 3he circulation flows

L’utilisation diversifiée des dispositifs de l’électronique de puissance est une conséquence des avancées fulgurantes dans la compréhension théorique de la physique des semi-conducteurs. L’approche applicative se traduit par la conception de modules de puissance au sein desquels sont implantées des puces semi-conductrices. Les densités de puissance injectées dans ces composants ne cessent d’accroitre et les seuils d’intégration sont également toujours repoussés dans le sillage de la conception de systèmes à encombrement réduit. Dès lors, la gestion des contraintes, notamment électrothermiques, est devenue un challenge majeur dans l’utilisation des systèmes de l’électronique de puissance. L’environnement sévère résultant des profils de température contraignants fait qu’une attention particulière est portée sur les aspects de fiabilité des dispositifs. Les stratégies de suivi de l’état de santé des modules et les méthodes de caractérisation des assemblages de puissance nécessitent l’estimation de la température des puces semi-conductrices.Diverses méthodes sont aujourd’hui mises en œuvre afin d‘estimer la température des composants semi-conducteurs ; cette dernière étant assimilée à une température de jonction virtuelle Tjv, caractéristique de la zone active des puces semi-conductrices. Les paramètres électriques thermosensibles (PETS) sont largement utilisés afin d’estimer la température de jonction de ces puces. La problématique de la représentativité de ces PETS n’est toutefois pas suffisamment adressée dans la littérature scientifique. Il est par conséquent nécessaire de mettre au point des moyens et méthodes complémentaires afin d’évaluer des paramètres thermosensibles, notamment dans les conditions de fonctionnement des composants au sein des convertisseurs de l’électronique de puissance.Dans le cadre de nos travaux de thèse, nous avons réalisé une puce semi-conductrice instrumentée qui offre la possibilité de mener de manière simultanée une mesure de température avec un PETS et un capteur résistif. Les procédés classiques de la microélectronique sont adaptés à l’électronique de puissance pour la réalisation de cet outil de validation des PETS. Les capteurs résistifs sont implémentés à la surface de composants de puissance du commerce (Diodes, IGBTs) ; ces composants instrumentés sont par la suite intégrés dans des modules de puissance. Une campagne expérimentale est menée en dernier lieu pour valider le bon fonctionnement des capteurs sur la base d’une comparaison de mesures de température par thermographie infrarouge et avec un PETS dédié<br>The fast-paced advancements in the understanding of semiconductor theoretical basis lead to the conception of diversified power electronic devices. In the field of power electronics, the efficiency of those devices is strongly linked to high power rates and full integration trends that guide the design process of converters. Consequently, electrothermal constraints management is gaining importance when it comes to the reliability aspect of power systems. The key parameter that needs to be monitored during converter lifetime is the junction temperature of semi-conductor components.Many methods are used to estimate the junction temperature of semi-conductor chips embedded into power converters. That parameter is usually defined as a virtual junction temperature Tjv which reflects the temperature of the active parts of power chips. Among those approaches, ThermoSensitive Electrical Parameters (TSEPs) are widely employed. Nonetheless, the representativeness of TSEPs is not fully addressed in the scientific literature. It is therefore mandatory to investigate this aspect using new additional methods to validate the temperature measurements performed thanks to TSEPs, especially under the converter’s conditions of use.As part of our work, a new temperature measurement tool dedicated to TSEPs validation is designed. Microelectronic conventional processes are adapted in order to develop a power instrumented chips (Diodes, IGBTs) with integrated temperature sensor. It makes possible simultaneous junction temperature measurements using a TSEP and the on-chip resistive detector. The experimental validation results are performed using instrumented power modules and infrared thermography

Les chaînes de réception de signaux satellitaires de navigation (GNSS), composées d'un récepteur, d'un câble d'antenne et d'une antenne, sont l'outil le plus utilisé lors de comparaisons d'horloges atomiques distantes nécessaires pour le calcul du Temps Atomique International (TAI). L'étalonnage de ces liens de temps, consistant à déterminer leur retard électrique lors de la propagation du signal au travers du système d'acquisition, est nécessaire afin de garantir leur exactitude et leur stabilité long-terme. Deux techniques d'étalonnage sont actuellement recensées : la méthode différentielle et la méthode en absolu. La technique différentielle consiste à comparer l'ensemble de la chaîne de réception à étalonner avec une chaîne de référence dont le retard est connu. Cette dernière circule de laboratoires en laboratoires afin que le BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) puisse déterminer le délai interne des équipements opérationnels installés dans les laboratoires visités. La technique d'étalonnage dite en absolu consiste à déterminer indépendamment le retard électrique interne de chaque élément de la chaîne de réception en utilisant des signaux simulés permettant de s'affranchir des bruits liés à la diffusion de signaux satellitaires. Le CNES développe cette technique depuis 2005. Les travaux de cette thèse contribuent au développement et à l'optimisation des méthodes d'étalonnage en absolu de chacun des éléments de la chaîne de réception afin de déterminer le retard global de le la chaîne d'acquisition avec une incertitude inférieure à une nanoseconde. Cette méthode d'étalonnage permet également de caractériser les performances de chacun des composants du système d'acquisition ainsi que la sensibilité thermique et hygrométrique des récepteurs.

Ce manuscrit de thèse présente l’étude et le développement d’un démonstrateur d’hodoscope faisceau conçu pour l’étiquetage spatial et temporel des faisceaux d’ions en hadronthérapie. Ce travail intervient dans la problématique du contrôle en ligne des traitements, et plus particulièrement, dans l’amélioration des systèmes de vérification du parcours basés sur la détection de photons gamma-prompts générés par l’ion incident dans la matière le long de sa trajectoire. Le diamant synthétique a été choisi pour sa résistance aux radiations et sa rapidité, permettant d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de 100 ps nécessaire pour l’optimisation des systèmes de détection. Diverses qualités cristallines de diamant synthétique ont été étudiées et caractérisées au cours de ce travail pour répondre aux objectifs fixés. Cette caractérisation a été effectuée en premier lieu en laboratoire avec la mise en place de différents bancs de tests permettant de mettre en évidence la capacité de collection de charges et les performances temporelles et spectroscopiques des échantillons. Les échantillons par la suite assemblés en détecteurs, ont été testés sur différents faisceaux pulsés de particules, aussi bien avec des photons que des ions légers. Les premiers détecteurs à pistes, permettant une localisation spatiale des ions, ont également été développés. Les résultats des différentes campagnes de mesures mettent en évidence la capacité de ces détecteurs diamant à réaliser un étiquetage temporel d’ions uniques avec une résolution de 100 ps et une efficacité de détection de 98%. Un dénombrement précis du nombre de protons contenu dans les paquets envoyés par l’accélérateur a été également réalisé. Enfin, une étude en fonction de l’intensité faisceau démontre la capacité des détecteurs diamant à détecter individuellement chaque paquet de particules à des fréquences supérieures à 30 MHz. Le manuscrit présente enfin le design et le développement d’un démonstrateur d’hodoscope fait de quatre diamant métallisés par pistes, assemblé en mosaïque, et associé à des préamplificateurs et carte d’acquisition dédiés développées au laboratoire<br>This thesis manuscript introduces the study and development of a diamond hodoscope demonstrator conceived for spatial and temporal beam tagging in hadrontherapy. This work deals with the issue of online ion range verification, and more specifically with the improvement of prompt-gamma imaging systems. Synthetic diamond samples were chosen for their radiation hardness and fast response, enabling 100 ps time resolution that is a key issue to optimize prompt-gamma detection devices. Several crystal qualities were tested and characterized to cope with the defined goals. Characterization was carried out first at lab with the development of test benches to evaluate the charge transport properties as well as the timing and spectroscopic performances of the tested samples. Then, diamond samples were assembled as detectors to be tested on various pulsed particle beams using both photons and light ions. The first developed double-sided stripped detectors, enabling spatial localization of the ions, were also tested. The results from the different beam tests emphasized diamond’s ability to perform single ion tagging with a 98% detection efficiency and a 100 ps time resolution. A precise counting of the number of protons within a bunch was then achieved. Finally, a study at high beam current highlighted individual ion bunches counting capabilities superior to 30 MHz. The manuscript eventually introduces the design and the development of a hodoscope demonstrator made of four diamond samples arranged in a mosaic pattern. They are double-sided stripped and readout with custom broadband preamplifiers and acquisition board developed at laboratory

Le document présente la problématique de la détection directe de matière noire dans le cadre des expériences XENON100 et MIMAC. Après une introduction générale sur la matière noire et sur les signaux attendus dans un détecteur terrestre, les deux projets sont passés en revue en se concentrant sur les aspects expérimentaux. L'accent est mis particulièrement sur la caractérisation des performances des détecteurs et sur les bruits de fonds associés.

La spectrométrie gamma est une des mesures non destructives passives la plus utilisée pour la quantification des radionucléides dans les déchets nucléaires. Le travail de thèse a pour but l'amélioration de l'exploitation du spectre gamma (c'est-à-dire après l'étape d'acquisition du spectre). L'exploitation des spectres se faisant en deux étapes (restituer les énergies et les surfaces nettes des pics contenus dans le spectre et déterminer le rendement de détection de la mesure), le travail de thèse s'est divisé en deux parties. Dans un premier temps, nous avons mis en place un procédé de validation qui quantifie les incertitudes engendrées par l'extraction des énergies et des surfaces et qui est applicable à n'importe quel logiciel de déconvolution. Avec ce procédé, nous avons étudié les performances de la déconvolution effectuée par le logiciel SINBAD. Le travail de thèse a ainsi permis de disposer d'un outil automatisé d'extraction des énergies et des surfaces nettes des pics d'absorption validé et dont les incertitudes sont quantifiées. Enfin, la deuxième partie de la thèse a permis de définir une méthode automatisée de calcul du rendement de détection, applicable à n'importe quel objet mesuré. La faisabilité de la méthode sur des cas simples a été attestée par le travail de thèse. L'extrapolation à des cas plus complexes devra faire l'objet d'études supplémentaires.

Nous présentons d'abord un système de tomographie optique fonctionnant en lumière blanche, avec un interféromètre de Linnik. La résolution tomographique obtenue est de l'ordre de 1,2 m dans l'air. Les capacités de l'instrument sont illustrées par des images tomographiques d'intérêt biomédical. D'autre part, nous présentons un polarimètre de Mueller à cristaux liquides nématiques optimisé pour la propagation des erreurs de mesures brutes aux images finales. Les mesures sont rapides (de l'ordre de la seconde) et précises (erreurs de l'ordre de 1%). Les images polarimétriques de coupes histologiques montrent l'intérêt de ce dispositif pour l'étude microscopique d'échantillons contenant des macromolécules fibreuses (collagène). Enfin, des images en degré de polarisation (DOP) de cols de l'utérus humains ex vivo viennent confirmer les possibilités de l'imagerie polarimétrique pour la détection de dysplasies (DOP plus élevé que dans les zones saines).

GLAST est la nouvelle génération de télescope spatial pour l'étude des rayons gamma et devrait très largement améliorer notre connaissance du ciel à haute énergie, dès son lancement en août 2007.<br />Les données du faisceau-test mené au GANIL avec des ions de basse énergie, ont permis de contribuer à l'étalonnage en énergie du LAT. Ces données ont été analysées pour mesurer la non-linéarité de la production de lumière dans le CsI en réponse au dépôt d'énergie des ions, des protons au krypton et pour des énergies allant de 0 à 73MeV par nucléon. Les résultats obtenus se sont révélés complémentaires aux mesures de scintillation du CsI, réalisées lors du faisceau-test mené au GSI pour des ions lourds relativistes . La connaissance de la non-linéarité de la réponse des cristaux de CsI de GLAST aux ions de haute énergie est indispensable pour réaliser l'étalonnage en énergie en orbite des détecteurs à l'aide des rayons cosmiques.<br /><br />Le rejet des évènements hadroniques est un autre problème clé pour GLAST, or, l'élaboration des algorithmes repose sur la simulation Monte-Carlo officielle de GLAST, GlastRelease. Les cascades hadroniques mesurées lors du faisceau-test mené au GSI et lors d'un autre faisceau-test mené au CERN sur le SPS, sont utilisées pour confronter les codes de simulation, disponibles sur la plate-forme logicielle GEANT4 qui est à la base de GlastRelease. En vérifiant la bonne reproduction de certaines observables simples, pour des cascades hadroniques générées par des protons ou de pions de .7GeV , 3.4GeV, 10GeV et 20GeV, on conclue qu'à haute énergie le modèle par défaut, LHEP, est valable, alors qu'à basse énergie, le modèle de cascade intranucléaire de Bertini devrait être utilisé.

Cette thèse de doctorat a pour cadre l’expérience CMS auprès du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Le LHC, qui a permis la découverte en 2012 du boson de Brout-Englert-Higgs, est destiné à fonctionner pour encore 20 ans, avec une luminosité qui croîtra progressivement pour atteindre d’ici 2025 la valeur de 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, c'est à dire environ cinq fois la valeur initialement prévue. Ceci a pour conséquence que les expériences doivent s’adapter et mettre à niveau une série de leurs composants et détecteurs. Une des prochaines mises à niveau de l’expérience CMS concerne les détecteurs Triple Gas Electron Multiplier (GEM) qui sont actuellement en développement pour la partie avant du spectromètre à muons de l’expérience. Ces détecteurs seront installés dans CMS durant le deuxième long arrêt du LHC, en 2018-2019, appelé LS2. Cette mise à niveau a pour but de contrôler les taux de déclenchement d’événements pour la détection de muons, grâce à la haute performance de ces détecteurs Triple GEM en présence de taux de particules extrêmement élevés (>1 kHz/cm^2). De plus, grâce à sa très bonne résolution spatiale (~250 um), la technologie GEM peut améliorer la reconstruction des traces de muons et la capacité d’identification du détecteur avant.Le but de mon travail de recherche est d’estimer la sensitivité des Triple GEMs à l’environnement de radiation hostile dans CMS, essentiellement composé de neutrons et de photons produits lors des interactions entre les particules et les détecteurs constituant l’expérience CMS. L’estimation précise de cette sensitivité est très importante, car une sous-estimation pourrait avoir des effets désastreux pour l’efficacité des Triple GEMs une fois installés dans CMS. Pour valider mes simulations, j’ai également reproduit des résultats expérimentaux obtenus avec d’autres détecteurs similaires déjà installés dans CMS, tels que les Resistive Plate Chambers (RPC).La deuxième partie de mon travail concerne l’étude de la capacité de l’expérience CMS à discerner différents modèles de nouvelle physique prédisant l’existence de bosons vecteurs, appelés Z'. Ces modèles font partie des extensions plausibles du Modèle Standard. En particulier, l’analyse se concentre sur des simulations dans lesquelles le Z' se désintègre en deux muons, et sur l’impact que les mises à niveau avec les détecteurs Triple GEM apporteront à ces mesures tout le long de la phase de haute intensité du LHC. Mes simulations montrent que plus de 20% des événements simulés comptent au moins un muon dans la région en pseudo-rapidité (eta) de CMS couverte par les détecteurs Triple GEM. Les résultats préliminaires démontrent que, dans le case de modèles à 3 TeV/c^2, il sera possible dès la fin de la Phase I de distinguer un Z'I d'un Z'SSM avec un niveau de signification alpha > 3 sigma.<br>This PhD thesis takes place in the CMS experiment at CERN's Large Hadron Collider (LHC). The LHC allowed the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012, and is designed to run for at least 20 years, with an increasing luminosity that will reach by 2025 a value of 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, that is a yield five times greater than the one initially intended. As a consequence, the experiments must adapt and upgrade many of their components and particle detectors. One of the foreseen upgrades of the CMS experiment concerns the Triple Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, currently in development for the forward muon spectrometer. These detectors will be installed in CMS during the second long LHC shutdown (LS2), in 2018-2019. The aim of this upgrade is to better control the event trigger rate at Level 1 for muon detection, thanks to the high performance of these Triple GEM detectors, in presence of very high particle rates (>1 kHz/cm^2). Moreover, thanks to its excellent spatial resolution (~250 um), the GEM technology can improve the muon track reconstruction and the identification capability of the forward detector.The goal of my research is to estimate the sensitivity of Triple GEMs to the hostile background radiation in CMS, essentially made of neutron and photons generated by the interaction between the particles and CMS detectors. The accurate evaluation of this sensitivity is very important, as an underestimation could have ruinous effects of the Triple GEMs efficiency, once they are installed in CMS. To validate my simulations, I have reproduced experimental results obtained with similar detectors already installed in CMS, such as the Resistive Plate Chambers (RPC).The second part of my work regards the study of the CMS experiment capability to discriminate between different models of new physics predicting the existence of neutral vector bosons called Z'. These models belong to plausible extensions of the Standard Model. In particular, the analysis is focused on simulated samples in which the Z' decays in two muons, and on the impact that the Triple GEM detectors upgrades will bring to these measurements during the high luminosity phase of the LHC, called Phase II. My simulations prove that more than 20% of the simulated events see at least one muon in the CMS pseudo-rapidity (eta) region covered by Triple GEM detectors. Preliminary results show that, in the case of 3 TeV/c^2 models, it will be possible already at the end of Phase I to discriminate a Z'I from a Z'SSM with a significance level alpha > 3 sigma.<br>Doctorat en Sciences<br>info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nous présentons dans ce manuscrit un dispositif optique combinant l'holographie digitale et la microscopie en champ noir dans le but de suivre en trois dimensions des nanoparticules d'or en mouvement dans des fluides transparents ou des milieux biologiques. Ce montage permet à partir d'un seul hologramme de localiser simultanément plusieurs particules en mouvement dans un volume épais, avec une précision de localisation indépendante de la positions des particules. Nous rappelons tout d'abord le principe de l'holographie et nous dresserons un état de l'art des techniques de suivi 3D existantes utilisant l'holographie digitale. Nous expliquons pourquoi l'utilisation d'une illumination en champ noir est nécessaire à l'observation de nanoparticules, étant donné leur très faible section efficace de diffusion. Ensuite, nous décrivons le dispositif mis en place ainsi que le logiciel développé pour la reconstruction des hologrammes numériques en temps réel. Enfin, nous présentons les résultats expérimentaux obtenus sur des particules en mouvement brownien ainsi que des résultats préliminaires de localisation de nanoparticules injectées dans des cellules vivantes.

Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité.

Cette thèse est consacrée au développement d'un modèle End-to-End pour le spectrocalorimètre X-IFU qui observera à partir de 2028 l'Univers en rayons X avec une précision jamais atteinte auparavant. Ce travail s'est essentiellement organisé en deux parties. J'ai dans un premier temps étudié la dynamique des parties les plus internes des binaires X de faible masse à l'aide de deux sondes particulières que sont les sursauts X et les oscillations quasi-périodiques au kHz (kHz QPOs). En me basant sur les données d'archive du satellite Rossi X-ray Timing Explorer et sur des méthodes d'analyse spécifiquement développées dans ce but, j'ai notamment pu mettre en évidence pour la première fois une réaction du premier sur le second, confirmant le lien très étroit entre ces oscillations et les parties les plus internes du système. Le temps de rétablissement du système suite aux sursauts entre également en conflit dans la plupart des cas avec l'augmentation supposée du taux d'accrétion suite à ces explosions. Au travers d'une analyse spectro-temporelle complète des deux kHz QPOs de 4U 1728-34, j'ai également pu confirmer l'incompatibilité des spectres de retard des deux QPOs qui suggère une origine différente de ces deux oscillations. L'étude de leurs spectres de covariance, obtenus pour la première fois dans cette thèse, a quant à elle mis en évidence le rôle central de la couche de Comptonisation et potentiellement celui d'une zone particulièrement compacte de la couche limite pour l'émission des QPOs. Dans le second volet de ma thèse, j'ai développé un simulateur End-to-End pour l'instrument X-IFU permettant de représenter l'ensemble du processus menant à une observation scientifique en rayons X, de l'émission des photons par une source jusqu'à leur mesure finale à bord du satellite. J'ai notamment mis en place des outils permettant la comparaison précise de plusieurs matrices de détecteurs en prenant en compte les effets de la reconstruction du signal brut issu des électroniques de lecture. Cette étude a mis en évidence l'intérêt de configurations hybrides, contenant une sous-matrice de petits pixels capables d'améliorer par un ordre de grandeur la capacité de comptage de l'instrument. Une solution alternative consisterait à défocaliser le miroir lors de l'observation de sources ponctuelles brillantes. Situées au coeur de la performance du X-IFU, j'ai également comparé de manière exhaustive différentes méthodes de reconstruction des signaux bruts issus des détecteurs X-IFU. Ceci a permis de montrer qu'à faible coût en termes de puissance de calcul embarquée, une amélioration significative de la résolution en énergie finale de l'instrument pouvait être obtenue à l'aide d'algorithmes plus sophistiqués. En tenant compte des contraintes de calibration, le candidat le plus prometteur apparaît aujourd'hui être l'analyse dans l'espace de résistance. En me servant de la caractérisation des performances des différents types de pixels, j'ai également mis en place une méthode de simulation rapide et modulable de l'ensemble de l'instrument permettant d'obtenir des observations synthétiques à long temps d'exposition de sources X très complexes, représentatives des futures capacités du X-IFU. Cet outil m'a notamment permis d'étudier la sensibilité de cet instrument aux effets de temps mort et de confusion, mais également d'estimer sa future capacité à distinguer différents régimes de turbulence dans les amas de galaxies et de mesurer leur profil d'abondance et de température. A plus long terme ce simulateur pourra servir à l'étude d'autres cas scientifiques, ainsi qu'à l'analyse d'effets à l'échelle de l'ensemble du plan de détection tels que la diaphonie entre pixels<br>This thesis is dedicated to the development of an End-ta-End model for the X-IFU spectrocalorimeter scheduled for launch in 2028 on board the Athena mission and which will observe the X-ray universe with unprecedented precision. This work has been mainly organized in two parts. I studied first the dynamics of the innermost parts of low mass X-ray binaries using two specific probes of the accretion flow: type I X-ray bursts and kHz quasi-periodic oscillations (kHz QPOs). Starting from the archivai data of the Rossi X-ray Timing Explorer mission and using specific data analysis techniques, I notably highlighted for the first time a reaction of the latter to the former, confirming the tight link between this oscillation and the inner parts of the system. The measured recovery time was also found in conflict with recent claims of an enhancement of the accretion rate following these thermonuclear explosions. From the exhaustive spectral timing analysis of both kHz QPOs in 4U 1728-34, I further confirmed the inconsistancy of their lag energy spectra, pointing towards a different origin for these two oscillations. The study of their covariance spectra, obtained here for the first time, has revealed the key role of the Comptonization layer, and potentially of a more compact part of it, in the emission of the QPOs. In the second part of my thesis, I focused on the development of an End-to-:End simulator for the X-IFU capable of depicting the full process leading to an X-ray observation, from the photon emission by the astrophysical source to their on-board detection. I notably implemented tools allowing the precise comparison of different potential pixel array configurations taking into account the effects of the event reconstruction from the raw data coming from the readout electronics. This study highlighted the advantage of using hybrid arrays containing a small pixel sub-array capable of improving by an order of magnitude the count rate capability of the instrument. An alternative solution would consist in defocusing the mirror during the observation of bright point sources. Being a key component of the overall X-IFU performance, I also thoroughly compared different reconstruction methods of the pixel raw signal. This showed that with a minimal impact on the required on-board processing power, a significant improvement of the final energy resolution could be obtained from more sophisticated reconstruction methods. Taking into account the calibration constraints, the most promising candidate currently appears to be the so-called "resistance space analysis". Taking advantage of the obtained performance characterization of the different foreseen pixel types, I also developed a fast and modular simulation method of the complete instrument providing representative synthetic observations with long exposure times of complex astrophysical sources suffinguish different turbulence regimes in galaxy clusters and to measure abundance and temperature profiles. In the longer run, this simulator will be useful for the study of other scientific cases as well as the analysis of instrumental effects at the full detection plane level such as pixel crosstalk

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de la Relativité Générale. Elles sont des perturbations de l'espace-temps que l'on essaie de mettre en évidence par interférométrie laser. Les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs km de long combinés avec des cavités Fabry- Perot afin d'augmenter la sensibilité de l'instrument. La première génération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n'a pas permis d'obtenir une détection directe malgré plusieurs phases d'observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde génération de détecteurs est actuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo qui devrait avoir une sensibilité améliorée d'un ordre de grandeur. Cette thèse s'intéresse dans un premier temps aux effets de lentille thermique due à la haute puissance contenue dans les cavités Fabry-Perot pour différentes configurations optiques de l'interféromètre. Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définition des besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirs doit être sub-nanométrique de façon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi réduire les effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de la planéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l'uniformité du dépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l'obtention de surface hautement réfléchissante avec en particulier l'étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts.