Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

In this thesis, we present the conception, the performances studies and the first tests in the Cosmic Muon Telescope situated at SLAC of a new detector for the particle identification in the forward region of the SuperB detector.This detector is based on time-of-flight (TOF) technique. To identify the particles with momentum up to 3 GeV/c and flight base around two meters we need a TOF detector able to measure the time with a precision of about 30 ps. To achieve this goal we have conceived a device producing Cherenkov light in a fused silica (quartz) radiator, by a charged particle, which then detected with very fast photodetectors and dedicated ultrafast electronics. We call it, the DIRC-like TOF detector.For what concern the photodetectors, the HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT has been characterized at LAL test bunch and the time resolution of about 37 ps has been measured. The new 16-channel USB WaveCatcher electronics developed by LAL (CNRS/IN2P3) and CEA/IRFU has shown to have a jitter of less than 10 ps. The geometry of the quartz detector has been then carefully studied with Geant4 simulation. Which shows that the best detector geometry allow to reach the time resolution of about 90 ps per photoelectron with at least 10 photoelectrons detected, giving in average the desired 30 ps total time resolution.We have constructed a prototype of such device, using the quartz bars available from the Babar experiment, and we have installed it, in the SLAC Cosmic Ray Telescope. A time resolution of about 70 ps per photoelectron was obtained, in agreement with simulation.This proof-of-principle has convinced the SuperB Collaboration to adopt such a device as the baseline for the SuperB particle identification detector in the forward region. The delicate point which is still opened is the resistance of this detector to the machine background.In this thesis we also present preliminary studies of different types of background and their effect on the performances of the DIRC-like TOF detector. Radiative Bhabha process is by far the dominant source of background. The rate of the background photoelectrons caused mainly by the gammas with energy around 1.4 MeV is estimated to be ~480 kHz/cm^2 which corresponds to 2 C/cm^2 of integrated anode charge in 5 years. The neutron flux thought the DIRC-like TOF front end electronics is ~10^11/cm^2/year. These preliminary results are reassuring.

Depuis les fonds méditerranéens, les quelques 900 photomultiplicateurs du télescope à neutrinos ANTARES scrutent les abysses pour tenter de discerner, parmi la bioluminescence et la radioactivité marine, les photons Čerenkov émis par les muons issus de neutrinos astrophysiques, et de distinguer ces muons de ceux générés par les gerbes atmosphériques produites par les rayons cosmiques. ANTARES accumule des données depuis 2006 ; cette prouesse technique permet d'envisager un avenir favorable à l'astronomie neutrino sous-marine : ANTARES devrait être le précurseur d'un instrument de plus grande envergure, KM3NeT. Les performances d'un télescope sont caractérisées, entre autres, par sa résolution angulaire. Dans le cas d'ANTARES, celle-ci est directement liée à la résolution temporelle des éléments du détecteur. La correction de l'une des principales sources de dégradation de cette résolution temporelle, l'effet de walk créé par l'établissement d'un seuil fixe pour le filtrage du signal issu des photomultiplicateurs, est exposée dans ce manuscrit. Cette correction, mise en œuvre dans la chaîne logicielle officielle de la collaboration ANTARES, améliore notamment l'estimateur de qualité de la reconstruction des événements. L'implémentation présentée laisse le champ libre à certaines optimisations. L'auteur tente en outre d'évaluer, à partir d'une simulation Monte-Carlo complète, la possibilité d'utiliser des sources de photons de très haute énergie comme sources de muons calibrées afin d'estimer le pointé absolu et la résolution angulaire du télescope. Bien que la procédure soit intrinsèquement entachée de larges incertitudes, il est démontré que la possibilité de détecter de telles sources est extrêmement faible. Cette étude montre également que les photons de très haute énergie ne constituent pas une source notable de bruit de fond neutrino.

Cette thèse porte sur le développement et la caractérisation d’une matrice 2D de détecteurs à fibres scintillantes plastiques pour la dosimétrie des faisceaux de photons d’énergie mégavoltage utilisés en radiothérapie. Les propriétés visées lors de la conception du détecteur matriciel furent la justesse, l’équivalence à l’eau, une bonne résolution spatiale, un nombre élevé de détecteurs, et une lecture à haute fréquence des doses déposées. La première partie de cette thèse fut consacrée à améliorer la justesse de la méthode spectrale utilisée pour corriger l’effet Cerenkov. Deux procédures aptes à extraire de façon juste les coefficients d’étalonnage ont été développées. Les résultats ont montré que cette méthode peut corriger l’effet Cerenkov avec une justesse de 1%. La seconde partie de cette thèse fut consacrée à la conception, la réalisation et la validation d’un détecteur matriciel composé de 781 dosimètres insérés dans un fantôme eau-équivalent. Un système optique a aussi été développé. Il fut déterminé qu’en moyenne, l’écart-type des mesures est inférieure à 1 % pour les doses supérieures à 6.3 cGy. Il fut aussi démontré que les distributions de dose ne sont pas perturbées (à +/- 1.1 %) par la présence des dosimètres à l’intérieur du fantôme. La caractérisation de la dépendance angulaire a révélée que les incidences des faisceaux ont peu d’impact sur la justesse des mesures. Le détecteur matriciel a aussi été validé dans le contexte de la radiothérapie à intensité modulée (IMRT). Onze plans de traitement ont été mesurés et les résultats ont montré d’excellents accords avec les doses calculées à l’aide d’algorithmes convolution-superposition ou mesurées avec des films radiochromiques. La sensibilité et la spécificité du détecteur matriciel aux erreurs de position d’une lame et d’un banc de lame d’un collimateur multi-lames (MLC) ont été déterminées en appliquant la théorie de détection du signal. Cette étude conclut que les dosimètres à fibres scintillantes plastiques pourraient permettre d’améliorer la qualité de la dosimétrie en IMRT, en raison de leurs avantages par rapport aux autres dosimètres, tels que l’équivalence à l’eau, une haute résolution spatiale, la lecture à haute fréquence, et une très faible dépendance angulaire. / This thesis deals with the development and characterization of a 2D array of plastic scintillation detectors for the dosimetry of megavoltage energy photon beams used in radiation therapy. The characteristics sought with the detector array are accuracy, water-equivalence, a good spatial resolution, a large number of detectors and a high frequency readout of the doses deposited. The first part of this thesis is devoted to the improvement of the accuracy of the spectral method used to correct the Cerenkov effect. A study has determined the optimal attenuation characteristics for the optical fibers and two procedures able to accurately extract the calibration coefficients were developed. Measurements performed in various situations showed that this method can correct the Cerenkov effect with an accuracy of 1 %. The second part of this thesis relates to the design, realization and validation of a detector array consisting of 781 plastic scintillation detectors inserted vertically into a plane of a water-equivalent phantom. An novel optical system was also designed. It was determined that, on average, the standard deviation of measurements is smaller than 1 % for doses deposited greater than 6.3 cGy. It was also demonstrated that the dose distributions are not perturbed (within +/- 1.1 %) by the presence of the detectors inside the phantom. The characterization of the angular dependence showed that the incidences of radiation beams have very little effect on the accuracy of measurements. The detector array was also validated in the context of intensity-modulated radiation therapy (IMRT). Eleven treatment plans were measured and the results showed excellent agreements with dose distributions calculated with convolution-superposition algorithms or measured with radiochromic films. The sensitivity and specificity of the detector array to position errors of one leaf and one leaf bank of a multileaf collimator (MLC) were also determined by applying the principles of signal detection theory. The study concluded that plastic scintillation detectors could allow improving the quality of dosimetry in IMRT, due to their advantages compared to other dosimeters, such as water-equivalence, high frequency readout, high spatial resolution and a very low angular dependence.

Electron holes are positively charged nonlinear structures in which trapped electrons are supported by a positive electrostatic potential. These structure are regularly observed in space and laboratory plasmas by means of diverging bipolar electric field signatures. Recent observations and simulations have shown that fast moving electron holes can generate electromagnetic whistler waves via Čerenkov emission. The fast moving positive charge correspond to localised currents which can potentially excite waves. The aim of the project is to study both theoretically and numerically the properties leading to the Čerenkov emission of whistler waves by three-dimensional electron holes. In addition, efforts are dedicated to the derivation of a model providing the properties of emitted whistlers. The model is compared with the observational features of electromagnetic whistler waves generated by electron holes.

Dans cette thèse nous présentons la conception, l'étude des performances et les premiers tests, effectues au Cosmic Muon Telescope situe au SLAC, d'un nouveau détecteur d'identification des particules émises dans la région ''avant'' du détecteur SuperB.Ce détecteur est base une technique de temps de vol (TOF). Pour identifier les particules avec une impulsion jusqu'à 3GeV/c et une distance de vol de l'ordre de deux mètres nous avons besoin d'un détecteur TOF capable de mesurer le temps avec une précision typique de 30 ps. Pour atteindre cet objectif nous avons conçu un composant pour lequel le passage d'une particule chargée produit de la lumière Cherenkov dans un ''fused silica'' (quartz) radiator qui est ensuite détectée par des photodétecteurs tres rapides et une électronique rapide dédiée. Nous l'appelons détecteur DIRC-like TOF.Les photodétecteurs HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT ont été caractérises sur faisceau de test au LAL et la résolution en temps d'environ 37 ps a été mesurée. La nouvelle électronique 16-canaux USB WaveCatcher développée au LAL(CNRS/IN2P3) et CEA/IRFU montre un jitter de moins de 10 ps. La géometrie du détecteur a quartz a été étudiée avec une attention particulière a l'aide d'une simulation Geant4. Celle-ci montre que la meilleure géométrie permet d'atteindre une résolution en temps d'environ 90 ps par photoélectron avec au moins 10 photoélectrons détectés, donnant en moyenne la résolution totale désirée de 30 ps.Nous avons construit un prototype d'un tel composant, utilisant les barres de quartz utilisées pour l'expérience Babar et nous l'avons installe dans le Cosmic Ray Telescope au SLAC. Une résolution en temps d'environ 70~ps par photoélectron a été obtenue, en accord avec la simulation.Cette preuve de principe a convaincu la Collaboration SuperB d'adopter un tel composant comme solution de base pour l'identification des particules émises vers l'avant dans SuperB. Le point délicat, encore ouvert, est celui de la résistance de ce détecteur aux bruits de fond de la machine.Dans cette thèse nous présentons aussi les études préliminaires de différents types de bruit de fond et leur effet sur les performances du détecteur DIRC-like TOF. Le processus Bhabha radiatif est de loin la source dominante de bruit de fond. Le taux de photoélectrons de bruit de fond principalement du aux gammas d'énergie d'environ 1.4 MeV est estimée a ~480 kHz/cm^2 ce qui correspond a 2 C/cm^2 de charge d'anode integrée sur 5 ans. Le flux de neutrons traversant l'électronique de front end du détecteur DIRC-like TOF est estimée a ~10^11/cm^2/year. Ces résultats préliminaires sont rassurants. / In this thesis, we present the conception, the performances studies and the first tests in the Cosmic Muon Telescope situated at SLAC of a new detector for the particle identification in the forward region of the SuperB detector.This detector is based on time-of-flight (TOF) technique. To identify the particles with momentum up to 3 GeV/c and flight base around two meters we need a TOF detector able to measure the time with a precision of about 30 ps. To achieve this goal we have conceived a device producing Cherenkov light in a fused silica (quartz) radiator, by a charged particle, which then detected with very fast photodetectors and dedicated ultrafast electronics. We call it, the DIRC-like TOF detector.For what concern the photodetectors, the HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT has been characterized at LAL test bunch and the time resolution of about 37 ps has been measured. The new 16-channel USB WaveCatcher electronics developed by LAL (CNRS/IN2P3) and CEA/IRFU has shown to have a jitter of less than 10 ps. The geometry of the quartz detector has been then carefully studied with Geant4 simulation. Which shows that the best detector geometry allow to reach the time resolution of about 90 ps per photoelectron with at least 10 photoelectrons detected, giving in average the desired 30 ps total time resolution.We have constructed a prototype of such device, using the quartz bars available from the Babar experiment, and we have installed it, in the SLAC Cosmic Ray Telescope. A time resolution of about 70 ps per photoelectron was obtained, in agreement with simulation.This proof-of-principle has convinced the SuperB Collaboration to adopt such a device as the baseline for the SuperB particle identification detector in the forward region. The delicate point which is still opened is the resistance of this detector to the machine background.In this thesis we also present preliminary studies of different types of background and their effect on the performances of the DIRC-like TOF detector. Radiative Bhabha process is by far the dominant source of background. The rate of the background photoelectrons caused mainly by the gammas with energy around 1.4 MeV is estimated to be ~480 kHz/cm^2 which corresponds to 2 C/cm^2 of integrated anode charge in 5 years. The neutron flux thought the DIRC-like TOF front end electronics is ~10^11/cm^2/year. These preliminary results are reassuring.