Les phénomènes de charge des isolants ont été étudiés à l'aide d'un microscope électronique à balayage qui permet d'injecter de très faibles doses d'électrons dans une large gamme d'énergie et de mesurer simultanément l'émission électronique secondaire et la charge générée dans le matériau par influence. Les résultats obtenus ont permis de montrer que le rendement électronique secondaire est un bon moyen de caractériser l'état de charge d'un isolant et de classer ces matériaux en deux grandes classes selon leur capacité à relaxer les charges générées : · Les "piégeurs", de fortes résistivités, piégent de manière stable les charges pendant des mois. · Les "conductifs", de résistivités plus faibles, relaxent les charges plus ou moins rapidement selon la densité et la mobilité des charges intrinsèques au matériau. Les résultats obtenus ont également montré que le paramètre fondamental qui contrôle la cinétique de charge des isolants est la densité de courant primaire J0. Pour les "piégeurs", différents régimes de charge (autorégulé, vieillissement, dégradation) fonction de la densité de courant J0 et du domaine d'énergie considéré ont été observés. L'étude des "conductifs" a révélé l'existence d'un courant permanent au sein de ces matériaux, caractérisé par le rendement stationnaire qui permet de fixer la valeur limite de J0 que peut supporter un "conductif" sans accumulation de charges. Ces résultats ont permis de définir quel type de matériau devait être utilisé d'un point de vue électrique pour réduire voire annuler la déviation des électrons par les espaceurs des écrans plats à effet champ, mais aussi de mettre en place une nouvelle voie d'exploration du champ interne produit par polarisation thermique d'échantillons vitreux. Nous avons également développé une nouvelle voie d'exploration de l'évolution spatio-temporelle des charges piégées sur les isolants "piégeurs" grâce à l'utilisation d'un microscope à force électrostatique. Les premiers résultats montrent la grande stabilité des charges au sein de ces matériaux.

Une approche thérapeutique innovante utilisant l'adjonction d'éléments de numéro atomique élevé à une radiothérapie de basse énergie semble offrir une voie prometteuse pour le traitement des tumeurs cérébrales résistantes. Une telle technique est notamment développée sur la ligne médicale de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) utilisant un rayonnement monochromatique allant de 25 à 90 keV [Adam 2003, Adam 2006]. Des résultats encourageants ont été obtenus en traitant des souris cancéreuses après injection de nanoparticules d'or (AuNP) [Hainfeld 2004]. Cependant, les processus physiques et l'impact biologique issus de la photoactivation de nanoparticules sont encore aujourd'hui mal compris et ne peuvent être expliqués par des calculs de doses macroscopiques [Cho 2005, Zhang 2009]. Le but de ce travail est d'évaluer par simulation Monte Carlo l'augmentation locale de dose en présence de nanoparticules ainsi que les caractéristiques des électrons secondaires produits. Dans un premier temps, des simulations ont été réalisées en utilisant une géométrie cellulaire, de manière à comparer les données simulées aux expérimentations menées à l'ESRF. Des tests de clonogénicité ont été réalisés pour mesurer le taux de radiosensibilité des cellules pour une irradiation de 4 Gy (SER4Gy) en présence de gadolinium, pour différentes énergies d'irradiation (25 keV à 1250 keV). Ces études, expérimentales et numériques, ont permis l'évaluation de l'influence de la localisation du gadolinium au sein de la cellule et la forme de ce dernier (nanoparticules ou agent de contraste). D'autre part, une étude comparative a été menée pour caractériser le comportement d'une nanoparticule sous irradiation à une échelle nanométrique, en fonction de l'énergie de faisceau, du rayon de la nanoparticule et de l'élément lourd (or et gadolinium).

Jusqu'au début des années 1980, la spectrométrie gamma aéroportée a avant tout été utilisée pour des applications géophysiques et ne concernait que la mesure des concentrations dans les sols des trois radionucléides naturels (K40, U238 et Th232). Durant les quinze dernières années, un grand nombre de dispositifs de mesures a été développé, la plupart après l'accident de Tchernobyl, pour intervenir en cas d'incidents nucléaires ou de surveillance de l'environnement. Les algorithmes développés ont suivi les différentes missions de ces systèmes. La plupart sont dédiés à l'extraction des signaux à moyenne et haute énergie, où les radionucléides naturels (K40, les chaînes U238 et Th232) et les produits de fission (Cs137 et Co60 principalement) sont présents. A plus basse énergie (< 400 keV), ces méthodes peuvent toujours être utilisées mais les particularités du fond de diffusion, très intense, les rendent peu précises. Cette zone énergétique est importante : les SNM émettent à ces énergies. Un algorithme, appelé 2-fenêtres (étendu à 3), a été développé permettant une extraction précise et tenant compte des conditions de vol. La surveillance du trafic de matières radioactives dans le cadre de la sécurité globale a fait son apparition depuis quelques années. Cette utilisation nécessite non plus des méthodes sensibles à un élément particulier mais des critères d'anomalie prenant en compte l'ensemble du spectre enregistré. Il faut être sensible à la fois aux radionucléides médicaux, industriels et nucléaires. Ce travail a permis d'identifier deux familles d'algorithmes permettant de telles utilisations. Enfin, les anomalies détectées doivent être identifiées. La liste des radionucléides nécessitant une surveillance particulière, recommandée par l'AIEA, contient une trentaine d'émetteurs. Un nouvel algorithme d'identification a été entièrement développé, permettant de s'appuyer sur plusieurs raies d'absorption par élément et de lever les conflits d'identification.

L’introduction d’une symétrie entre les bosons et les fermions, appelée supersymétrie, étend de manière naturelle le modèle standard de la physique des particules. Néanmoins, une telle symétrie n’a jamais été observée dans la nature : elle doit être nécessairement brisée. L’étude de la brisure de la supersymétrie induite par la gravitation est le coeur du travail effectué dans cette thèse. En 1983, Soni et Weldon ont classifié les formes analytiques des deux fonctions fondamentales - le potentiel de Kahler et le superpotentiel - de manière à conduire à une supersymétrie brisée à basse énergie. Depuis, les analyses phénoménologiques sont basées sur cette classification. Le principal résultat du présent manuscrit est de démontrer l'incomplétude de leur classification. Pour un potentiel de Kahler dit canonique, une classification complète est réalisée tandis qu'un début de classification est proposé pour le cas non-canonique. Dans les deux cas, de nouvelles solutions sont établies menant à de possibles nouvelles conséquences phénoménologiques à basse énergie. L'apport de candidats pour le problème de la matière noire fait partie des contributions majeures des modèles supersymétriques. En parallèle du travail de classification, le développement d'un nouveau calculateur, permettant d'estimer la densité relique de matière noire dans l'Univers, est également proposé. / Supersymmetry extends naturally the Standard Model through the introduction of a new symmetry between bosons and fermions. However, such symmetry has never been observed in nature : Supersymmetry must be broken. Gravity-mediated supersymmetry breaking is the main subject of this doctoral thesis. In 1983, Soni and Weldon classified the analytical forms of the two fundamental functions - the Kahler potential and the superpotential - leading to a consistent low energy broken Supersymmetry. Up to nowadays, this classification has been used for phenomenological model building. The main result of the current thesis demonstrates the incompleteness of their classification. A complete classification is presented for a given canonical Kahler potential while a first sight of the classification is proposed for the non-canonical case. From these assumptions, new solutions are obtained leading to new possibilities for model building at low energy.The proposition of new dark matter candidates is one of the several contributions coming from supersymmetric models. In addition of the new classification, the development of a new generator, allowing to estimate the relic density of dark matter particles, is also proposed.

Abstract : The major objective of our study is to investigate DNA damage induced by soft X-rays (1.5 keV) and low-energy electrons (˂ 30 eV) using a novel irradiation system created by Prof. Sanche’s group. Thin films of double-stranded DNA are deposited on either glass and tantalum substrates and irradiated under standard temperature and pressure surrounded by a N[subscript 2] environment. Base release (cytosine, thymine, adenine and guanine) and base modifications (8-oxo-7,8-dihydro -2’-deoxyguanosine, 5-hydroxymethyl-2’-deoxyuridine, 5-formyl-2’-deoxyuridine, 5,6-dihydrothymidine and 5,6-dihydro-2’-deoxy uridine) are analyzed and quantified by LC-MS/MS. Our results reveal larger damage yields in the sample deposited on tantalum than those on glass. This can be explained by an enhancement of damage due to low-energy electrons, which are emitted from the metal substrate. From a comparison of the yield of products, base release is the major type of damage especially for purine bases, which are 3-fold greater than base modifications. A proposed pathway leading to base release involves the formation of a transient negative ion (TNI) followed by dissociative electron attachment (DEA) at the N-g lycosidic bond. On the other hand, base modification products consist of two major types of chemical modifications, which include thymine methyl oxidation products that likely arises from DEA from the methyl group of thymine, and 5,6-dihydropyrimidine that can involve the initial addition of electrons, H atoms, or hydride ions to the 5,6-pyrimidine double bond. / Résumé: L'objectif majeur de ce projet étude est d'étudier les lésions d'ADN induites par les rayons X mous (1,5 keV) et des électrons de faible énergie (˂ 30 eV) à partir d'un nouveau système d'irradiation créé par le groupe du Pr. Sanche. De minces couches d'ADN double brin sont déposées soit sur du verre ou sur les substrats de tantale. Celles-ci sont irradiées sous une température et pression environnante, mais dans une atmosphère de N[indice inférieur 2]. Les bases relâchées (cytosine, la thymine, l'adénine et la guanine) et les produits de modification de base (8-oxo-7,8-dihydro-2'-désoxyguanosine, 5-hydroxyméthyl-2'-désoxyuridine, 5-formyl-2'-désoxyuridine, 5,6-dihydrothymine et 5,6-dihydrouridine) sont analysés et quantifiés par LC-MS/MS. Nos résultats révèlent un plus grand rendement de dommages dans les échantillons déposés sur le tantale que celles sur le verre. Cette différence peut être expliquée par l’interaction des électrons de faible énergie qui sont photo émis des substrats métalliques. D'après les résultats obtenus, la libération de bases est un produit majeur en comparaison avec la modification de bases. Ceci provient, en particulier, surtout des purines qui libèrent la base a un niveau trois fois plus grand que la modification de la base. Une voie proposée, conduisant à la libération de base, implique la formation d'ions négatifs transitoires (TNI), suivie par l'attachement d'électrons dissociatifs (DEA) à la liaison N-glycosidique. En outre, les produits de modification de base sont composés en deux grands types de modifications chimiques. L’un des produits est l’oxydation du groupe méthyle de la thymine, qui probablement consiste de en d'hydrure (-H[indice supérieur -]) par l'intermédiaire de DEA. Alors que l’autre modification chimique est la formation de 5,6-dihydropyrimidine qui implique l'addition d'hydrure à la double liaison du 5,6-pyrimidine.

Ce mémoire de thèse porte sur l'étude de la réactivité induite par les électrons de basse énergie (0-20 eV) dans les systèmes condensés. Ces électrons induisent dans ces systèmes la formation de fragments réactifs pouvant ensuite initier des réactions soit avec le substrat : c'est la fonctionnalisation de la surface, soit au sein même du film, ce qui conduit à la synthèse de nouvelles molécules. La première partie traite de la caractérisation et de la fonctionnalisation par des groupements organiques de la surface de diamant hydrogéné polycristallin. Il est en particulier montré que les électrons peuvent induire la chimisorption de groupements (CH2CN) après l'irradiation de deux monocouches d'acétonitrile CH3CN condensées sur le diamant, suivant une réaction, résonante à 2 eV pour laquelle un mécanisme est proposé. Cette étude ouvre ainsi la voie à l'utilisation des électrons de basse énergie comme vecteur de la fonctionnalisation contrôlée des surfaces. La deuxième partie concerne l'étude de la synthèse induite dans les glaces à basse température. Il est montré la formation de CO2 à partir de différents acides carboxyliques, ainsi que la synthèse de molécules plus complexes, comme l'acide aminé glycine à partir du film mixte CH3COOH:NH3 ou l'acide carbamique à partir du mélange CO2:NH3. Dans ces deux cas, un mécanisme de réaction est proposé. Cette étude montre que les électrons de basse énergie, présents en grand nombre en tant qu'électrons secondaires dans tout système condensé sous rayonnement ionisant (glaces interstellaires ou stratosphériques) peuvent jouer un rôle dans la chimie de ces milieux, en particulier dans la chimie prébiotique du milieu interstellaire.

La mémoire est considérée comme étant gloutonne en consommation d'énergie, un problème sensible, particulièrement dans les systèmes embarqués. L'optimisation globale de fonctions multimodales est également un problème délicat à résoudre du fait de la grande quantité d'optima locaux de ces fonctions. Dans ce mémoire, je présente différents nouveaux algorithmes hybrides et distribués afin de résoudre ces deux problèmes d'optimisation. Ces algorithmes sont comparés avec les méthodes classiques utilisées dans la littérature et les résultats obtenus sont encourageants. En effet, ces résultats montrent une réduction de la consommation d'énergie en mémoire d'environ 76% jusqu'à plus de 98% sur nos programmes tests, d'une part. D'autre part, dans le cas de l'optimisation globale de fonctions multimodales, nos algorithmes hybrides convergent plus souvent vers la solution optimale globale. Des versions distribuées et coopératives de ces nouveaux algorithmes hybrides sont également proposées. Elles sont, par ailleurs, plus rapides que leurs versions séquentielles respectives. / Résumé en anglais : Memory is considered to be greedy in energy consumption, a sensitive issue, especially in embedded systems. The global optimization of multimodal functions is also a difficult problem because of the large number of local optima of these functions. In this thesis report, I present various new hybrid and distributed algorithms to solve these two optimization problems. These algorithms are compared with conventional methods used in the literature and the results obtained are encouraging. Indeed, these results show a reduction in memory energy consumption by about 76% to more than 98% on our benchmarks on one hand. On the other hand, in the case of global optimization of multimodal functions, our hybrid algorithms converge more often to the global optimum solution. Distributed and cooperative versions of these new hybrid algorithms are also proposed. They are more faster than their respective sequential versions.

L'implantation d'hydrogène à forte dose est utilisée dans le procédé Smart Cut(tm) afin de transférer des couches de silicium assez épaisses (>200 nm) sur un autre substrat. En utilisant l'implantation à très basse énergie, la co-implantation d'H et d'He pour des doses totales bien plus faibles que celles requises lorsque l'hydrogène est implanté seul ouvre la voie à un transfert de couches beaucoup plus minces (< 50 nm). Cependant, les phénomènes mis en jeu ainsi que les mécanismes responsables de l'interaction, près de la surface libre du wafer, entre l'H et l'He, et les interstitiels et les lacunes qu'ils génèrent, restent à ce jour largement incompris. Dans ce travail, nous avons tout d'abord déterminé l'effet de la réduction des énergies d'implantation d'H et d'He sur la formation et le développement, lors d'un recuit, des cloques qui se forment à partir de micro-fissures en l'absence d'un raidisseur collé à la plaque implantée. Une approche basée sur la comparaison entre les caractéristiques dimensionnelles des cloques obtenues expérimentalement et la simulation par éléments finis, nous a permis de déterminer la pression et la quantité d'He et d'H2 hébergées dans ces cloques. En comparant ces résultats avec les doses d'ions implantées, nous avons pu mettre en évidence l'absence d'exo-diffusion d'He et d'H lors d'un recuit quelle que soit la distance entre la surface et les profils d'ions implantés, qui montre une forte efficacité des cloques à préserver les molécules. Nous avons pu identifier, puis expliquer, la différence en efficacité de coalescence des cloques en fonction de leurs positions en profondeur en la reliant à la variation de l'augmentation d'énergie élastique des cloques par rapport à leur surface. Nous avons ensuite étudié le rôle du dommage ionique, c'est-à-dire des défauts résultants de la co-implantation d'He et d'H, sur la formation et l'évolution thermique de la microstructure du silicium implanté. Cette étude a été menée soit en fonction de l'ordre d'implantation, soit en fonction de la position nominale en profondeur du profil d'He par rapport au profil d'H, soit en fonction du ratio entre les doses d'implantation d'He et d'H. Nous avons montré que la distribution en profondeur de l'H n'est jamais affectée par la co-implantation d'He. L'He est toujours piégé dans la zone où le dommage est maximal. Lorsque le dommage est maximal dans la zone du profil d'H, l'He y diffuse et y est piégé dans des nano-bulles et/ou des microfissures. Mais si le dommage généré dans la zone où est distribué l'He est supérieur à celui généré autour du profil d'H, l'He reste piégé en dehors du profil d'H dans des nano-bulles. L'He contenue dans des nano-bulles, quelle que soit leur distribution en profondeur, ne contribue pas à la pressurisation des cloques ce qui ralenti la coalescence des cloques. Finalement, nous avons pu proposer différents scénarii permettant de rendre compte des similarités et des différences mises en évidence tant avant recuit qu'après recuit, à basse ou plus haute température selon le type d'implantation réalisé. / The high dose hydrogen ion implantation is used in the Smart Cut (tm) process to transfer relatively thick (i.e. >200 nm) Si layers from a donor substrate onto a host material. Hydrogen and helium co-implantation at low energies for a much lower total fluence opens the way for transferring extremely thinner (i.e. <50 nm) layers. However, the phenomena and the mechanisms responsible for the interaction, close to a wafer surface, between H, He, silicon interstitials and vacancies they generate remain poorly understood. First, we studied the effect of reducing the ion energies during both H and He implantations onto the formation and the development of blisters during annealing. Blisters were formed from the micro-cracks since a stiffener was not bonded to the implanted wafer. An approach, based on the comparison between experimentally obtained size characteristics of blisters with the finite element method simulations, allowed us to deduce the pressure inside blister cavities and the fraction of the implanted fluences used to pressurize them. We showed that even when implanted at very low energy, H and He atoms do not exo-diffuse out of the implanted region during annealing. We were able to identify, and then relate the efficiency of blister coalescence to a variation in the elastic energy of blisters as a function of their depth position. In a second part, we studied the role of the damage, produced by He and H coimplantation, on the formation and the thermal evolution of the microstructure of the implanted silicon. These investigations were realized as a function of either the order of co-implantation, or the nominal position of the He profile with respect to the H one, or the ratio between He and H fluences. We showed that the H depth distribution was never affected by He co-implantation. Helium was always trapped at the depth where the damage was maximum. When the damage was highest within the H profile, He diffused and was trapped there in the nano-bubbles and /or the blister cavities. However, when the damage was higher within the He profile than within the H one, He remained trapped in the nano-bubbles outside the H profile. Helium contained in the nano-bubbles, whatever their depth distribution, did not contribute to a pressurization of blister cavities that slowed down their coalescence. Finally, we have proposed various scenarios accounting for the similarities and the differences evidenced both before and after annealing at low or higher temperatures depending on the type of realized implantation.

Une approche thérapeutique innovante utilisant l'adjonction d'éléments de numéro atomique élevé à une radiothérapie de basse énergie semble offrir une voie prometteuse pour le traitement des tumeurs cérébrales résistantes. Une telle technique est notamment développée sur la ligne médicale de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) utilisant un rayonnement monochromatique allant de 25 à 90 keV [Adam 2003, Adam 2006]. Des résultats encourageants ont été obtenus en traitant des souris cancéreuses après injection de nanoparticules d'or (AuNP) [Hainfeld 2004]. Cependant, les processus physiques et l'impact biologique issus de la photoactivation de nanoparticules sont encore aujourd'hui mal compris et ne peuvent être expliqués par des calculs de doses macroscopiques [Cho 2005, Zhang 2009]. Le but de ce travail est d'évaluer par simulation Monte Carlo l'augmentation locale de dose en présence de nanoparticules ainsi que les caractéristiques des électrons secondaires produits. Dans un premier temps, des simulations ont été réalisées en utilisant une géométrie cellulaire, de manière à comparer les données simulées aux expérimentations menées à l'ESRF. Des tests de clonogénicité ont été réalisés pour mesurer le taux de radiosensibilité des cellules pour une irradiation de 4 Gy (SER4Gy) en présence de gadolinium, pour différentes énergies d'irradiation (25 keV à 1250 keV). Ces études, expérimentales et numériques, ont permis l'évaluation de l'influence de la localisation du gadolinium au sein de la cellule et la forme de ce dernier (nanoparticules ou agent de contraste). D'autre part, une étude comparative a été menée pour caractériser le comportement d'une nanoparticule sous irradiation à une échelle nanométrique, en fonction de l'énergie de faisceau, du rayon de la nanoparticule et de l'élément lourd (or et gadolinium). / An innovative approach using X-ray interactions with heavy elements seems to open a promising way of treatment for resistant cancers, such as high-grade gliomas. Such a technique is developed at the medical beam line of ESRF using monochromatic X-rays in the 25-90 keV range for the treatment of brain tumors [Adam 2003, Adam 2006]. The use of gold nanoparticles (AuNP) to treat mice bearing subcutaneous tumors led to encouraging results [Hainfeld 2004]. However, the physical processes and biological impact of the photon activation of nanoparticles are not yet well understood. The experimental results cannot be explained by macroscopic dose calculations [Cho 2005, Zhang 2009]. The aim of this work was to evaluate, at the sub-cellular level, the dose enhancement in presence of nanoparticles and the properties of the secondary electrons production using Monte Carlo simulations. In a first step, simulations were performed using cell geometry, in order to compare the simulated data to the experiments realized on the ID17 beamline of ESRF. Clonogenic assays have been performed on F98 cells to measure the “Sensitizer Enhancement Ratio” for an irradiation of 4 Gy (SER4Gy) in the presence of gadolinium, for several beam energies (25 to 80 keV). These experimental and numerical studies were done to evaluate the influence of the gadolinium location within the cell and its shape (nanoparticles or contrast agent). On the other hand, a comparative study has been performed to evaluate the behavior of a nanoparticle under irradiation at a nanometer scale. Electron spectra have been studied for two heavy elements - gold and gadolinium - and several beam energies from 25 keV to 2 MeV. Experiments have shown that gadolinium nanoparticles (GdNP) incubated during 5 h with the cells were strongly effective compared to non-incubated nanoparticles and contrast agent, for the same concentration of gadolinium. A part of radiosensitivity could possibly be explained by a biological action of GdNP on the cell cycle. Another part could be attributed to the important dose enhancement factor (DEF) calculated in the vicinity of GdNP, highlighted from two-dimension DEF maps. The DEF can reach two orders of magnitude within a few nanometers of the GdNP surface and is mainly due to high-linear energy transfer electrons (< 5 keV). By modeling the case of nanoparticles randomly distributed on the cell membrane (closest to the experimental case), we showed that a good correlation exists between the SER4Gy and the membrane DEF. On the other hand, the comparison of the two elements showed that GdNP could produce more electrons (of lower energy) than AuNP (with same mass), but that the local DEF due to AuNP was more important. Interesting results were obtained by comparing the local DEF with experimental results on plasmid DNA. However, it seems important to carry on these studies by taking into account the post-irradiation chemical processes in modeling.

Dans les prochaines années, la lithographie va devoir opérer un changement technologique majeur, afin de soutenir l'amélioration de la résolution requise par les industriels. La lithographie électronique multifaisceaux est une des alternatives à la photolithographie. Elle allie forte résolution et fort débit. MAPPER lithography développe un outil pour cette technologie. Afin de prendre en compte les contraintes liées au fonctionnement multifaisceaux, une énergie d'accélération des électrons faible a été choisie : 5keV contre 50keV pour les outils usuels de lithographie électronique haute résolution. Cette étude a permis de vérifier qu'une telle stratégie modifie un paramètre clef de la lithographie électronique : la dose d'exposition. Or la dose d'exposition impacte directement différents paramètres : résolution, rugosité des motifs, temps d'exposition, etc. Par ailleurs, il a été démontré qu'un bruit inhérent à la lithographie électronique, lié à la réflexion des électrons par le substrat, est significativement modifié par l'énergie du faisceau. Une compréhension du mécanisme de dépôt d'énergie dans la résine est proposée. Elle permet d'interpréter ces résultats expérimentaux. Enfin, une discussion éclairée sur l'impact de l'énergie du faisceau sur la lithographie a permis de déterminer des paramètres expérimentaux mieux adaptés à l'exposition basse énergie et à l'outil MAPPER en particulier.