Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K. / A solution to the dark matter problem in astrophysics could be found by the detection of WIMPs, particles predicted by supersymmetry. Its direct detection requires a large mass of detectors, able to identify WIMPs in the background of natural radioactivity and cosmic rays. This thesis takes place within the framework of the EDELWEISS and the future EURECA experiments. These experiments use a technology based on two channel cryogenic detectors (bolometers), working at a few tens of mK. They are made of crystals in which the energy deposited by particle interactions will produce a temperature increase (phonon signal), and where the ionization of the crystals results in either a charge or photon signal, depending on their nature. In order to broaden the range of targets for scintillating bolometers, we have built a setup to study the scintillation of crystals cooled down to 3 K. It is based on a cryostat with a compact optical geometry allowing enhanced light collection. Thanks to an individual photon counting technique and a statistical treatment of data, it allows us to measure the evolution of the the light yields and the decay time components between room temperature and 3 K. Thus this thesis presents the results obtained at 3 K on two well known room temperature crystals: BGO (Bi4Ge3O12) and BaF2. We also study the luminescence properties of titanium sapphire (Ti:Al2O3), under VUV excitation cooled down to 8 K.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-04-27T13:49:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) ISABEL CRISTINA GUERRA SPACOV -TESE DE DOUTORADO - PROTEN.pdf: 6093450 bytes, checksum: ace1719e245c067e138dff5b29870857 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-27T13:49:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) ISABEL CRISTINA GUERRA SPACOV -TESE DE DOUTORADO - PROTEN.pdf: 6093450 bytes, checksum: ace1719e245c067e138dff5b29870857 (MD5) Previous issue date: 2016-09-09 / A Província Pegmatítica da Borborema no Nordeste é uma das mais importantes áreas geoeconômicas do Brasil. A atividade de mineração, entretanto, pode elevar a exposição de trabalhadores do setor, às radiações ionizantes. A exposição às radiações no setor mineral depende de uma série de fatores, incluindo o tipo de mina e geologia local, com elevadas concentrações de radionuclídeos que compoem as séries do 238U e do 232Th. Este trabalho teve como objetivo realizar a dosimetria radiométrica ambiental externa, estimando a taxa de dose efetiva em doze minas de extração de caulim, granito, feldspato e scheelita, localizadas nos municípios de Junco do Seridó-PB, Salgadinho-PB, Santa Luzia-PB, São José do Sabugi-PB, Equador-RN e Santana do Seridó-RN. O monitoramento foi executado utilizando um espectrômetro gama portátil NaI(Tl) e BGO, com medições realizadas no ar e os resultados obtidos foram comparados a dose efetiva média mundial da exposição à fontes naturais de radiação, de 2,40 mSv/a, baseada no relatório da UNSCEAR. O valor obtido da média aritmética das taxas de doses efetivas foi de 3,34 mSv/a e desvio padrão de 2,47 mSv/a para as minas em conjunto, estando acima do valor de referência mundial, bem como as taxas de doses efetivas das minas de granito (5,80 mSv/a), feldspato (3,28 mSv/a) e scheelita (2,80 mSv/a). Com base nesse estudo, foi evidenciada uma maior radioatividade ambiental na mina de granito (E), em Santa Luzia-PB (11,60 mSv/a), estando superior, cerca de cinco vezes, ao valor de referência mundial. É, portanto, considerada uma área de elevado backgound natural, com taxa de dose variando de 5 a 20 mSv/a, assim como a zona rural de São José de Espinharas-PB, onde se encontra a jazida de urânio com média de 10,83 mSv/a, ambos na região do Seridó. Por sua vez, apesar do valor médio da taxa de dose efetiva das minas de caulim (1,78 mSv/a) estarem abaixo do valor de referência mundial, a caracterização radiométrica da mina de caulim (D) em Salgadinho-PB, se faz necessária, tendo em vista o valor de 2,94 mSv/a. Desta forma, recomenda-se também, estudos epidemiológicos de casocontrole, coorte e correlação geográfica, que tratem de padrões, causas e quantificação dos valores obtidos na dosimetria ambiental deste estudo, bem como da relação da incidência e prevalência das doenças causadas pela exposição em áreas de elevado background natural. / The Pegmatitic Borborema Province located in the Northeast of Brazil, is one of the most important geo-economic areas in the country. The mining activity, however, can increase the exposure of workers to ionizing radiation. Exposure to radiation in the mineral industry depends on a number of factors, including the type of mine and local geology, with high concentrations of radionuclides which compose the series of 238U and 232Th. This study aimed to carry out the external environmental radiometric dosimetry, estimating the effective dose rate in twelve mines of kaolin, granite, feldspar and scheelite extraction, located in Junco do Seridó-PB, Salgadinho-PB, Santa Luzia-PB, São José do Sabugi-PB, Equador-RN and Santana do Seridó-RN. The monitoring was performed using a spectrometer portable gamma NaI(Tl) and BGO, with measurements in the air and the results were compared to the global average effective dose of exposure to natural sources of radiation of 2.40 mSv/y, based on the UNSCEAR report. The obtained value of the arithmetic mean of the effective dose rate was 3.34 mSv/y from the twelve mines, being above the global reference value, as well as the rates of effective doses of granite mine (5.80 mSv/y), feldspar (3.28 mSv/y) and scheelite (2.80 mSv/y). Based on this study, greater environmental radioactivity in granite mine (E) was observed in Santa Luzia-PB (11.60 mSv/y), being higher, about five times to the global reference value. It is therefore considered an area of high natural background with dose rate ranging from 5 to 20 mSv/y, as well as the São José de Espinharas-PB, where the uranium deposit is located, with an average of 10.83 mSv/y, both in the Seridó region. Meanwhile, although the average value of the effective dose rate of kaolin mine (1.78 mSv/y) is below the world reference value, the radiometric characteristics of the kaolin mine (D) Salgadinho-PB are necessary, in view of the value of 2.94 mSv/y. Thus, also recommended are studies, epidemiological case-control, cohort and geographical correlation, to address patterns, causes and quantization of values obtained in the environmental dosimetry of this study, as well as the relationship of the incidence and prevalence of diseases caused by exposure in areas of high natural background.

La glace, le quartz, l'oxyde de magnésium ou encore les bonbons Wint-o-green (produits par Life Savers) sont quelques-uns des matériaux connus pour émettre de la lumière lors de leur fracture. Ce phénomène, appelé fractoluminescence, révèle que la fracture met en jeu des processus plus complexes que la seule création de surfaces. Ces émissions lumineuses permettent-elles d'analyser l'endommagement des matériaux, au même titre que les émissions acoustiques ? Né de l'union imprévue entre mécanique de la fracture et physique des particules, un montage expérimental a été développé pour étudier les émissions lumineuses et acoustiques lors de la fracture de scintillateurs inorganiques — matériaux couramment utilisés comme détecteurs de particules. Trois types de scintillateurs inorganiques ont été étudiés : le CdWO4, le ZnWO4, et le BGO. Il a été démontré que le CdWO4 et le ZnWO4 émettent de la lumière lors de leur fracture à pression ambiante. Des tests plus poussés ont été menés sur le BGO. Le phénomène de fractoluminescence dans le BGO a été étudié dans le cas de la fracture lente et de la fracture rapide, dans différentes conditions de pression : pression ambiante et basse pression (10−5 mbar). Dans chaque cas, des émissions lumineuses ont été observées mais elles dépendent fortement de l'environnement et des conditions de chargement de l'échantillon. Lors de la fracture lente sous vide, les émissions de lumière semblent globalement corrélées en temps à l'avancée de la fissure et aux émissions acoustiques, souvent employées en mécanique de la fracture comme indicateurs de l'endommagement. La résolution temporelle de la voie lumineuse à la nanoseconde a montré l'existence de groupes de photons pendant la fracture, à des échelles de temps inaccessibles par les méthodes acoustiques classiques. Le montage expérimental permet aussi de mesurer la quantité de lumière émise. L'énergie lumineuse lors de la fracture lente sous vide semble être proportionnelle à la surface créée. Lors de la fracture rapide sous vide, nous avons établi que 1.7 × 10−3 % de l'énergie de fracture est convertie en lumière contre au minimum 3 × 10−3 % a` pression ambiante. Cette différence montre une nouvelle fois l'importance de l'environnement et offre des pistes pour l'identification du mécanisme d'émission lumineuse / Materials such as ice, quartz, MgO or the Wint-o-green candy from Lifesavers are known to emit light during their fracture. This phenomenon, called fractoluminescence, shows that fracture is a much more complex process than the simple creation of surfaces. Do the light emissions allow to analyze material failure as the acoustic emissions ? An experimental setup is born out of the union between fracture mechanics and particle physics. It enables to study the light and acoustic emissions during fracture of inorganic scintillators — materials generally used as particle detectors. CdWO4, ZnWO4 and BGO have been tested. We demonstrated that CdWO4 and ZnWO4 emit light during their fracture at ambient pressure. More intensive tests were performed on BGO. Light emissions were studied for slow and fast crack propagation, at ambient pressure and under vacuum (10−5 mbar). In all cases, light emissions have been observed but they strongly depend on the environment and on the loading conditions. During slow crack propagation in vacuum, the light emission seems to be globally correlated in time to the crack propagation and to the acoustic emissions, which are often used in fracture mechanics as indicators of mechanical failure. The extreme time resolution of the light channel, down to the nanoseconds, shows clusters of photons during fracture, at time scales unreachable by usual acoustic methods. The experimental setup also allows to quantify the amount of light energy emitted. Light energy during slow fracture in vacuum seems to be proportional to the surface created by the crack propagation. During fast fracture in vacuum, 1.7 × 10−3 % of fracture energy is converted into light while at least 3 × 10−3 % at ambient pressure. This difference demonstrates, once again, how important the environment is, and offers leads for identifying mechanisms of light emission

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The COmpton Spectrometer and Imager (COSI) is a space telescope that aims to study the soft gamma regime (0.2-5 MeV), capable of performing spectroscopy, imaging and polarimetry of cosmic gamma sources. COSI will use an active shield made of Bismuth Germanium Oxide (BGO), a known scintillator material, in order to reduce the instrumental background produced by primary and secondary particles. When a cosmic ray particle or gamma interacts with the active shield, they will produce scintillation photons. Thanks to the optical coupling of photomultipliers tubes (PMT) to the BGO walls, it is possible to detect these scintillation photons and remove the background events from the analysis with the Compton telescope. IRAP (Research Institute in Astrophysics and Planetology) is the organization responsible of providing the photodetector (PMT with its electronics and mechanics) design to the COSI mission. The main objective of my internship is to study the performance of the photodetector of the active shield, focusing on the development of simulations with Geant4. The first study investigates the propagation of optical photons inside a PMT, comparing an analytical method versus a Geant4 simulation. Geant4 perfectly simulates the transmission and reflection of photons. However, if some of the photons are absorbed by the materials, Geant4 starts to slightly differ. This happens because the absorption is computed with different physic processes in both models. The second study is focused on obtaining measurements from the PMTs at the laboratory. The pulse amplitude at the preamplifier level is analysed, as well as the transmission of the Si pad. The third and fourth studies are focused on the simulation, with Geant4, of the performance of a PMT optically coupled to two different scintillator materials, CsI(Tl) and BGO, respectively. The correct set-up of a simulation is always critical, especially for a space mission like COSI. Both studies aim to find the correct set-up in order to get the most precise simulation. The results are great, showing a really good correlation between the simulation and the real data. During the fifth study, I updated the photodetector engineering model, called DACS (Detector for the AntiCoincidence System), taking into consideration the new electronic board designs and the previous engineering models. The results obtained in this thesis help to understand the performance of the photodetectors that will be used on the COSI telescope, as well as to show the benefits of using a toolkit like Geant4 in projects with propagation of scintillation photons.

Dans le cadre de la préparation de l'expérience L3 sur LEP au CERN, cette thèse présente une étude d'une portion du calorimètre électromagnétique formée de 100 cristaux de germanate de bismuth (B.G.O.). La lumière de scintillation de chacun des cristaux est lue par des photodiodes de grande surface (2 X 1.5 cm2).<br />L'electronique asociée aux photodiodes est étudiée de façon détaillée depuis les préamplificateurs de charge (responsabilité spécifique du groupe de lyon) jusqu'aux convertisseurs analogique-digital.<br />En particulier, le rapport signal sur bruit est discuté en relation avec les performances du détecteur à basse énergie. Le bruit électronique obtenu par cristal est de l'ordre de 1300 électrons, soit 1.5 MeV B.G.O. Il comporte une partie intrinsèque et une forte partie corrélée qui joue un rôle important à basse énergie dans la dégradation de la résolution en énergie. L'ensemble des résultats obtenus a permis d'atteindre le stade final de la construction du calorimètre électromagnétique.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In the present work the potential of ceramic scintillator production of bismuth germanate by hot pressing was investigated. The microstructure and the scintillation yield were studied as function of the hot pressing parameters, such as time sintering plateau (4 and 10 hours), temperature (840 e 875 °C), and pressure (0.10, 0.14, and 0.18 MPa). Values of relative densities were obtained through Archimedes method showing that for the ceramic bodies produced the densities were higher than 94%. X-ray diffraction showed that the ceramics and the precursor powder exhibited two different Bi-Ge-O stoichiometries, the majority one Bi4Ge3O12 and the spurious one Bi12GeO20. Analyzes by scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate the microstructure of the grains with the changes of hot pressing parameters. The optical characterization was done by radioluminescence (RL), in which it was verified that the sample sintered by hot pressing have better efficiency in the characteristic emission of BGO. The influence of sintering condition in scintillation efficiency of the ceramic bodies was also investigated. / Neste trabalho verificou-se o potencial da prensagem a quente na produção de cintiladores cerâmicos de germanato de bismuto (Bi4Ge3O12 - BGO). Foi realizado um estudo dos parâmetros de prensagem a quente tais como: tempo de patamar de sinterização (4 e 10 horas), temperatura (840 e 875 °C) e carga aplicada (0.10, 0.14 e 0.18 MPa) nos quais, os dados de densidade relativa obtidos através de método de Arquimedes mostraram que as cerâmicas produzidas apresentam densidades relativas superiores a 94%. Para a caracterização das amostras foram realizadass análises de difração de raios X (DRX), as quais mostraram que as cerâmicas de BGO apresentam fases cristalinas em duas estequiometrias, a fase principal e majoritária Bi4Ge3O12 e a fase minoritária Bi12GeO20. Análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas para investigar a formação da microestrutura dos grãos com a mudança dos parâmetros de prensagem a quente. A caracterização óptica foi realizada via radioluminescência (RL), em que foi verificado que as amostras sinterizadas via prensagem a quente apresentam melhor eficiência na emissão característica do BGO. A influência das condições de sinterização na eficiência de cintilação das cerâmicas também foi investigada. / São Cristóvão, SE

Le présent mémoire présente d'une part la recherche dans l'expérience L3 au LEP de particules supersymétriques, les leptons scalaires, dans deux topologies distinctes : " électron + X + Ebaré " et " 2 leptons + 2 photons + Ebaré ", lesquelles correspondent à deux cadres théoriques supersymétriques qui sont respectivement m-SUGRA et GMSB. D'autre part le travail a été complèté par<br />l'étude du calorimètre électromagnétique à cristaux de BGO de L3, et la calibration du calorimètre<br />électromagnétique EGAP. Après une revue des motivations essentielles pour la Supersymétrie sont<br />détaillés les modes de production et de désintégration des leptons scalaires à LEP. Après avoir<br />présenté les outils d'analyse utilisés, sont détaillés les résultats obtenus à partir des données collectées par L3 à des énergies au centre-de-masse comprises entre 183 GeV et 202 GeV. Les<br />critères de sélections permettant d'isoler les événements que l'on recherche, et les efficacités ainsi<br />que les taux de bruit de fond en provenance du Modèle Standard auxquels on peut s'attendre<br />sont présentés. L'interprétation des résultats des recherches dans les deux cadres m-SUGRA et<br />GMSB font l'objet d'un cinquième chapitre. On a pu en tirer des limites inférieures sur les masses<br />des leptons scalaires qui ne dépendent pas des paramètres libres du modèle supersymétrique, en<br />particulier sur la masse du sélectron dans le cadre de m-SUGRA qui est :<br />M > 71:2 GeV

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Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K.