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Synthesis and capture of antihydrogen in controlled laboratory conditions will enable precise studies of neutral antimatter. The work presented deals with some of the physics pertinent to manipulating charged antiparticles in order to create neutral antimatter, and may be applicable to other scenarios of plasma confinement and charged particle interaction. The topics covered include the electrostatic confinement of a reflecting ion beam and the transverse confinement of an ion beam in a purely electrostatic configuration; the charge sign effect on the Coulomb logarithm for a two component (e.g., antihydrogen) plasma in a Penning trap as well as the collisional scattering for binary Coulomb interactions that are cut off at a distance different than the Debye length; and the formation of magnetobound positronium and protonium.

This PhD thesis reports on the experimental investigation of the prompt photons created during the fragmentation of the carbon beam used in particle therapy. Two series of experiments have been performed at the GANIL and GSI facilities with 95 MeV/u and 305 MeV/u 12C6+ ion beams stopped in PMMA and water phantoms. In both experiments a clear correlation was obtained between the C-ion range and the prompt photon profile. A major issue of these measurements is the discrimination between the prompt photon signal (which is correlated with the ion path) and a vast neutron background uncorrelated with the Bragg-Peak position. Two techniques are employed to allow for this photon-neutron discrimination: the time-of-flight (TOF) and the pulse-shape-discrimination (PSD). The TOF technique allowed demonstrating the correlation of the prompt photon production and the primary ion path while the PSD technique brought great insights to better understand the photon and neutron contribution in TOF spectra. In this work we demonstrated that a collimated set-up detecting prompt photons by means of TOF measurements, could allow real-time control of the longitudinal position of the Bragg-peak under clinical conditions. In the second part of the PhD thesis a simulation study was performed with Geant4 Monte Carlo code to assess the influence of the main design parameters on the efficiency and spatial resolution achievable with a multidetector and multi-collimated Prompt Gamma Camera. Several geometrical configurations for both collimators and stack of detectors have been systematically studied and the considerations on the main design constraints are reported.

Cette thèse porte sur les mesures expérimentales des γ-prompts créés lors de la fragmentation du faisceau d'ions carbone en hadronthérapie. Deux expériences ont été effectuées aux laboratoires GANIL et GSI avec des ions 12C6+ de 95MeV/u et 305MeV/u irradiant une cible d'eau ou de PMMA. Dans les deux expériences une nette corrélation a été obtenue entre le parcours des ions carbone et le profil longitudinal des γ- prompts. Une des plus grandes difficultés de ces mesures vient de la discrimination entre le signal des γ-prompts (qui est corrélé avec le parcours des ions) et un important bruit de fond dû aux neutrons (non corrélé au parcours). Deux techniques sont employées pour effectuer la discrimination entre γ et neutrons: le temps de vol (TDV) et la discrimination par forme de signal (DFS). Le TDV a permis de démontrer la corrélation entre la production de γ-prompts et le parcours des ions. La DFS a fourni des informations précieuses pour la compréhension des caractéristiques des spectres en TDV. Dans ce travail on a démontré qu'un système de détection de γ-prompt collimaté, basé sur la technique du temps de vol, peut permettre une vérification en temps réel de la position du Pic de Bragg en conditions cliniques. Dans la dernière partie de la thèse, un travail de simulation a été effectué à l'aide du code de simulation Geant4 pour évaluer l'influence des principaux paramètres du design d'un dispositif de multi-détecteurs et multicollimateurs sur la résolution spatiale et l'efficacité atteignable par une Camera γ-Prompt. Plusieurs configurations géométriques ont été étudiées de façon systématique et les principales contraintes du design sont analysées. / This PhD thesis reports on the experimental investigation of the prompt photons created during the fragmentation of the carbon beam used in particle therapy. Two series of experiments have been performed at the GANIL and GSI facilities with 95 MeV/u and 305 MeV/u 12C6+ ion beams stopped in PMMA and water phantoms. In both experiments a clear correlation was obtained between the C-ion range and the prompt photon profile. A major issue of these measurements is the discrimination between the prompt photon signal (which is correlated with the ion path) and a vast neutron background uncorrelated with the Bragg-Peak position. Two techniques are employed to allow for this photon-neutron discrimination: the time-of-flight (TOF) and the pulse-shape-discrimination (PSD). The TOF technique allowed demonstrating the correlation of the prompt photon production and the primary ion path while the PSD technique brought great insights to better understand the photon and neutron contribution in TOF spectra. In this work we demonstrated that a collimated set-up detecting prompt photons by means of TOF measurements, could allow real-time control of the longitudinal position of the Bragg-peak under clinical conditions. In the second part of the PhD thesis a simulation study was performed with Geant4 Monte Carlo code to assess the influence of the main design parameters on the efficiency and spatial resolution achievable with a multidetector and multi-collimated Prompt Gamma Camera. Several geometrical configurations for both collimators and stack of detectors have been systematically studied and the considerations on the main design constraints are reported.

La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits. / This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented.