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This thesis deals with the development and application of Monte Carlo simulations to study electron transport in bulk GaN in the wurtzite crystal structure and the properties of field effect transistors made from the material. There is a particular emphasis on transport in the high electric field regime and transistors operating at high voltages. The simulation model includes five sets of non-parabolic conduction band valleys which can be occupied by electrons during high field transport. The effects on electron transport of impurities and the relevant phonon scattering mechanisms have been considered. Results for electron transport at both low and high electric field are presented and compared with the properties of GaN in the zincblende structure, of other group-III nitride semiconductors, and of GaAs. The dependence of the transport properties on the material parameters is discussed and also with regard to the temperature, donor concentration and electric field magnitude and direction. The transport properties of electrons in wurtzite GaN n+-i(n)-n+ diodes are also explored, including the effect of the upper valleys and the temperature on hot electron transport. Simulations have also been carried out to model the steady-state and transient properties of GaN MESFETs that have recently been the subject of experimental study. It has been suggested that traps have a substantial effect on the performance of GaN field effect transistors and we have developed a model of a device with traps to investigate this suggestion. The model includes the simulation of the capture and release of electrons by traps whose charge has a direct effect on the current flowing through the transistor terminals. The influence of temperature and light on the occupancy of the traps and the /- V characteristics are considered. It is concluded that traps are likely to play a substantial role in the behaviour of GaN field effect transistors. Further simulations were performed to model electron transport in AlGaN/GaN hetero-junction FETs. So called HFET structures with a 78 nm Alo.2Gao.8N pseudomorphically strained layer have been simulated, with the inclusion of spontaneous and piezoelectric polarization effects in the strained layer. The polarization effects are shown to not only increase the current density, but also improve the electron transport by inducing a higher electron density close to the positive charge sheet that occurs in the channel.

Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions / During the treatment of a tumor with light ions, the Bragg peak location must be accurately known. A significant fraction of the incident ions undergo nuclear collisions with the target nuclei leading to the prompt emission of particles which may carry information on the ion path. This work, which focuses on prompt gamma, shows that the depth profile of these emissions is highly correlated to the ions path and the measured counting rates allow to consider a realistic imaging system, operating in real time. For that purpose, we performed experiments at GANIL and at GSI with a collimated detector placed perpendicular to the beam axis and the time of flight technique was used in order to reduce the noise induced by neutrons and charged particles. Geant4 simulations were performed for the experimental design and data interpretation. A qualitative agreement between simulations and experiment is observed for the amount of energy deposited in the detector and the shape of the time of flight spectrum. However, discrepancies appear for the prompt gamma yield and the depth distribution of gamma detected. These discrepancies are discussed, mainly in terms of nuclear physics models that must be improved. After selecting the physical models which lead to the best agreement between simulations and measurements, studies on the location of prompt gamma emission and on the influence of diffusion in the target were performed to determine the impact on the correlation with the ion path

In this Thesis, two problems were studied: a direct vacuum acceleration of electrons by a tightly focused ultrashort relativistic laser pulse and ion acceleration in the process of spherical laser-heated plasma explosion. The electromagnetic field of a tightly focused laser pulse was evaluated numerically by means of Stratton-Chu integrals. The properties of the focused field were analyzed in detail for a plane wave or a macroscopically large Gaussian beam incident onto the mirror. Free electrons moving in the tightly focused field were found to accelerate by two possible mechanisms: focal spot acceleration and capture-and-acceleration scenario. The two mechanisms were studied in detail. Comparison of the mirror-focused field with first- and fifth-order paraxial fields is performed. A 3D electromagnetic PIC code SCPIC was created for simulations of pulse interaction with targets having a finite number of particles interacting with each other by collective fields. Atto-second bunch formation was observed in the interaction with ultra-small or ultra-thin targets. Physical mechanism of bunch formation is explained. The problem of electrostatic explosion of a nano-scale spherical plasma with initially hot electrons and cold ions was solved numerically. Expansion in a wide regime of electron temperature $0 < T leq infty$ was studied in detail for different initial density profiles of plasma. Favorable conditions for obtaining mono-energetic ions resulting from the explosion were specified in single and two ionic species cases. In case of a two-species explosion, the number of mono-energetic, $deltavarepsilon/varepsilon < 10\%$, ions can be as high as 70-80\% of the total light ions for a wide range of electron temperatures.

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Cette thèse présente de nouveaux développements en détection de particules chargées et traitement tout-numérique d'impulsions pour application à l'analyse avec des faisceaux d'ions rapides (IBA). Un ensemble de 16 détecteurs gravés sur une puce de Si est mis en œuvre, ce qui fournit un angle solide de détection environ 100 fois plus grande que celle des détecteurs utilisés auparavant pour l'IBA. Seize chaines d'acquisition sont également mises en œuvre avec une approche 'tout-numérique' pour le traitement des signaux issus des détecteurs. Dans son ensemble, le système ainsi développé a une résolution en énergie équivalent à celle des détecteurs standards. La considérable quantité d'information ainsi générée est traitée de manière cohérente en ajustant des spectres en énergie simulé aux spectres mesurés grâce à un algorithme de recuit simulé, avec le NDF DataFurnace. Les grandes angles solides disponibles sont exploitées pour des études par rétrodiffusion de Rutherford (RBS) et canalisation d'ions de l'isolant topologique Bi2Se3 enrichi en fer en vue d'études de l'effet thermoélectrique, de spintronique ou encore la computation quantique, ainsi que pour des études par RBS et analyse par réactions nucléaires (NRA) de matériaux pour la photovoltaïque organique, basés sur tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) comme photo-absorbant avec oxydes de métaux de transition pour injection de charge. / This thesis presents new developments in charged particle detection and digital pulse processing for application in analysis with fast ion beams - Ion Beam Analysis (IBA). In particular a charged particle detector array, consisting of 16 independent charged particle detectors on a single silicon chip is implemented giving an overall solid angle of detection around two orders of magnitude greater than the standard charged particle detectors used in IBA. Sixteen parallel data acquisition channels are implemented using a fully digital approach for nuclear pulse processing. The overall system has an energy resolution equivalent to that of standard detectors. The large amount of data generated is handled in a self-consistent way by spectrum fitting with a simulated annealing algorithm via the NDF DataFurnace. The large solid angles thus achieved are exploited in Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and ion channelling studies of the topological insulator Bi2Se3 enriched in Fe, in view of studies of the thermo-electric effect, spintronics and quantum computing, and in RBS and Nuclear Reaction Analysis (NRA) studies of organic photovoltaic materials based on tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) as the photo-absorber and transition metal oxide charge injectors.

The aim of this master's thesis is to explore and study dynamic aberration correction options in electron-beam lithography systems. For the calculations, the thesis uses the optical column of the BS600 electron-beam writer. The thesis focuses on corrections of the third order field curvature, astigmatism, and distortion aberrations of the currently used magnetic deflection system and a newly designed electrostatic deflection system. The parameters of the two deflection and correction systems were compared.

L’expérience ALICE au CERN examine l’état de la matière QCD chaude et dense créée lors de collisions d’ions lourds ultra-relativistes - le plasma de Quark Gluon (QGP). En raison de sa courte durée de vie, le QGP ne peut être étudié que via ses signatures.La suppression de J/ψ a été proposée comme preuve de la formation du milieu déconfiné.Néanmoins, il est devenu évident que la réalité est bien plus complexe, car il existe d’autres mécanismes concurrents qui affectent la production de J/ψ . Pour comprendre quels effets agissant sur la production de J/ψ dans les collisions noyau-noyau résultent véritablement de la présence du QGP, ALICE étudie également la production de J/ψ en collisions pp et p–Pb. Le QGP ne devrait pas se former dans ces systèmes. De plus, les mesures de la production de J/ψ dans les collisions p–Pb peuvent révéler des informations sur les effets provenant de la liaison des nucléons dans le noyau, appelés effets de la matière nucléaire froide (CNM). L’objectif de cette thèse est d’étudier la production de J/ψ à rapidité vers l’avant avec le spectromètre à muons ALICE. La section efficace de production J/ψ inclusive dans les collisions pp à √s = 5.02 TeV,et sa dépendance en pT et en rapidité, ont été examinées et comparées à des calculs théoriques ainsi qu’ à des mesures à d’autres énergies du LHC. Les données sont bien décrites par la somme des calculs de pQCD pour les J/ψ prompts et de FONLL pour les J/ψ non-prompts. La production différentielle en multiplicité des J/ψ a été étudiée dans les collisions p–Pb et Pb–p à √sNN = 8,16 TeV, ainsi que le moment transvers moyen. La mesure montre un comportement dépendant de la rapidité pour les taux de production relatifs des J/ψ . Le moment transvers moyen des J/ψ est par contre identique dans les deux intervalles de rapidité mesurés. La nouvelle analyse a augmenté la précision et étendu la mesure à des multiplicités plus élevées par rapport à la mesure précédente à √sNN = 5,02 TeV. Nous constatons que les taux de production relatifs et le <pti> relatif sont indépendants de l’énergie du centre de masse. / The ALICE experiment at CERN probesthe state of hot and dense QCD matter created in ultrarelativisticheavy ion collisions - the Quark GluonPlasma (QGP). Due to its short lifetime, the QGP canbe studied only via its signatures. The suppression ofJ/ ψ was proposed as a proof of formation of the deconfinedmedium. Nevertheless, it became clear thatthe real picture is far more complex as there are othercompeting mechanisms affecting the J/ ψ production.To understand which effects acting on the J/ productionin nucleus-nucleus collisions truly stem fromthe presence of the QGP, ALICE also studies the productionof J/ψ in pp and p–Pb collisions. The QGP isexpected not to form in these systems. Furthermore,measurements of the J/ ψ production in p–Pb collisionscan unveil information on the effects originatingfrom the binding of the nucleons in the nucleus, referredto as the cold nuclear matter effects (CNM).The objective of this thesis is to study the productionof J/ ψ at forward rapidity with the ALICE Muon Spectrometer.The inclusive J/ ψ production cross sectionin pp collisions at √s = 5.02 TeV, and its dependenceon pT and rapidity, were examined and compared withtheoretical calculations as well as measurement atother LHC energies. The data are well described bya sum of pQCD calculations for prompt and FONLLcalculations for non-prompt contribution. The multiplicitydifferential J/ ψ production was studied in p–Pband Pb–p collisions at √sNN = 8.16 TeV, as well asits mean transverse momentum. The measurementshows a rapidity dependent behaviour of relative J/ ψ yields. The J/ ψ mean transverse momentum on theother hand is identical in the two measured rapidityintervals. The new analysis increased the precisionand extended the measurement to higher multiplicitiescompared to previous measurement at √sNN =5.02 TeV. We find that both relative yields and relative<pti> are independent of centre-of-mass energy.

L’interaction des particules chargées avec la matière conduit à un dépôt d’énergie très localisé dans des traces de dimensions sub-micrométriques. Cette propriété unique rend ce type de rayonnement ionisant particulièrement intéressant pour disséquer les mécanismes moléculaires radio-induits suite à l’échelle de la cellule. L’utilisation de microfaisceaux de particules chargées offre en outre la capacité d’irradier sélectivement à l’échelle du micromètre avec une dose contrôlée jusqu’à la particule unique. Mon travail a porté sur des irradiations réalisées avec le microfaisceau de particules chargées de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) du CENBG. Ce microfaisceau délivre des protons et particules alpha et est dédié aux irradiations ciblées in vitro (cellules humains) et in vivo (C. elegans).En complément de l’intérêt qu’elles présentent pour des études expérimentales, les dépôts d’énergie et les interactions des particules chargées avec la matière peuvent être modélisés précisément tout au long de leur trajectoire en utilisant des codes de structures de traces basés sur des méthodes Monte Carlo. Ces outils de simulation permettent une caractérisation précise de la micro-dosimétrie des irradiations allant de la description détaillée des interactions physiques à l’échelle nanométrique jusqu’à la prédiction du nombre de dommages à l’ADN et leurs distributions dans l’espace.Au cours de ma thèse, j’ai développée des modèles micro-dosimétriques basés sur l’outil de modélisation Geant4-DNA dans deux cas. Le premier concerne la simulation de la distribution d’énergie déposée dans un noyau cellulaire et le calcul du nombre des différents types de dommages ADN (simple et double brin) aux échelles nanométrique et micrométrique, pour différents types et nombres de particules délivrées. Ces résultats sont confrontés à la mesure expérimentale de la cinétique de protéines de réparation de l’ADN marquées par GFP (Green Fluorescent Protein) dans des cellules humaines. Le second concerne la dosimétrie de l’irradiation d’un organisme multicellulaire dans le cadre d’études de l’instabilité génétique dans un organisme vivant au cours du développement (C. elegans). J’ai simulé la distribution de l’énergie déposée dans différents compartiments d’un modèle réaliste en 3D d’un embryon de C. elegans suite à des irradiations par protons. Enfin, et en parallèle de ces deux études, j’ai développé un protocole pour caractériser le microfaisceau d'AIFIRA à l’aide de détecteurs de traces fluorescent (FNTD) pour des irradiations par protons et par particules alpha. Ce type de détecteur permet en effet de visualiser les trajectoires des particules incidentes avec une résolution de l’ordre de 200 nm et d’examiner la qualité des irradiations cellulaires réalisées par le microfaisceau. / The interaction of charged particles with matter leads to a very localized energy deposits in sub-micrometric tracks. This unique property makes this type of ionizing radiation particularly interesting for deciphering the radiation-induced molecular mechanisms at the cell scale. Charged particle microbeams (CPMs) provide the ability to target a given cell compartment at the micrometer scale with a controlled dose down to single particle. My work focused on irradiations carried out with the CPM at the AIFIRA facility in the CENBG (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine). This microbeam delivers protons and alpha particles and is dedicated to targeted irradiation in vitro (human cells) and in vivo (C. elegans).In addition to their interest for experimental studies, the energy deposits and the interactions of charged particles with matter can be modeled precisely along their trajectory using track structure codes based on Monte Carlo methods. These simulation tools allow a precise characterization of the micro-dosimetry of the irradations from the detailed description of the physical interactions at the nanoscale to the prediction of the number of DNA damage, their complexity and their distribution in space.During my thesis, I developed micro-dosimetric models based on the Geant4-DNA modeling toolkit in two cases. The first concerns the simulation of the energy distribution deposited in a cell nucleus and the calculation of the number of different types of DNA damage (single and double strand breaks) at the nanometric and micrometric scales, for different types and numbers of delivered particles. These simulations are compared with experimental measurements of the kinetics of GFP-labeled (Green Fluorescent Protein) DNA repair proteins in human cells. The second is the dosimetry of irradiation of a multicellular organism to study the genetic instability in a living organism during development (C. elegans). I simulated the distribution of the energy deposited in different compartments of a realistic 3D model of a C. elegans embryo following proton irradiations. Finally, and in parallel with these two studies, I developed a protocol to characterize the AIFIRA microbeam using fluorescent nuclear track detector (FNTD) for proton and alpha particle irradiations. This type of detector makes it possible to visualize in 3D the incident particle tracks with a resolution of about 200 nm and to examine the quality of the cellular irradiations carried out by the CPM.

<p>Neutron-carbon interactions have been studied with a focus on charged-particle production of relevance to radiation protection and medical applications, such as cancer therapy. The measurements have been performed using the particle-detection setup, MEDLEY, and the 96 MeV neutron beam at the The Svedberg Laboratory in Uppsala.</p><p>Double-differential cross sections of inclusive charged-particle production are compared with recent calculations from models based on the GNASH code including direct, preequilibrium and compound processes. For protons, the shapes of the cross-section spectra are reasonably well described by the calculations. For the other particles- <i>d</i>, <i>t</i>, ³He and α- there are important discrepancies, in particular for ³He-ions and α-particles, concerning both shape and magnitude of the spectra.</p><p>Using the new cross sections, partial as well as total KERMA coefficients have been determined. The coefficients have also been compared to previous experimental results and model calculations. The <i>p</i>, <i>d</i> and <i>t</i> KERMA coefficients are in good agreement with those from a previous measurement. For the helium isotopes, there are no previous measurements at this energy. The KERMA coefficients are considerably higher (by up to 30%) than those predicted by the calculations.</p><p>The KERMA results indicate that protons and α -particles are the main contributors to the dose. A 6x6x6 cm³ carbon phantom, exposed to a broad and a pencil-like beam, is used for the computation of the absorbed doses deposited by these two particles in spheres of 1 μm in diameter, located at various positions in the phantom. The maximum doses are deposited at ~3 cm from the surface of neutron impact for protons and within 1 cm for α-particles. For the pencil beam, deposited doses are spread over regions of ~1.5 cm and ~300 μm transverse to the beam for protons and α-particles, respectively. The results are consistent with previous integral measurements at lower energies.</p>