L'expérience Borexino (BX), collaboration impliquant neuf pays, est implantée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie. Elle vise la mesure du flux de neutrinos solaires de la raie du béryllium à 862 keV, première mesure en temps réel à si basse énergie. Cette expérience impose des contraintes très fortes en radiopureté. Sa faisabilité technique est testée dans le prototype Counting Test Facility (CTF).<br> Le groupe du Collège de France est chargé du système de numérisation rapide (FADC) sur BX. Ces FADC ont été conçus au laboratoire et nous les avons finalisés début 2002. Les cartes prototypes et les premiers modèles industriels ont été implantés sur CTF à titre de test, numérisant les signaux issus des photomultiplicateurs.<br> Nous avons développé les logiciels d'acquisition des FADC sur CTF et BX. Pour BX, nous utilisons un algorithme interne de réduction des données basé sur l'élimination en temps réel des événements à trop basse énergie tout en conservant les événements en coïncidence. Sur CTF, nous produisons des données depuis l'été 2000 et sur BX les premiers tests ont eu lieu sans scintillateur.<br> L'analyse de CTF porte sur les données issues des FADC seuls et des donnés conjointes entre les FADC et l'électronique standard mise en place par l'équipe italienne. Nous montrons que les FADC permettent de reconstruire l'énergie des événements et les coïncidences avec des précisions comparables à celles de l'électronique standard. La comparaison des données issues des deux systèmes montre l'apport du FADC, sans temps mort, pour la mesure de contaminations dans le détecteur, l'analyse des signaux tardifs issus des photomultiplicateurs et la discrimination entre événements de type alpha et bêta. Plusieurs méthodes de discrimination sont également étudiées par simulations pour BX.

L'objectif du projet, dont le travail présenté dans cette thèse est une partie, était de développer une caméra à rayons X ultra-rapide utilisant des pixels hybrides pour l'imagerie biomédicale et la science des matériaux. La technologie à pixels hybrides permet de répondre aux besoins des ces deux champs de recherche, en particulier en apportant la possibilité de sélectionner l'énergie des rayons X détectés et de les imager à faible dose. Dans cette thèse, nous présentons une caméra ultra-rapide basée sur l'utilisation de circuits intégrés XPAD3-S développés pour le comptage de rayons X. En collaboration avec l'ESRF et SOLEIL, le CPPM a construit trois caméras XPAD3. Deux d'entre elles sont utilisée sur les lignes de faisceau des synchrotrons SOLEIL et ESRF, et le troisième est installé dans le dispositif d'irradiation PIXSCAN II du CPPM. La caméra XPAD3 est un détecteur de rayons X de grande surface composé de huit modules de détection comprenant chacun sept circuits XPAD3-S équipés d'un système d'acquisition de données ultrarapide. Le système de lecture de la caméra est basé sur l'interface PCI Express et sur l'utilisation de circuits programmables FPGA. La caméra permet d'obtenir jusqu'à 240 images/s, le nombre maximum d'images étant limité par la taille de la mémoire RAM du PC d'acquisition. Les performances de ce dispositif ont été caractérisées grâce à plusieurs expériences à haut d'ebit de lecture réalisées dans le système d'irradiation PIXSCAN II. Celles-ci sont décrites dans le dernier chapitre de cette thèse.

La première étape d'un calcul de durée de vie en fatigue oligocyclique consiste à obtenir l'historique des contraintes et des déformations sur des points jugés critiques. Pour éviter des calculs complets par éléments finis (force brute) particulièrement longs, les corrections élasto-plastiques locales évaluent ces historiques en un temps très court. Les approches existantes manquant de précision, une nouvelle méthode de calcul qui s'inspire des modèles d'homogénéisation a été proposée. Elle a été implémentée dans le code de calcul ZéBuLoN et validée sur des cas de charge quelconques en multiaxial non proportionnel aléatoire, ce qui n'est le cas d'aucune autre méthode de la littérature. Ces historiques servent d'entrée aux méthodes de prévision de durée de vie. Un nouvel algorithme de comptage de cycles a été utilisé pour extraire une série de cycles d'un chargement multiaxial aléatoire. Il s'agit d'une technique de rainow qui permet de conserver toutes les composantes du chargement, et de définir un "cycle" dans l'espace des contraintes déviatoriques. Des calculs de durée de vie ont été réalisés pour évaluer la pertinence de l'ensemble de la chaîne de calcul ainsi constituée. On montre pour finir des applications à une pièce industrielle (bras de châssis de grue).

La mesure nucléaire non destructive doit apporter des réponses aux grands enjeux de l'industrie nucléaire que sont la sûreté des installations nucléaires et la santé, l'impact environnemental, la performance, la fiabilité et la maîtrise des coûts. Elle a pour but de caractériser, sans le dégrader, un objet, contaminé par un ou des radionucléides. Qu'elle soit active ou passive, elle est déployée pour la quantification des radionucléides présents dans les effluents, les déchets liquides et solides, l'évaluation des masses de matières en rétention. Elle est aussi déployée de manière qualitative et/ou quantitative pour le suivi de procédé. Dans ce cas, elle revêt un caractère de contrôle de qualité de production mais la plupart du temps elle constitue un caractère de surveillance du respect du référentiel autorisé de fonctionnement de l'unité de production nucléaire. Les résultats issus de ces mesures alimentent directement le suivi matière et les inventaires radiologiques des produits nucléaires. La notion d'inventaire radiologique est notamment liée aux exutoires pour ce qui concerne les déchets tandis que la notion d'inventaire matière est liée au suivi des matières nucléaire des unités de criticité. L'objectif est donc de donner une valeur quantitative et/ou qualitative avec les incertitudes associées, détaillées et chiffrées, sur les radionucléides composant la contamination de l'objet. L'objet contaminé peut être de différentes formes géométriques, de taille et de composition physico-chimique. Pour être opérationnelle, la mesure nucléaire doit intégrer les appareils, les actions de mesure, l'établissement et l'utilisation des méthodologies associés. Je retrace, dans ce mémoire d' HDR, les principaux travaux de recherche et développement que j'ai mené ou auxquels j'ai participé pour répondre à ces objectifs. Ces travaux portent sur la métrologie des rayonnements nucléaires et sont appliqués sur trois principaux types de mesures que sont la spectrométrie gamma, la spectrométrie alpha et le comptage neutronique passif ou actif.

La reconnaissance du comportement et la prédiction des activités des personnes depuis la vidéo sont des préoccupations majeures dans le domaine de la vision par ordinateur. L'objectif principal de mon travail de thèse est de proposer des algorithmes qui permettent d'analyser des objets en mouvement à partir de la vidéo pour extraire des comportements humains. Cette analyse est effectuée dans des environnements intérieurs ou extérieurs filmés par des simples webcams ou par des caméras plus sophistiquée. La scène analysée peut être de deux types en fonction du nombre de personnes présentes. On distingue les scènes de foule où le nombre de personnes est important. Dans ce type de scène, nous nous intéressons aux problèmes de la détection d'évènements de foule, à l'analyse des flux et à l'extraction des motifs de mouvement. Le deuxième type de scène se caractérise par la présence d'une seule personne à la fois dans le champ de la caméra. Elle est appelée scène individuelle. Nous y traitons le problème de reconnaissance d'actions humaines. Pour atteindre ces objectifs, nous proposons une approche basée sur trois niveaux d'analyse. Le premier est l'extraction des caractéristiques de bas niveau récupérés les images constituant un flux vidéo (ex. les zones en mouvement). Le deuxième construit des descripteurs pour l'analyse du comportement humain (ex. la direction et la vitesse de mouvement moyennes). Le niveau le plus haut se sert des descripteurs de l'étape intermédiaire afin de fournir aux utilisateurs des résultats concrets sur l'analyse du comportement humain (ex. telle personne marche, une autre court, etc.). Des expérimentations sur des benchmarks connus ont validé nos approches, avec un positionnement très intéressant par rapport à l'état de l'art.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la cryptographie, et plus précisément de la cryptographie quantique. Le but est de concevoir un système permettant de transmettre simultanément une clé de cryptage et un signal horloge dans une même fibre optique (à la longueur d'onde des télécommunications soit 1550 nm) en essayant d'éviter les effets de la dispersion chromatique. En effet le signal représentant la clé de cryptage doit être réalisé sous forme d'impulsions fortement atténuées simulant des photons uniques et dans ces conditions il est nécessaire de disposer au niveau du détecteur d'un signal horloge donnant l'instant d'arrivée des impulsions. Nous fabriquons deux signaux de longueurs d'onde très proches (écart de 0,88 pm) grâce à un modulateur acousto-optique, chacune servant de porteuse à un des deux signaux. A la réception il est nécessaire de séparer ces deux longueurs d'ondes et pour cela un filtre basé sur un interféromètre de Fabry-Pérot a été conçu, réalisé, testé et mis en oeuvre au laboratoire. Puis nous avons aussi réalisé un photodétecteur basé sur une photodiode à avalanche, dont nous pouvons abaisser la température de fonctionnement jusqu'à environ 0°C. Le système a été entièrement réalisé et nous avons pu montrer la faisabilité de cette technique. Des améliorations restent à apporter en particulier sur la stabilité du filtre optique et sur le fonctionnement du détecteur en mode comptage de photons.

La photod??tection est un sujet de recherche tr??s actif encore de nos jours et l???industrie, particuli??rement de la physique des hautes ??nergies et de l???imagerie m??dicale, est en qu??te de d??tecteurs avec une plus grande sensibilit??, de meilleures r??solutions temporelles et une plus grande densit?? d???int??gration. Pour ces raisons, les photodiodes avalanche ?? photon unique (Single photon avalanche diode, ou SPAD) suscitent beaucoup d???int??r??t depuis quelques ann??es pour ses performances en temps et sa grande photosensibilit??. Les SPAD sont des photodiodes avalanche op??r??es au-dessus de la tension de claquage et un photoporteur atteignant la r??gion de multiplication peut ?? lui seul d??clencher une avalanche soutenue de porteurs et entra??ner le claquage de la jonction. Un circuit d??tecte le courant divergent et l?????touffe en abaissant la polarisation de la jonction sous la tension de claquage. Le circuit recharge ensuite la jonction en r??appliquant la tension initiale permettant la d??tection d???un nouveau photon. Dans le but d???augmenter le nombre de photons simultan??s d??tectables, les SPAD s???int??grent en matrice. Cependant, dans le cas o?? une matrice de SPAD et leurs circuits d?????touffement s???int??grent sur le m??me substrat, la surface photosensible devient limit??e par l???espace qu???occupent les circuits d?????touffement. Dans le but d???augmenter leur r??gion photosensible, les matrices de SPAD peuvent s???int??grer en trois dimensions (3D) avec leurs circuits d?????touffement. Ce projet porte sur le d??veloppement de matrices de SPAD en technologie CMOS HV 0,8 ??m de Teledyne DALSA d??di??es ?? une int??gration 3D avec leurs circuits d?????touffement actifs. Les r??sultats de caract??risation montrent que les SPAD atteignent une r??solution temporelle de 27 ps largeur ?? mi hauteur (LMH), poss??dent un taux de comptage en obscurit?? (DCR, ou Dark Count Rate) de 3 s[indice sup??rieur -1]??m[indice sup??rieur -2] et ont une probabilit?? de photod??tection (PDP) de 49 %. De plus, une m??thode d???isolation utilisant un puits p a ??t?? d??velopp??e. Les SPAD con??us avec cette m??thode ont un facteur de remplissage pouvant atteindre 54 % et une probabilit?? de diaphonie de 6,6 % ?? une tension exc??dentaire ?? la tension de claquage (V[indice inf??rieur E]) de 4 V.

Dans le domaine de la tomographie par rayons X préclinique, la tomographie spectrale est une voie de plus en plus en plus explorée. Les objectifs de la tomographie spectrale sont tant la caractérisation et la quantification des tissus et agents de contraste que l'amélioration de contraste entre tissus mous. Cela passe par l'exploitation de l'information spectrale (ou énergétique) des photons X et non plus seulement par la quantité de rayons X détectée comme en tomographie standard par absorption de rayons X. L'intérêt de la tomographie spectrale se trouve renforcé par l'arrivée des caméras à comptage comme le détecteur à pixels hybrides XPAD3 qui ont la capacité de sélectionner les photons X en fonction de leur énergie. Ce détecteur a été développé pour fonctionner dans le micro-tomodensitomètre PIXSCAN construit au CPPM. Dans ce contexte, cette thèse a deux buts~: participer à la construction du prototype PIXSCAN et y effectuer une preuve de concept de la tomographie spectrale. Le premier but est rempli grâce au développement de l'interface d'acquisition du PIXSCAN. Le second est atteint par l'implantation de la méthode de séparation de composantes dont le but est d'isoler les contributions photoélectrique, Compton et celles des agents de contraste. Ce travail débute par la caractérisation de cette méthode et se termine par sa démonstration sur données réelles acquises à l'aide du prototype PIXSCAN.

Cette étude évalue le potentiel, comme détecteur de rayons X, des capteurs à pixel CMOS conçus pour la trajectométrie des particules chargée. Nous démontrons l'intérêt de la construction d'une image par comptage de photons uniques pour la définition de celle-ci. Un dispositif exploitant une source X est développé pour mesurer la résolution spatiale sur l'impact des photons. Une simulation complète sous GEANT4 montre que le système permet d'estimer cette résolution avec une incertitude de 2 µm. L'application du protocole caractérise la détection directe des rayons X de basse énergie (< 10 keV) par un capteur CMOS avec une résolution de 52 lp/mm. Une méthode de détection indirecte, couplant un cristal de CsI(Tl) finement segmenté au capteur CMOS, est employée pour les énergies supérieures à 10 keV. La résolution spatiale dans ces conditions atteint 15 lp/mm. Une simulation détaillée explique cette performance limitée par les caractéristiques d'émission de lumière du cristal employé.

Les contraintes arithmétiques sont largement utilisées dans les langages formels comme les expressions, les grammaires d'arbres et les chemins réguliers. Ces contraintes sont utilisées dans les modéles de contenu des types (XML Schemas) pour imposer des bornes sur le nombre d'occurrences de nœuds. Dans les langages de requêtes (XPath, XQuery), ces contraintes permettent de sélectionner les nœuds ayant un nombre limité de nœuds accessibles par une expression de chemin donnée. Les types et chemins étendus avec les contraintes de comptage constituent le prolongement naturel de leurs homologues sans comptage déjà considérés comme des constructions fondamentales dans les langages de programmation et les systèmes de type pour XML. Un des défis majeurs en programmation XML consiste à développer des techniques automatisées permettant d'assurer statiquement un typage correct et des optimisations de programmes manipulant les données XML. À cette fin, il est nécessaire de résoudre certaines tâches de raisonnement qui impliquent des constructions telles que les types et les expressions XPath avec des contraintes de comptage. Dans un futur proche, les compilateurs de programmes XML devront résoudre des problèmes de base tels que le sous-typage afin de s'assurer au moment de la compilation qu'un programme ne pourra jamais générer de documents non valides à l'exécution. Cette thèse étudie les logiques capables d'exprimer des contraintes de comptage sur les structures d'arbres. Il a été montré récemment que le mu-calcul sur les graphes, lorsqu'il est étendu à des contraintes de comptage portant exclusivement sur les nœuds successeurs immédiats est indécidable. Dans cette thèse, nous montrons que, sur les arbres finis, la logique avec contraintes de comptage est décidable en temps exponentiel. En outre, cette logique fournit des opérateurs de comptage selon des chemins plus généraux. En effet, la logique peut exprimer des contraintes numériques sur le nombre de nœuds descendants ou même ascendants. Nous présentons également des traductions linéaires d'expressions XPath et de types XML comportant des contraintes de comptage dans la logique. / Arithmetical constraints are widely used in formal languages like regular expressions, tree grammars and paths. In XML they are used to impose bounds on the number of occurrences described by content models of schema languages (XML Schema, RelaxNG). In query languages (XPath, XQuery), they allow selecting nodes that have a bounded number of nodes reachable by a given path expression. Counting types and paths are thus natural extensions of their countless counterparts already regarded as the core constructs in XML languages and type systems. One of the biggest challenges in XML is to develop automated techniques for ensuring static-type safety and optimization techniques. To this end, there is a need to solve some basic reasoning tasks that involve constructions such as counting XML schemas and XPath expressions. Every compiler of XML programs will have to routinely solve problems such as type and path type- checking, for ensuring at compile time that invalid documents can never arise as the output of XML processing code. This thesis studies efficient reasoning frameworks able to express counting constraints on tree structures. It was recently shown that the mu-calculus, when extended with counting constraints on immediate successor nodes is undecid able over graphs. Here we show that, when interpreted over finite trees, the logic with counting constraints is decidable in single exponential time. Furthermore, this logic allows more general counting operators. For example, the logic can pose numerical constraints on number of ancestors or descendants. We also present linear translations of counting XPath expressions and XML schemas into the logic.