La diffusion Compton inverse est l’interaction entre un photon et un électron de haute énergie. Il en résulte l’émission d’un nouveau photon d’énergie supérieure à celle du photon incident suivant la trajectoire de l’électron. Ces propriétés rendent possible la création d’une source de rayonnement X hautement directive, monochromatique accordable dans une large gamme spectrale. Il suffit d’accélérer les électrons sur quelques mètres pour leur faire gagner l’énergie minimale requise. Les photons proviennent d’une chaîne laser fortement amplifiée. Une telle source est donc relativement compacte, peu couteuse à mettre en oeuvre et facilement accessible aux utilisateurs. Elle est particulièrement adaptée aux besoins des musées ou des hôpitaux pour des applications comme l’analyse d’oeuvres historiques ou la radiothérapie. L’objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse en bout de ligne de l’accélérateur ELSA (Electrons et Laser, Sources X et applications). L’installation ELSA comprend un accélérateur linéaire d’électrons appartenant à la Direction des Applications Militaires du Commissariat à l’Energie Atomique à Bruyères-le-Châtel (CEA DAM). Le but est de produire des impulsions de rayonnement X ultra-courtes dans une gamme énergétique allant de 10 à 100 keV. Elle servira notamment à la caractérisation de détecteurs à réponse ultra-rapide développés à la DAM. Un système optique destiné à augmenter le flux de rayonnement X produit a été développé. Il consiste à replier la trajectoire du laser pour empiler les impulsions au point d’interaction. Dans le même but, une mise à niveau de l’installation à été réalisée afin d’augmenter l’énergie des électrons de 18 à 30 MeV. Les résultats expérimentaux ont enfin été comparés aux résultats obtenus à l’aide de simulations PIC 3D. / X-ray sources based on inverse Compton scattering process produce tunable near-monochromatic and highly directive X-rays. Recent advances in laser and accelerator technologies make the development of such very compact hard X-ray sources possible. These sources are particularly attractive in several applications such as medical imaging, cancer therapy or culture-heritage study, currently performed in size-limited infrastructures. The main objective of this thesis is the development of an inverse Compton scattering source on the ELSA linac of CEA at Bruyères-le-Châtel as a calibration tool for ultra-fast detectors.A non-resonant cavity was designed to multiply the number of emitted X-ray photons. The laser optical path is folded to pile-up laser pulses at the interaction point, thus increasing the interaction probability. Another way of optimizing the X-ray yield consists in increasing the electron bunch density at the interaction point, which is strongly dependent on the electron energy. A facility up-grade was performed to increase the electron energy up to 30 MeV. The X-ray output gain obtained thanks to this system was measured and compared with calculated expectations and 3D PIC simulations.

Es wird ein Verfahren zur Energiekalibrierung von Niedrig-Z-Szintillatoren vorgestellt. Jenes basiert dabei auf einem roboter-unterstütztem Weitwinkel-Compton-Aufbau. In diesem werden die koinzidenten Ereignisse von Compton-gestreuten Photonen in einem HPGe-Detektor und einem Niedrig-Z-Szintillator erfasst und die Messdaten zur Energiekalibrierung des letzteren genutzt. Eine Bestimmung von Compton-Kanten für das Szintillatormaterial ist dabei nicht zwingend notwendig. / A technique for the energy calibration of low-Z scintillators is being presented. It is based on a robot-supported wide-angle Compton setup. In this the coincident events of photons being Compton-scattered in a HPGe detector and a low-Z scintillator are being recorded and the generated measurement data used for energy calibration of the latter. A determination of Compton edges in the scintillator material is not necessarily needed.

L'imagerie gamma est une technique qui permet la localisation spatiale de sources radioactives. Les différentes applications de cette technique couvrent les phases de démantèlement des installations nucléaires ou de gestion des déchets nucléaires, mais aussi la radioprotection ou la sécurité intérieure. L'utilisation de caméras gamma permet de réduire la dose reçue par les opérateurs, et, par conséquent, de respecter le principe ALARA. Il existe deux techniques d’imagerie permettant la localisation de radioéléments émetteurs gamma : l’imagerie à masque codé et l’imagerie Compton. L’imagerie à masque codé utilise la modulation spatiale du flux de photons gamma incidents par collimateur multi-trous placé entre la source et le détecteur. Elle présente l’avantage d’être extrêmement performante pour des émetteurs gamma « basses énergies », aussi bien en matière de sensibilité, qu’en matière de résolution angulaire. L'imagerie Compton, quant à elle, repose sur l’utilisation de la mécanique de diffusion Compton. L'énergie déposée pendant le processus de diffusion déterminera l'angle de diffusion, et les positions des interactions détermineront la direction des rayons gamma entrants. La position de la source radioactive peut ainsi être limitée à un cône. Si plusieurs cônes sont utilisés, alors la position où le plus grand nombre de cônes se chevauchent correspond à la position de la source radioactive. Une des limitations de cette technique concerne la localisation des émetteurs gamma « basses énergies », pour lesquels la résolution angulaire est fortement dégradée allant jusqu’à l’impossibilité complète de trouver la position. L’objectif de ces travaux est de développer un prototype d’imageur hybride associant les techniques d’imagerie à masque codé et d’imagerie Compton, afin de tirer profit des avantages de chacun des types d’imagerie. Les différents travaux menés, autour du détecteur pixellisé Timepix3, mais aussi en matière de développement d’algorithmes mathématiques, ont permis de proposer deux prototypes d’imageurs hybrides. Les résultats obtenus à l’issue de ces travaux de recherche ont permis de valider expérimentalement les performances d’un des prototypes d’imageurs et d’illustrer l’intérêt d’un système hybride. / Gamma imaging is a technique that allows the spatial localization of radioactive sources. The various applications of this technique cover decommissioning phases of nuclear facilities, nuclear waste management applications, but also radiation protection or Homeland Security. Using gamma camera reduces the dose received by operators and consequently contributes to the respect of the ALARA principle. There are two imaging techniques for the localization of gamma ray emitters: coded aperture imaging and Compton imaging. Coded aperture imaging relies on the spatial modulation of the incident gamma-ray flux by a multi-hole collimator placed between the detector and the radioactive source. It has the advantage of being extremely efficient for « low energy » gamma-ray emitters in terms of sensitivity and angular resolution. On the other hand, Compton imaging is based of the Compton scattering kinematic. The energy deposited during the scattering process will determine the scattering angle, and the positions of the interactions will determine the direction of the incoming gamma-ray. The position of the radioactive source can thus be limited to a cone. If several cones are used, then, the position where the greatest number of cones overlap corresponds to the position of the radioactive source. One limitations of this technique concerns the location of « low energy » gamma-ray emitters, for which the angular resolution is strongly degraded until it is completely not localizable. The objective of this work is to develop a prototype of hybrid imager that combines coded aperture and Compton imaging techniques in order to take advantage of each type of imaging. The different studies carried out, around the Timepix3 pixel detector, but also in the development of mathematical algorithms, have led to propose two prototypes of hybrid imager. The results obtained from this research work made it possible to validate experimentally the performance of one of the imager prototypes, and to illustrate the interest of a hybrid system.

Trotz der beeindruckenden Fortschritte, die die Röntgen- und Gammastrahlenobservatorien in den letzten Jahrzehnten erzielt haben, ist der Energiebereich zwischen 200 keV und 50 MeV nach wie vor kaum erforscht. Diese Lücke, die in der Literatur oft als ``MeV-Lücke'' bezeichnet wird, ist nicht auf einen Mangel an überzeugender Wissenschaft zurückzuführen, sondern auf technische Herausforderungen und Nachweisschwierigkeiten, die mit MeV-Beobachtungen einhergehen. COMPTEL an Bord von CGRO (1991-2000) war das letzte Teleskop, das eine vollständige Durchmusterung des MeV-Himmels mit einer relativ bescheidenen Empfindlichkeit durchführte. Für die Zukunft sind zahlreiche Missionen vorgeschlagen worden, insbesondere AMEGO, die die Leistung von COMPTEL um mindestens eine Größenordnung verbessern sollen. Der Zeitrahmen für die Entwicklung, den Aufbau und den Start solch großer Missionen beträgt jedoch etwa 10 Jahre und ist mit erheblichen Kosten verbunden. In diesem Szenario könnte ein viel kleinerer Satellit, der sich der neuen Welle von schnellen, relativ kostengünstigen Weltraumforschungsmissionen anschließt, die durch CubeSats ermöglicht werden, in kürzerer Zeit rentabel sein. In dieser Arbeit werden die Verfügbarkeit und die Leistung eines Compton-Teleskops auf der Grundlage des CubeSat-Standards, genannt MeVCube, untersucht. Die Auswirkungen der Materialwahl und verschiedener CubeSat-Nutzlasten wurden durch Simulationen bewertet. Trotz der begrenzten Größe kann selbst ein kleines Teleskop, das auf einem CubeSat fliegt, den Energiebereich von Hunderten von keV bis zu einigen MeV mit einer Empfindlichkeit abdecken, die mit der der letzten Generation von Großmissionen wie COMPTEL und INTEGRAL vergleichbar ist. Es wurden auch experimentelle Messungen an Cadmium-Zink-Tellurid-Halbleiterdetektoren und einer für den Weltraumbetrieb geeigneten Ausleseelektronik mit geringem Stromverbrauch durchgeführt. / Despite the impressive progresses achieved both by X-ray and gamma-ray observatories in the last decades, the energy range between 200 keV and 50 MeV remains poorly explored. This gap in coverage, often referred in literature as the ``MeV gap'', is not due to lack of compelling science, but instead to technical challenges and detection difficulties that comes with MeV observations. COMPTEL, on-board CGRO (1991-2000), was the last telescope to accomplish a complete survey of the MeV-sky with a relatively modest sensitivity. Many missions have been proposed for the future, most notably AMEGO, aiming to improve COMPTEL's performance by at least one order of magnitude. However, the timescale for development, assembly and launch of such large missions is around 10 years, with substantial costs. Looking at this scenario, a much smaller satellite, joining the new wave of rapid, relatively inexpensive space science missions enabled by CubeSats, may be profitable on a shorter time-scale. This thesis evaluates the availability and performance of a Compton telescope based on the CubeSat standard, named MeVCube. The impact of material choice and different CubeSat payloads has been evaluated through simulations. Despite the limited size, even a small telescope flying on a CubeSat can cover the energy range from hundreds of keV up to few MeVs with a sensitivity comparable to that of the last generation of large-scale missions like COMPTEL and INTEGRAL. Experimental measurements on Cadmium-Zinc-Telluride semiconductor detectors and low-power read-out electronics suitable for space operation have been performed as well.

Der International Linear Collider (ILC) ist ein Elektron-Positron-Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 200 und 500 GeV und einer Spitzenluminositaet von $2\cdot 10^{34}\mbox{ cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. Fuer das Physikprogramm dieser Maschine ist eine exzellente paketweise Messung der Strahlenergie von grundlegender Bedeutung. Um das zu erreichen, sind am ILC verschiedene Techniken vorgesehen. Insbesondere wurden Energiespektrometer vor und nach dem $e^+/e^-$-Wechselwirkungspunkt vorgeschlagen. Die gegenwaertige Standardoption fuer das Spektrometer vor dem Wechselwirkungspunkt ist ein auf Strahllagemonitoren basierendes Magnetspektrometer. In den Jahren 2006/2007 wurde ein Prototyp eines solchen Spektrometers in der End Station A am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) aufgebaut, um die Leistungsfaehigkeit und Zuverlaessigkeit einer derartigen Anlage zu pruefen. Ausserdem wurde eine neue Methode zur Messung der Strahlenergie vorgeschlagen. Diese beruht auf Compton-Streuung von Laserlicht an den Strahlelektronen und erlaubt, die geforderte Energiegenauigkeit von $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$ zu erreichen. Erfahrungen von dem Large Electron-Positron Collider (LEP) und dem Stanford Linear Collider (SLC) zeigten, dass komplementaere Energiemessmethoden notwendig sind, um die Ergebnisse des BPM-Spektrometers zu ueberpruefen. In der vorliegenden Arbeit werden eine Uebersicht ueber das Experiment am SLAC und erste Ergebnisse praesentiert. Des Weiteren wird die neue Methode der Laser-Compton-Streuung beschrieben und wichtige Aspekte detailliert besprochen. / The International Linear Collider (ILC) is an electron-positron collider with a center-of-mass energy between 200 and 500 GeV and a peak luminosity of $2\cdot 10^{34}\mbox{cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. For the physics program at this machine, an excellent bunch-by-bunch control of the beam energy is mandatory. Several techniques are foreseen to be implemented at the ILC in order to achieve this request. Energy spectrometers upstream and downstream of the electron/positron interaction point were proposed and the present default option for the upstream spectrometer is a beam position monitor based (BPM-based) spectrometer. In 2006/2007, a prototype of such a device was commissioned at the End Station A beam line at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in order to study performance and reliability. In addition, a novel method based on laser Compton backscattering has been proposed, since as proved at the Large Electron-Positron Collider (LEP) and the Stanford Linear Collider (SLC), complementary methods are necessary to cross-check the results of the BPM-based spectrometer. In this thesis, an overview of the experiment at End Station A is given, with emphasis on the performance of the magnets in the chicane and first energy resolution estimations. Also, the novel Compton backscattering method is discussed in details and found to be very promising. It has the potential to bring the beam energy resolution well below the requirement of $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$.

Cette thèse s'inscrit dans la perspective d'augmentation de la sensibilité de scanners de tomographie d'émission par positrons (TEP) en baissant le seuil d'énergie pour intégrer les événements de faible énergie dans l'image TEP.Cette baisse du seuil nécessite une évaluation correcte des interactions multiples particulièrement dues à la diffusion Compton inter-cristal, afin d'assurer un comptage précis des coïncidences fortuites et vraies, et conséquemment une quantification exacte de la distribution de l'activité dans l'objet. Afin d'atteindre cet objectif, et vu la complexité des phénomènes de la diffusion Compton et des coïncidences fortuites, les développements ainsi que la validation de ce travail de recherche ont été assistés par le simulateur évolué GATE"Geant4 application for tomographic emission". D'abord un modèle de simulation GATE pour le scanner LabPET a été développé et validé théoriquement et expérimentalement. Ce modèle a ensuite servi à l'étude du mécanisme de la diffusion Compton inter-cristal et des coïncidences fortuites, notamment en lien avec la fixation du seuil d'énergie. Finalement, une technique d'estimation des fortuits tenant compte des interactions multiples a été développée et validée dans différentes conditions d'imagerie et pour différents seuils d'énergie, en utilisant principalement le modèle GATE du LabPET et aussi d'autres géométries de scanners. À l'opposé des méthodes revues dans la littérature, cette technique assure une faible erreur d'estimation des coïncidences fortuites (< 2%) même à très bas seuils d'énergie en présence de la diffusion Compton inter-cristal ou à très hautes activités, et permet d'atteindre une haute sensibilité de scanner.Cette thèse a fait l'objet de différentes communications scientifiques dans des conférences et journaux internationaux.

La tomographie d'émission par positrons (TEP) occupe une place de choix dans le domaine de l'imagerie moléculaire par sa capacité d'obtenir des informations ultrasensibles et quantitatives sur des processus métaboliques, physiologiques ou cellulaires. De plus, grâce à la similitude des génomes de l'homme et de petits rongeurs comme la souris, elle attire un grand intérêt dans le domaine de la recherche médicale, allant de la détection précoce de différentes formes de cancers jusqu'au développement de nouveaux médicaments. Toutefois, pour tirer profit des images acquises lors d'études animales, des scanners de plus en plus performants sont nécessaires. Le LabPETTM, le scanner TEP petit animal conçu par les efforts unis du Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et du Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS) se démarque des autres scanners d'une part par son couplage individuel des photodiodes à avalanche à une paire de cristaux scintillateurs et d'autre part par une numérisation hâtive des signaux et un traitement numérique parallèle. Cela permet d'y implanter des algorithmes de traitement de signaux puissants. Le filtre de Wiener est une des techniques utilisées dans le LabPETTM pour optimiser à la fois le rendement et la capacité d'identification du cristal (IC) excité par le rayonnement émis dans le scanner par les radioisotopes. Les travaux de cette thèse portent, dans une première partie, sur le développement et l'implantation d'une version plus complète et ajustée de la méthode d'IC basée sur le filtre de Wiener. L'amélioration de cette technique porte sur l'utilisation des deux caractéristiques élémentaires des cristaux, soit leur constante de temps et leur rendement lumineux pour une IC plus précise et rapide. Une telle IC peut être réalisée même avec des cristaux possédant des caractéristiques très similaires, et pour des énergies très basses - jusqu'à 100 keV. Dans une deuxième partie, les performances de la méthode d'IC Wiener ont été évaluées en tenant compte de la contribution des différentes sources de bruit de la chaîne d'acquisition d'un scanner TEP. L'influence du bruit de multiplication de la photodiode à avalanche (un bruit non-stationnaire et poissonien), le bruit électronique (un bruit stationnaire et gaussien), ainsi que l'effet de l'utilisation des filtres de mise en forme rapide CR-RC n sur les résultats de l'algorithme d'IC ont été étudiés grâce au développement d'un simulateur de TEP qui imite les signaux de sortie du LabPETTM. Finalement, la possibilité d'utiliser la méthode d'IC Wiener pour discriminer des détecteurs multicouches, composés de trois et quatre cristaux, a été étudiée. L'implantation de cet algorithme dans un scanner TEP permettra à court terme d'améliorer les performances de démultiplexage des détecteurs et, de ce fait, la résolution spatiale axiale du système. Des techniques de modélisations du bruit non-stationnaire sont proposées pour rehausser les résultats de l'algorithme d'IC. En se basant sur les résultats de l'algorithme d'IC, il est possible de développer des techniques pour mesurer l'énergie déposée dans les cristaux et parvenir à une séparation des évènements Compton diffusés entre les cristaux d'un même détecteur comparativement aux autres diffusions Compton. A plus long terme, ceci permettra de bonifier la sensibilité du scanner.

Spectral x-ray computed tomography (CT) is an important nascent imaging modality with several exciting potential applications. The research presented in this thesis separates into two primary areas with the common underlying theme of spectral CT; the first area is Compton scatter estimation and the second is interior tomography. First, the research is framed and outputs are identified. Background on the concepts used in the thesis is offered, including x-ray imaging and computed tomography, CT scanner architecture, spectral imaging, interior tomography and x-ray scatter. The mathematical background of techniques for image reconstruction from x-ray transmission measurements are presented. Many of the tools used to perform the research, both hardware and software, are described. An algorithm is developed for estimating the intensity of Compton scattered photons within a spectral CT scan, and a major approximation used by the algorithm is analysed. One proposed interior reconstruction algorithm is briefly evaluated; while this is not directly linked to spectral CT, it is related to the work on a novel hybrid spectral interior micro-CT architecture. Conclusions are summarised and suggestions for future work are offered. Scatter is known to cause artefacts in CT reconstructions, and several methods exist to correct data that has been corrupted by scatter. Compton scatter affects the energy of photons, therefore spectral CT measurements offer the potential to correct for this phenomenon more accurately than conventional measurements. A Compton scatter algorithm is developed and is found to match very well to Monte Carlo validation simulations, with the constraints that the object be at the micro-CT scale and that electron-binding effects are omitted. Development of the algorithm uses an approximation of the post-scatter attenuation to simplify the estimation problem and enable implementation. The consequences of this approximation are analysed, and the error introduced is found to be less than 5% in most biomedical micro-CT situations. Interior tomography refers to the incomplete data situation caused by the truncation of some or all CT projections, and is an active research area. A recently proposed interior reconstruction algorithm is evaluated with regard to its sensitivity to input error, and is found to have mediocre performance in this respect. Published results are not found to be reproducible, suggesting some omission from the published algorithm. A novel hybrid spectral interior architecture is described, along with an iterative reconstruction algorithm for hybrid data sets. The system combines a full field of view conventional imaging chain and an interior field of view spectral imaging chain to enable spectral measurement of a region of interest, and addresses some important limitations of spectral x-ray detectors; promising results are shown. Spectral reconstructions from interior data are shown to have sufficient information to distinguish two k-edge contrast agents (iodine and gadolinium) not only within the interior field of view but also beyond it. The architecture is further explored in the context of radiation exposure reduction, including testing of an analytical hybrid reconstruction algorithm.

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In this thesis we present new ideas and mathematical insights in the field of Compton Scattering Tomography (CST), an X-ray and gamma ray imaging technique which uses Compton scattered data to reconstruct an electron density of the target. This is an area not considered extensively in the literature, with only two dimensional gamma ray (monochromatic source) CST problems being analysed thus far. The analytic treatment of the polychromatic source case is left untouched and while there are three dimensional acquisition geometries in CST which consider the reconstruction of gamma ray source intensities, an explicit three dimensional electron density reconstruction from Compton scatter data is yet to be obtained. Noting this gap in the literature, we aim to make new and significant advancements in CST, in particular in answering the questions of the three dimensional density reconstruction and polychromatic source problem. Specifically we provide novel and conclusive results on the stability and uniqueness properties of two and three dimensional inverse problems in CST through an analysis of a disc transform and a generalized spindle torus transform. In the final chapter of the thesis we give a novel analysis of the stability of a spindle torus transform from a microlocal perspective. The practical application of our inversion methods to fields in X-ray and gamma ray imaging are also assessed through simulation work.