Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe. / This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.

L'instrument EUSO-Balloon est un prototype pour le télescope JEM-EUSO, destiné à observer pour la première fois depuis l’espace les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Le principe de détection repose sur la mesure des photons émis par la fluorescence de l’atmosphère terrestre lors du développement des gerbes. EUSO-Balloon, un télescope UV embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, a pour but de prouver la pertinence des concepts instrumentaux développés dans le cadre du projet JEM-EUSO. Cette thèse est dédiée en grande partie à l’assemblage, l’intégration et les tests du module de photo-détection d’EUSO-Balloon. Il s’agit d’un ensemble de 36 tubes photomultiplicateurs multi-anodes, pour un total de 2304 pixels, et d’une électronique de lecture permettant d’imager le développement, s’effectuant à la vitesse de la lumière, des gerbes atmosphériques. Cette caméra permet ainsi de réaliser des images de 2,5 microsecondes avec une sensibilité au photo-électron unique. Il aura été démontré que la mesure de l’efficacité de photo-détection de la caméra est réalisable avec une précision inférieure à 5% pour la tension de polarisation adaptée. EUSO-Balloon a effectué son premier vol en août 2014 lors duquel il a été prouvé, grâce à l’utilisation d’événements simulés par tirs lasers, qu’il est possible d’imager le développement de gerbes atmosphériques depuis le proche espace. Les données enregistrées permettent de réaliser une étude sur le bruit de fond UV produit par l’atmosphère terrestre. L’ensemble du travail d’assemblage, d’intégration et de test permet d’envisager les développements pour les futures missions. / The EUSO-Balloon instrument is a prototype for the JEM-EUSO telescope, intended to observe for the first time from space the extensive air showers (EAS) induced by the ultra-high energy cosmic rays. The detection technique relies on the measurement of the photons produced by the fluorescence of the Earth’s atmosphere when EAS develop. EUSO-Balloon, a UV telescope payload of a stratospheric balloon, has the objective to prove the relevance of the concepts developed for the JEM-EUSO project. An important part of this thesis is devoted to the assembly, the integration and the test of the EUSO-Balloon’s photo-detection module. It is an array of 36 multi-anodes photo-multiplier tubes, for a total of 2,304 pixels, and of a readout electronics able to image the development at the speed of the light of the EAS. It has a framing time of 2.5 microseconds with a single photo-electron sensitivity. It has been proved that the photo-detection efficiency of this camera can be measured with an accuracy better than 5% for the proper polarization voltage. The first flight of EUSO-Balloon happened in August 2014 and proved, with the use of laser induced events, that air showers can be imaged for the near space. Data acquired during this flight allow to study the UV background originating from the Earth’s atmosphere. The assembly, integration and test work provided during this project leads the development of future missions.

This master thesis discuss about ionizing radiation, interaction with matter and effects on her. In the work is discussed differend types of interactions of directly ionizing radiation and indirectly ionizing radiation. Below is an overview of methods of shielding from all of types of ionizing radiation. Second part of this thesis discuss about single event effects in semiconductors which are cause by ionizing radiation. At the end is described design of measuring instrument included FPGA chips. This design is discused both from point of wiew hardware and software too.

This master’s thesis deals with the problematics of influence of ionizing radiation on semiconductor devices and their properties. The aim of the thesis is to analyze the different types of radiation that can occur in the areas of application of these components. In the second part, the degradation processes are explored, with emphasis on the influence caused by the radiation dose. Also, the displacement damage and SEE effects are described, but just slightly, because they are not part of this work. The third part describes the device design process and harmful effects, that have to be considered during the design phase. In the forth and the fifth parts of this work were done modeling of radiation effects (influence of dose rate, Single-Event Upset and Total Ionizing Dose) in PSpice program and was carried out the possibility of designing a simple dosimeter with silicon diode. In conclusion, the results of the thesis are summarized and evaluated.

This master thesis discuss about ionizing radiation, interaction with matter and effects on her. In the work is discussed differend types of interactions of directly ionizing radiation and indirectly ionizing radiation. Below is an overview of methods of shielding from all of types of ionizing radiation. Second part of this thesis discuss about single event effects in semiconductors which are cause by ionizing radiation. At the end is described design of measuring instrument included FPGA chips. This design is discused both from point of wiew hardware and software too.

ALTO is a project, currently in the research and development phase, with the goal of constructing a Very High Energy (VHE) gamma-ray observatory in the southern hemisphere. It will detect the particle content reaching the ground from the interactions of either VHE gamma rays or cosmic rays in the atmosphere known as extensive air showers. In this thesis, we use an ALTO prototype built at Linneaus University to estimate the vertical muon intensity in Växjö. The atmospheric muons we detect at ground level come from hadronic showers caused by a cosmic ray entering the atmosphere. Such showers are considered background noise in the context of VHE gamma-ray astronomy, and the presence of muons is an important indicator of the nature of the shower, and thus of the primary particle. The measurement is done by isolating events that produce signals in two small scintillation detectors that are part of the ALTO prototype, and are placed almost directly above each other. This gives us a data set that we assume represents muons travelling along a narrow set of trajectories, and by measuring the rate of such events, we estimate the muon intensity. We estimate the corresponding momentum threshold using two different methods; Monte Carlo simulation and calculation of the mean energy loss. The vertical muon intensity found through this method is about 21% higher than commonly accepted values. We discuss some possible explanations for this discrepancy, and conclude that the most likely explanation is that the isolated data set contains a significant number of “false positives”, i.e., events that do not represent a single muon following the desired trajectory.

The nature of high-energy gamma-ray emission from Star-Forming Galaxies is of utmost importance for understanding both the origin of Cosmic Rays and the high-energy processes that shape galaxy formation. Observations from the gamma-ray telescope Fermi-LAT have detected gamma-ray emission from a handful of nearby Star-Forming Galaxies. Interestingly, observations of the Small Magellanic Cloud show evidence for a spectral cutoff at energies of approximately 10 GeV. This has raised the question as to whether some Star-Forming Galaxies are unable to contain their Cosmic Ray population. Using the Fermitools to analyse the gamma-ray emission from a selection of bright nearby Star-Forming Galaxies, this study intends to explore the possibility of finding further evidence for exponential cutoffs in the gamma-ray spectrum of Star-Forming Galaxies. The shape of the combined spectrum of the 49 galaxies in the sample was determined using least-square fitting of a single power law, a broken power law and a power law with an exponential cutoff. No evidence of an exponentialcutoff was found and the shape of the spectrum was best described by a broken power law with indices Γ1 = -2.48 ± 0.05 and Γ2 = -0.88 ± 0.09. This is in poor agreement with previous observations, which favour a simple power law with an index in the range -2.2 to -2.4. Interestingly, the single power law, while disfavoured over the broken power law at ~7σ, was best fit with the index Γ = -2.35 ± 0.06, which is surprisingly well in agreement with previous observations. The discrepancy between the results presented here and those found in the literature is interpreted as due to insufficient treatment of background fluctuations and the possible existence of bright sources at the unverified blank sky locations used for modelling the background.

This thesis is dedicated to study of interactions of utra-high energy cosmic rays using measured data from the Pierre Auger Observatory, automatic alarm system called Shift Guard and analysis of correlation of temperature and detector response. The Pierre Auger Observatory is the largest experiment to study ultra-high energy cosmic rays. The assumed relation between temperature and fluorescence detector response is studied together with descriptive temperature analysis, which shows that the air-conditioning system is not able to stabilize temperature enough. The temperature influence on camera response is investigated in order to measure the calibration correction factor. Shift Guard - the alarm system dedicated to protect fluorescence detectors and data taking is introduced and its functionality is described. The alarm system informs shifters about some events and situations that can endanger detector or deteriorate data quality. The basic parameters and alarm system logic are described together with light and sound signals. The discrepancy between measured and predicted number of muons at ground level calculated by EAS generators is showed and possible sources of this disagree- ment are studied. The result of massive dark photons decay in EAS as one of exotic muon source is presented. The analysis...

This thesis presents the energy spectrum of cosmic rays deduced from Cherenkov-dominated data measured by the fluorescence detector of the Pierre Auger Observatory. Cherenkov-dominated events, used in the energy spectrum analysis at the Observatory for the first time, enable to decrease the energy threshold for the spectrum measurement down to 1015.5 eV. This energy is more than one order of magnitude lower than in preceding studies. The fluorescence detector was originally designed to detect the fluorescence light generated by extensive air showers in a hybrid mode with the surface detector of the Pierre Auger Observatory. The reconstruction of events dom- inated by Cherenkov light is available due to a newly developed reconstruc- tion technique, the profile constrained geometry fit. Its implementation in the Pierre Auger Observatory software is documented. Aspects of the energy spectrum analysis are described. They consist of exposure calculations done with the use of extensive Monte Carlo simulations, unfolding of the detec- tor effects, and inferring the invisible energy correction in the energy region below 1017 eV. Systematic uncertainties of the measurement are estimated. 1

Cosmic rays reach Earth from beyond the Milky Way and with energies up to 10^20 eV.The responsible accelerators have to date not been discovered. However, multi-messenger astronomy can shed light on the question, based on the principle that protons and nuclei accelerated in dense and energetic environments would also produce gamma rays and neutrinos. Such environments may be found in "blazars", which are therefore cosmic ray accelerator candidates. Their gamma-ray emission has been observed to increase, sometimes by orders of magnitude, during "flares" as observed in light curves taken by the Large Angle Telescope on the Fermi satellite. When the latter was launched in 2008, the IceCube Neutrino Observatory had also started taking data, detecting the Cherenkov light from high-energy neutrino interactions in the glacier ice under the geographic South Pole. These two experiments have enabled multi-messenger searches for neutrinos in time correlation with the gamma-ray emission from blazars. This work builds on this principle and extends it by "stacking" the signal from multiple blazar flares. Thus, their individually undetectable neutrino emission could still be discoverable. One first analysis focused on the blazar TXS 0506+056, whose flare in 2017 coincided with arrival of the neutrino IceCube-170922A. Extending into a lower energy range than the alert, the search found no additional excess neutrinos associated with the flare. A second analysis used 179 bright and variable blazars. They were divided in two specific blazar classes and weighted relatively to each other, with two weighting schemes motivated physically using the observed gamma-ray luminosity and a third, generic weighting to cover unconsidered scenarios. No significant neutrino excess was found in the unblinded likelihood fits for any of the source catalogues and weighting schemes. Their combined trial-corrected p-value was p=(79.1 +/- 0.3)%. The limits derived from this analysis are also discussed and its relation with other searches considered. Since that was the first "blazar flare stacking", this work also proposes further improvements to the analysis which will help advance the search for cosmic ray accelerators. / Les rayons cosmiques proviennent d'au-delà de la Voie lactée et atteignent la Terre avec des énergies pouvant aller jusqu'à 10^20 eV. Les objets qui accélèrent ces rayons cosmiques n'ont toujours pas été découverts. Toutefois, l'astronomie multimessager peut apporter un élément de réponse à cette question, en supposant que les protons et les noyaux accélérés dans des environnements denses et énergétiques pourraient également produire des rayons gamma et des neutrinos. Les "blazars" sont de possibles candidats pour les accélérateurs de rayons cosmiques. Une augmentation de leurs émissions de rayons gamma, parfois de plusieurs ordres de grandeur, a été observée lors de phénomènes qu'on appelle "éruption", comme le montrent les courbes de lumière prises par le télescope spatial Fermi-LAT. Lorsque ce dernier a été lancé en 2008, l'observatoire de neutrinos IceCube avait également commencé à prendre des données, détectant la lumière Tcherenkov provenant d'interactions de neutrinos à haute énergie dans la glace qui se trouve sous le Pôle Sud géographique. Ces deux expériences ont permis de mener à bien des recherches multi-messagers de neutrinos en corrélation temporelle avec l'émission de rayons gamma des blazars. Ce principe est le point de départ de cette thèse, qui va plus loin en employant la méthode du "stacking", qui consiste à combiner les signaux provenant de plusieurs éruptions de blazars. Ainsi, leurs émissions individuelles de neutrinos, habituellement indétectables, pourraient être découvertes après combinaison. Une première analyse s'est concentrée sur le blazar TXS 0506+056, dont l'éruption en 2017 a coïncidée avec l'arrivée de l'évènement IceCube-170922A. En considérant une gamme d'énergie inférieure à celle de l'alerte 170922-A, pas d’autres neutrino excédentaire n’a été associé à l'éruption. Une deuxième analyse est basée sur 179 blazars lumineux et variables. Ces blazars ont été répartis en deux classes spécifiques, et chacun d'entre eux a reçu un poids relatif. Trois schémas de pondération ont été considérés :les deux premiers étant motivés par des observations, le troisième étant plus générique. Aucun excès significatif de neutrinos n'a été observé après avoir effectué des ajustements par maximum de vraisemblance sur les données non masquées, pour les différents catalogues de sources et schémas de pondération. Leur valeur-p combinée est de p=(79.1 +/- 0.3)%. Les limites dérivées de cette analyse sont discutées ainsi que leur rapport avec les résultats d'autres recherches. Puisqu'il s'agit du premier stacking d'éruptions de blazars, nous suggérons également des améliorations à apporter à l'analyse afin de permettre la poursuivre de la recherche d'accélérateurs de rayons cosmiques. / Kosmische straling afkomstig van buiten de Melkweg bereikt de Aarde met energieën tot wel 10^20 eV. De astrofysische bronnen waarin deze deeltjes worden versneld zijn tot op heden nog niet ontdekt. De multi-boodschapperastronomie kan een nieuw licht werpen op de oorsprong van kosmische straling, aangezien protonen en atoomkernen die worden versneld in een dichte en energetische omgeving ook gammastralen en neutrino’s produceren. „Blazars” zijn mogelijke kandidaat-versnellers. Observaties van blazars, gemaakt met de ruimtetelescoop Fermi-LAT ,tonen aan dat hun gammastraling tijdens zogenaamde „flakkers” toeneemt. Rond de tijd dat deze werd gelanceerd, begon het IceCube Neutrino Observatorium ook gegevens te verzamelen. Deze laatste detecteert hoog-energetische neutrino’s aan de hand van het Cherenkovlicht dat geproduceerd wordt tijdens hun interacties met de ijskap bij de geografische zuidpool. Deze twee experimenten hebben het mogelijk gemaakt om een multibooschapperzoektocht te verrichten naar neutrino’s van blazars die een tijdscorrelatie hebben met diens flakkers van gammastraling. Dit is het uitgangspunt van dit proefschrift, waarbij er ook een zogenaamde „stapelmethode” wordt toegepast. Op deze manier kan de neutrino-emissie van indivuele blazarflakkers, die afzonderlijk te zwak is om te detecteren, gecombineerd worden en mogelijks toch worden ontdekt. Een eerste analyse legt de focus op de blazar TXS 0506+056, waarvan een flakker in 2017 samenviel met de aankomst van het neutrino IceCube 170922-A. In een relatief lager energiebereik wordt er geen surplus aan neutrino’s gevonden gecorreleerd met de flakker. In een tweede analyse maken we gebruik van de stapelmethode om neutrino’s te zoeken afkomstig van 179 heldere en variabale blazars. Deze worden onderverdeeld in twee specifieke klassen en krijgen elks een zeker gewicht in de stapelanalyse. Hiervoor worden twee wegingsschema’s gebruikt die gemotiveerd zijn door de geobserveerde gammastraling, alsook een derde generieke weging. Ook hierwordt er geen significant neutrinosignaal geobserveerd. De gecombineerde p waarde is p=(79.1 +/- 0.3)%. Hieruit worden limieten afgeleid, en worden de verbanden met andere zoekacties besproken. Aangezien dit werk de eerste analyse omvat naar neutrino’s afkomstig van blazarflakkers gebruik makende van een stapelmethode, worden er in dit werk ook verdere verbeteringen van de analyse voorgesteld. Deze zullen als een startpunt dienen voor toekomstige zoektochten naar de nog onbekende bronnen van kosmische straling. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished