Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons niques electron-bpmbarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit sCMOS), l'électron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal apr pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de phtons (<10 photons/image). La limite théoriques est d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour ces jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points d'accès contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi des nano-cristaux libres (D>10 µm2/s) au centre Nanoptec avec l''équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'Institu Joliot curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit. / This manuscript presents my thesis on the high frame rate (500 frames/second) single-photon detector electron-bombraded CMOS (ebCMOS). The first section compares three ultra-sensitive detectors and their methods for improving photon sensitivity : the CMOS low noise (sCMOS), the electron-multiplying CCD (emCCD) with signal multiplication by pixel and the ebCMOS with amplification by applied electric field. The method developped to detected single photon impacts with intra-pixel resolution on the ebCMOS sensor is presented. The second section compares the localization accuracy of these detectors in extreme conditions of very low photon flux (<10 photons/ frame). First the theoretical limit is calculated using the Cramér-Rao lower bound for significant parameter sets. An experimental comparaison of the detectors is then described. The setup provides of one or more point sources controlled in position, signal and background noise. The results allow a comparison of the experimental effectiveness, purity and localization accuracy. The last section describes two experiments with the ebCMOS camera. The first aims to track hundreds of quantum dots simultaneously at the Nanoptec center with the team of Christophe Dujardin. The second focuses on the swimming of bacteria at the surface at the Jolio Curie Institute with the team of Laurence Lemelle. The point sources tracking algorithm using single photons and the Kalman filter implementation developed for these experiments is alson described.

Au delà du graphène, de nouveaux semiconducteurs 2D tels que MoS2, GaS, GaSe et InSe deviennent pertinents pour les applications et dispositifs émergents. Dans cette thèse, nous fabriquons des échantillons de quelques feuillets atomiques de ces matériaux pour des dispositifs de photo-détecteurs et les caractérisons par microscopie optique, AFM et TEM. L'interaction de la lumière avec le substrat et le dispositif ultra-mince étant critique pour son fonctionnement, nous calculons et mesurons le contraste et l'intensité de la lumière diffusée par le dispositif. Nous caractérisons également la réponse Raman et la photoluminescence en fonction du nombre de couches pour étudier les propriétés vibrationnelles et électroniques. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués et analysés. Nous examinons d'abord les dispositifs homogènes basés sur MoS2, GaSe ou InSe, et trouvons une excellente photosensibilité pour notre photo-détecteur MoS2. Nous examinons ensuite plusieurs hétéro-structures pour combiner les propriétés de chaque matériau et atteindre de meilleures performances. Le premier exemple est un photo-détecteur graphène/InSe dont la photosensibilité augmente de quatre ordres de grandeur par rapport à un dispositif basés sur InSe seul. Nous montrons également que la couche supérieure de graphène prévient la dégradation de couches atomiques ultra-minces dans l'air. Des hétéro-structures plus complexes graphène/InSe/graphène et graphène/InSe/Au montrent un effet photovoltaïque. Enfin, nous combinons InSe avec MoS2 et obtenons un dispositifs avec photo-réponse rapide, un comportement de type photo-diode, une distribution de photo-courant uniforme et un fort effet photovoltaïque. / Novel two dimensional (2D) semiconductors beyond graphene such as MoS2, GaS, GaSe and InSe are increasingly relevant for emergent applications and devices. In this thesis, we fabricate these 2D samples for photo-detector applications and characterize them with optical microscopy, atomic force microscopy, Raman and photoluminescence (PL) spectroscopy and transmission electron microscopy. Since the interaction of light with the substrate and the ultra-thin photodetector device is critical for its functioning we calculate and measure optical contrast and intensity of light scattered from the device. We also characterize the Raman and PL response as a function of number of layers to study both vibrational properties and the band gap transition. For the device application, we first examine homogenous devices based on few-layer MoS2, GaSe and InSe respectively and find an excellent photoresponsivity in our few-layer MoS2 photo-detector. We then examine several geometries for heterostructure devices, which have the advantage of combining favorable properties of each material to reach better performances. The first example is a graphene/InSe photo-detector where the photoresponsivity increases by four orders of magnitude with respect to a few-layer InSe device while the top graphene layer is also shown to prevent degradation of ultra-thin atomic layers in air. Still more complex graphene/InSe/graphene and graphene/InSe/Au heterostructures show a photovoltaic effect. Finally for the first time, we combine InSe with MoS2 and obtain a high performance device with fast photo-response, photodiode like behavior, uniform photocurrent distribution and high photovoltaic effect.

Nous introduisons un algorithme de décomposition intrinsèque multi-vue qui permet de ré-éclairer une scène extérieure en utilisant quelques images en entrée. Plusieurs applications comme l’architecture, jeux et films exigent de manipuler un modèle 3D d’une scène. Cependant, la modification de telles scènes est limitée par les conditions d’éclairage de capture. Notre méthode estime les images intrinsèques prises dans des conditions d’éclairage identiques avec des ombres. Nous utilisons conjointement une reconstruction 3D automatique et la direction du soleil pour obtenir la décomposition de chaque image en calques de réflectance et d’éclairage malgré l’inexactitude des données du modèle 3D. Notre approche est basée sur deux idées principales. Tout d’abord, nous raffinons l’estimation des paramètres de notre modèle de formation d’image en combinant la simulation d’éclairage 3D avec des méthodes d’optimisation basée image. Deuxièmement, nous utilisons ce modèle pour exprimer la réflectance en fonction de valeur de visibilité discrète pour l’ombre et la lumière, ce qui nous permet d’introduire un classificateur d’ombre robuste pour des paires de points dans une scène. Nos calques intrinsèques sont de qualité suffisante pour manipuler les images d’entrée. Nous déplaçons les ombres portées en créant une géométrie qui préserve les silhouettes d’ombre. Notre méthode est compatible avec les approches de rendu basé image et réduit les coûts de création de contenu 3D. Enfin, nous présentons une étude sur les limites du modèle de réflectance diffus et la difficulté d’appliquer les approches existantes dans le cadre de reconstruction 3D multi vue où les données sont imprécises. / We present a multi-view intrinsic decomposition algorithm that allows relighting of an outdoor scene using just a few photographs as input. Several applications such as architecture, games and movies require a 3D model of a scene. However, editing such scenes is limited by the lighting condition at the time of capture. Our method computes intrinsic images photos taken under the same lighting condition with existing cast shadows by the sun. We use an automatic 3D reconstruction from these photos and the sun direction as input and decompose each image into reflectance and shading layers, despite the inaccuracies and missing data of the 3D model. Our approach is based on two key ideas. First, we progressively improve the accuracy of the parameters of our image formation model by performing iterative estimation and combining 3D lighting simulation with 2D image optimization methods. Second we use the image formation model to express reflectance as a function of discrete visibility values for shadow and light, which allows us to introduce a robust shadow classifier for pairs of points in a scene. Our multi-view intrinsic decomposition is of sufficient quality for relighting of the input images. We create shadow-caster geometry which preserves shadow silhouettes and using the intrinsic layers, we can perform multi-view relighting with moving cast shadows. Our method allows image-based rendering with changing illumination conditions and reduces the cost of creating 3D content for applications. Finally, we present an initial study on the limitation of diffuse reflectance models for these computations.

L’utilisation de petits champs dans les techniques de radiothérapie a considérablement augmenté, en particulier dans les traitements stéréotaxiques et les grands champs uniformes ou non uniformes qui sont composés de petits champs tels que la radiothérapie à modulation d’intensité (IMRT) ou la radiothérapie par microfaisceaux. Pour ces champs d’irradiation, les erreurs dosimétriques ont augmenté par rapport aux faisceaux conventionnels. La raison principale en est qu’il n’existe pas de protocole dosimétrique standard. Dans le cas de la MRT, un protocole dédié a été développé sur la base d’une mesure de faisceau large avec une chambre d’ionisation PinPoint combinée à la multiplication avec un OF pour prédire la dose dans le pic. Ce protocole est pratique en ce sens qu’il permet de surmonter le manque de résolution spatiale du détecteur et de toute façon d’aller de l’avant avec les procédures pré-cliniques en permettant le calcul de la dose pic. La dose dans la vallée est ensuite récupérée à l’aide du PVDR, également basé sur des calculs MC.Au cours de la dernière décennie, des détecteurs à haute résolution spatiale permettant des mesures à l’échelle du micron sont devenus disponibles. Parmi eux, le détecteur de microdiamants PTW, les films HDV2 combinés avec le système de lecture approprié et le FNTD. Les mesures effectuées sur la ligne de lumière biomédical ID 17 avec ces trois dosimètres ont mis en évidence des divergences entre les valeurs simulées MC de OF et PVDR et les données expérimentales qui traitent d’un problème concernant la validité du protocole de dosimétrie actuel. En outre, il a été souligné que les valeurs OF et PVDR différent entre les différents codes MC, ce qui représente un problème lorsque ces valeurs sont associé au protocole de dosimétrie. Obtenir des valeurs fiables d’OF et de PVDR pour les mesures expérimentales et numériques représente le défi de ce travail.Dans ce travail, les écarts entre les simulations MC et les données mesurées sont attribués à un manque de détails dans les simulations MC et au fait que les caractéristiques spécifiques du détecteur peuvent influencer la mesure. Une série de simulations MC est mise au point pour quantifier chacun de ces effets. Le principal inconvénient d'une telle étude est le temps de simulation, de sorte que des astuces sont utilisées pour accélérer le calcul et néanmoins garder les résultats aussi précis que possible. / The use of small fields in radiotherapy techniques has increased substantially, in particular in stereotactic treatments and large uniform or nonuniform fields that are composed of small fields such as for intensity modulated radiation therapy (IMRT) or Microbeam Radiation Therapy. For these irradiation fields, dosimetric errors have increased compared to conventional beams. The main reason for this is that no standard dosimetric protocol exists. In the case of MRT, a dedicated protocol has been developed based on a broad beam measurement with a PinPoint chamber combined with the multiplication with an OF to predict the peak dose. This protocol is handy in the sense that it allows to overcome the lack of spatial resolution of the detector and anyway move forward with pre-clinical procedures by enabling the calculation of the peak dose. The valley dose is then retrieved using the PVDR also based on MC calculations.Over the last decade, detectors with high spatial resolution allowing measurements at the micron scale became available. Among them, the PTW microDiamond detector, HDV2 films combined with the appropriate read-out system and FNTD. Measurements performed at the ID 17 biomedical beamline with these three dosimeters highlighted discrepancies between the MC simulated values of OF and PVDR and experimental data which addresses an issue regarding the validity of the current dosimetry protocol. Moreover, it has been highlighted that OF and PVDR values differ between the different MC codes which represents a problem when associated with the dosimetry protocol. Obtaining reliable values of OF and PVDR for both experimental and numerical measurement represents the challenge of this work.In this work, the discrepancies between the MC simulations and measured datas are assigned to a lack of details in the MC simulations and to the fact that detector specific characteristics can influence the measurement. A series of MC simulation is developed to quantify each of these effects. The major drawback of such study is the simulation time, so tricks are used to speed up the calculation and nevertheless keep the results as accurate as possible.

Nous avons développé un détecteur intégré à base d'une diode pour être embarqué dans un ballon stratosphérique afin de caractériser l'environnement radiatif atmosphérique. Le détecteur a été calibré avec une source Californium, et il a été pleinement caractérisé lors de tests sous faisceaux de neutrons qui produisent diverses particules ionisantes secondaires. Les sections efficaces différentielles de détection pour différentes énergies de faisceaux de neutrons sont avérées être en bon accord avec les simulations effectuées avec le code MC-Oracle. Nous avons effectué un certain nombre de vols en ballon stratosphériques (avec l'ESA et le CNES) et confirmé la corrélation entre le taux de comptage et de l'altitude. En outre, nous avons observé que l'environnement radiatif n'est pas isotrope et démontré le potentiel de notre outil pour étudier l'environnement radiatif atmosphérique. Ces résultats sont utiles pour estimer le flux de particules qui affecte appareils et systèmes électroniques à bord des appareils. / We developed an integrated silicon detector to be embedded in a stratospheric balloon in order to investigate the radiative atmospheric environment. The detector was calibrated with a Californium source, and it was fully characterized under neutron beams which produced various secondary ionizing particles. Differential detection cross sections for different neutron beam energies were shown to be in good agreement with simulations performed with the MC-Oracle code. We performed four stratospheric balloon flights (with ESA and CNES) and confirmed the correlation between the count rate and the altitude. Moreover, we observed that the radiative environment is not isotropic and demonstrated the potential of our tool for investigating the radiative atmospheric environment. These results are useful for estimating the particle flux that affects electronic devices and onboard aircraft systems.

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie médicale utilisée largement dans le traitement du cancer et dans la recherche neurobiologique, afin d’imager l’activité biologique des organes. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’annihilation d’un positron dans les tissus, ce qui permet d’en reconstruire la carte 3D. En mesurant avec une très bonne précision la différence de temps de détection des deux photons, il sera possible d’améliorer la qualité d’image (technique du temps de vol). Dans ce manuscrit, nous présentons le développement de deux détecteurs innovants, rapides et efficaces, pour la détection de la lumière Cherenkov produite par la conversion des photons de 511 keV. Le premier, destiné à un scanner clinique (cerveau) et pré-clinique à haute précision spatiale, utilise comme milieu de détection du TriMéthylBismuth. Le second, pouvant être utilisé pour construire un scanner corps entier, met en œuvre un cristal de PbF₂ comme radiateur Cherenkov. Dans les deux configurations, un photomultiplicateur à micro-canaux (MCP-PMT) est utilisé pour détecter les photons Cherenkov. Notre électronique de détection montre une résolution temporelle limitée à 5 ps (RMS). La chaîne de détection est limitée par les performances du MCP-PMT. Après étalonnage, nous avons mesuré une efficacité de 25 % (grande pour un détecteur Cherenkov), et de résolution temporelle de 200 ps (FWHM).Nous exposons les facteurs limitant la résolution temporelle des détecteurs et proposons des développements qui permettront d’en améliorer les performances. / Positron Emission Tomography (PET) is a nuclear imaging technique widely used in oncology and neuroscience to observe biological activity in the body. Detection of two gamma quanta with the energy 511 keV emitted by positron annihilation in tissues allows one to reconstruct the tracer activity distribution in the body of the patient. Additional measurement of the difference in time detection between the two photons lets us to improve significantly the quality of the reconstructed image (time-of-flight method).In this manuscript, we present the development of two innovative detectors, fast and efficient, used to detect Cherenkov light produced by electrons from the photo-ionization conversions of 511 keV gamma quanta. The first one, intended for use in a brain PET scanner of a high spatial resolution, uses TriMethylBismuth for the detection medium. The second one, planned to be used to construct a whole-body PET scanner, enforces a PbF₂ crystal as Cherenkov radiator. In both configurations a micro-channel photo-multiplier (MCP-PMT) is used to detect Cherenkov photons. We commissioned an electronic detection chain with a time resolution limited to 5 ps (RMS). Using precise MCP-PMT calibration, we were able to develop simultaneously detectors with high efficiency, up to 25 %, and time resolution as good as 200 ps (FWHM).We highlight the limitations of detectors time resolution and suggest several developments in order to improve performances of Cherenkov light detectors.

Cette thèse présente le développement d'un système de contrôle en temps réel basé sur un détecteur en diamant pour la nouvelle source de rayons gamma en cours de construction à Magurele, en Roumanie, pour le projet Extreme Light Infrastructure (ELI). La machine comprend un accélérateur linéaire d'électrons qui se sépare en deux lignes, une à basse énergie entre 80 et 320 MeV et l'autre à plus haute énergie pouvant atteindre 720 MeV. Sur les deux lignes, un recirculateur optique guide un laser haute puissance pour entrer en collision avec 32 paquets d'électrons afin de produire des rayons gamma par interaction Compton inverse. Cette machine est construite par le consortium européen EuroGammaS, dont le Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire fait partie et qui a pour mission de développer la plupart des composants optiques. C'est aussi là où j'ai préparé le travail présenté dans ce manuscrit. Les paquets d'électrons séparés de 16 ns collisionneront avec une impulsion laser à une fréquence de 100 Hz. Pour s'assurer de la qualité et de la stabilité de ces interactions, le système du détecteur diamant a été mis en place. Cela a impliqué du travail de simulation sous GEANT4 ainsi que des expériences pour tester l'équipement à HiGS aux Etats-Unis et à newSubaru au Japon, deux établissements scientifiques qui proposent aussi des sources de rayons gamma produits par interaction Compton inverse. Les résultats obtenus démontrent l'efficacité de ce système en analysant l'efficacité de détection, la charge collectée ou encore la forme de faisceau. Ceci est encourageant en vue de l'installation et du commissioning qui sont attendus pour 2019. / This thesis discusses the development of a real-time monitoring system based on a diamond detector for the new gamma source being built in Magurele, Romania as part of the Extreme Light Infrastructure (ELI) project. The machine consists of an electron linear accelerator that branches into two lines, one at low energy between 80 and 320 MeV and one at higher energy going up to 720 MeV. On both lines, an optical recirculator leads a high power laser to collide with 32 electrons bunches to produce gamma rays by inverse Compton interaction. This machine is built by a European consortium named EuroGammaS, of which the "Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire" is a member and tasked with developing most of the optical components. This is where I prepared the work presented in this manuscript. The electron bunches separated by 16 ns will collide with a circulating laser pulse at a rate of 100 Hz. To monitor the quality and stability of these interactions, the diamond detector system has been set-up. This involved simulation work on GEANT4 as well as two experiments to test the equipment at HiGS in the USA and newSubaru in Japan, two facilities that also offer gamma ray beams produced by inverse Compton scattering. The results obtained demonstrate the effectiveness of the system by analysing detection efficiency, charge collected or beam shape. This is promising in anticipation of the installation and commissioning expected for 2019.

Les nano-oscillateurs spintroniques présentent des propriétés remarquables en termes de détection radiofréquence. Leurs tailles nanométriques, leur fonctionnement à température ambiante et leurs compatibilité CMOS en font des candidats sérieux pour apporter la fonction d’analyse spectrale instantanée dans des systèmes embarqués. Les travaux de cette thèse portent sur les propriétés de détection des STNOs à base de vortex magnétiques. Un des effets conférant aux STNOs la possibilité de détecter un signal rf est l’effet diode de spin. Une source rf permet de créer le signal à détecter. Lorsque la fréquence du courant rf injecté dans le STNO correspond à sa fréquence de résonance, une tension de rectification est créée à ses bornes. La mesure de cette tension par un simple voltmètre permet alors de déterminer la présence d’un courant rf. L’étude de l’évolution de la fréquence de résonance en fonction du rayon du STNO, du courant dc et du champ magnétique a mis en avant la possibilité de choisir la fréquence de résonance et de l’accorder avec ces paramètres. Dans une perspective applicative, cette propriété est essentielle pour allouer un STNO à une fréquence spécifique à détecter. De plus, la taille nanométrique des STNOs permettent d’envisager un système composé d’un réseau de milliers, voire de millions de STNOs contenues sur une puce fonctionnant à température ambiante. Cependant plusieurs problématiques se posent. La sensibilité du STNOs à un signal rf extérieur doit permettre de déterminer l’état d’occupation d’un canal de fréquence par une simple mesure de la tension ou par un comparateur de tension. Cela nécessite une variation de tension de l’ordre de la dizaine de mV. L’effet diode de spin ne permettant pas d’atteindre de telle variation, un autre effet, mesuré pour la première fois à l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, appelé expulsion de vortex magnétique, est étudié. Ce phénomène a lieu quand le cœur de vortex franchit les bords du STNO lors de sa dynamique induite par transfert de spin. Grâce à cet effet, l’amplitude de la variation de tension peut atteindre jusqu’à 25 mV dans les STNOs caractérisés dans le cadre de nos travaux. De plus, ce phénomène est également accordable en fréquence. Dans une perspective applicative, un réseau de STNO doit être crée afin d’allouer un STNO à une gamme de fréquence spécifique et ainsi couvrir une large bande de fréquence. La répartition du courant rf vers tous les STNOs est donc une problématique à laquelle nous avons apporté une solution. L’excitation du cœur de vortex par un champ rf nous permet en effet d’exciter un grand nombre de STNO grâce à une ligne inductive lithographiée au-dessus des STNOs. La possibilité d’expulser le cœur de vortex, dans ces conditions, a été démontré. Nous avons alors étudié la dynamique du cœur de vortex induite par un champ rf lors de l’expulsion. Ces études temporelles et fréquentielles nous ont non seulement apporté des informations sur le temps de détection d’un signal rf par le STNO mais aussi sur son aimantation dans le régime d’expulsion. De plus, l’accord en fréquence du STNO est possible même lors de l’excitation du cœur de vortex par un champ rf. Enfin, ces études nous ont permis de mettre en place, étape après étape une preuve de concept démontrant la faisabilité de la détection rf avec des nano-oscillateurs spintronique. Les différentes études du phénomène d’expulsion du cœur de vortex alliées à un travail technique de conception et de fabrication considérable a permis de converger vers une solution qui constitue un point de départ vers le développement d’un détecteur d’occupation de spectre spintronique large bande, tenant sur une puce et fonctionnant à température ambiante. / Spintronic nano-oscillators have remarkable properties in terms of radio frequency detection. Their nanoscale sizes, room temperature operation, and CMOS compatibility make them serious candidates for providing instantaneous spectral analysis in embedded systems. This thesis concerns the detection properties of magnetic vortex-based STNOs. One of the effects conferring on STNOs the possibility of detecting a rf signal is the spin diode effect. An rf source is used to create the signal to be detected. When the rf current frequency injected into the STNO corresponds to its resonant frequency, a rectification voltage is created at its terminals. The measurement of this voltage by a simple voltmeter makes possible to determine the rf current presence. The evolution study of the resonance frequency as a function of the STNO radius, the dc current and the magnetic field has highlighted the possibility of choosing the resonant frequency and tuning it with these parameters. From an application point of view, this property is essential for allocating an STNO to a specific frequency to be detected. Furthermore, the STNO nanometric allows us to envisage a network of thousands, even millions of STNOs contained on a chip operating at ambient temperature. However, several problems arise. The STNO sensitivity to an external rf signal must allow to determine the occupancy state of a frequency channel by a simple measurement of the voltage or with a voltage comparator. This requires a voltage variation of ten mV order. The spin diode effect doesn’t allow to achieve such variation. Another effect, measured for the first time at the Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, called magnetic vortex expulsion, is studied. This phenomenon occurs when the vortex core crosses the STNO edges during its spin transfer induced dynamics. Thanks to this effect, the voltage amplitude variation can reach up to 25 mV in the STNOs characterized during this thesis. Moreover, this phenomenon can be tuned. From an application perspective, a network of STNOs must be created in order to allocate an STNO to a specific frequency range and thus cover a broad frequency band.The rf current distribution to all STNOs is therefore a problem to which we have brought a solution. The excitation of the vortex core by a rf field allows us to excite a large number of STNO thanks to an inductive line lithographed above the STNOs. The possibility of expelling the vortex core under these conditions has been demonstrated. We then studied the vortex core dynamics induced by an rf field during the expulsion. A time and frequency domain studies not only provided us detection time information of an rf signal by the STNO but also on its magnetization in the expulsion regime. Moreover, the STNO frequency tuning is possible even when the vortex core is excited by an rf field. Finally, these studies enabled us to implement step by step a proof of concept demonstrating the rf detection feasibility with spintronic nano-oscillators. The various studies of vortex core expulsion combined with a considerable technical work of design and manufacture finally allowed us to converge towards a solution that constitutes a starting point towards the development of a broadband spintronic spectrum occupancy detector, contained on a chip and operating at room temperature.

La source européenne de spallation (ESS) sera une infrastructure de recherche dévolue aux sciences utilisant les neutrons comme sonde d’observation. Elle est actuellement en construction à Lund, en Suède, et sera la plus brillante des sources de neutrons pulsées au monde. Comme son nom l'indique, la production des neutrons est assurée par les processus de spallation : des protons à haute énergie bombardant une cible de tungstène. Le faisceau de protons est généré par un puissant accélérateur linéaire de 2 GeV qui peut être divisé en deux parties : une partie "chaude" qui accélère les protons jusqu'à 90 MeV, suivie d’une partie « froide » constituée de cavités supraconductrices refroidies à l'hélium liquide, permettant d’atteindre les 2 GeV. La forte intensité de 62.5 mA et la longue impulsion de 2,86 ms répétée 14 fois par seconde, conduisent à une puissance moyenne de faisceau de 5 MW et une puissance crête de 125 MW. La connaissance du faisceau est donc indispensable pour la mise en service, c'est-à-dire le réglage du faisceau afin d'assurer un fonctionnement correct et sûr de la machine. Différents diagnostics seront installés le long de l'accélérateur pour remplir ces tâches.Cette thèse traite du développement d'un profileur transverse non invasif pour la partie froide de l’accélérateur de ESS : les Ionization Profile Monitors (IPM). La thèse se concentre sur les aspects critiques des IPM afin de s’assurer de leur faisabilité dans les conditions du faisceau de ESS. Ces moniteurs sont basés sur l’ionisation induite par le passage des protons du gaz résiduel présent dans le tube de l’accélérateur. Un champ électrique est appliqué entre deux plaques parallèles de l'IPM. Les électrons ou les ions dérivent vers un détecteur segmenté permettant de reconstruire le profil dans une direction transverse du faisceau.Plusieurs défis, qui auraient pu compromettre l’utilisation des IPM pour les mesures des profils de faisceau à ESS, sont décrits :• Les faibles taux de comptage dus aux faibles sections efficaces d'ionisation à haute énergie (90 à 2000 MeV) ainsi qu’aux basses pressions du gaz résiduel de l’ordre de 10-9 mbar,• L'homogénéité du champ électrique à l'intérieur de l'IPM, essentiel pour assurer des mesures de profils précises mais difficile pour les chambres à vide étriquées des IPM,• L’importante charge d'espace du faisceau, qui distord le profil mesuré en déviant lestrajectoires des produits d'ionisation. Cet aspect fondamental peut remettre en cause l’utilisation d’IPM pour faire des mesures fiables de profil de faisceau.Une fois ces études terminées, nous avons sélectionné trois systèmes de lecture fiables, basés sur :• des pistes conductrices lues par un intégrateur de charge multicanal,• des détecteurs à micro-canaux couplés à un écran phosphore (pMCP),• un détecteur de silicium développé au CERN, et utilisé en particulier pour le futur profileur du faisceau du PS.Ces études ont fait l’objet d’une Revue de Conception Préliminaire (PDR 2017/01) marquant le début de la construction des différents prototypes. Les tests préliminaires ont écarté la possibilité d'utiliser des détecteurs au silicium en raison des trop faibles énergies des ions incidents.En partant de zéro, des IPM, des moniteurs de référence et un banc d’essai ont été conçus et installés sur l’accélérateur de protons IPHI à Saclay. Les conditions expérimentales de ESS ont été reproduites afin de valider une solution pour les IPM, ainsi que tester nos modèles.Les campagnes de test ont montré qu'un MCP était nécessaire pour détecter le signal d’ionisation. De plus, l'IPM optique (pMCP + caméra) est la solution recommandée car elle offre une sensibilité plus élevée. Le retour d’expérience accumulé lors des tests des prototypes, nous a permis de proposer une conception quasi finale d’un IPM, présentée lors de la Revue Critique de Conception (CDR 2019/02), menant au début de la phase de production. / The European Spallation Source (ESS) will be a research infrastructure dedicated to sciences using neutrons as probes. The source is currently under construction in Lund, Sweden, and will be the world’s brightest pulsed source of neutrons. As its name suggests, the production of neutrons is ensured by the spallation process: high energy protons will impinge a tungsten target. To accelerate the protons, a powerful 2 GeV linear accelerator is being built. The accelerator can be split in two parts. A “hot” part is responsible for acceleration up to 90 MeV. Then a “cold” part made of superconducting cavities cooled with liquid helium is used to reach the highest energies. The high intensity of 62.5 mA and he long pulse of 2.86 ms repeated 14 times per second, lead to an incredible beam power of 5 MW in average and 125 MW in peak. The knowledge of the beam is therefore mandatory to ensure the commissioning, i.e. the beam tuning in order to achieve a proper and safe functioning of the machine. Different diagnostics will be installed along the accelerator to fulfil these tasks.This thesis deals with the development of a non-invasive transverse profiler for the cold part of the ESS accelerator: the Ionization Profile Monitor (IPM).The thesis focuses on critical aspects of the IPMs to guarantee its feasibility in ESS beam conditions. These monitors are based on the ionization of the residual gas induced by the proton beam inside the beam pipe. A transverse electrical field is generated between both parallel plates of the IPM. The electrons or ions drift, with respect to the electric field, towards a segmented detector allowing the reconstruction of the beam profile in one transverse direction. For a complete transverse profile, it is necessary to add a second profiler tilted by 90°.Several challenges for facing IPM to the ESS conditions, which may compromise their use, are described:• the weak counting rates due to the low ionization cross-sections at high energy (90 to 2000 MeV) and to the low residual gas pressure of 10-9 mbar,• the electric field homogeneity inside the IPM, which is relevant for insuring a precise profile measurement, was not obvious in the narrow vacuum chambers devoted to them,• the large Space Charge Effect of the beam, distorting the measured profile by deviating the ionization by-product trajectories. This fundamental aspect may compromise the use of an IPM for beam profile measurements.Once these former studies done, we selected the three reliable read-out systems based on:• conductive strips read by a multichannel charge integrator,• micro-channel plates coupled with phosphor screen (pMCP),• a silicon detector developed at CERN and foreseen for the future PS beam profiler.This work was the object of the Preliminary Design Review (PDR 2017/01) marking the beginning of the construction phase of the different prototypes. Preliminary tests discarded the possibility of using silicon detectors due to the low ion energies.Starting from scratch, IPMs, reference monitors and a test bench were designed and installed at the IPHI proton accelerator at Saclay. Close ESS conditions were achieved to validate an IPM solution and our simulations.The test campaigns showed that an MCP is mandatory to detect signal. Moreover, the optical IPM (pMCP + Camera) is the preferred solution since it provides higher sensitivity. Feedbacks from the prototype test campaigns, allows us to deliver an IPM final design presented during the Critical Design Review (CDR 2019/02) leading to the beginning of the production phase.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.