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.

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.

Le collisionneur SuperKEKB, dédié à l'expérience Belle II, prévoit une très haute luminosité, inégalée à ce jour. Son objectif est de fournir une luminosité instantanée de 8x10³⁵ cm⁻²s⁻¹ en mettant en collision des faisceaux minuscules au point d'interaction (IP) sur la base du schéma "nano-beam". Par conséquent, un excellent contrôle de l'orbite du faisceau à l’IP est nécessaire pour assurer un recouvrement géométrique optimal entre les deux faisceaux en collision, et ainsi maximiser la luminosité. Dans ce cadre, cette thèse présente le développement et l'implémentation d'un système de monitoring rapide de la luminosité de SuperKEKB basé sur des détecteurs en diamant sCVD. Pour atteindre une précision relative aussi élevée et couvrir une gamme dynamique de luminosité élevée, le processus de diffusion Bhabha radiatif à très petit angle est utilisé, dont la section efficace d’interaction est très importante et relativement bien connue. Des détecteurs diamant sCVD, dont le signal est rapide et qui ont une bonne tolérance au rayonnement, sont utilisés pour détecter les particules chargées dans les gerbes électromagnétiques induites par l’interaction entre les particules Bhabha diffusées et perdues dans le tube à vide du faisceau, et dans les autres matériaux, en particulier un radiateur, à des emplacements choisis spécialement en aval de l'IP, dans les deux anneaux LER et HER. Une simulation de bout en bout du système d'asservissement de l'orbite du faisceau à l'IP basé sur notre signal de luminosité rapide et précis a été réalisé, qui comprend: une estimation du signal du détecteur de diamant sCVD, basé sur des mesures de laboratoire à l'aide d'une source radioactive, la construction de séquences de signal représentative de SuperKEKB comprenant les bruits de fond à un seul faisceau et les particules diffusées par le processus Bhabha, un traitement du signal de luminosité, et la simulation de l'asservissement de l'orbite. Il a été possible de vérifier la faisabilité de ce système pour maintenir la très haute luminosité de SuperKEKB en présence des mouvements du sol et a de déterminer la précision relative du signal de luminosité rapide qu'il est possible d'obtenir toutes les 1 ms. Au cours des phases de mise en service de SuperKEKB, la phase 2 et le début de la phase 3, notre moniteur de luminosité rapide basé sur des détecteurs en diamant sCVD a été installé et utilisé avec succès. Les processus de perte de faisceau, principalement ceux provenant des processus de Bremsstrahlung et de Touschek, ont été étudiés en détail et, par rapport à la simulation, un bon accord a été trouvé. Lors de la mise en service de la collision, des signaux de luminosité intégrés toutes les secondes étaient fournis en continu pour le réglage des paramètres des faisceaux à l'IP. En outre, un signal de luminosité intégré toutes les 1 ms avec la précision relative attendue a également été fourni et utilisé comme entrée du système d'asservissement de l'orbite à l'IP, notamment pour des premiers tests conduits avec succès avec des décalages de faisceau horizontaux introduits volontairement. Davantage de tests de ce système d'asservissement sont attendus pour assurer son bon fonctionnement en continu à l'avenir. Cette thèse présente le développement et l’application d’un système de surveillance rapide de la luminosité basé sur les détecteurs de sCVD diamant de SuperKEKB. / SuperKEKB is at the foremost frontier of high luminosity e⁺e⁻ colliders, dedicated to the Belle-II experiment. It aims to provide an instantaneous luminosity of 8x10³⁵ by involving extremely tiny beams colliding at the Interaction Point (IP) based on the "nano-beam scheme". Therefore, excellent control of its beam orbit at the IP is required to ensure the optimum geometrical overlap between the two colliding beams, and thereby maximize the luminosity. Besides, effective instrumentation to diagnose the behavior of the beam at the IP and possible beam interactions between bunches along the train are also quite essential during the long and rather difficult process of machine tuning towards the nominal beam parameters. This thesis presents the development and application of a fast luminosity monitoring system based on sCVD diamond detectors at SuperKEKB, including: (1),train integrated luminosity signals every 1 ms which will be used as input to the dithering orbit feedback system, its relative precision is expected to be better than 1% when luminosity reaches 10³⁴ (2), sensitive train integrated luminosity signals over a large luminosity dynamic range every 1 s which will be sent to the SuperKEKB control room as immediate observable for machine collision tuning, and (3) bunch integrated luminosity signals every 1 s with sufficient relative precision to monitor the collision performance for each single bunch. To achieve such high relative precision and cover a large luminosity dynamic range, the radiative Bhabha process events at vanishing scattering angle will be measured, whose interaction cross-section is quite large and reasonably well known. The sCVD diamond detectors, which have fast signal formation and good radiation tolerance, were used to detect the charged particles in the secondary showers induced by the interaction between the lost Bhabha scattered particles and the beam pipe and specific radiator materials at carefully chosen locations downstream of the IP in both the LER and HER. A start-to-end simulation was performed on the dithering orbit feedback system using fast, precise luminosity signal as input, which includes: sCVD diamond detector signal estimation based on laboratory measurements with a radioactive source, signal sequence construction at SuperKEKB including single beam backgrounds and Bhabha scattered particles, luminosity signal procession, dithering orbit feedback simulation. It enabled verifying the feasibility of this system to maintain very high luminosity in the presence of ground motion, in particular it determined the relative precision of the fast luminosity signal every 1 ms. Besides, the radiation damage of the sCVD diamond detectors in the LER was also estimated based on a FLUKA simulation and applying the NIEL hypothesis. During the Phase-2 and early Phase-3 commissioning periods of SuperKEKB, our fast luminosity monitor based on sCVD diamond detectors was installed and operated successfully. Single beam loss processes, mainly Bremsstrahlung and Touschek, were studied in detail and compared with the simulation, showing good agreement. During the collision commissioning, train and bunch integrated luminosity signals every 1 s were provided for machine tuning. e.g. the vertical beam sizes were determined with the vertical offset scan technique based on our luminosity signals, both the average and for the individual bunches, which is very important and useful for the collision and IP local optics tuning during the long and rather difficult process of SuperKEKB machine tuning towards the nominal beam parameters. Besides, a train integrated luminosity signal every 1 ms with the expected relative precision was also provided and used as input to the dithering orbit feedback system for its first successful tests with deliberately introduced horizontal beam-beam offsets. More tests on the dithering orbit feedback system are expected to ensure its future continuous operation.

Dans le cadre de cette thèse, un nouveau dispositif expérimental pour la mesure du dépôt d'energie d'ions carbone au maximum du pouvoir d'arrêt dans un plasma généré par laser a été développé et testé avec succès. Dans ce domaine de paramètres où la vitesse du projectile est de l'ordre de grandeur de la vitesse thermique des électrons libres du plasma, l'incertitude théorique sur le pouvoir d'arrêt peut atteindre 50%. Or à l'heure actuelle, aucune donnée expérimentale ne permet de vérifier et de tester les différentes prédictions. Une discrimination des théories existantes du pouvoir d'arrêt est cependant essentielle pour la Fusion par Confinement Inertiel et particulièrement pour comprendre le chauffage du combustible par les particules alpha dans la phase d'allumage. Pour la première fois, des mesures précises du dépôt d'énergie des ions ont été effectuées dans une configuration expérimentale reproductible et entièrement caractérisée. Celle-ci consiste en un faisceau d'ions entièrement ionisé interagissant avec un plasma entièrement ionisé et homogène. Le plasma a été généré par l'irradiation d'une cible mince de carbone avec deux faisceaux laser à haute énergie et présente une température électronique maximale of 200 eV. Les paramètres du plasma ont été simulés à l'aide d'un code hydrodynamique radiatif bi-dimensionel, tandis que la distribution de charge du faisceau d'ions a été estimée avec un code Monte-Carlo qui décrit les processus d'échange de charge des ions dans le plasma. Pour sonder le plasma au maximum du pouvoir d'arrêt, un faisceau d'ions pulsé à haute fréquence a été freiné à une énergie de 0.5 MeV par nucléon. Le dépôt d'énergie des ions a été déterminé via une mesure de temps de vol à l'aide d'un détecteur à base de diamant produit par dépôt chimique en phase vapeur, protégé contre les radiations émises par le plasma. Une première campagne expérimentale a été conduite pour exploiter le nouveau dispositif, dans laquelle le dépôt d'énergie a été mesuré avec une précision inférieure à 200 keV. Cela a permis, grâce à la connaissance des paramètres du plasma et du faisceau d'ions, de tester différentes théories de pouvoir d'arrêt de manière fiable. Une analyse préliminaire des résultats montre que le dépôt d'énergie au maximum du pouvoir d'arrêt est plus faible qu'il n'a été prédit par la plupart des théories, et en particulier par les théories des perturbations. / In the frame of this thesis, a new experimental setup for the measurement of the energy loss of carbon ions at maximum stopping power in a hot laser-generated plasma has been developed and successfully tested. In this parameter range where the projectile velocity is of the same order of magnitude as the thermal velocity of the plasma free electrons, large uncertainties of up to 50% are present in the stopping-power description. To date, no experimental data are available to perform a theory benchmarking. Testing the different stopping theories is yet essential for inertial confinement fusion and in particular for the understanding of the alpha-particle heating of the thermonuclear fuel. Here, for the first time, precise measurements were carried out in a reproducible and entirely characterized beam-plasma configuration. It involved a nearly fully-stripped ion beam probing a homogeneous fully-ionized plasma. This plasma was generated by irradiating a thin carbon foil with two high-energy laser beams and features a maximum electron temperature of 200 eV. The plasma conditions were simulated with a two-dimensional radiative hydrodynamic code, while the ion-beam charge-state distribution was predicted by means of a Monte-Carlo code describing the charge-exchange processes of projectile ions in plasma. To probe at maximum stopping power, high-frequency pulsed ion bunches were decelerated to an energy of 0.5 MeV per nucleon. The ion energy loss was determined by a time-of-flight measurement using a specifically developed chemical-vapor-deposition diamond detector that was screened against any plasma radiation. A first experimental campaign was carried out using this newly developed platform, in which a precision better than 200 keV on the energy loss was reached. This allowed, via the knowledge of the plasma and of the beam parameters, to reliably test several stopping theories, either based on perturbation theory or on a nonlinear T-Matrix formalism. A preliminary analysis suggests that the energy deposition at maximum stopping power is significantly smaller than predicted, particularly, by perturbation approaches. / Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer experimentelle Aufbau für die Messung des Energieverlusts von Kohlenstoff-Ionen bei maximalem Bremsvermögen in einem lasererzeugtem Plasma entwickelt und getestet. In diesem Parameterbereich, wo die Projektilgeschwindigkeit nah der thermischen Geschwindigkeit der Plasmaelektronen liegt, weist die theoretische Beschreibung des Bremsvermögens erheblichen Unsicherheiten bis 50% auf. Ausserdem sind bisher keine experimentellen Daten verfügbar, um die theoretischen Vorhersagen zu testen. Eine Bewertung der verschiedenen Theorien des Bremsvermögens ist jedoch von grosser Bedeutung für die Trägheitsfusion und insbesondere für das Verständnis der Heizung des Fusionsbrennstoffs mittels Alpha-Teilchen. Zum ersten Mal wurden präzisen Messungen in einer reproduzierbaren und vollständig bekannten Strahl-Plasma Einstellung durchgeführt. Sie besteht in einem vollionisierten Ionenstrahl, der mit einem homogenen und vollionisierten Plasma wechselwirkt. Das Plasma wurde von der Bestrahlung einer dünnen Kohlenstofffolie mit zwei hochenergetischen Laserstrahlen erzeugt, und weist eine maximale Elektronentemperatur von 200 eV auf. Die Plasmaparameter wurden mithilfe eines zweidimensionalen radiativen hydrodynamischen Codes simuliert, während die Ladungsverteilung des Ionenstrahls wurde mit einem Monte-Carlo Code berechnet, der die Umladungsprozesse von Projektilionen im Plasma beschreibt. Um das Plasma bei maximalem Bremsvermögen zu untersuchen, wurde ein hoch-Frequenz gepulster Ionenstrahl zu einer Energie von 0.5 MeV pro Nukleon heruntergebremst. Der Ionenenergieverlust wurde mit der Flugzeitsmethode mit einem gegen Plasmastrahlung abgeschirmten CVD-Diamant-Detektor gemessen. Eine erste experimentelle Kampagne wurde mit dem neuen Aufbau durchgeführt, in der eine Messungspräzision besser als 200 keV auf dem Energieverlust erreicht wurde. Dies ermöglichte, mit der Kenntnis der Plasma- und Strahlparameter, mehreren Bremsvermögen-Theorien zuverlässig zu testen und zu vergleichen. Eine vorläufige Datenanalyse zeigt, dass die Energiedeposition bei maximalem Bremsvermögen ist kleiner, als insbesondere von den störungstheoretischen Ansätzen vorhergesagt wurde.