L’utilisation de la spectroscopie nucléaire comme outil de détection est limitée par le ratio du signal sur bruit. Les méthodes traditionnelles qui permettent d’outrepasser cette difficulté sont d’augmenter l’intensité du signal ou de diminuer le bruit. Pour amplifier le signal, il existe deux méthodes : avoir un émetteur plus intense ou avoir un détecteur de meilleur rapport signal sur bruit . Les techniques typiques de réduction de bruit de fond sont : l’application de filtres numériques et l’ajout de systèmes, tels des circuits de coïncidence, pour favoriser l’étude du signal. Dans le cadre de notre recherche, nous cherchons à détecter des traces d’éléments en utilisant l’activation par neutron. Nous sommes donc limités à avoir des émetteurs d’intensité faible. Beaucoup de chercheurs se penchent déjà sur la création et l’amélioration de détecteurs ayant de meilleures résolutions en énergie. L’approche que nous proposons utilise des détecteurs typiques ayant des résolutions standards et aucun système de suppression de bruit de fond. Nous avons développé un montage expérimental astucieux qui se charge de récolter un maximum d’information. Nous le couplons par la suite à un système d’analyse statistique robuste basé sur l’estimation du maximum de vraisemblance d’un modèle de mixture pour extraire les paramètres d’intérêt. Cette méthode mène à une amélioration flagrante du pouvoir de détection d’un tel système. Les résultats de cette recherche sont par la suite très utiles à tous les systèmes de spectroscopie semblables. Les méthodes d’acquisition et d’analyse développées sont en parfaite synergie avec les travaux de recherche qui se font ailleurs sur des systèmes de détecteurs plus exotiques. / The use of nuclear spectroscopy as a detection tool is limited by signal to noise ratio. The most common ways of overcoming this difficulty are either boosting the signal or dampening the noise. Boosting the signal can either be done by having a more powerful emitter or by having a better signal to noise ratio. Applying digital filters and having special experimental setups are the typical ways of enhancing the signal. In our case, the detection of trace elements with neutron activation analysis, we are limited by the nature of the problem to having small emitter signals. A good amount of research is already being done to develop new and exotic detectors to improve their energy resolution. The approach we propose uses typical detectors with average resolution and no background suppression. We propose an intelligent experimental design intended to extract a maximum of information from the experiment and an analysis algorithm based on a rigorous statistical model using a maximum likelihood approach to solving a mixture model in order to drastically improve detection efficiency. This method can be combined with more complex setups that use higher resolution detectors. As such the results of this project synergize well with what is being done elsewhere in the fields of spectroscopy and detector physics.

Cette thèse a pour sujet le développement d’un compteur gamma pour l’imagerie moléculaire. L’objectif principal du projet est de développer, à faible coût, un appareil compact comme outil pour l’obtention d’une quantification robuste de l’image. Celui-ci a été conçu pour caractériser la courbe temps-activité des patients, à savoir la concentration d’un radio-marqueur dans le sang en temps réel. Le prototype construit comporte donc un détecteur de gammas, une pompe péristaltique et un système d’acquisition. Le compteur gamma a été conçu à partir d’un détecteur à semi-conducteur CdZnTe commercial de 6 cm³, 20 x 20 x 15mm³, comportant une anode segmentée en 121 pixels. Cette anode demande un grand nombre de voies d’électroniques ; aussi son instrumentation ne s’inscrit pas facilement dans un design compact et peu coûteux. Une technique innovante d’instrumentation a été développée pour remplir ces objectifs en se basant sur la technique de grille coplanaire. L’anode étant segmentée en 11 x 11 pixels, les pixels des colonnes paires ont été reliés ensemble ainsi que ceux des colonnes impaires afin de former deux peignes imbriqués. Ce nouveau design d’anode virtuelle, nommé grille virtuelle coplanaire, est instrumenté avec une électronique maison. Pour piloter ce détecteur et faire le traitement du signal, la technologie des circuits logiques programmables, FPGA, a été choisie. Elle offre une grande latitude de développement et est aussi utilisée pour contrôler les autres éléments du prototype. Ce détecteur CdZnTe, dans sa nouvelle configuration d’anode virtuelle, affiche une efficacité intrinsèque de 34% à 662 keV avec une grande stabilité d’efficacité de détection (déviation, non significative, inférieure à 0,05%) et une résolution en énergie de 8%. Le prototype construit sur cette base a permis de mesurer la courbe temps-activité d’un patient lors d’un examen TEP avec succès. La sensibilité du prototype a été évaluée à 7; 1 cps=(kBq=ml) avec une activité minimum détectable de 2; 5 kBq=ml pour le 18F. Les performances spectroscopiques du prototype et la grande plage d’énergie couverte ouvrent des perspectives d’utilisation en tomographie d’émission monophotonique. Celui-ci peut aussi être adapté pour des études pré-cliniques chez le petit animal en modifiant le système de prélèvement. / The subject of this thesis is the development of a gamma counter for molecular imaging. The main objective of the project is to develop a low cost device with a compact design with the purpose of producing a robust quantification of a SPECT/PET image. The tool is designed to characterize the time-activity curve of patients, specifically the concentration of a radio marker in the blood in real time. The prototype consists of a gamma detector, a peristaltic pump and an acquisition system. The gamma counter is designed from a commercial CdZnTe semiconductor detector. It is a cubic crystal of size 20 x 20 x 15mm3, containing an anode segmented in 121 pixels. This anode requires a large number of electronic readouts, thus its instrumentation does not easily fit in a compact and low cost design. An innovative technique of instrumentation has been developed to solve this problem based on the coplanar grid technique. The anode being segmented into 11 x 11 pixels, the pixels of the even-numbered columns were connected together, as well as the pixels of the odd columns, to form intercalated bands. This new virtual anode design, named virtual Coplanar Grid, is instrumented with an custom-made electronics. To drive this detector and to process its signal, an FPGA technology was used. It offers wide flexibility for development and is also used to control the other elements of the prototype. The CdZnTe detector, in its new configuration of virtual anode, displays an intrinsic detection efficiency of 34% at 662 keV with a low standard deviation, a non-significant signal drift (< 0.05%) and a 8% energy resolution. The prototype built allowed to successfully measure the time-activity curve of a patient during a PET scan. The device achieves a sensitivity of 7:1 cps=(kBq=mL) with a minimum detectable activity of 2:5 kBq=mL for 18F. The spectroscopic performance of the prototype and the energy detection range open perspectives to be used in single photon emission computed tomography. It can also be adapted for preclinical studies in small animal by changing the sampling system.

Depuis sa création le laboratoire PICM a toujours cherché à développer de nouvelles applications pour le silicium amorphe hydrogéné, a-Si:H. Les recherches effectuées ont mis en évidence que le a-Si:H est un matériau parfaitement adapté pour la détection des particules tout en étant résistant aux radiations. Il a en outre un faible coût de fabrication, il est compatible avec les technologies déjà existantes et il peut être déposé sur de grandes surfaces. Ainsi, malgré la faible mobilité locale des charges (30 cm2 V-1 s -1 ), le silicium a-Si:H est un matériau particulièrement intéressant pour la réalisation de pixels de détection de particules de haute énergie. Il nous a donc paru logique de nous intéresser, en collaboration avec le laboratoire LLR1 et dans le cadre de cette thèse, à la conception et à la réalisation expérimentale d'une structure empilée de pixels à base de silicium a-Si:H, comme élément de base d'un détecteur d'un calorimètre électromagnétique. Ainsi, les composants qui constituent la structure d'un tel pixel sont tout d'abord une diode PIN en silicium a-Si :H puis en superposition une résistance de polarisation et un condensateur de découplage. Avant de réaliser à proprement parler une telle structure et afin d'optimiser au mieux sa conception, il est indispensable de posséder des modèles comportementaux performants des différents composants. Ainsi, notre objectif primordial a été de concevoir un modèle physique bidimensionnel de la diode PIN à l'aide du progiciel SILVACO de calcul par éléments finis. Ce modèle physique bidimensionnel de la diode PIN en a-Si:H nous a permis d'étudier le problème de diaphonie entre pixels dans une structure matricielle de détecteurs. Nous avons ici plus particulièrement mis en évidence le courant de fuite ainsi que le courant généré dans le volume entre pixels voisins. La transposition de cette modélisation dans une approche comportementale de type SPICE, que nous avons réalisé ensuite, nous permet de garantir la portabilité du modèle vers d'autres simulateurs professionnels et surtout son intégration dans une structure électronique complète (diode PIN, résistance de polarisation, capacité de découplage et amplificateur bas bruit). Grâces à ces outils de modélisation, nous avons pu simuler des structures de diodes PIN en a-Si:H de différentes épaisseurs et de différentes dimensions. Ces simulations nous ont permis de prédire que les structures épaisses sont pertinentes pour la conception de détecteurs pixels pour la physique de haute énergie. Nous pouvons aussi envisagé des applications en astronomie, dans le domaine de l'imagerie médicale, dans l'analyse de la défaillance des circuits intégrés en silicium, etc. D'un point de vue technologique, nous nous sommes attachés à maîtriser l'ensemble de la chaîne de fabrication (tel que le bon choix des matériaux métalliques pour les électrodes, l'enchaînement des dépôts, la conception des masques et la lithographie en salle blanche). Ainsi, nous pouvons citer comme exemple, que le matériau optimal que nous proposons pour les électrodes des résistances et des capacités est le Titane, mais à cause de sa fonction de travail de sortie ce dernier est déconseillé pour la réalisation de diodes PIN.

Le multidétecteur HERACLES a été utilisé pour étudier les réactions ²⁵Na; ²⁵Mg + ¹²C à 9.23 MeV par nucléon à l’accélérateur ISAC-2 de TRIUMF. Les données brutes recueillies par HERACLES doivent être traitées pour en tirer des résultats physiques. Nous avons conçu un programme d’analyse codé en C++ pour traiter ces données. Le développement d’algorithmes d’identification a permis d’accélérer l’identification des particules dans les spectres des nombreux détecteurs d’HERACLES. Les résultats de l’identification montrent une identification en charge des particules pour les détecteurs des 4 premiers anneaux couvrant des angles de 4.8° à 24° par rapport au faisceau. Les particules légères sont identifiées en masse jusqu’à l’hélium dans les 2 autres anneaux couvrant les angles de 24° à 46°. L’étalonnage en énergie des détecteurs est déterminé à l’aide de la formule de Parlog. Nous avons réalisé une simulation hybride AMD et GEMINI et nous avons comparé les résultats aux données expérimentales pour les systèmes ²⁵Na; ²⁵Mg + ¹²C C à 9.23 MeV par nucléon.

Avec l'essor de la microfabrication, il est désormais possible d'imaginer des appareils miniatures qui sont en mesure d'effectuer, à l'échelle microscopique, ce que réalisent les appareils actuels. Or, l'analyse chimique dans ces systèmes peut facilement s'avérer ardue car le volume d'analyte y est très restreint. Ces structures miniatures permettent en contrepartie de manipuler de petites particules, voire des molécules, presqu'individuellement. Il est par conséquent envisageable de pouvoir compter, localiser et identifier des nanoparticules fluorescentes qui seraient, par exemple, le véhicule de détection d'analytes d'intérêt comme de l'ADN dans un système d'analyse chimique microfluidique. Les présents travaux se penchent sur l'analyse de particules fluorescentes confinées au centre d'un canal microfluidique par focus hydrodynamique. L'analyte s'écoule au centre du canal car il est bordé de chaque côté par un flot colinéaire. En ajustant les débits de cette gaine et du flot analyte, il est possible d'aligner les particules au centre du canal. Un système de détection de fluorescence par microscopie confocale modifiée permet de recueillir l'émission de photons et de compter le nombre de particules ayant traversé le volume de détection. De cette façon, on maximise la probabilité de détection car tout l'échantillon est passé au peigne fin. Afin de faire de l'analyse quantitative de particules fluorescentes dans un échantillon, plusieurs paramètres ont été étudiés. Le choix de la configuration microfluidique, la construction du montage optique et la caractérisation de l'appareil ont permis d'analyser des nanoparticules fluorescentes de type ± coeur-coquille ¿ bien particulières. En effet, ces nanoparticules sont recouvertes d'une couche d'or pour tirer profit de l'exaltation de la fluorescence par l'effet plasmon. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent l'utilité du focus hydrodynamique pour l'analyse chimique et sont prometteurs pour étudier différents véhicules de détection.

Les collisions d'ions lourds aux énergies intermédiairas sont utilisées afin de caractériser la matière nucléaire soumise à des énergies d'excitation élevées. Ces collisions génèrent un grand nombre de fragments qu'il faut détecter et identifier afin d'étudier les propriétés des sources d'émission. Pour ce faire, nous utilisons des multidétecteurs composés de différents types de modules de détection qui couvrent une grande section de l'angle solide autour de la cible. Cette thèse se divise en deux parties. La première est une analyse des données provenant des deux premières campagnes du multidétec-teur INDRA qui se sont déroulées au laboratoire GANIL situé à Caen en France. Les réactions ³⁶Ar+⁵⁸Ni à 32, 40, 52, 63, 74 et 84 MeV/A et ⁵⁸Ni+⁵⁸Ni à 32, 40, 52, 64, 74 et 82 MeV/A ont été utilisées afin de caractériser les rapports isotopiques pour les éléments de charge Z<5 provenant des sources du quasi-projectile et de la mi-rapidité lors des événements périphériques et semi-périphériques. Les sources sont sélectionnées par la méthode d'identification statistique. La deuxième partie de ce travail est essentiellement instrumentale et porte sur le multidétecteur HÉRACLÈS. Celui-ci a été transféré de Texas A&M University vers le laboratoire TRIUMF à Vancouver au début des années 2000 afin de mener des expériences utilisant les faisceaux radioactifs accélérés par le nouvel accélérateur ISAC-II. En plus du travail de montage, des modifications importantes devaient être apportées à l'ensemble des détecteurs afin de les adapter aux basses énergies de ISAC-II (E < 15 MeV/A). Les anneaux de scintillateurs plastiques de type phoswich aux plus bas angles ont été remplacés par un anneau de BaF₂-phoswich et un anneau de télescopes silicium-CsI(Tl) et les seuils en énergie des anneaux phoswich et CsI(Tl) aux angles plus élevés ont été abaissés. Une description des différents détecteurs et des modifications effectuées ainsi que les résultats obtenus lors des tests avec faisceaux seront présentés dans la seconde partie de cet ouvrage.

Ce mémoire de maîtrise présente différents détecteurs de la matrice HERACLES et les tests qui furent effectués afin de l'adapter aux nouvelles conditions expérimentales imposées au centre de recherche TRIUMF. Depuis sa création, l'ensemble de détecteurs qui composent aujourd'hui la matrice HERACLES a subi plusieurs modifications et devra en subir encore afin d'être à la fine pointe de la recherche moderne. Cet ouvrage est divisé en trois chapitres distincts. Chaque chapitre traite d'une catégorie de détecteurs et des diverses recherches associées. Le premier chapitre traite des détecteurs à neutrons et des corrections à effectuer afin d'améliorer l'efficacité de détection. Le second aborde les modifications sur les détecteurs composés de scintillateurs CsI(Tl). Finalement, le troisième et dernier chapitre porte sur un type de photomultiplicateur à position qui est envisagé dans la composition de la matrice. Ce travail présente une combinaison de simulations effectuées grâce au logiciel GEANT4 et d'expériences en laboratoire. Les résultats des simulations furent utilisés pour obtenir des corrections à des données d'une expérience et à connaître les meilleures corrections potentielles à tester pour les différents détecteurs.