Nous avons développé un nouveau système de détection sans temps mort, résolu en temps et en position et basé sur des galettes de microcanaux. Le principe de ce détecteur est de coupler deux systèmes de détection indépendants qui observent le même événement pour aboutir à leur localisation sans temps mort. Le premier système est constitué d'une caméra CCD capable de fournir l'information position. Le deuxième est constitué d'une carte de numérisation pour enregistrer le signal temps issu des galettes de microcanaux. Le lien entre ces deux systèmes est assuré par une anode constituée de deux lignes à retard, placées derrière les galettes de microcanaux, capable de fournir les deux informations temps et position mais d'une façon moins précise. Ce détecteur opérant au kHz permet d'atteindre une résolution spatiale de 100 µm et temporelle de 100 ps.<br />Nous avons étudié la fragmentation induite par collision des petits agrégats d'argon (Ar2+ et Ar3+) avec une cible d'argon atomique dans la gamme des énergies du keV. Toutes les voies de fragmentation : la dissociation induite par collision (CID) et l'échange de charge dissociatif (DCT) sont analysées par la corrélation vectorielle de tous les fragments détectés en coïncidence. En particulier, nous avons montré que le processus DCT dépendait fortement de l'énergie interne initiale de l'agrégat (i.e. du défaut de résonance). La comparaison de diverses observables mesurées en collision Ar2+-Ar et Ar3+-Ar nous a conduit à conclure que les agrégats Ar3+ produits dans notre source ont majoritairement la structure d'un dimère chargé (Ar2+) autour duquel orbite un troisième atome peu lié.

Les futures grandes expériences de l'exploration des lois fondamentales de la Nature (e.g. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l'origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L'encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L'objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D'abord, plusieurs architectures d'un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L'architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu'elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l'architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.

Cette thèse présente de nouveaux développements en détection de particules chargées et traitement tout-numérique d'impulsions pour application à l'analyse avec des faisceaux d'ions rapides (IBA). Un ensemble de 16 détecteurs gravés sur une puce de Si est mis en œuvre, ce qui fournit un angle solide de détection environ 100 fois plus grande que celle des détecteurs utilisés auparavant pour l'IBA. Seize chaines d'acquisition sont également mises en œuvre avec une approche 'tout-numérique' pour le traitement des signaux issus des détecteurs. Dans son ensemble, le système ainsi développé a une résolution en énergie équivalent à celle des détecteurs standards. La considérable quantité d'information ainsi générée est traitée de manière cohérente en ajustant des spectres en énergie simulé aux spectres mesurés grâce à un algorithme de recuit simulé, avec le NDF DataFurnace. Les grandes angles solides disponibles sont exploitées pour des études par rétrodiffusion de Rutherford (RBS) et canalisation d'ions de l'isolant topologique Bi2Se3 enrichi en fer en vue d'études de l'effet thermoélectrique, de spintronique ou encore la computation quantique, ainsi que pour des études par RBS et analyse par réactions nucléaires (NRA) de matériaux pour la photovoltaïque organique, basés sur tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) comme photo-absorbant avec oxydes de métaux de transition pour injection de charge. / This thesis presents new developments in charged particle detection and digital pulse processing for application in analysis with fast ion beams - Ion Beam Analysis (IBA). In particular a charged particle detector array, consisting of 16 independent charged particle detectors on a single silicon chip is implemented giving an overall solid angle of detection around two orders of magnitude greater than the standard charged particle detectors used in IBA. Sixteen parallel data acquisition channels are implemented using a fully digital approach for nuclear pulse processing. The overall system has an energy resolution equivalent to that of standard detectors. The large amount of data generated is handled in a self-consistent way by spectrum fitting with a simulated annealing algorithm via the NDF DataFurnace. The large solid angles thus achieved are exploited in Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and ion channelling studies of the topological insulator Bi2Se3 enriched in Fe, in view of studies of the thermo-electric effect, spintronics and quantum computing, and in RBS and Nuclear Reaction Analysis (NRA) studies of organic photovoltaic materials based on tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) as the photo-absorber and transition metal oxide charge injectors.

Ce travail contribue au programme de recherche et de développement d'un capteur CMOS à pixel qui pourrait satisfaire pleinement les spécifications du nouvel ITS (Inner Tracking System : trajectomètre interne) de l'expérience ALICE. Afin de briser les limites de la CPS de pointe, une technologie CMOS 0.18 µm à quatre puits a été explorée. Les capteurs fabriqués dans cette nouvelle technologie ont montré une meilleure tolérance aux radiations que les capteurs réalisés dans une technologie CMOS 0.35 µm plus ancienne. En outre, cette nouvelle technologie offre la possibilité d’implémenter des transistors de type P dans chaque pixel sans dégrader la capacité de collection de la diode. Il devient donc possible d’intégrer un discriminateur dans chaque pixel et obtenir un pixel à sortie binaire. En conséquence, la consommation sera largement réduite. De plus, le temps de traitement de la ligne peut être potentiellement réduit. Un premier prototype de petite taille, intitulé AROM-0, a été conçu et fabriqué afin d’étudier la faisabilité de la discrimination de signal dans un petit pixel. Dans ce prototype, chaque pixel de surface 22 × 33 µm2 contient une diode de détection, un préamplificateur et un discriminateur à tension d’offset compensée. La performance de bruit des différentes versions de pixels dans le capteur AROM-0 a été évaluée. Ensuite sera détaillé le développement des capteurs AROM-1. Ce sont les capteurs intermédiaires vers le capteur final proposé par notre groupe. Ils ont deux objectifs principaux, l’un est de valider les optimisations de conception du pixel et l’autre est de mettre en place une architecture du capteur évolutive intégrant l’intelligence nécessaire dans le circuit. Cette thèse présente en détail la conception et les résultats de mesure de ces capteurs AROM. / This work is part of the R&D program aimed for a CMOS pixel sensor (CPS) complying with the requirements of the upgrade of the inner tracking system (ITS) of the ALICE experiment. In order break the limitations of the state-of-the-art CPS, a 0.18 µm quadruple-well CMOS process was explored. Besides an enhanced radiation tolerance, with respect to the former sensors fabricated in a 0.35 µm process, the sensor based on this new process allows for full CMOS capability inside the pixel without degradation of the detection efficiency. Therefore, the signal discrimination, which was formerly performed at the column level, can be integrated inside the pixel. As a result, the readout speed and power consumption can be greatly improved as compared to the CPS with column-level discrimination. This work addresses the feasibility study of achieving the signal discrimination withina small pixel (i.e. 22 × 33 µm2), via the prototype named AROM-0. The pixel of AROM-0 contains a sensing diode, a pre-amplifier and an offset compensated discriminator. The noise performance of the various pixel versions implemented in AROM-0 was evaluated. The study was further pursued with the AROM-1 prototypes, incorporating the optimized pixel designs and the necessary on-chip intelligence to approach the final sensor we have proposed for the ALICE-ITS upgrade. This thesis presents in detail the design and the measurement results of these AROM sensors.

Afin de protéger leurs systèmes de détection de l'impulsion électromagnétique géante générée par l'interaction du laser PETAL avec sa cible, les diagnostics de PETAL seront équipés de détecteurs passifs. Pour les ensembles SEPAGE et SESAME, une combinaison d'Imaging Plates (IP) et de couches de protection de matériaux de grand numéro atomique sera utilisée, qui permettra: 1) d'assurer que la réponse des détecteurs sera indépendante de son environnement mécanique proche dans les diagnostics et donc homogène sur toute la détection, 2) de blinder les détecteurs contre les photons de haute énergie produits dans la cible de PETAL. Dans le travail présenté ici, nous avons réalisé des expériences d'étalonnage avec les IPs auprès d'installations générant des électrons, des protons ou des ions, dans le but de couvrir le domaine en énergie cinétique de la détection des particules chargées de PETAL, de 0.1 à 200 MeV. L'introduction a pour but de décrire les méthodes et outils utilisés au cours de cette étude. Le second chapitre présente les résultats de deux expériences réalisées avec des électrons dans le domaine d'énergie cinétique [5-180] MeV. Le troisième chapitre décrit une expérience et ses résultats avec les protons entre 80 et 200 MeV étaient envoyés sur nos détecteurs. Le quatrième chapitre est consacré à une expérience utilisant des protons et des ions entre1 et 22 MeV en énergie de protons et dont l'objectif était l'étude de détecteurs et le test du démonstrateur de SEPAGE. Nous avons utilisé GEANT4 pour l'analyse de nos données et prédire la réponse de nos détecteurs dans le domaine 0.1 à 1000 MeV. / In order to protect their detection against the giant electromagnetic pulse generated by the interaction of the PETAL laser with its target, PETAL diagnostics will be equipped with passive detectors. For SESAME and SEPAGE systems, a combination of imaging plate (IP) detectors with high-Z material protection layers will be used to provide additional features such as: 1) Ensuring a response of the detector to be independent of its environment and hence homogeneous over the surface of the diagnostics; 2) Shielding the detectors against high-energy photons from the PETAL target. In this work, calibration experiments of such detectors based on IPs were performed at electron and proton facilities with the goal of covering the energy range of the particle detection at PETAL from 0.1 to 200 MeV. The introduction aims at providing the reader the methods and tools used for this study. The second chapter presents the results of two experiments performed with electrons in the range from 5 to 180 MeV. The third chapter describes an experiment and its results, where protons in the energy range between 80 and 200 MeV were sent onto detectors. The fourth chapter is dedicated to an experiment with protons and ions in the energy range from 1 to 22 MeV proton energy, which aimed at studying our detector responses and testing the demonstrator of the SEPAGE diagnostic. We used the GEANT4 toolkit to analyse our data and compute the detection responses on the whole energy range from 0.1 to 1000 MeV.

La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits. / This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented.