Le faisceau d’électrons (500 keV, 30 kA, 100 ns) produit par le générateur RKA (Relativistic Klystron Amplifier) est utilisé pour étudier des matériaux soumis à des chocs de basse fluence (< 10 cal/cm²). Leur réponse dépend des caractéristiques du faisceau, principalement en termes d’homogénéité spatiale lors de l’impact. Dans ce but, nous avons utilisé des diagnostics électriques et un diagnostic optique basé sur l’émission Cerenkov. Les photons visibles produits sont détectables par des caméras rapides. Nous avons ainsi pu étudier l’homogénéité du faisceau émis dans la diode sous vide en fonction des matériaux utilisés pour la cathode et pour l’anode, mais aussi pu suivre sa propagation dans une enceinte contenant un gaz à basse pression.Chaque partie de l’installation a été optimisée lors de cette thèse. Nous avons constaté qu’une cathode en velours avec des fibres bien ordonnées était le meilleur émetteur. Une anode d’une dizaine de micromètres d’épaisseur permet de diffuser le faisceau avant qu’il n’impacte la cible, améliorant encore son homogénéité. Ces travaux sur la diode ont été complétés par une étude de la propagation du faisceau dans une enceinte remplie d’air ou d’argon à différentes pressions, avec ou sans focalisation produite par un champ magnétique externe. D’après les résultats expérimentaux, un faisceau d’électrons de 400 keV, 4,2 kA peut être propagé, avec un rayon constant, dans 0,7 mbar d’argon. Enfin, pour interpréter les expériences, des simulations ont été réalisées à l’aide du code Monte Carlo Geant4 pour calculer l’interaction du faisceau avec la cible Cerenkov et l’anode. Au niveau de l’émission et du transport du faisceau, le bon accord obtenu avec les prédictions du code PIC Magic permet d’estimer les distributions des électrons par la simulation et d’initialiser correctement les calculs de réponse des matériaux. / The electron beam (500 keV, 30 kA, 100 ns) of the RKA (Relativistic Klystron Amplifier) generator is used to study materials under shocks at low fluences (< 10 cal/cm²). Their response depends on the beam characteristics at the impact location, mainly in terms of spatial homogeneity. We have used electrical diagnostics as well as an optical diagnostics where the visible photons produced by Cerenkov emission in a silica target are collected by fast cameras. Beam homogeneity has been studied in the vacuum diode as a function of the materials used for the cathode and the anode. Beam propagation and focusing in a chamber filled with a low-pressure gas has also been investigated.Each part of the installation has been optimized during this work. We found that, among the tested materials, a velvet cathode with well-aligned fibers is the best emitter. An anode of thickness about ten micrometers improves the beam homogeneity by scattering of electrons. Next, we focused on beam propagation and focusing in the chamber. For example, a 400 keV, 4.2 kA electron beam can be propagated at constant radius in argon at 0.7 mbar. We performed simulations with the Monte Carlo code Geant4 in order to compute the beam interaction with the Cerenkov target as well as with the anode. Beam emission and propagation were simulated with the PIC code Magic. The good agreement with the experimental results allows us to estimate the electron distributions at any position along the beam path in order to initialize correctly the computation of the beam-material interaction.

L’imagerie TEP repose à l’heure actuelle sur des détecteurs à base de cristaux scintillants ou de semi-conducteurs. Le projet CaLIPSO propose de tirer parti à la fois de l’émission de lumière (par effet Cerenkov) et de l’ionisation du milieu de détection, pour réaliser un détecteur de résolution temporelle et spatiale améliorée. Le milieu de détection, le TriMéthylBismuth liquide à température ambiante, de par sa forte teneur en Bismuth, permet une détection par effet photoélectrique efficace. Cette étude a pour objectif de concevoir et d’optimiser le détecteur optique du projet CaLIPSO, afin de prouver le concept de la détection de photons de 511 keV par effet Cerenkov dans le TMBi, et de caractériser les performances d’un tel détecteur en termes de résolution temporelle et efficacité de détection. Un premier démonstrateur a validé le principe de détection reposant sur l’effet Cerenkov, bien que ses performances soient décevantes. C’est la raison pour laquelle nous avons entrepris un effort d’optimisation en simulation Monte Carlo dans Geant4, afin d’améliorer la collection de la lumière Cerenkov dans le détecteur, et donc son efficacité de détection et sa résolution temporelle. Avant, nous avons mesuré les propriétés optiques du TMBi (indice de réfraction, absorption et diffusion de la lumière), afin d’être capables de modéliser la propagation de la lumière Cerenkov dans le détecteur. Nous avons également optimisé par simulation Monte Carlo l’outil permettant la mesure de résolution en temps, un cristal scintillant de YAP:Ce couplé à un PMT. Cela a permis une mesure plus fine de la résolution temporelle du démonstrateur. A l’issue de ces travaux, nous avons construit un second démonstrateur optique. On mesure alors une efficacité de détection de l’ordre de 32% pour une résolution en temps de 660 ps (FWHM). L’efficacité mesurée prouve que le détecteur est pleinement efficace à détecter les conversions photoélectriques du photon de 511 keV (27% des photons incidents). Plusieurs optimisations technologiques sont proposées pour améliorer la résolution temporelle, et espérer à l’avenir une mesure du temps de vol des photons gamma. / PET detectors are usually based on scintillation crystals or semiconductor materials. The CaLIPSO project aims to build a PET detector working on the double detection of Cerenkov light and pair productions in a novel detection material called TriMethylBismuth. This would allow at the same time an enhanced time resolution (thanks to the Cerenkov signal) and a excellent spatial resolution (thanks to the ionization signal). Liquid TMBi (at room temperature), thanks to its good photo fraction (47%), allows a good detection efficiency, principally by photoelectric effect. In this context, this work aims to design and optimize an optical detector as a proof of concept for the Cerenkov detection of 511 keV gamma photons, and to measure the time resolution and detection efficiency of such a detector. The optical signal based on Cerenkov effect in TMBi has been observed on a first demonstrator, but its performances were clearly inappropriate. So we used a Monte Carlo simulation (Geant4) of the detector in order to model the relevant phenomena and to optimize de detection. It appeared that light collection efficiency in the detector was the most important parameter to optimize so as to improve time resolution and detection efficiency. Before that, we measured TMBi optical properties (refractive index, light absorption and diffusion), in order to model accurately the Cerenkov light propagation in the detector. The tool used for the time resolution measurement is a YAP: Ce scintillator coupled to a PMT. We also needed to optimize this tool in order to allow a more accurate measurement of the detector time resolution. At the end of this work, a second version of the optical demonstrator was built. We measured a detection efficiency of 32%, and a time resolution of 660 ps FWHM. The measured efficiency proved that our detector is fully efficient to detect the photoelectric conversions of the 511 keV photons (27% of the incident photons). Several technological optimizations are proposed to further improve the time resolution, in order to be able to measure the gamma photons’ time-of-flight in the future.