The beta dose distributions in red bone marrow equivalent material due to imbedded continuous sources were measured experimentally with ultra thin LiF thermoluminescent dosimeters near planar interfaces of cortical bone (CB) and red bone marrow (RBM), and RBM and air. It has been also investigated numerically by Cyltran, the Monte Carlo code. In the Monte Carlo approach, the dose enhancement ratio for a planar CB-RBM interface increases with electron energy and reaches a plateau at 0.50 MeV while the dose reduction ratio for a planar vacuum-RBM interface decreases to a steady value from 1.00 MeV onwards. With a semi-infinite source of 32P, dose enhancement ratios at 0-9, 79-88, and 157-166 mg/cm2 separations from a planar CB-RBM interface were measured to be 1.07±0.01, 1.03+0.03 and 0.99+0.03 respectively. The dose reduction ratios at these separations from a planar AIR-RBM interface were found to be 0.82±0.01, 0.94+0.03 and 0.97+0.03 respectively. Both the dose enhancement ratios and dose reduction ratios agree with the results calculated by the Monte Carlo approach within one standard deviation except for the dose reduction ratio at 0-9 mg/cm2 from the AIR-RBM interface. The experimental result in this case is about three standard deviations less than the Monte Carlo results. Using the same Monte Carlo code, the dose enhancement ratio at 0-20 micron separation from a planar CB-RBM interface due to a point or plane source of 0.50 MeV electrons at the interface reaches saturation at approximately 0.22 times the CSDA range of 0.5 MeV electron in CB for both plane and point source configurations. The saturation dose enhancement ratio for both configurations is 1.06±0.01. / Thesis / Master of Science (MS)

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Since the discovery of X-rays over a century ago the techniques applied to the engineering of X-ray sources have remained relatively unchanged. From the inception of thermionic electron sources, which, due to simplicity of fabrication, remain central to almost all X-ray applications at this time, there have been few fundamental technological advances. The emergence of new materials and manufacturing techniques has created an opportunity to replace the traditional thermionic devices with those that incorporate Field Emission electron sources. One of the most important attributes of Field Emission X-ray sources is their controllability, and in particular the fast response time, which opens the door to applying techniques which have formerly been the preserve of optical systems. The work in this thesis attempts to bridge the gap between the fabrication and optimisation of the vacuum electronic devices and image processing aspects of a new approach to high speed radiographic imaging, particularly with a view to addressing practical real-world problems. Off the back of a specific targeted application, the project has involved the design of a viable field emission X-ray source, together with the development of an understanding of the failure modes in such devices, both by analysis and by simulation. This thesis reviews the capabilities and the requirements of X-ray sources, the methods by which nano-materials may be applied to the design of those devices and the improvements and attributes that can be foreseen. I study the image processing methods that can exploit these attributes, and investigate the performance of X-ray sources based upon electron emitters using carbon nanotubes. Modelling of the field emission and electron trajectories of the cathode assemblies has led me to the design of equipment to evaluate and optimise the parameters of an X-ray tube, which I have used to understand the performance that is achievable. Finally, I draw conclusions from this work and outline the next steps to provide the basis for a commercial solution.

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This thesis describes design, development and testing work on a plasma cathode electron beam gun as well as plasma diagnosis experiments and Electron Beam (EB) current measurements carried out with the aim of maximising the power of the EB extracted and optimising the electron beam gun system for material processing applications. The elements which influence EB gun design are described and put into practice in a thermionic EB gun case study. The relevant principles of plasma EB gun systems, such low-temperature, low-pressure, RF excitation, are described along with the test rigs developed to investigate different plasma cathode configurations. The first experimental setup was for optical spectroscopy measurements of the light emitted from the plasma and the second included current measurements from EBs generated at –30 and –60 kV as well as the spectroscopic measurements. Comparison of EB current measurements with different plasma cathode configurations and correlation with spectroscopic measurements are presented. The maximum current extracted from the Radiofrequency (RF) gun was 38 mA at –60 kV using a hollow cathode geometry and permanent magnets for electron confinement. The RF gun was compared to a Direct Current (DC) gun which generated higher currents. This was reflected in the spectra which indicated a higher ionisation level than in the RF plasma. Simulation work carried out using Opera-2d to model beam trajectories indicated that the beam shape is largely influenced by the plasma boundary. Particle In Cell (PIC) simulations of a parallel plate RF plasma cathode demonstrated that higher excitation frequencies produced higher ionisation, however the RF sheaths were larger and thus the current extracted may be limited in practice due to fewer electrons being available near the aperture. The sheath thickness decreased in the simulations as the discharge gap was increased. RF plasma also produced larger currents from larger plasma chambers.

Depuis les années 1975, les atomes de Rydberg sont étudiés et maintenant utilisés en information quantique pour leurs propriétés particulières d’interaction. Cependant, ces objets physiques peuvent se retrouver impliqués dans différentes autres applications, où leurs caractéristiques remarquables en font de parfaits outils. Dans ce mémoire, nous nous intéresserons à deux applications distinctes faisant intervenir des atomes de Rydberg de césium. Tout d’abord, nous verrons comment utiliser de tels atomes pour produire une source d’électrons monocinétiques, grâce au mécanisme d’ionisation singulier de ce type d’atomes à une valeur précise de champ électrique dépendante du niveau d’excitation. Les électrons ainsi produits sont ensuite extraits et leur dispersion en énergie mesurée. On montrera notamment de façon théorique et d’après les premières mesures expérimentales réalisées pendant la thèse, que l’on peut espérer obtenir une dispersion en énergie des électrons produits par cette technique de l’ordre du meV, résolution jamais atteinte à ce jour. Ce type de source devient aujourd’hui un outil indispensable pour accéder à la mise au point et l’étude de nouveaux matériaux par contrôle de réactions chimiques à l’échelle moléculaire, et à la cartographie des phonons. Dans un second temps, nous verrons qu’il est possible de désexciter un nuage d’atomes de Rydberg de niveaux variés grâce à une source externe dans le domaine térahertz. Ce projet s’inscrit dans le cadre des expériences d’étude de l’antimatière menées actuellement au CERN, qui visent à élucider le mystère de l’asymétrie matière/antimatière. Les méthodes actuelles de production de l’antihydrogène, forment des nuages de ces anti-atomes dans différents états de Rydberg. Pour les étudier, il est alors nécessaire de désexciter le plus d’atomes d’antihydrogène possible vers le niveau fondamental. Nous présenterons la méthode envisagée, ainsi que les résultats obtenus expérimentalement sur un dispositif créé pendant la thèse pour montrer la faisabilité de la technique. Ces premiers résultats montrent qu’il est possible d’accélérer la désexcitation d’un atome de Rydberg sur un état très élevé grâce à une lampe se comportant comme un corps noir. Nous détaillerons les améliorations envisagées, en particulier pour adapter le spectre des fréquences THz à utiliser et empêcher la photoionisation des atomes, par des filtres ou par le façonnage spectral via l’utilisation d’un photomixer. / Since 1975, Rydberg atoms have been studied and now used in quantum information for their particular interaction properties. However, these physical objects can be involved in various other applications, where their remarkable characteristics make them perfect tools. In this paper, we will focus on two distinct applications involving cesium Rydberg atoms. First, we will see how to use such atoms to produce a source of monocinetic electrons, thanks to the singular ionization mechanism of this type of atoms at a precise value of electric field dependent on the excitation level. The electrons thus produced are then extracted and their energy dispersion measured. Theoretically and according to the first experimental measurements made during the thesis, we will show that we can hope an energy dispersion of the electrons produced by this meV technique, a resolution never reached before. Today, this type of source is becoming an indispensable tool for the development and study of new materials by molecular scale chemical reaction control and for phonon mapping. In a second step, we will see that it is possible to de-energize a cloud of Rydberg atoms of various levels thanks to an external source in the tera-hertz domain. This project is part of the ongoing anti-matter experiments at CERN, which aim to unravel the mystery of the matter/anti-matter asymmetry. The current methods of production of antihydrogen, forms clouds of these anti-atoms in different Rydberg states. To study them, it is then necessary to de-energize as many antihydrogen atoms as possible to the fundamental level. We will present the method envisaged, as well as the results obtained experimentally on a device created during the thesis to show the feasibility of the technique. These first results show that it is possible to accelerate the deenergization of a Rydberg atom on a very high state thanks to a lamp behaving like a black body. We will detail the improvements envisaged, in particular to adapt the spectrum of the THz frequencies to use and prevent the photoionization of atoms, by filters or by spectral shaping via the use of a photomixer.

Ce manuscrit de thèse décrit le développement d'un faisceau d'électrons intense et bref qui s'insère dans le cadre de la recherche sur les propriétés nucléaires de la matière au sein des plasmas chauds et denses. Afin d'obtenir un tel faisceau, une nouvelle source a été imaginée, dont le principe est basé sur l'extraction des électrons d'un plasma produit par une impulsion laser intense. La caractérisation du plasma produit par laser lors de son expansion fait l'objet d'une première partie expérimentale de ce manuscrit. Ensuite, une différence de potentiel électrique de l'ordre de quelques kV appliquée sur le plasma lors de son expansion montre que l'extraction des électrons est un processus dynamique. Ces observations expérimentales sont validées par des études numériques à l'aide du code de simulation Particle-In-Cell "XOOPIC". Enfin, les distributions en surface et en énergie des électrons extraits du plasma sont déterminées expérimentalement et numériquement tout au long de l'expansion du plasma, ce qui fait l'objet d'une ultime partie de ce manuscrit. Pour cela, un détecteur de type Faraday Cup est utilisé. Une analyse de l'intensité d'émission du courant d'électrons via un modèle numérique met en évidence la présence d'un pré-plasma fournissant un champ électrique extracteur supplémentaire. / This Ph.D thesis describes the development of an intense and brief electron beam and forms part of the research on the nuclear properties of matter in hot and dense plasmas. In order to obtain such a beam, a new source has been created, the principle is based on the extraction of electrons from a plasma produced by an intense laser pulse. The characterization of the laser-produced plasma during its expansion is the subject of a first experimental part of this thesis. Then, an electrical potential of the order of a few kV applied to the plasma during its expansion shows that the extraction of the electrons is a dynamic process. These experimental observations are validated by numerical studies using Particle-In-Cell simulation code "XOOPIC". Finally, the surface and energy distributions of the electrons extracted from the plasma are determined experimentally and numerically throughout the plasma expansion, which is the final part of this thesis. For this, a Faraday Cup type detector is used. An analysis of the emission intensity of the electron current with a numerical model shows the presence of a pre-plasma providing an additional extracting electric field.

Ce travail de thèse expérimental traite de la caractérisation et de l'optimisation de sources d'électrons et de photons (gamme en énergie keV- MeV) produites lors de l'interaction d'un laser à impulsion courte et intense avec une cible à l'état de plasma. La caractérisation en énergie et angulaire de ces sources est un enjeu d'importance, notamment dans la perspective de les utiliser pour des expériences de physiques nucléaires dans les plasmas. Une partie de ce travail est consacrée à l'étude des écrans photostimulables (IPs), détecteurs couramment utilisés pour la mesure des distributions en énergie et angulaire des faisceaux de particules accélérées par laser. Les caractéristiques des écrans de type MS, SR et TR de la marque Fuji ont été étudiés et leurs fonctions de réponse aux électrons, photons, protons et particules alpha sont établies dans une gamme en énergie de quelques kev à plusieurs MeV. Enfin un protocole est proposé pour réaliser des mesures quantitatives avec ces détecteurs dans différentes configurations expérimentales.Dans une seconde partie, une source d'électrons produite avec l'installation ELFIE du LULI dans la gamme en énergie de l'ordre du MeV a été caractérisée et optimisée en faisant varier l’extension spatiale du pré-plasma dans lequel interagi le laser intense. En particulier nous montrons que plus de 1011 électrons de plus de 10 MeV sont accélérés lors de l’interaction laser- plasma pour des conditions particulières d’extension longitudinale du pré-plasma en amont, mais aussi en aval de la cible.Dans une dernière partie, une source de photons produite à haute cadence avec le laser AURORE du CELIA est étudiée dans une gamme en énergie d'une dizaine de keV. L’originalité de la source réside dans la nature de la cible qui est du gallium à l'état liquide. Nous montrons en particulier que l'énergie moyenne et le nombre des photons peuvent être optimisés en créant des jets de gallium à la surface de la cible au moyen d'une pré-impulsion laser. Une interprétation physique du phénomène est proposée s’appuyant sur des simulations numériques. / This work takes place in the framework of the characterization and theoptimization of laser-driven electron and photon sources. With the goal of usingthese sources for nuclear physics experiments, we focused on 2 energy ranges:one around a few MeV and the other around a few tens of keV. The first partof this work is thus dedicated to the study of detectors routinely used forthe characterization of laser-driven particle sources: Imaging Plates. A modelhas been developed and is fitted to experimental data. Response functions toelectrons, photons, protons and alpha particles are established for SR, MS andTR Fuji Imaging Plates for energies ranging from a few keV to several MeV. Thesecond part of this work present a study of ultrashort and intense electron andphoton sources produced in the interaction of a laser with a solid or liquid target.An experiment was conducted at the ELFIE facility at LULI where beams ofelectrons and photons were accelerated up to several MeV. Energy and angulardistributions of the electron and photons beams were characterized. The sourceswere optimized by varying the spatial extension of the plasma at both the frontand the back end of the initial target position. In the optimal configuration ofthe laser-plasma coupling, more than 10exponent11 electrons were accelerated. In the caseof liquid target, a photon source was produced at a high repetition rate on anenergy range of tens of keV by the interaction of the AURORE Laser at CELIA(10exponent16 W cm exponent-2) and a melted gallium target. It was shown that both the meanenergy and the photon number can be increased by creating gallium jets at thesurface of the liquid target with a pre-pulse. A physical interpretation supportedby numerical simulations is proposed.

La compréhension de la dynamique du transport électronique dans des conducteurs balistiques et cohérents est indispensable à la réalisation d’expériences d’optique électronique ou de calcul quantique à partir de « flying qu-bits ». La première étape est de pouvoir injecter en régime d’effet Hall quantique un électron dans la mer de Fermi sans excitation supplémentaire : un léviton, dont les propriétés remarquables ont été expérimentalement démontrées sans champ magnétique [1], ainsi que contrôler sa trajectoire à l’aide d’interrupteurs quantiques. Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé l’étape préliminaire qui valide la possibilité de créer des lévitons en régime d’effet Hall Quantique : cela consiste à démontrer la validité de la théorie de bruit photo-assisté dans ce régime, en utilisant une excitation sinusoïdale et monochromatique, plus simple et plus contrôlée, que celle conduisant aux lévitons. En outre, nous avons étudié lors de la thèse le phénomène physiquement relié de l’interrupteur quantique élémentaire, qui est l’ouverture et la fermeture très soudaine d’un canal de conduction élémentaire. Ce phénomène, qui pose la question fondamentale « Que se passe-t-il lorsque que la mer de Fermi est spatialement coupée en deux ? », génère un bruit intrinsèque de charge [2] que nous avons mis en évidence et donne une mesure théorique de l’entropie d’intrication quantique.[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, and D. C. Glattli. minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons. Nature, 502(7473), October 2013.[2] Israel Klich and Leonid Levitov, Phys. Rev. Lett. 102, 100502 (2009) / The study of dynamic electronic transport in ballistic coherent conductor is required for the implementation of electron quantum optics experiments or the quantum computation by using “flying qu-bits”. The first step is to be able to inject in the quantum Hall effect a single electron without any additional excitations in the conductor: a Leviton, whose remarkable properties have been experimentally observed without magnetic field [1], and to control its trajectory thanks to a quantum switch. During this thesis, we confirmed the possibility to implement a leviton in the quantum Hall effect, by demonstrating the validity of the photo-assisted shot-noise theory in this regime: we use a sine excitation which is simpler to implement than a lorentzian excitation required for Levitons. We also studied a new effect described by the photo-assisted theory: a quantum switch, which is the sudden closing and opening of an elementary channel of conduction. This generates an intrinsic charge noise [2] that we have evidenced and enable us to answer the general question: “What are the effects of a spatial separation of the Fermi sea?”. Furthermore, this charge noise provides a theoretical measurement of the entanglement entropy.[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, and D. C. Glattli. minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons. Nature, 502(7473), October 2013.[2] Israel Klich and Leonid Levitov, Phys. Rev. Lett. 102, 100502 (2009)

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