La radiothérapie stéréotaxique est une technique de pointe relativement récente utilisée pour le traitement de tumeurs bénignes ou malignes de petites dimensions employant des mini-faisceaux. L'efficacité clinique de cette technique est prouvée et n'est pas remise en cause, cependant il n'existe pas actuellement de dosimètre véritablement approprié permettant de caractériser ces faisceaux de petites dimensions par des mesures précises de dose absolue et relative. Le problème du manque d'équilibre électronique latéral rencontré en mini-faisceaux entraîne principalement les contraintes suivantes pour le dosimètre : équivalence-eau et petit volume de détection. Les caractéristiques du diamant (faible numéro atomique Z=6, densité élevée d'atomes) en font un candidat idéal. Au cours de cette thèse, nous avons développé un prototype de dosimètre pour mini-faisceaux à partir de diamant monocristallin synthétique CVD. Les échantillons ont été caractérisés optiquement par différentes techniques et leurs propriétés de détection ont été étudiées sous rayonnement X et sous particules ?. Une série de premiers prototypes a été développée et testée sur plusieurs machines de stéréotaxie. Une étape d'optimisation de ces premiers dosimètres diamant a ensuite été réalisée notamment par l'utilisation de simulations Monte Carlo. L'optimisation des différents paramètres entrant en jeu dans la réponse du dosimètre en mini-faisceaux a permis d'aboutir à un prototype final de dosimètre diamant. Ce prototype répond au cahier des charges rédigé par les physiciens médicaux des centres hospitaliers, aussi bien en champs standards qu'en mini-faisceaux. / Stereotactic radiotherapy is a relatively recent technique used for the treatment of small benign and malignant tumors with small radiation beams. The clinical efficiency of this technique has been proved. However, the measurement of absolute and relative dose in small beams is not possible currently due to the lack of suited detectors for these measurements. In small beam dosimetry, the detector has to be as close as possible to tissue equivalence and exhibit a small detection volume due to the lack of lateral electronic equilibrium. Characteristics of diamond (water equivalent material Z=6, high density) make it an ideal candidate to fulfil most of small beam dosimetry requirements. In this thesis, we developed a dosimeter prototype for small beams, based on CVD synthetic single crystal diamond. The diamond samples were characterized optically and their detection properties were investigated under X-rays and alpha-particles. First diamond dosimeter prototypes were tested with small beams produced by several stereotactic machines. Studies using Monte Carlo simulations were performed in order to optimize the parameters involved in the detector response in small beams. This leaded to a final diamond dosimeter prototype that respects all radiotherapy centers requirements, in both standard and small beams.

Le travail présenté dans cette thèse a été effectué au sein de la collaboration internationale LHCb qui a conçue et qui exploite un détecteur pour la physique des particules auprès de l’accélérateur proton-proton, le LHC, au CERN à Genève. Ces travaux concerne l’opération de l’expérience dans son ensemble. Ils ont montré toutes leurs forces pendant la première année de prise de données qui a débutée fin 2009. Ils couvrent plusieurs systèmes qui sont très dépendant les uns des autres. Deux systèmes sont plus particulièrement étudiés. Le premier est en charge de la surveillance des faisceaux, du niveau des bruits de fond et de la luminosité. Le second permet la visualisation, l’analyse et l’optimisation des conditions expérimentales. Ces deux systèmes sont fortement interconnectés. En effet, l’amélioration de la qualité des faisceaux de la machine et la diminution du bruit de fond augmentent le nombre de collisions utiles pour la physique. En même temps, comprendre les paramètres clefs qui gouvernent l’opération de l’expérience permet de les optimiser et d’améliorer la qualité des données collectées. / There are two main central topics in the thesis: the LHCb beam, background and luminosity monitoring systems and the LHCb optimization systems of experimental conditions. These systems are heavily connected to each other, as improving the machine beam, background and luminosity conditions will automatically improve global operation by maximizing the ratio of luminosity recorded over signal background. At the same time, improving the operation of the experiment will help improve luminosity, by studying more accurately the beam and background conditions and therefore improving the LHC machine settings. In this thesis, the systems to accomplish the requirements of these two main topics are described in detail.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du programme de recherche et développement en cours auprès de l'installation européenne ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay) à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay afin de fournir de nouveaux faisceaux de noyaux exotiques riches en neutrons, les plus intenses possibles. La production de tels faisceaux permettra de réaliser des expériences cruciales pour l'avancement de nos connaissances dans le domaine de la physique nucléaire. A ALTO, les noyaux riches en neutrons sont produits par photofission dans des cibles épaisses de carbure d’uranium. Afin d’améliorer les intensités des faisceaux radioactifs, et notamment ceux constitués d'isotopes de vie courte, il est nécessaire de développer des cibles denses et poreuses, deux propriétés a priori antagonistes mais indispensables pour favoriser respectivement la quantité de fragments de fission produits et leur diffusion hors de la cible. Des résultats récents obtenus dans le cadre de projets européens ont démontré la possibilité d'obtenir des faisceaux de noyaux inaccessibles jusqu'à présent, grâce à des cibles réfractaires dotées d'une structure nanométrique. Une étude systématique des paramètres de fabrication (broyage et mélange des poudres précurseurs, pressage, épaisseur, carburation...) a conduit à la mise au point de protocoles de synthèse de cibles nano-structurées. Quatorze types d'échantillons différents ont ainsi été élaborés ; après avoir caractérisé leurs propriétés physico-chimiques, les échantillons ont été irradiés avec un faisceau de deutons délivré par l’accélérateur tandem du laboratoire et les fractions relâchées d'une quinzaine d'éléments ont été mesurées par spectrométrie gamma. L'analyse statistique des résultats, effectuée dans un cadre multidimensionnel, a permis d'établir des corrélations fortes entre les propriétés de relâchement et certaines propriétés structurales, notamment la porosité (quantité et répartition sur des pores de faible dimension), la taille des grains et des agrégats. / This thesis is part of the research and development program performed at the ALTO facility (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay) at the Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO) in order to provide new beams of exotic neutron-rich nuclei, as intense as possible. The production of such beams will allow performing crucial experiments for the advancement of knowledge in the field of nuclear physics. At ALTO, the neutron-rich nuclei are produced by photofission in thick uranium carbide targets. To improve the radioactive beam intensities, in particular those formed by short-lived isotopes, it is necessary to develop dense and porous targets, two properties a priori antagonistic but essential to increase respectively the amount of fission fragments produced and their diffusion out of the target. Recent results obtained in the framework of European projects have demonstrated the possibility to obtain beams of nuclei unreachable up to now using refractory targets with a nanoscaled structure. A systematic study of the manufacturing parameters (grinding and mixing of precursor powders, pressing, thickness, carburization...) led us to develop synthesis protocols of nanostructured targets. Fourteen different samples were produced and their physicochemical properties have been characterized. Then the samples were irradiated with the deuteron beam delivered by the tandem accelerator of the laboratory and the released fractions of about fifteen elements were measured by gamma spectrometry. The statistical analysis of the results, carried out using a multivariate approach, allow us to establish strong correlations between the release properties and some structural properties, namely the porosity (quantity and distribution on small pores), the grain and aggregate size.

L'analyse des écoulements au sein des faisceaux d'assemblages constitue un volet important des études des réacteurs à eau pressurisée. Une mauvaise répartition thermique au sein de ces écoulements peut conduire à une crise d'ébullition nuisible à la sûreté du réacteur. De nombreuses études ont montré l'existence de phénomènes de réorganisation de structures aux grandes échelles dans ces écoulements. Cette thèse vise à améliorer notre compréhension de ces phénomènes, l'objectif étant de développer des modélisations aux petits échelles adaptées. Un travail bibliographique a mis en évidence les difficultés rencontrées par les simulations pour reproduire ces phénomènes, ainsi que de nombreux questionnements concernant leur caractère physique. Des simulations 3D ont été réalisées et ont permis d'identifier deux mécanismes de réorganisation pour les structures aux grandes échelles : un changement de signe de la vitesse transverse entre les crayons ou du tourbillon dans un sous-canal. Il est apparu qu'il semblait pertinent d'adopter l'hypothèse de Taylor pour considérer que les grandes structures 3D évoluaient comme un écoulement 2D transporté. Un gros volet de la thèse a concerné la mise en œuvre d'un code basé sur une méthode statistique pour un champ 2D dans le but de déterminer les états thermodynamiquement stables dans des géométries avec obstacles. Des similarités ont été obtenues entre les structures en REP et les états stables en 2D. Des simulations 2D ont permis d'identifier deux bifurcations possibles pour l'écoulement, qui présentent un parallèle avec les mécanismes de réorganisations 3D, et permettent ainsi de poser les bases d'une explication physique du phénomène / The analysis of fuel rod bundle flows constitute a key element of pressurized-water reactors safety studies. Indeed, an insufficient flow thermal mixing can lead to a boiling crisis, which is nefarious for the reactor safety. Numerous studies have shown the existence of reorganisation phenomena in the flow large-scale structures. This thesis work aims at improving our understanding of these phenomena, with the long-term goal of developing small-scales models suited for this type of flow. A bibliographic study has brought to light the challenges faced by simulations attempting to capture these phenomena, as well as various questions regarding their physical meaning. 3D simulations have been performed in order to study this flow ; they allowed to identify two reorganisation mechanisms for the large-scale structures consisting in a sign change for either a transverse velocity in rod-to-rod gaps or for a subchannel vortex. It appeared relevant to adopt a Taylor hypothesis in order to consider the evolution of large-scale 3D structures as transported-2D. A statistical method has then been applied to the 2D field in order to determine its thermodynamically-stable states in geometries with obstacles using the resolution of an optimization problem with a numerical calculation tool. Interesting similarities have been obtained between the PWR coherent structures and the stable states in a simplified 2D geometry. Further, 2D numerical simulations allowed to identify two different possible flow bifurcations. A parallel is drawn between these bifurcations and the two reorganizations observed in 3D simulations, laying the foundations for a physical explanation of this phenomenon

Les axicons ont mené à de nombreux articles dans la littérature depuis l'invention de ce terme. Toutefois, ce n'est que récemment que les axicons coniques sont devenus populaires et fréquemment utilisés en laboratoire. Ces éléments, le plus souvent de profil conique, sont généralement fabriqués en verre, ce qui rend impossible de varier l'angle du cône, paramètre le plus critique dans la formation du faisceau de Bessel. Gagner ce degré de liberté permettrait de varier la taille et la longueur du faisceau de Bessel dynamiquement. Cela ouvrirait la porte à de nouvelles applications et permettrait de faire plusieurs expériences en n'achetant qu'un seul axicon. Le miroir déformable ferrofluidique sur lequel notre groupe de recherche travaille depuis plusieurs années pourrait générer un tel axicon en réflexion. Contrairement aux autres miroirs déformables sur le marché, ce miroir atteint de grandes amplitudes de déformations et ne génère pas d'hystérésis, ce qui explique pourquoi les miroirs déformables conventionnels n'ont pas déjà conduit à un axicon déformable satisfaisant. Ce mémoire détaille un peu de théorie utile, mais surtout les simulations et les expériences qui ont mené au résultat final. Nous avons produit un axicon conique en réflexion dont l'angle varie de 0.004 à 0.157 degré. Il est donc possible de faire un axicon dont l'angle varie linéairement et de façon continue en utilisant un miroir déformable ferrofluidique. Des travaux futurs pourront agrandir la plage d'angles atteinte par le miroir et peut-être produire d'autres formes d'axicon variable comme des axicons elliptiques ou logarithmiques.

La distribution par fibre optique de signaux de type « ultra-wideband (UWB)» requiert le développement de nouvelles technologies photoniques qui seront le sujet d'étude de cette thèse. Nous commençons avec un démonstration expérimentale d'une technique de sculpture d'impulsions qui offre une solution économique et à faible consommation de puissance pour les systèmes UWB . Dans cette étude, nous procédons à l'apodisation de deux réseaux Bragg identiques avec une variation de période linéaire qui sont placés aux deux entrées d'un photodétecteur balancé. L'apodisation est réalisée par l'application d'un profile de température à l'aide d'éléments résistif de petite dimensions, ce qui permet une consommation énergétique réduite et une bonne résolution spectrale. Le filtrage spectral d'une source laser puisée suivi d'une conversion fréquence-temps par propagation dans une fibre optique standard permet de générer une impulsion UWB efficace d'un point de vue énergétique pour les communications à courte portée dans la bande spectrale de 3 a 10 GHz. Dans un deuxième temps, pour générer des signaux passe-bande à haute fréquence, nous avons utilisé un laser puisé à commutation de gain. Après la conversion optique/électrique des impulsions en utilisant des filtres optiques et RF appropriés, nous réussissons à générer des signaux large bande dans des bandes spectrales ayant des fréquences centrales de 25, 35 et 45 GHz. Nous examinons diverses configurations de filtres permettant cette conversion selon qu'il y ait ou non transmission dans une fibre optique. Finalement, nous démontrons la détection de signaux RF dans le domaine optique par le design et la fabrication de filtres adaptés. Notre récepteur utilise un modulateur de Mach-Zehnder pour faire la conversion électrique-optique et des filtres à base de réseau de Bragg comme filtres adaptés. Nous examinons la performance du récepteur pour deux conditions de polarisation différentes du Mach-Zehnder. Nous avons conçu des filtres adaptés pour ces deux cas et nous discutons de la performance résultant.

Cette thèse évalue le potentiel des alliages AlGaNAs en tant que couche active pour la quatrième jonction à ~1 eV de cellules photovoltaïques multi-jonctions III-V. L’introduction d’une faible quantité d’aluminium (Al, <15%) augmente de façon significative l’efficacité d’incorporation de l’azote (N), tout en distribuant de façon plus homogène les atomes de N dans la couche, réduisant aussi la densité d’agrégats. Une optimisation de la température de croissance démontre que la région optimale se situe entre 400°C et 440°C. Dans cette gamme, la concentration de N est maximisée tandis que la qualité cristalline de la couche épitaxiée est optimisée tout en préservant un mode de croissance 2D et une faible rugosité de ~1 nm. La bande interdite des alliages d’AlGaNAs est mesurée par transmission optique. Ces mesures révèlent que l’AlGaNAs suit le modèle théorique du modèle de croisement de bandes, ou band anticrossing et que son bandgap diminue quand la concentration de N augmente. La bande interdite est réduite jusqu’à ~1.22 eV pour des concentrations respectives d’Al et de N de ~15% et ~3.4%. Les défauts présents dans le GaNAs avec ~0.4% de N sont étudiés, révélant trois défauts peu profonds à 116, 18 et 16 meV, attribués à des contaminations en H et en C, et deux pièges profonds à 0.21 eV et 0.35 eV, attribués à des complexes N-H et à des antisites AsGa respectivement. Les mesures électriques de l’AlGaNAs démontrent que le recuit améliore la mobilité des trous et des valeurs de ~60 cm2/Vs avec ~5% d’Al et ~0.5% de N et ~6 cm2/Vs avec ~10% d’Al et ~2% de N sont obtenues. Les mesures optiques de photoluminescence obtenues sur des couches d’AlGaNAs crues sur un substrat de GaAs semi-isolent de 65 µm d’épaisseur révèlent un pic à ~920 nm attribué a un défaut radiatif qui ne semble pas être affecté par un changement dans la concentration d’Al ou de N, ni même par un recuit. Des mesures SIMS révèlent la présence de contaminants C, H et O dans les couches, qui dégradent les performances optoélectroniques des alliages AlGaNAs. Cette thèse démontre le bon potentiel de l’AlGaNAs pour les cellules photovoltaïques. Il est toutefois important de réduire la concentration de contaminants dans la couche pour obtenir un matériau adéquat.

Le mélange d'onde dans un matériau laser solide placé en inversion de population permet d'enregistrer un hologramme de population qui est à la fois un hologramme de gain et un hologramme d'indice. Ce travail présente tout d'abord une étude fine des variations d'indice de réfraction d'origine électronique qui sont dues à une variation de polarisabilité des ions lorsqu'ils sont promus de l'état fondamental à l'état excité. Une partie de cet effet provient de la présence de bandes UV intenses, un effet qui est donc purement dispersif aux longueurs d'ondes de la transition laser. Nous avons évalué la variation de polarisabilité non résonante des ions Nd3+ et Yb3+ dans les principales matrices lasers et nous avons étudié la nature des transitions optiques à l'origine des variations d'indice observées. Nous avons ensuite exploité les résultats pour prédire le potentiel de ces matériaux laser dans le cadre d'un mélange à deux ondes non-dégénéré pour des longueurs d'ondes situées au voisinage de la transition laser. Ce modèle a été validé expérimentalement dans une fibre cristalline de YAG :Nd3+. L'étude du transfert d'énergie d'un faisceau vers un autre présente un grand intérêt pour des applications telles que la mise en phase de N lasers à fibres et l'interférométrie auto-adaptative. Par ailleurs, un laser auto-adaptatif pompé par diodes laser a été réalisé permettant l'obtention de forte énergie par impulsion. Il présente des performances en terme d'efficacité qui sont tout à fait comparables avec celles des lasers conventionnels avec des avantages supplémentaires tels que la bonne qualité de faisceau, l'aspect mono-fréquence et l'auto-déclenchement de l'impulsion.

Depuis plusieurs années, des travaux ont été menés avec succès par le laboratoire LAME de l'UPS et le DEMR de l'ONERA sur le formalisme des faisceaux gaussiens pour modéliser l'interaction d'une onde électromagnétique avec un ensemble antenne-radôme. Ce formalisme est basé sur l'utilisation de faisceaux élémentaires gaussiens et a pour principal avantage l'obtention d'une expression analytique des champs électromagnétiques. Toutefois, ce modèle devait être complété par la description du champ électromagnétique rayonné par des discontinuités éclairées par un faisceau gaussien et par le traitement des surfaces de fortes courbures. \\ <br /><br /><br />Pour traiter le cas de la diffraction, l'utilisation de la méthode spectrale de la diffraction permet d'exprimer sous forme intégrale le champ diffracté par un objet canonique, par exemple un demi-plan conducteur, lorsqu'il est éclairé par un faisceau gaussien. L'approximation de l'optique physique permet d'obtenir une expression approchée analytique des champs rayonnés en 3D par des surfaces conductrices finies rectangulaires éclairées par un faisceau gaussien. Pour les surfaces de forte courbure et éclairées sous forte incidence, les faisceaux gaussiens conformes permettent de calculer analytiquement les champs lointains rayonnés. Afin de pouvoir traiter les interactions électromagnétiques (réflexions et transmissions) entre un faisceau gaussien conforme et une paroi diélectrique, le spectre d'ondes planes d'un faisceau gaussien conforme a été formulé. <br /><br /><br />Ces techniques ont été implémentées et validées sur différents cas tests canoniques. Les résultats théoriques ont été confrontés à des mesures en chambre anéchoïque ainsi qu'à plusieurs méthodes numériques. Les résultats obtenus montrent que les faisceaux gaussiens permettent de décrire une grande variété de problèmes électromagnétiques, des interactions antennes-radômes à la propagation sur de longues distances en présentant un bon compromis entre précision et temps de calcul.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse s'inscrivent dans la problématique de localisation en temps réel d'une caméra par vision monoculaire. Dans la littérature, il existe différentes méthodes qui peuvent être classées en trois catégories. La première catégorie de méthodes considère une caméra évoluant dans un environnement complètement inconnu (SLAM). Cette méthode réalise une reconstruction enligne de primitives observées dans des images d'une séquence vidéo et utilise cette reconstruction pour localiser la caméra. Les deux autres permettent une localisation par rapport à un objet 3D de la scène en s'appuyant sur la connaissance, a priori, d'un modèle de cet objet (suivi basé modèle). L'une utilise uniquement l'information du modèle 3D de l'objet pour localiser la caméra, l'autre peut être considérée comme l'intermédiaire entre le SLAM et le suivi basé modèle. Cette dernière méthode consiste à localiser une caméra par rapport à un objet en utilisant, d'une part, le modèle de ce dernier et d'autre part, une reconstruction en ligne des primitives de l'objet d'intérêt. Cette reconstruction peut être assimilée à une mise à jour du modèle initial (suivi basé modèle avec mise à jour). Chacune de ces méthodes possède des avantages et des inconvénients. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous proposons une solution unifiant l'ensemble de ces méthodes de localisation dans un unique cadre désigné sous le terme de SLAM contraint. Cette solution, qui unifie ces différentes méthodes, permet de tirer profit de leurs avantages tout en limitant leurs inconvénients respectifs. En particulier, nous considérons que la caméra évolue dans un environnement partiellement connu, c'est-à-dire pour lequel un modèle (géométrique ou photométrique) 3D d'un objet statique de la scène est disponible. L'objectif est alors d'estimer de manière précise la pose de la caméra par rapport à cet objet 3D. L'information absolue issue du modèle 3D de l'objet d'intérêt est utilisée pour améliorer la localisation de type SLAM en incluant cette information additionnelle directement dans le processus d'ajustement de faisceaux. Afin de pouvoir gérer un large panel d'objets 3D et de scènes, plusieurs types de contraintes sont proposées dans ce mémoire. Ces différentes contraintes sont regroupées en deux approches. La première permet d'unifier les méthodes SLAM et de suivi basé modèle, en contraignant le déplacement de la caméra via la projection de primitives existantes extraites du modèle 3D dans les images. La seconde unifie les méthodes SLAM et de suivi basé modèle avec mise à jour en contraignant les primitives reconstruites par le SLAM à appartenir à la surface du modèle (unification SLAM et mise à jour du modèle). Les avantages de ces différents ajustements de faisceaux contraints, en terme de précision, de stabilité de recalage et de robustesse aux occultations, sont démontrés sur un grand nombre de données de synthèse et de données réelles. Des applications temps réel de réalité augmentée sont également présentées sur différents types d'objets 3D. Ces travaux ont fait l'objet de 4 publications internationales, de 2 publications nationales et d'un dépôt de brevet.