Neste trabalho foi realizado um estudo da influencia das composições dos materiais de blindagem e variações nos espectros emitidos por equipamentos de raios X através da utilização de um programa computacional que utiliza a técnica de Monte Carlo. Foi determinada a fluência de fótons depois das blindagens, com geometrias realísticas de feixe primário, para espectros de energias utilizados na prática da radiologia diagnóstica, gerando, dessa maneira, um banco de dados representativos da transmissão média e fluência para os materiais estudados. Com o método proposto, busca-se analisar a influencia da composição da argamassa baritada, e do concreto em curvas de transmissão, bem como sua influencia na determinação da espessura de blindagem, e a influencia da alteração das características do espectro da radiação X na transmissão de fótons. A metodologia desse trabalho foi realizada em duas etapas distintas: a análise com dados de fluência e da transmissão com espectros monoenergéticos e polienergéticos, mantendo-se as mesmas configurações das geometrias internas de simulação, como por exemplo, a filtração total, o ripple e o ângulo efetivo do feixe, mas considerando um material de blindagem para o espectro monoenergético e três materiais para o espectro polienergético; a intercomparação entre o mesmo material de blindagem, através da alteração da filtração total, do ripple, e do ângulo de voo da geometria interna de simulação. Como resultado, foi possível analisar os dados simulados, apresentando diferenças aparentemente significativas entre os dados das transmissões médias de fótons, devido às diferentes composições, mas estas diferenças não são significativas a ponto de influenciarem nas estimativas das espessuras das blindagens na construção civil. Este trabalho também apresenta um banco de dados contendo as fluências de radiação X, depois das blindagens para as diferentes configurações de feixe e materiais da parede, e um banco de dados contendo as curvas e suas equações de ajuste das curvas de transmissão para os diferentes materiais estudados. A avaliação da alteração da transmissão em função de variações no espectro de emissão de radiação X demonstrou grande importância para a influencia destes fatores na formação do espectro. As alterações nas composições do espectro, devido às variações da filtração total de alumínio, aumentaram o poder de penetração no material absorvedor e em sua energia média do feixe. As mudanças na composição do espectro devido a alterações do ângulo de inclinação do anodo e do ripple, evidenciaram seu grau de influencia nas estimativas das curvas de transmissão de fótons X, onde o aumento do ângulo efetivo e do ripple no espectro aumenta a participação de fótons de baixa energia, e diminui a energia média do feixe e a camada semirredutora, tendo uma participação diferenciada na formação da imagem radiográfica. Trabalhos futuros poderão ser realizados com simulações de maior número de pontos de espessuras e de histórias, possibilitando uma melhor estatística dos dados simulados, minimizando assim os erros relativos. Além disso, sugere-se que esse método seja aplicado a diferentes materiais e composições de materiais utilizados na construção de blindagens, com o intuito de gerar um banco de dados que auxilie na proteção radiológica na área da radiologia geral. / This work presents a study of the influence of the compositions of shielding materials and variations in the spectra emitted by X-ray equipment by using a computer program that uses the Monte Carlo technique. The flux of photons was determined after the shielding material, with realistic geometries of the primary beam energy spectra used in the practice of diagnostic radiology, generating in this way, a database representative of the average transmission and fluence for the materials studied. With the proposed method, we seek to analyze the influence of barium composition of the mortar, and concrete transmission curves and their influence in determining the shielding thickness, and the influence of altering the characteristics of the radiation spectrum in the transmission of X photons. The methodology of this study was conducted in two stages: analysis with data streaming and transmission spectra with monoenergetic and polienergetics beams, keeping the same settings of the internal geometry of the simulation, for example, the total filtration, the ripple and the effective angle beam, although considering a shielding material for the monoenergetic spectrum and three materials for the polienergetic spectrum; the intercomparison between the same shielding material by changing the total filtration, ripple, and the angle of flight of the internal geometry simulation. As a result it was possible to analyze the simulated data, presenting among mean transmission data of photons, due to different compositions, but these differences are not significant enough to influence the thicknesses of shielding estimation used in the construction industry. This work also presents a database containing the fluence of X-irradiation, the shielding for the various beams and wall materials, and a database containing the curves and their equations to fit the curves of transmission for different materials studied. The evaluation of the change in transmission due to variations in the emission spectrum of X-rays showed great importance on the influence of these factors in the formation of the spectrum. Changes in the composition of the spectrum, due to variations in the total aluminum filtration, increased the power of penetration into the absorbing material and its average energy. Changes in the composition of the spectrum due to changes in the angle of the anode and the ripple, showed their influence in the estimation of transmission curves of X-photons, where the increase in the effective angle and ripple in the spectrum increases the participation of low energy photons, and decreases the average energy of the beam and half-value layer, and a differentiated participation in the formation of radiographies. Future work will be carried on simulations of many points of thicknesses and stories, allowing a better statistical analysis of simulated data, thus minimizing the relative errors. Moreover, it is suggested that this method be his applied to different materials and compositions of shielding materials in order to generate a database to assist in radiological protection in the field of general radiology.

Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons niques electron-bpmbarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit sCMOS), l'électron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal apr pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de phtons (<10 photons/image). La limite théoriques est d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour ces jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points d'accès contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi des nano-cristaux libres (D>10 µm2/s) au centre Nanoptec avec l''équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'Institu Joliot curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit.

Neste trabalho foi realizado um estudo da influencia das composições dos materiais de blindagem e variações nos espectros emitidos por equipamentos de raios X através da utilização de um programa computacional que utiliza a técnica de Monte Carlo. Foi determinada a fluência de fótons depois das blindagens, com geometrias realísticas de feixe primário, para espectros de energias utilizados na prática da radiologia diagnóstica, gerando, dessa maneira, um banco de dados representativos da transmissão média e fluência para os materiais estudados. Com o método proposto, busca-se analisar a influencia da composição da argamassa baritada, e do concreto em curvas de transmissão, bem como sua influencia na determinação da espessura de blindagem, e a influencia da alteração das características do espectro da radiação X na transmissão de fótons. A metodologia desse trabalho foi realizada em duas etapas distintas: a análise com dados de fluência e da transmissão com espectros monoenergéticos e polienergéticos, mantendo-se as mesmas configurações das geometrias internas de simulação, como por exemplo, a filtração total, o ripple e o ângulo efetivo do feixe, mas considerando um material de blindagem para o espectro monoenergético e três materiais para o espectro polienergético; a intercomparação entre o mesmo material de blindagem, através da alteração da filtração total, do ripple, e do ângulo de voo da geometria interna de simulação. Como resultado, foi possível analisar os dados simulados, apresentando diferenças aparentemente significativas entre os dados das transmissões médias de fótons, devido às diferentes composições, mas estas diferenças não são significativas a ponto de influenciarem nas estimativas das espessuras das blindagens na construção civil. Este trabalho também apresenta um banco de dados contendo as fluências de radiação X, depois das blindagens para as diferentes configurações de feixe e materiais da parede, e um banco de dados contendo as curvas e suas equações de ajuste das curvas de transmissão para os diferentes materiais estudados. A avaliação da alteração da transmissão em função de variações no espectro de emissão de radiação X demonstrou grande importância para a influencia destes fatores na formação do espectro. As alterações nas composições do espectro, devido às variações da filtração total de alumínio, aumentaram o poder de penetração no material absorvedor e em sua energia média do feixe. As mudanças na composição do espectro devido a alterações do ângulo de inclinação do anodo e do ripple, evidenciaram seu grau de influencia nas estimativas das curvas de transmissão de fótons X, onde o aumento do ângulo efetivo e do ripple no espectro aumenta a participação de fótons de baixa energia, e diminui a energia média do feixe e a camada semirredutora, tendo uma participação diferenciada na formação da imagem radiográfica. Trabalhos futuros poderão ser realizados com simulações de maior número de pontos de espessuras e de histórias, possibilitando uma melhor estatística dos dados simulados, minimizando assim os erros relativos. Além disso, sugere-se que esse método seja aplicado a diferentes materiais e composições de materiais utilizados na construção de blindagens, com o intuito de gerar um banco de dados que auxilie na proteção radiológica na área da radiologia geral. / This work presents a study of the influence of the compositions of shielding materials and variations in the spectra emitted by X-ray equipment by using a computer program that uses the Monte Carlo technique. The flux of photons was determined after the shielding material, with realistic geometries of the primary beam energy spectra used in the practice of diagnostic radiology, generating in this way, a database representative of the average transmission and fluence for the materials studied. With the proposed method, we seek to analyze the influence of barium composition of the mortar, and concrete transmission curves and their influence in determining the shielding thickness, and the influence of altering the characteristics of the radiation spectrum in the transmission of X photons. The methodology of this study was conducted in two stages: analysis with data streaming and transmission spectra with monoenergetic and polienergetics beams, keeping the same settings of the internal geometry of the simulation, for example, the total filtration, the ripple and the effective angle beam, although considering a shielding material for the monoenergetic spectrum and three materials for the polienergetic spectrum; the intercomparison between the same shielding material by changing the total filtration, ripple, and the angle of flight of the internal geometry simulation. As a result it was possible to analyze the simulated data, presenting among mean transmission data of photons, due to different compositions, but these differences are not significant enough to influence the thicknesses of shielding estimation used in the construction industry. This work also presents a database containing the fluence of X-irradiation, the shielding for the various beams and wall materials, and a database containing the curves and their equations to fit the curves of transmission for different materials studied. The evaluation of the change in transmission due to variations in the emission spectrum of X-rays showed great importance on the influence of these factors in the formation of the spectrum. Changes in the composition of the spectrum, due to variations in the total aluminum filtration, increased the power of penetration into the absorbing material and its average energy. Changes in the composition of the spectrum due to changes in the angle of the anode and the ripple, showed their influence in the estimation of transmission curves of X-photons, where the increase in the effective angle and ripple in the spectrum increases the participation of low energy photons, and decreases the average energy of the beam and half-value layer, and a differentiated participation in the formation of radiographies. Future work will be carried on simulations of many points of thicknesses and stories, allowing a better statistical analysis of simulated data, thus minimizing the relative errors. Moreover, it is suggested that this method be his applied to different materials and compositions of shielding materials in order to generate a database to assist in radiological protection in the field of general radiology.

Neste trabalho foi realizado um estudo da influencia das composições dos materiais de blindagem e variações nos espectros emitidos por equipamentos de raios X através da utilização de um programa computacional que utiliza a técnica de Monte Carlo. Foi determinada a fluência de fótons depois das blindagens, com geometrias realísticas de feixe primário, para espectros de energias utilizados na prática da radiologia diagnóstica, gerando, dessa maneira, um banco de dados representativos da transmissão média e fluência para os materiais estudados. Com o método proposto, busca-se analisar a influencia da composição da argamassa baritada, e do concreto em curvas de transmissão, bem como sua influencia na determinação da espessura de blindagem, e a influencia da alteração das características do espectro da radiação X na transmissão de fótons. A metodologia desse trabalho foi realizada em duas etapas distintas: a análise com dados de fluência e da transmissão com espectros monoenergéticos e polienergéticos, mantendo-se as mesmas configurações das geometrias internas de simulação, como por exemplo, a filtração total, o ripple e o ângulo efetivo do feixe, mas considerando um material de blindagem para o espectro monoenergético e três materiais para o espectro polienergético; a intercomparação entre o mesmo material de blindagem, através da alteração da filtração total, do ripple, e do ângulo de voo da geometria interna de simulação. Como resultado, foi possível analisar os dados simulados, apresentando diferenças aparentemente significativas entre os dados das transmissões médias de fótons, devido às diferentes composições, mas estas diferenças não são significativas a ponto de influenciarem nas estimativas das espessuras das blindagens na construção civil. Este trabalho também apresenta um banco de dados contendo as fluências de radiação X, depois das blindagens para as diferentes configurações de feixe e materiais da parede, e um banco de dados contendo as curvas e suas equações de ajuste das curvas de transmissão para os diferentes materiais estudados. A avaliação da alteração da transmissão em função de variações no espectro de emissão de radiação X demonstrou grande importância para a influencia destes fatores na formação do espectro. As alterações nas composições do espectro, devido às variações da filtração total de alumínio, aumentaram o poder de penetração no material absorvedor e em sua energia média do feixe. As mudanças na composição do espectro devido a alterações do ângulo de inclinação do anodo e do ripple, evidenciaram seu grau de influencia nas estimativas das curvas de transmissão de fótons X, onde o aumento do ângulo efetivo e do ripple no espectro aumenta a participação de fótons de baixa energia, e diminui a energia média do feixe e a camada semirredutora, tendo uma participação diferenciada na formação da imagem radiográfica. Trabalhos futuros poderão ser realizados com simulações de maior número de pontos de espessuras e de histórias, possibilitando uma melhor estatística dos dados simulados, minimizando assim os erros relativos. Além disso, sugere-se que esse método seja aplicado a diferentes materiais e composições de materiais utilizados na construção de blindagens, com o intuito de gerar um banco de dados que auxilie na proteção radiológica na área da radiologia geral. / This work presents a study of the influence of the compositions of shielding materials and variations in the spectra emitted by X-ray equipment by using a computer program that uses the Monte Carlo technique. The flux of photons was determined after the shielding material, with realistic geometries of the primary beam energy spectra used in the practice of diagnostic radiology, generating in this way, a database representative of the average transmission and fluence for the materials studied. With the proposed method, we seek to analyze the influence of barium composition of the mortar, and concrete transmission curves and their influence in determining the shielding thickness, and the influence of altering the characteristics of the radiation spectrum in the transmission of X photons. The methodology of this study was conducted in two stages: analysis with data streaming and transmission spectra with monoenergetic and polienergetics beams, keeping the same settings of the internal geometry of the simulation, for example, the total filtration, the ripple and the effective angle beam, although considering a shielding material for the monoenergetic spectrum and three materials for the polienergetic spectrum; the intercomparison between the same shielding material by changing the total filtration, ripple, and the angle of flight of the internal geometry simulation. As a result it was possible to analyze the simulated data, presenting among mean transmission data of photons, due to different compositions, but these differences are not significant enough to influence the thicknesses of shielding estimation used in the construction industry. This work also presents a database containing the fluence of X-irradiation, the shielding for the various beams and wall materials, and a database containing the curves and their equations to fit the curves of transmission for different materials studied. The evaluation of the change in transmission due to variations in the emission spectrum of X-rays showed great importance on the influence of these factors in the formation of the spectrum. Changes in the composition of the spectrum, due to variations in the total aluminum filtration, increased the power of penetration into the absorbing material and its average energy. Changes in the composition of the spectrum due to changes in the angle of the anode and the ripple, showed their influence in the estimation of transmission curves of X-photons, where the increase in the effective angle and ripple in the spectrum increases the participation of low energy photons, and decreases the average energy of the beam and half-value layer, and a differentiated participation in the formation of radiographies. Future work will be carried on simulations of many points of thicknesses and stories, allowing a better statistical analysis of simulated data, thus minimizing the relative errors. Moreover, it is suggested that this method be his applied to different materials and compositions of shielding materials in order to generate a database to assist in radiological protection in the field of general radiology.

Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons niques electron-bpmbarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit sCMOS), l'électron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal apr pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de phtons (<10 photons/image). La limite théoriques est d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour ces jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points d'accès contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi des nano-cristaux libres (D>10 µm2/s) au centre Nanoptec avec l''équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'Institu Joliot curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit. / This manuscript presents my thesis on the high frame rate (500 frames/second) single-photon detector electron-bombraded CMOS (ebCMOS). The first section compares three ultra-sensitive detectors and their methods for improving photon sensitivity : the CMOS low noise (sCMOS), the electron-multiplying CCD (emCCD) with signal multiplication by pixel and the ebCMOS with amplification by applied electric field. The method developped to detected single photon impacts with intra-pixel resolution on the ebCMOS sensor is presented. The second section compares the localization accuracy of these detectors in extreme conditions of very low photon flux (<10 photons/ frame). First the theoretical limit is calculated using the Cramér-Rao lower bound for significant parameter sets. An experimental comparaison of the detectors is then described. The setup provides of one or more point sources controlled in position, signal and background noise. The results allow a comparison of the experimental effectiveness, purity and localization accuracy. The last section describes two experiments with the ebCMOS camera. The first aims to track hundreds of quantum dots simultaneously at the Nanoptec center with the team of Christophe Dujardin. The second focuses on the swimming of bacteria at the surface at the Jolio Curie Institute with the team of Laurence Lemelle. The point sources tracking algorithm using single photons and the Kalman filter implementation developed for these experiments is alson described.