Neutron stimulated emission computed tomography (NSECT) is being proposed as an experimental technique to diagnose iron overload in patients. Proof-of-concept experiments have suggested that NSECT may have potential to make a non-invasive diagnosis of iron overload in a clinical system. The technique's sensitivity to high concentrations of iron combined with tomographic acquisition ability gives it a unique advantage over other competing modalities. While early experiments have demonstrated the efficacy of detecting samples with high concentrations of iron, a tomography application for patient diagnosis has never been tested. As with any other tomography system, the performance of NSECT will depend greatly on the acquisition parameters that are used to scan the patient. In order to determine the best acquisition geometry for a clinical system, it is important to evaluate and understand the effects of varying each individual acquisition parameter on the accuracy of the reconstructed image. This research work proposes to use Monte-Carlo simulations to optimize a clinical NSECT system for iron overload diagnosis.Simulations of two NSECT systems have been designed in GEANT4, a spectroscopy system to detect uniform concentrations of iron in the liver, and a tomography system to detect non-uniform iron overload. Each system has been used to scan simulated samples of both disease models in humans to determine the best scanning strategy for each. The optimal scanning strategy is defined as the combination of parameters that provides maximum accuracy with minimum radiation dose. Evaluation of accuracy is performed through ROC analysis of the reconstructed spectrums and images. For the spectroscopy system, the optimal acquisition geometry is defined in terms of the number of neutrons required to detect a clinically relevant concentration of iron. For the tomography system, the optimal scanning strategy is defined in terms of the number of neutrons and the number of spatial and angular translation steps used during acquisition. Patient dose for each simulated system is calculated by measuring the energy deposited by the neutron beam in the liver and surrounding body tissue. Simulation results indicate that both scanning systems can detect wet iron concentrations of 5 mg/g or higher. Spectroscopic scanning with sufficient accuracy is possible with 1 million neutrons per scan, corresponding to a patient dose of 0.02 mSv. Tomographic scanning requires 8 angles that sample the image matrix at 1 cm projection intervals with 4 million neutrons per projection, which corresponds to a total body dose of 0.56 mSv. The research performed for this dissertation has two important outcomes. First, it demonstrates that NSECT has the clinical potential for iron overload diagnosis in patients. Second, it provides a validated simulation of the NSECT system which can be used to guide future development and experimental implementation of the technique. / Dissertation

Le projet SPIRAL2 permettra de produire au GANIL des faisceaux radioactifs et stables très intenses. Repoussant les limites actuelles de nos connaissances, il constitue une opportunité pour de nombreux domaines de la physique nucléaire. Le Super Séparateur Spectromètre S3 et son système de détection au plan focal SIRIUS ont été conçus afin de tirer le meilleur parti de ces faisceaux stables intenses notamment au profit des recherches sur les éléments N=Z proches de l'étain-100 et des noyaux super lourds. Ce travail de thèse portent sur les détecteurs silicium Tunnel de SIRIUS, avec d'un côté des simulations GEANT4 de l'ensemble de SIRIUS et d'un autre côté son pendant expérimental avec l'étude des prototypes des Tunnel de SIRIUS. Les simulations ont permis, outre la caractérisation de l'efficacité de détection et des limites induites en terme de conception mécanique, de mettre en lumière le bond en avant permis par l'avènement de détecteurs silicium presque sans zones mortes. La partie dédiée aux manipulations commence par la présentation du banc de test mis en place à l'IPHC pour recevoir et tester les détecteurs prototypes et pré-série. Le détecteur Tunnel est également présenté dans son contexte scientifique et technique. Les études des prototypes de détecteurs Tunnel et les résultats obtenus sont détaillés. Enfin, l'évolution vers les détecteurs de série est présentée sur la base des améliorations réalisées et constatées pour le détecteur de pré-série. / The SPIRAL2 project will enable the production at GANIL of very intense radioactive and stable beams. Pushing the present-day limits of knowledge, it represents an opportunity for several fields of nuclear physics. The Super Separator Spectrometer S3 associated to its focal-plane detection system SIRIUS will take the best possible benefit of these intense stable beams especially for researches on the N=Z nuclei close to Tin-100 and on the super heavy elements. This thesis is dedicated to the SIRIUS Tunnel silicon detectors, with GEANT4 simulations and their corresponding experimental study of the SIRIUS Tunnel detectors prototypes. In addition to the detection efficiency characterization and the setting of corresponding limits on mechanical conceptual drawings, the simulations have enabled to shed light on the major forward step brought by zero dead-layer silicon detectors. The section dedicated to the manipulations starts with the presentation of the test bench set up at IPHC in order and test the prototypes and pre-series detectors. The Tunnel detector is also presented in its scientific and technical context. The Tunnel detector prototypes studies and the results obtained are detailed. Finally, the evolution toward series detectors is presented on the basis of the improvements done with the pre-series detector.

Outils miniaturisés, polyvalents et sensibles, les biopuces constituent un type d'instrument très prometteur pour la recherche de vie dans le Système solaire. Elles peuvent en effet détecter une grande variété de molécules organiques, ainsi que des bactéries, avec un haut degré de spécificité et de sensibilité. Les biopuces sont actuellement très usitées dans les domaines médical et environnemental, mais aucun instrument à base de biopuce n'a encore été conçu dans le cadre d'une mission spatiale. Pour adapter un tel instrument à ce nouvel environnement, il est nécessaire d'effectuer une étude approfondie de l'impact des contraintes spatiales sur l'ensemble de ses composants.<br /><br />Cette thèse s'insère dans le projet BiOMAS (Biochip for Organic Matter Analysis in Space), financé par le CNES, qui vise à développer une biopuce dédiée au spatial. Le principal objectif de la thèse est d'évaluer la résistance des composants de cette biopuce face aux diverses contraintes spatiales.<br />Dans un premier temps, nous avons étudié la résistance de la lame de la biopuce, c'est-à-dire le support solide de l'instrument. Plusieurs types de matériaux (verre, thermoplatiques, élastomère) ont été comparés en termes de dégazage, résistance aux solvants organiques et comportement thermique et mécanique, afin d'identifier celui qui répond le mieux au cahier des charges que nous avons établi. Parmi les différents candidats testés, le CycloOléfine Copolymère (COC) s'impose comme le meilleur matériau pour la réalisation d'une biopuce spatiale. <br />Dans un second temps, des études de résistance aux contraintes spatiales ont été menées pour la première fois sur des anticorps (qui servent de sondes de reconnaissance dans les biopuces). L'objectif est de déterminer l'évolution de leur comportement lors de cycles thermiques et sous divers types d'irradiations. Nous avons mis en place un outil de simulation performant, sur la base de l'outil Geant 4 du CERN, qui nous a permis de déterminer le type de particules ainsi que les gammes d'énergies pertinentes pour les expériences d'irradiation. Deux campagnes d'irradiation ont été menées sur la plateforme AIFIRA du CENBG à Bordeaux. Nous avons notamment démontré la bonne résistance des anticorps face à des flux de neutrons de faibles énergies.<br /><br />Ce travail de thèse, fortement pluridisciplinaire, a nécessité la mise en place de nombreuses collaborations complémentaires entre des planétologues, des biochimistes, des physiciens nucléaires et des experts en matériaux. Les résultats que nous avons obtenus sont d'une importance capitale pour la réalisation d'une biopuce spatiale opérationnelle et fiable.

L'exposition du public au gaz radon 222Rn fait l'objet d'une attention croissante. Les méthodes traditionnelles de détection de radon étant soit peu flexibles, soit très chères, cette thèse présente le développement d'un dispositif électronique compact et autonome qui s'appuie sur les progrès récents en microélectronique pour la physique des particules. Le coeur du dispositif est un circuit intégré CMOS original (basse tension, faible consommation) qui assure à la fois les fonctions de capteur et de traitement. Les premiers tests, d'efficacité et en sources de particules alpha, s'appuient sur des simulations détaillées (TRIM, GEANT IV). Différents prototypes de cartes électroniques ont été développés pour d'une part la détection passive de radon à différentes concentrations et d'autre part la détection supplémentaire des descendants sur aérosols 218Po et 214Po qui contribuent de façon importante à l'irradiation α interne".Le système final est une carte miniaturisée au format CB, qui comprend quatre circuits pour la détection simultanée de radon et de ses descendants solides. Une excellente linéarité a été obtenue jusqu'à 80 kBq.m-3 sur le banc de test BACCARA au Laboratoire de Mesure des Aérosols de l‘IRSN à Saclay. Un circuit de deuxième génération est également proposé

Les travaux effectués au cours de cette thèse s'inscrivent dans le cadre des projets de plateformes d'imagerie métabolique et fonctionnelle consacrées au petit animal. Ils ont mené à la réalisation d'un simulateur Monte Carlo (GePEToS), développé sous GEANT 4 et dédié aux systèmes TEP. GePEToS a été validé sur données réelles et publiées d'une ECAT EXACT HR+ suivant le protocole NEMA. Les fonctions d'un tel simulateur sont de pouvoir produire des données TEP pour le test d'algorithmes de reconstruction d'image et permettre également l'exploration de nouvelles configurations de détecteurs.<br> D'autre part, cette thèse a porté sur la conception d'un TEP au xénon liquide pour l'imagerie du petit animal (µTEP). La partie instrumentale a démarré par une approche conceptuelle d'un détecteur au xénon liquide. Une simulation Monte Carlo complète a permis de définir et caractériser les performances d'un futur µTEP composé de 16 modules de détection disposés en couronne autour de l'animal. L'originalité de ce détecteur réside dans sa capacité à pouvoir fournir la profondeur d'interaction pour chaque particule détectée, ce qui reste encore inaccessible pour l'ensemble des détecteurs TEP actuels. Une partie importante de R&D a consisté à développer et mettre en œuvre la cryogénie du xénon liquide ainsi qu'à définir le système de détection de lumière UV de scintillation du xénon (Lambda = 178 nm). Un module prototype a été réalisé et mis en situation de détection de photons gamma d'annihilation.

L'hadronthérapie est une modalité de radiothérapie innovante dans laquelle des ions légers -tels des protons ou des ions carbone- sont accélérés à une vitesse relativiste, puis focalisés afin d'irradier la zone tumorale du patient. Cette technique se démarque de la radiothérapie dite conventionnelle utilisant des photons- par l'existence d'un pic de dépôt d'énergie, appelé pic de Bragg, qui se situe à la fin du parcours des ions. L'existence de différents phénomènes qui aboutissent à une incertitude sur le parcours des ions représente toutefois une limite à la précision intrinsèque de cette modalité. Cela justifie la nécessité d'une assurance qualité des traitements et motive le développement de techniques de suivi en ligne et en temps réel du parcours des ions. Ces travaux de thèse ont pour objet la caractérisation d'une technique de suivi du parcours des ions, appelée imagerie des vertex d'interaction. Il a en effet été observé que lors du parcours des ions dans le patient, une fraction importante de ceux-ci subit des réactions nucléaires, à l'origine d'un rayonnement de particules promptes secondaires chargées. Un télescope constitué de capteurs pixélisés est proposé pour localiser les vertex d'interaction de ces particules et mesurer leur corrélation avec le parcours des ions, corrélation prédite par des travaux in-silico précédents. La réalisation de plusieurs expériences durant lesquelles des cibles homogènes et hétérogènes ont été irradiées dans des conditions réalistes a permis d'obtenir les premiers résultats expérimentaux relatifs à cette technique, confrontés à des simulations qui ont également été réalisées. Avant de discuter l'ensemble des résultats obtenus, ce manuscrit détaille les aspects matériels et logiciels des importants développements mis en oeuvre et qui ont abouti à un prototype complet et fonctionnel d'imageur, accompagné de simulations Monte Carlo basées sur le logiciel Geant4 / Hadrontherapy is an innovative radiotherapy modality in which light ions -such as protons or carbon ionsare accelerated to a relativistic speed and focused to irradiate a tumoral area. This technique differs from the conventional radiotherapy -which uses photons- by the existence of an energy deposition peak, called Bragg peak, which stands at the end of the ions path. However, different phenomena that lead to uncertainty in the real ion range exist, and limit the intrinsic accuracy of this modality. This justifies the need for a treatments quality assurance and motivates the development of in-line and real-time monitoring techniques to follow the real ions range. This PhD thesis work aims the characterization of an ion range monitoring technic, called interaction vertex imaging. It has been observed that during the ion path in the patient, a significant part of incoming ions undergoes nuclear reactions, causing a prompt secondary charged particles radiation. A telescope made up of pixelated sensors is proposed to locate these particles interaction vertex and to measure their correlation with the ions range, correlation predicted by a previous in-silico work. The first experimental results for this technique has been obtained with the realization of several experiments during which homogeneous and heterogeneous targets were irradiated under realistic conditions. Simulations were also performed to compare with experimental results. Before discussing the overall results, this manuscript details the hardware and software aspects of important developments that was made and that resulted in a complete and working prototype imager, with Monte Carlo simulations based on the Geant4 software

Under current investigation is the re-implementation of the Distorted-Wave Impulse Approximation (DWIA), originally formulated in FORTRAN by N.S. Chant and P.G. Roos, with the intention of developing it in a portable Python environment. This will be complimented by developing a GEANT4 detector simulation application. These two techniques will be used to model the (p,2p) proton knock-out reaction 40Ca(p; 2p)39K (2.52 MeV)1 2 + first excited state, at intermediate incident energies of 150 MeV. This study is a test-bed that lays the foundation and platform from which one may develop an interactive workbench and toolkit in GEANT4 which: (i.) accurately models an accelerator-detector experimental set-up, such as those found at iThemba Labs, and (ii.) incorporates the DWIA formalism as a built-in physics process within the framework of GEANT4. Furthermore the Python modules developed for the specific proton knock-out reaction studied here, can be generalized for an arbitrary set of nuclear scattering reactions and packaged as a suite of scientific Python codes. / Theoretical and Computational Nuclear Physics / M. Sc. (Theoretical and Computational Nuclear Physics)

Under current investigation is the re-implementation of the Distorted-Wave Impulse Approximation (DWIA), originally formulated in FORTRAN by N.S. Chant and P.G. Roos, with the intention of developing it in a portable Python environment. This will be complimented by developing a GEANT4 detector simulation application. These two techniques will be used to model the (p,2p) proton knock-out reaction 40Ca(p; 2p)39K (2.52 MeV)1 2 + first excited state, at intermediate incident energies of 150 MeV. This study is a test-bed that lays the foundation and platform from which one may develop an interactive workbench and toolkit in GEANT4 which: (i.) accurately models an accelerator-detector experimental set-up, such as those found at iThemba Labs, and (ii.) incorporates the DWIA formalism as a built-in physics process within the framework of GEANT4. Furthermore the Python modules developed for the specific proton knock-out reaction studied here, can be generalized for an arbitrary set of nuclear scattering reactions and packaged as a suite of scientific Python codes. / Theoretical and Computational Nuclear Physics / M. Sc. (Theoretical and Computational Nuclear Physics)

Cette étude expérimentale concerne la caractérisation des faisceaux d'électrons et de protons d'énergie supérieure à quelques MeV produits lors de l'interaction d'un laser ultra-intense (~10^19 W.cm-2) avec une cible solide de faible épaisseur (10 µm). <br />Ce travail se place dans la perspective de l'utilisation de ces faisceaux pour des expériences de physique nucléaire. Pour cet usage, il est nécessaire de connaître quantitativement les caractéristiques des faisceaux de particules : distribution en énergie, distribution angulaire.<br />Les faisceaux obtenus par accélération laser ont des caractéristiques très différentes des faisceaux d'accélérateurs conventionnels entre autres de par leur brièveté et leur intensité mais aussi par leur distribution en énergie continue. Ces propriétés rendent complexes leur caractérisation et nous ont amenés à développer des méthodes combinant spectromètres à diodes, films radiochromiques, activation nucléaire de matériaux choisis et simulations Monte-Carlo.<br />Ces méthodes ont été utilisées sur deux installations lasers différentes (Salle Jaune au LOA de Palaiseau et JETI à l'IOQ de Jena) mais de caractéristiques proches pour l'étude des faisceaux d'électrons en fonction du matériau-cible. Une expérience a également été menée pour caractériser tir à tir le faisceau de protons produits par le laser 100 TW du LULI (Palaiseau). Cette dernière expérience a, de plus, permis de démontrer la possibilité d'induire des réactions nucléaires dans un plasma et de mesurer quantitativement le taux de réaction en vue d'une expérience de perturbation du couplage noyau-cortège électronique par un champ électromagnétique fort dû au laser.

Le travail présenté dans ce manuscrit regroupe deux études de spectroscopie γ. La première concerne les isomères des noyaux de néodyme autour de N=82. Ces noyaux, lorsqu’ils sont étudiés par des modèles de type Cranked-Nilsson-Strutinsky, présentent des états énergétiquement favorisés. Ils sont autant de candidats pour la recherche d’isomères de spin. Expérimentalement, un certain nombre d’états isomériques ont déjà été observés dans les noyaux de 138,139,140Nd sur lesquels porte cette étude. Afin de mieux caractériser ces états, une expérience a été menée en août 2009 à Jyväskylä auprès de l’ensemble de détection JUROGAM-RITU-GREAT. La réaction de fusion-évaporation 48Ca + 76Zr 144Nd* réalisée avec une cible mince a permis de produire majoritairement les noyaux 139,140Nd. Les noyaux produits, transportés au plan focal par le spectromètre RITU, sont implantés et le rayonnement émis par la décroissance des isomères est ensuite recueilli par l’ensemble de détection GREAT. Nous développerons l’analyse complète de cette expérience et nous montrerons les résultats émergents. Nous avons, par exemple, pu montrer l’alimentation du niveau 20+ de 140Nd ainsi que le placement énergétique du niveau isomérique du noyau 139Nd. La deuxième partie de ce travail s’articule autour de la recherche de la symétrie tétraédrique dans le noyau 156Gd. Cela a consisté à la fois en un travail de spectroscopie γ des bandes de parité positive de ce noyau, laquelle a fait émerger un certain nombre de nouvelles transitions. Le deuxième volet de cette étude consistait à simuler dans l’environnement ROOT - GEANT4 le seuil d’observation des signaux faibles avec le détecteur de rayonnements γ de nouvelle génération AGATA / Major part of this work is about the realization and complete analysis of an experiment for study of isomeric states in 138,139,140Nd nuclei. This was performed at Jyväskylä laboratory (Finland) using a fusion-evaporation reaction with 48Ca beam on a thin 96Zr target. Experimental setup consisted in the target position gamma ray detector JUROGAM II which was coupled with the RITU recoil separator and the GREAT focal plane detector array. This particularly well adapted setup permit to manage γ spectroscopy of the interest nuclei around isomeric states. Indeed, we used prompt-delayed matrix to separate rays that come onto isomeric states and these who decay from them. Then, correlations between the two components permit to establish feeding transitions of isomeric states. During this experiment, a new isomeric state was also highlighted in 139Nd with spin 23/2+, which was predicted and interpreted in Cranked-Nilsson-Strutinsky calculation. Finally, very clean time spectra allow to determine precisely life-time of four states in four nuclei. This PhD is also made of a part of analyze on experimental search for fingerprints of tetrahedral symmetry in 156Gd using high fold gamma ray spectroscopy. Thanks to a large number of triple coincidence events, we managed a detailed spectroscopy of this nucleus. Particularly, we found out 13 new transitions in positive parity bands. As a complement of this work, we have done GEANT4 simulations about the detection limit of weak intensity transitions by AGATA multidetector. Indeed, tetrahedral symmetry predicts vanishing of E2 transitions at lower spin states and simulations permit to determine observation limit of these transitions with different version of AGATA