Establishing the excitation spectrum of the nucleon would be a key advance to further our understanding of nucleon structure and Quantum Chromodynamics (QCD). Recent theoretical advances allow predictions of the excitation spectrum of the nucleon and other nucleon properties directly from QCD in the non-perturbative regime, via numerical methods (such as Lattice QCD), complementing existing constituent quark models. There is an ongoing world programme in meson photoproduction from the nucleon, which has already led to a number of nucleon resonances being discovered and established. This advance has largely been made possible by the first accurate measurement of polarisation observables. Available data has been obtained for proton targets, whereas for a complete picture of meson photoproduction, data from the neutron must also be obtained. This is important, as nucleon resonances can have very different photo-couplings to the proton and neutron. This thesis presents the first measurement of the E double-polarisation observable for the exclusive γn → K+Ʃ- reaction using a polarised hydrogen-deuterium target from the g14 run period at CLAS. Circularly polarised photons of energies between 1:1 and 2:3 GeV were used, with results shown in 200 MeV bins in Eγ and bins of 0:4 in cos θC.M./K+. Further to this, CLAS has undergone a detector upgrade in order to facilitate electrons of up to 12 GeV from Jefferson Lab's upgraded accelerator. Essential to this, is a new system for tagging quasi-real photons by detecting electrons scattered at very small angles. My work includes significant contributions to the design, realisation and construction of a hodoscope for this forward photon tagging apparatus. Presented in this thesis is a comprehensive overview of my work in developing and constructing the scintillating hodoscope for the CLAS12 Forward Tagger.

Meson spectroscopy aims to study the masses and decay processes of mesons to better understand the mechanics of Quantum Chromo Dynamics in the strong coupling (non peturbative) regime. The Edinburgh group are spokespersons on a major new proposal at the Thomas Jefferson National Laboratory called MesonEx. This experiment will make use of the newly upgraded 12 GeV electron beam and detector systems to produce and measure the properties of mesons of interest for study. Edinburgh also leads the development of a fast timing Hodoscope, part of the new Forward Tagger detector system that will be essential to the success of this experiment. The primary focus of this thesis is the development process of the Foward Tagger Hodoscope, from its inception up to its installation at Jefferson Lab. The second part of the document will discuss the first measurement of the γp → ωππp decay channel, with data from the g11a run of the CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer) in Hall B of Jefferson Lab. The analysis presents evidence for resonant contributions to the dataset decaying directly to ωππ, via b1(1235)π or via ωρ. These include a2(1320), π1(1600), ω3(1670) and π2(1670).

Un banc test, composé d’ une cuve à eau et d’ un hodoscope, a été optimisé et utilisé pour la caractérisation des Modules Optiques (OMs) des expériences ANTARES et KM3NeT. La comparaison entre le flux attendu de muons atmosphériques et le flux mesuré a permis l’ estimation de l’ efficacité de l’ hodoscope.Dans un premier temps, des mesures effectuées avec un OM ANTARES ont permis de valider le système d’ acquisition et de caractériser l’ étalonnage temporel du banc test. Un Module Optique Digital (DOM) a ensuite pu être installé dans la cuve pour être testé. De nombreux points cruciaux pour les télescopes sous-marins à neutrino ont été mentionnés et une description détaillée de l’ étalonnage en charge et du réglage du détecteur a été présentée. La dégradation, observée expérimentalement, de l’ efficacité de détection des OMs ANTARES a été confrontée aux résultats obtenus en simulant la formation d’ une couche de sédimentation. L’ impact de différents profils de sédimentation a été étudié et les résultats de l’ analyse Monte Carlo ont été détaillés. Ce travail a permis de rejeter certains profils de sédimentation en désaccord avec les données. / A test bench, comprised of a water tank and a hodoscope, was optimized and operated for the characterization of ANTARES and KM3NeT OpticalModules (OMs). A calculation of the expected atmospheric muon flux and the comparisonto the detected flux is made for the evaluation of the hodoscope efficiency.Measurements were initially made with an ANTARES OM for the evaluation of thetest bench potential and the consequent time correlation analysis. The results wereconsidered satisfying for proceeding to the characterization of a KM3NeT DigitalOM (DOM). This was the first time a DOM was investigated with known muontracks and the analysis lead to original and insightful results. Many key aspectsfor an undersea neutrino telescope are outlined and a detailed description of chargecalibration and the tuning sequence for the ANTARES detector are presented. Theobservation that the OM efficiencies for ANTARES are deteriorating in the courseof time has been compared to simulations of a sedimentation layer on the OMÕsglass sphere. Different profiles for this sedimentation impact are considered and thecombined analysis of monte carlo results with detector data is described. This workpermitted to reject extreme cases of biofouling profiles that are inconsistent withthe data

Pour développer un hodoscope de faisceau en hadronthérapie, capable de localiser les ions dans le plan transverse et de les étiqueter en temps avec une précision de 1 nc et un taux de comptage de 100 000 000 HZ, nous avons mené des études de conception d'ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) de lecture à associer à des photomultiplicateurs multi-anode. Un front-end ASIC 16 voies en technologieAMS BiCMOS 0,35 µm a été conçu, fabriqué et testé. Il intégre, sur chaque voie, un convoyeur de courant avec deux sorties en étage d'entrée, et deux étages de sortie séparés qui sont respectivement un comparateur en courant et un préamplificateur de charge. Il réalise à la fois la détection d'évènements et la quantification de signal détecté. L'étude de conception a apporté des performances optimisées sur la dynamique d'entrée, la consommation d'énergie, la rapidité, le bruit. Le fonctionnement du circuit de lecture incorporé dans un système de test a aussi été vérifié par une expérimentation en faisceau. D'autre part, nous avons conçu un ASIC d'étiquetage en temps utilisant la technologie AMS CMOS 0,35 µm. Il est à base d'une boucle à verrouillage de délai analogique avec la mise en oeuvre de la méthode de mesure du "temps de vol", et dispose d'un mode d'entrée d'horloge LVDS (Low Voltage Differential Singaling) et d'une sortie de 5 bits en code Gray. Il fonctionne avec une résolution temporelle de 200 ps selon les résultats de tests. Ces études nous ont permis de lancer un nouveau projet de conception : intégrer sur une puce les fonctions électroniques que nous avons réalisées et validées. / To develop a beam hodoscope in hadrontherapy, able to localize the beam position and to get a time tagging with a accuracy of ~ 1ns at a count rate of 100 000 000 HZ, we have studied and designed read-out ASICs' (Application Specific Intergrated Circuits) to be associated with multi-anode photomultiplier. One of 16-channel front-end ASIC in 0,35 µm AMS BICMOS process ahs been designed, fabraicated and tested. Each channel consists to a current coveyor (with two current outputs) as an input stage, and two separat output stages wich are a current comparator and a charge-sensitive amplifier (CSA) respectively. It performs both signal-event detection and signal charge quantification. The design work includes optimization of circuit performances such as input dynamic range, power dissipation; speed and noise. The circuit has also ben incorporated in a test system and its opration has been verified by beam experimentation. On the other hand, we have also designed another ASIC in a 0.35 µm AMS CMOS process. Itn is based on an analog DLL (Delay Locked Loop) with implementation of the TOF (Time Of Flight) measuring method. It has a LVDS (Low Voltage Differential Signaling) clock input mode and a 5-bit Gray-code output. It operates with 200-ps timing rsolution according to test results. These studies have led us to launch a new design project: integrating the studied and validated electronic functions on a single chip.

Pour développer un hodoscope de faisceau en hadronthérapie, capable de localiser les ions dans le plan transverse et de les étiqueter en temps avec une précision de 1 nc et un taux de comptage de 100 000 000 HZ, nous avons mené des études de conception d'ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) de lecture à associer à des photomultiplicateurs multi-anode. Un front-end ASIC 16 voies en technologieAMS BiCMOS 0,35 µm a été conçu, fabriqué et testé. Il intégre, sur chaque voie, un convoyeur de courant avec deux sorties en étage d'entrée, et deux étages de sortie séparés qui sont respectivement un comparateur en courant et un préamplificateur de charge. Il réalise à la fois la détection d'évènements et la quantification de signal détecté. L'étude de conception a apporté des performances optimisées sur la dynamique d'entrée, la consommation d'énergie, la rapidité, le bruit. Le fonctionnement du circuit de lecture incorporé dans un système de test a aussi été vérifié par une expérimentation en faisceau. D'autre part, nous avons conçu un ASIC d'étiquetage en temps utilisant la technologie AMS CMOS 0,35 µm. Il est à base d'une boucle à verrouillage de délai analogique avec la mise en oeuvre de la méthode de mesure du "temps de vol", et dispose d'un mode d'entrée d'horloge LVDS (Low Voltage Differential Singaling) et d'une sortie de 5 bits en code Gray. Il fonctionne avec une résolution temporelle de 200 ps selon les résultats de tests. Ces études nous ont permis de lancer un nouveau projet de conception : intégrer sur une puce les fonctions électroniques que nous avons réalisées et validées.

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