L'imagerie gamma est une technique qui permet la localisation spatiale de sources radioactives. Les différentes applications de cette technique couvrent les phases de démantèlement des installations nucléaires ou de gestion des déchets nucléaires, mais aussi la radioprotection ou la sécurité intérieure. L'utilisation de caméras gamma permet de réduire la dose reçue par les opérateurs, et, par conséquent, de respecter le principe ALARA. Il existe deux techniques d’imagerie permettant la localisation de radioéléments émetteurs gamma : l’imagerie à masque codé et l’imagerie Compton. L’imagerie à masque codé utilise la modulation spatiale du flux de photons gamma incidents par collimateur multi-trous placé entre la source et le détecteur. Elle présente l’avantage d’être extrêmement performante pour des émetteurs gamma « basses énergies », aussi bien en matière de sensibilité, qu’en matière de résolution angulaire. L'imagerie Compton, quant à elle, repose sur l’utilisation de la mécanique de diffusion Compton. L'énergie déposée pendant le processus de diffusion déterminera l'angle de diffusion, et les positions des interactions détermineront la direction des rayons gamma entrants. La position de la source radioactive peut ainsi être limitée à un cône. Si plusieurs cônes sont utilisés, alors la position où le plus grand nombre de cônes se chevauchent correspond à la position de la source radioactive. Une des limitations de cette technique concerne la localisation des émetteurs gamma « basses énergies », pour lesquels la résolution angulaire est fortement dégradée allant jusqu’à l’impossibilité complète de trouver la position. L’objectif de ces travaux est de développer un prototype d’imageur hybride associant les techniques d’imagerie à masque codé et d’imagerie Compton, afin de tirer profit des avantages de chacun des types d’imagerie. Les différents travaux menés, autour du détecteur pixellisé Timepix3, mais aussi en matière de développement d’algorithmes mathématiques, ont permis de proposer deux prototypes d’imageurs hybrides. Les résultats obtenus à l’issue de ces travaux de recherche ont permis de valider expérimentalement les performances d’un des prototypes d’imageurs et d’illustrer l’intérêt d’un système hybride. / Gamma imaging is a technique that allows the spatial localization of radioactive sources. The various applications of this technique cover decommissioning phases of nuclear facilities, nuclear waste management applications, but also radiation protection or Homeland Security. Using gamma camera reduces the dose received by operators and consequently contributes to the respect of the ALARA principle. There are two imaging techniques for the localization of gamma ray emitters: coded aperture imaging and Compton imaging. Coded aperture imaging relies on the spatial modulation of the incident gamma-ray flux by a multi-hole collimator placed between the detector and the radioactive source. It has the advantage of being extremely efficient for « low energy » gamma-ray emitters in terms of sensitivity and angular resolution. On the other hand, Compton imaging is based of the Compton scattering kinematic. The energy deposited during the scattering process will determine the scattering angle, and the positions of the interactions will determine the direction of the incoming gamma-ray. The position of the radioactive source can thus be limited to a cone. If several cones are used, then, the position where the greatest number of cones overlap corresponds to the position of the radioactive source. One limitations of this technique concerns the location of « low energy » gamma-ray emitters, for which the angular resolution is strongly degraded until it is completely not localizable. The objective of this work is to develop a prototype of hybrid imager that combines coded aperture and Compton imaging techniques in order to take advantage of each type of imaging. The different studies carried out, around the Timepix3 pixel detector, but also in the development of mathematical algorithms, have led to propose two prototypes of hybrid imager. The results obtained from this research work made it possible to validate experimentally the performance of one of the imager prototypes, and to illustrate the interest of a hybrid system.

La thèse porte sur le développement d’un petit prototype de télescope Compton pour l'astronomie gamma spatiale dans la gamme d’énergie du MeV (0.1-100 MeV). Nous avons étudié de nouveaux modules de détection destinés à l'imagerie Compton. Nous avons assemblé et testé deux détecteurs à scintillation, l'un avec un cristal de bromure de lanthane dopé au cérium (LaBr₃:Ce) et l'autre avec un cristal de bromure de cérium (CeBr₃). Les deux cristaux sont couplés à des photomultiplicateurs multi-anodes 64 voies sensibles à la position. Notre objectif est d’optimiser la résolution en énergie en même temps que la résolution en position du premier impact d'un rayon gamma incident dans le détecteur. Les deux informations sont vitales pour la reconstruction d'une image avec le prototype de télescope à partir de l’effet Compton. Nous avons développé un banc de test pour étudier expérimentalement les deux modules, avec une électronique de lecture et un système d'acquisition de données dédiés. Nous avons entrepris un étalonnage précis du dispositif et effectué de nombreuses mesures avec différentes sources radioactives. En outre, nous avons réalisé une simulation numérique détaillée de l'expérience avec le logiciel GEANT4 et effectué une étude paramétrique extensive pour modéliser au mieux la propagation des photons ultraviolet de scintillation et les propriétés optiques des surfaces à l'intérieur du détecteur. Nous avons alors développé une méthode originale de reconstruction de la position d’impact en 3D, en utilisant un réseau de neurones artificiels entrainé avec des données simulées. Nous présentons dans ce travail tous les résultats expérimentaux obtenus avec les deux modules, les résultats de la simulation GEANT4, ainsi que l'algorithme basé sur le réseau de neurones. En plus, nous donnons les premiers résultats sur l'imagerie Compton obtenus avec le prototype de télescope et les comparons avec des performances simulées. Enfin, nous concluons en donnant un aperçu des perspectives d'avenir pour l'imagerie gamma Compton et considérons une application possible en discutant d’un concept de télescope spatial semblable à notre prototype. / The thesis aims to develop a small prototype of a Compton telescope for future space instrumentation for gamma-ray astronomy. Telescope’s main target is the MeV range (0.1-100MeV). We studied novel detector modules intended for Compton imaging. We assembled and tested 2 modules, one with a cerium-doped lanthanum(III) bromide (LaBr₃:Ce) crystal and the other with cerium(III) bromide (CeBr₃). Both modules are coupled to and read out by 64-channel multi-anode PMTs. Our goals are to obtain the best possible energy resolution and position resolution in 3D on the first impact of an incident gamma-ray within the detector. Both information are vital for successful reconstruction of a Compton image with the telescope prototype. We developed a test bench to experimentally study both modules and have utilized a customized readout electronics and data acquisition system. We conducted a precise calibration of the system and performed experimental runs utilizing different radioactive sources. Furthermore, we have written a detailed GEANT4 simulation of the experiment and performed an extensive parametric study on defining the surfaces and types of scintillation propagation within the scintillator. We utilized simulated data to train an Artificial Neural Network (ANN) algorithm to create a simplified 3D impact position reconstruction method and in addition developed an approximation routine to estimate the standard deviations for the method. We show all experimental results obtained by both modules, results from the GEANT4 simulation runs and from the ANN algorithm. In addition, we give the first results on Compton imaging with the telescope prototype and compare them with simulated performance. We analyzed and discussed the performance of the modules, specifically spectral and position reconstruction capabilities. We conclude by giving an overview of the future prospects for gamma-ray imaging and consider possible applications showing a concept of a space telescope based on our prototype.