Der International Linear Collider (ILC) ist ein Elektron-Positron-Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 200 und 500 GeV und einer Spitzenluminositaet von $2\cdot 10^{34}\mbox{ cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. Fuer das Physikprogramm dieser Maschine ist eine exzellente paketweise Messung der Strahlenergie von grundlegender Bedeutung. Um das zu erreichen, sind am ILC verschiedene Techniken vorgesehen. Insbesondere wurden Energiespektrometer vor und nach dem $e^+/e^-$-Wechselwirkungspunkt vorgeschlagen. Die gegenwaertige Standardoption fuer das Spektrometer vor dem Wechselwirkungspunkt ist ein auf Strahllagemonitoren basierendes Magnetspektrometer. In den Jahren 2006/2007 wurde ein Prototyp eines solchen Spektrometers in der End Station A am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) aufgebaut, um die Leistungsfaehigkeit und Zuverlaessigkeit einer derartigen Anlage zu pruefen. Ausserdem wurde eine neue Methode zur Messung der Strahlenergie vorgeschlagen. Diese beruht auf Compton-Streuung von Laserlicht an den Strahlelektronen und erlaubt, die geforderte Energiegenauigkeit von $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$ zu erreichen. Erfahrungen von dem Large Electron-Positron Collider (LEP) und dem Stanford Linear Collider (SLC) zeigten, dass komplementaere Energiemessmethoden notwendig sind, um die Ergebnisse des BPM-Spektrometers zu ueberpruefen. In der vorliegenden Arbeit werden eine Uebersicht ueber das Experiment am SLAC und erste Ergebnisse praesentiert. Des Weiteren wird die neue Methode der Laser-Compton-Streuung beschrieben und wichtige Aspekte detailliert besprochen. / The International Linear Collider (ILC) is an electron-positron collider with a center-of-mass energy between 200 and 500 GeV and a peak luminosity of $2\cdot 10^{34}\mbox{cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. For the physics program at this machine, an excellent bunch-by-bunch control of the beam energy is mandatory. Several techniques are foreseen to be implemented at the ILC in order to achieve this request. Energy spectrometers upstream and downstream of the electron/positron interaction point were proposed and the present default option for the upstream spectrometer is a beam position monitor based (BPM-based) spectrometer. In 2006/2007, a prototype of such a device was commissioned at the End Station A beam line at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in order to study performance and reliability. In addition, a novel method based on laser Compton backscattering has been proposed, since as proved at the Large Electron-Positron Collider (LEP) and the Stanford Linear Collider (SLC), complementary methods are necessary to cross-check the results of the BPM-based spectrometer. In this thesis, an overview of the experiment at End Station A is given, with emphasis on the performance of the magnets in the chicane and first energy resolution estimations. Also, the novel Compton backscattering method is discussed in details and found to be very promising. It has the potential to bring the beam energy resolution well below the requirement of $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$.

Le travail développé dans cette thèse concerne un type particulier de sources de positrons utilisant le rayonnement de canalisation dans un cristal ainsi que d’autres effets cristallins observes le long des axes du cristal ; ces effets produisent un grand nombre de photons qui, à leur tour, génèrent un grand nombre de paires e+e- dans une cible amorphe. Les photons et les paires sont créés dans deux cibles différentes séparées par une certaine distance permettant l’installation d’un aimant pour dévier les particules chargées avant la cible amorphe. Une telle source est appelée source hybride de positrons ; elle a été choisie par le CERN pour le projet CLIC. Ce type de sources présente de réels avantages par rapport aux cibles conventionnelles qui ont une grande emittance ainsi qu’un niveau important de dépôt d’énergie dans la cible.Apres un rappel des phénomènes physiques qui concernent notre étude, des simulations détaillées utilisant d’une part le programme de V .Strakhovenko pour les effets cristallins et d’autre part le code GEANT4 pour la génération des positrons conduisent à une description complète pour les photons et les positrons avec, notamment, les espaces de phase longitudinal et transverse, le spectre en énergie, la distribution temporelle,.. Nous avons particulièrement insiste sur deux points : d’abord sur les dispositifs de capture des positrons -après la cible- qui sont essentiels pour avoir de bons rendements de positrons acceptes et ensuite sur la densité de l’énergie déposée dans la cible qui représente un paramètre important pour la survie des cibles. En ce qui concerne le premier point, trois dispositifs de capture ont été étudiés : le système adiabatique (AMD), le système quart d’onde (QWT) et la lentille de lithium. Pour le deuxième point qui concerne l’énergie déposée et l’échauffement de la cible, on a cherché à optimiser la densité d’énergie déposée en diminuant son maximum (PEDD) ; l’énergie moyenne déposée a aussi été optimisée en utilisant une solution spéciale pour le convertisseur : un convertisseur granulaire forme de petites sphères, comme cela avait été considéré précédemment pour les usines à neutrinos. Des résultats très prometteurs nous ont conduits à envisager la source hybride de positrons avec un convertisseur granulaire comme une solution au difficile problème d’ILC. Cette solution est étudiée moyennant une transformation des impulsions du faisceau avant la cible, comme cela avait été envisage par l’équipe du KEK. Le transport du faisceau de positrons au-delà du solénoïde a été étudié avec la première partie de l’optique quadrupolaire. / The research work carried out for this PhD is concerning a special kind of positron source using channeling radiation and other crystal effects in an axially oriented crystal to generate a high number of photons which create, subsequently, a large number of pairs in an amorphous target. Photon generation and pair creation are developing in two targets separated by some distance allowing a sweeping magnet to get off the charged particles away from the amorphous converter. Such a scheme is called an hybrid positron source and has been adopted for the CLIC baseline. This kind of sources present big advantages with respect to the conventional sources where large emittance and important heat deposition are met. After some recall on the physical phenomena of interest for our study, detailed simulations are worked out using a special program dealing with crystal effects from Prof. Strakhovenko and the GEANT4 code; these tools led to a complete description of the positron source concerning the photons from one side and the positrons, from the other side, for which the main characteristics have been determined: transverse and longitudinal phase space, energy spectrum, time distribution,…Emphasis has been put on two points: first the matching devices capturing the positrons after the target which are essential for good accepted yields and the energy deposition density which is an important question for the reliability of the targets. Concerning the former point, three matching devices have been studied and their features compared: the Adiabatic Matching Device (AMD) largely used or considered for the positron sources, the Quarter Wave Transformer (QWT) and also the Lithium lens. For the latter point, related to the energy deposition and heating of the targets, we have tried to optimize the energy deposition density lowering its maximum value (PEDD); the average heat deposition has also been optimized using special converter material in granular shape, as considered for the neutrino factories. Very promising results allowed us to consider the hybrid positron source as an alternative to the difficult case of ILC; a special scheme for the transformation of the ILC beam pulses has been used, after KEK proposition. The positron beam transport has also been studied in the first part of the positron pre-accelerator including the solenoid and the first part of the quadrupole channel.

Le sujet de cette thèse est de concevoir un prototype de capteur à pixel CMOS adapté aux couches extérieures du détecteur de vertex de l'International Linear Collider (ILC).Il est le premier prototype de capteur CMOS intégrant un ADC en bas de colonne de 4-bit et une matrice de pixels, dédié aux couches externes. L'architecture du prototype nommé MIMOSA 31 comprend une matrice de pixels de 48 colonnes par 64 lignes, des ADC en bas de colonne. Les pixels sont lus ligne par ligne en mode d'obturation roulant. Les ADCs reçoivent la sortie des pixels en parallèle achève réalisent la conversion en effectuant une approximation de multi-bit/step. Sachant que dans les couches externes de l'ILC, la densité de pixels touchés est de l'ordre de quelques pour mille, !'ADC est conçu pour fonctionner en deux modes (actifs et inactifs) afin de minimiser la consommation d'énergie. Les résultats indiquent que MIMOSA 31 répond aux performances nécessaires pour cette couche de capteurs. / This work deals with the design of a CMOS pixel sensor prototype (called MIMOSA 31) for the outer layers of the International Linear Collider (ILC) vertex detector. CMOS pixel sensors (CPS) also called monolithic active pixel sensors (MAPS) have demonstrated attractive performance towards the requirements of the vertex detector of the future linear collider. MIMOSA 31developed at IPHC-Strasbourg is the first pixel sensor integrated with 4-bit column-level ADC for the outer layers. It is composed of a matrix of 64 rows and 48 columns. The pixel concept combines in-pixel amplification with a correlated double sampling (CDS) operation in order to reduce the temporal and fixed pattern noise (FPN). At the bottom of the pixel array, each column is terminated with an analog to digital converter (ADC). The self-triggered ADC accommodating the pixel readout in a rolling shutter mode completes the conversion by performing a multi-bit/step approximation. The ADC design was optimized for power saving at sampling frequency. Accounting the fact that in the outer layers of the ILC vertex detector, the hit density is inthe order of a few per thousand, this ADC works in two modes: active mode and inactive mode. This thesis presents the details of the prototype chip and its laboratory test results.

Ce travail se place dans le contexte du détecteur de vertex (VXD) composé de capteurs CMOS pour l'ILC, et dans celui du télescope en faisceau du projet européen AIDA. La thèse inclut les tests en faisceau des éléments du télescope AIDA : les super-plans SALAT et les échelles double faces PLUME. Elle questionne la valeur ajoutée en terme d'alignement, des couches double faces de capteurs CMOS pour le VXD de l'ILD. Une nouvelle méthode d'alignement autonome de chacune des 3 double couches du VXD grâce aux mini-vecteurs construits sur chaque zone de recouvrement inter-échelle est proposée et a été testée avec des particules de haute impulsion. Cependant, seules les particules du bruit de fond faisceau, de plus basses impulsions, permettent l'obtention d'une statistique suffisante pour cet alignement. Ce bruit de fond a alors été étudié et une estimation des taux d'occupation des capteurs du VXD a conduit à une ré-estimation des vitesses de lecture des capteurs de chaque couche du VXD. / This work was conducted in the context of a vertex detector (VXD) composed of CMOS sensors for ILD and in the context of the beam telescope of the european project AIDA. The provides the results of beam tests for the new telescope components : the SALAT super-planes and the PLUME double sided ladders. The thesis adresses the added value in terms of alignment, of double sided layers of CMOS sensors for the VXD of ILD. A new standalone alignment method of each of the three double sided layers of VXD with the mini-vectors built on each overlapping zone between the consecutive ladders is analysed. Such alignment was validated with high momentum particles. However, only the beam background particles, with lower momentum, can provide the minimum statistic for this kind of alignment. Thus, the beam background noise was studied and the occupancy rate of the VXD sensors was studied. This led to a reassessment of the readout speed for the sensors of each layer of the VXD.

This work deals with the design of a CMOS pixel sensor prototype (called MIMOSA 31) for the outer layers of the International Linear Collider (ILC) vertex detector. CMOS pixel sensors (CPS) also called monolithic active pixel sensors (MAPS) have demonstrated attractive performance towards the requirements of the vertex detector of the future linear collider. MIMOSA 31developed at IPHC-Strasbourg is the first pixel sensor integrated with 4-bit column-level ADC for the outer layers. It is composed of a matrix of 64 rows and 48 columns. The pixel concept combines in-pixel amplification with a correlated double sampling (CDS) operation in order to reduce the temporal and fixed pattern noise (FPN). At the bottom of the pixel array, each column is terminated with an analog to digital converter (ADC). The self-triggered ADC accommodating the pixel readout in a rolling shutter mode completes the conversion by performing a multi-bit/step approximation. The ADC design was optimized for power saving at sampling frequency. Accounting the fact that in the outer layers of the ILC vertex detector, the hit density is inthe order of a few per thousand, this ADC works in two modes: active mode and inactive mode. This thesis presents the details of the prototype chip and its laboratory test results.

La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits. / This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented.