L'amélioration de la résolution en énergie des calorimètres hadroniques est adressée dans cette thèse. L'approche envisagée se base sur la technique du dual-readout qui consiste à détecter simultanément les radiations Cherenkov et la scintillation. La comparaison de ces deux signaux permet en effet de compenser les fluctuations observées dans la détection de gerbes hadroniques. Les grenats d'Aluminium et de Lutetium (LuAG), qui sont d'efficaces scintillateurs une fois activés avec des terres rares, peuvent aussi jouer le rôle de radiateur Cherenkov sous leur forme non-dopée. Les deux types de matériaux peuvent alors être assemblés pour former un calorimètre dual-readout performant. Dans l'objectif d'étudier la faisabilité de ce concept, les effets de la concentration en dopant et de l'addition de divers codopants sur le rendement lumineux et les propriétés temporelles ont été étudiés. Nous avons montré le rôle important de la technique de croissance choisie sur la nature et la concentration des défauts structuraux. La géométrie optimale, qui se base sur des monocristaux en forme de fibres, donne l'avantage à la technique de micro-pulling down. Cette technologie ne montre pas de meilleurs résultats que les techniques de Bridgman et de Czochralski mais a été retenue pour des raisons de coût et d'adaptabilité pour une production à grande échelle. L'optimisation des paramètres de croissance a permis la production de fibres monocristallines de LuAG dopées avec du Cérium présentant un rendement lumineux de 8000 photons par MeV et un bon comportement en tant que guide de lumière grâce à une qualité optique bien maitrisée. Des tests avec des faisceaux d'électrons et de pions, en conditions de calorimétrie à haute énergie, permettent désormais d'envisager la production d'un prototype à plus grande échelle / This thesis focuses on the improvement of the energy resolution of hadron calorimeters. The approach is based on dual-readout, which consists in the simultaneous detection of both scintillation and Cherenkov light. The comparison of these two signals allows a compensation of the energy fluctuations, which are inherent to the detection of hadronic showers. Lutetium Aluminium garnets (LuAG), which are efficient scintillators when activated with rare-earth dopants (i.e. Cerium), can also act as Cherenkov radiators when undoped. Both undoped and doped crystals can then be assembled to build an efficient dual-readout calorimeter. With the objective to investigate the feasibility of this concept, the effects of the doping concentration and the use of various co-dopant on the light output and the timing properties of LuAG were studied. The growth method was demonstrated to induce significant differences in the nature and concentration of structural defects. The optimum geometry, which is based on singlecrystals shaped into fibers, favors the micro-pulling down technique. This technology does not outperform Bridgman and Czochralski techniques but was chosen on bases of cost considerations and large scale productions abilities. The optimization of the growth parameters led to the production of single-crystalline fibers of Cerium-doped LuAG with a light output of 8000 photons per MeV and an adequate behavior as light guide due to a well-controlled optical quality. Test with electrons and pions in high energy calorimetry conditions allow to engage a future production of a larger-scale prototype

Single crystals with composition Lu3Al5O12 were synthesized using Czochralski and micro-pulling-down melt growth techniques. Polycrystalline ceramics of the same composition were synthesized by vacuum annealing of powders prereacted using a citrate-nitrate combustion technique and by spark-plasma-sintering of powders prereacted using a flame-spray-pyrolysis technique. Single crystals and polycrystalline ceramics are activated with Ce3+ or Pr3+ or doubly activated with Ce3+ and Tb3+ ions. Cerium-doped Czochralski-grown single crystals were compared to cerium-terbium codoped Czochralski-grown and micro-pulling down single crystals. Cerium-terbium codoped single crystals are also compared to similarly-activated polycrystalline ceramics sintered under vacuum using combustion-synthesized prereacted powders. X-ray diffraction analysis and fluorescence characterization were used to determine successful formation of single-phase LuAG and successful incorporation of doping species. Absorbance, fluorescence, radioluminescence, and scintillation decay analyses were used to compare synthesis processes and activator selection.

Single crystals with composition Lu3Al5O12 were synthesized using Czochralski and micro-pulling-down melt growth techniques. Polycrystalline ceramics of the same composition were synthesized by vacuum annealing of powders prereacted using a citrate-nitrate combustion technique and by spark-plasma-sintering of powders prereacted using a flame-spray-pyrolysis technique. Single crystals and polycrystalline ceramics are activated with Ce3+ or Pr3+ or doubly activated with Ce3+ and Tb3+ ions. Cerium-doped Czochralski-grown single crystals were compared to cerium-terbium codoped Czochralski-grown and micro-pulling down single crystals. Cerium-terbium codoped single crystals are also compared to similarly-activated polycrystalline ceramics sintered under vacuum using combustion-synthesized prereacted powders. X-ray diffraction analysis and fluorescence characterization were used to determine successful formation of single-phase LuAG and successful incorporation of doping species. Absorbance, fluorescence, radioluminescence, and scintillation decay analyses were used to compare synthesis processes and activator selection.

Les fibres monocristallines d'oxyde de lutécium et aluminium (Lu3Al5O12 - LuAG), non dopées ou intentionnellement dopées au cérium, élaborées par la technique de micro-pulling down sont de sérieuses candidates pour le développement de nouvelles générations de calorimètres à scintillation. Cependant, cette technique de croissance est complexe et nécessite une étude approfondie pour améliorer les propriétés optiques de ces fibres. Après avoir ajusté la température de croissance, les paramètres principaux étudiés furent la concentration en Cerium, la vitesse de croissance et l'orientation du cristal (fixé par le germe). Les meilleurs résultats ont été obtenus en combinant une vitesse de croissance relativement lente (0,25 mm/min), une teneur en Ce assez faible (~0.01 at.%) et une orientation <111> du cristal de LuAG. Ces fibres optimisées, de diamètre 1 ou 2 mm et de longueur atteignant 22 cm, présentaient une surface plus lisse et une densité de défauts et/ou cracks réduite. Dans les meilleurs cas, les mesures d'atténuation lumineuse ont montré une longueur d'atténuation pouvant dépasser 30 cm. Ces fibres se sont montrées également plus résistantes aux radiations / Single crystalline Cerium doped and undoped lutetium aluminum garnet fibers (Lu3Al5O12 - LuAG) grown by the micro-pulling-down technique show promising results for the development of future calorimeters due to its high scintillation properties. But this growth technique is complex and requires deep investigation for improving further the light properties of the grown fiber. After adjusting the growth temperature, the three main parameters studied were the cerium concentration, the growth rate, and the crystal orientation (fixed by the see). Best results were obtained by a combination of relatively low pulling speed (0.25mm/min), diluted cerium content of ~0.01 at.% and <111> oriented LuAG seed. These optimized fibers, which could be of 1 or 2 mm diameter and up to 22 cm long, showed a much smoother surface and reduced cracks and/or defects. In the best cases, light attenuation measurements indicated enhanced attenuation length which could be higher than 30 cm. Moreover, these fibers were found to display improved radiation hardness

Cette thèse présente un banc d'écriture de réseaux de diffraction de grande surface dont la période peut varier de 100 nm à plusieurs micromètres. Le principe est basé sur l'écriture au vol qui permet d'écrire des longs réseaux en balayant continûment un substrat recouvert de résine photosensible sous un interférogramme de petite dimension créé par un masque de phase. Deux types de masques ont été fabriqués. Le premier, pouvant être décrit comme un interféromètre de type Mach-Zehnder monolithique, présente l'intérêt d'écrire des réseaux de grandes périodes sans limite supérieure. Il est composé de trois réseaux de diffraction, écrits sur la même face d'un substrat épais grâce à destechniques standards de lithographie (e-beam, gravure RIE) accessibles lors d'un échange à l'UEF àJoensuu. A la longueur d'onde 442 nm, ce masque a permis d'écrire un réseau de période de 2 µmde grande dimension à l'aide d'une nappe de lumière divergente. Le second type de masque est monolithique en matériau haut indice. Il est utilisé en immersion à la longueur d'onde de 244 nm; des réseaux de période de 100 nm ont été écrits. La structure capable de supprimer l'ordre zéro transmis a été modélisée et les masques ont été fabriqués par trois partenaires européens du réseau d'excellence NEMO. La gravure du LuAG a également été étudiée en vue de fabriquer un masque de phase pour la longueur d'onde 193 nm. Afin d'écrire des réseaux larges et homogènes, une étude des différentes techniques d'élargissement de faisceau a été réalisée en vue de disposer d'une ligne de lumière avec un profil d'intensité homogène dit " top-hat ", et une méthode de fabrication d'un long masque de phase a été développée

Cette thèse présente un banc d’écriture de réseaux de diffraction de grande surface dont la période peut varier de 100 nm à plusieurs micromètres. Le principe est basé sur l’écriture au vol qui permet d’écrire des longs réseaux en balayant continûment un substrat recouvert de résine photosensible sous un interférogramme de petite dimension créé par un masque de phase. Deux types de masques ont été fabriqués. Le premier, pouvant être décrit comme un interféromètre de type Mach-Zehnder monolithique, présente l’intérêt d’écrire des réseaux de grandes périodes sans limite supérieure. Il est composé de trois réseaux de diffraction, écrits sur la même face d’un substrat épais grâce à destechniques standards de lithographie (e-beam, gravure RIE) accessibles lors d’un échange à l’UEF àJoensuu. A la longueur d’onde 442 nm, ce masque a permis d’écrire un réseau de période de 2 µmde grande dimension à l’aide d’une nappe de lumière divergente. Le second type de masque est monolithique en matériau haut indice. Il est utilisé en immersion à la longueur d’onde de 244 nm; des réseaux de période de 100 nm ont été écrits. La structure capable de supprimer l’ordre zéro transmis a été modélisée et les masques ont été fabriqués par trois partenaires européens du réseau d’excellence NEMO. La gravure du LuAG a également été étudiée en vue de fabriquer un masque de phase pour la longueur d’onde 193 nm. Afin d’écrire des réseaux larges et homogènes, une étude des différentes techniques d’élargissement de faisceau a été réalisée en vue de disposer d’une ligne de lumière avec un profil d’intensité homogène dit « top-hat », et une méthode de fabrication d’un long masque de phase a été développée / This PhD thesis presents a bench capable to write highly coherent diffraction gratings on a large area (potentially one square meter) with periods varying from 100 nm to several micrometers. The strategy is based on the “write on the fly” method, which allows writing long and stitchingless gratings by scanning a photoresist-coated substrate under a small area interferogram generated by a phase mask. The main object of this thesis concerns the design of the phase-mask. Two different types have been developed. The first type can be described as a monolithic Mach-Zehnder interferometer comprising three diffraction gratings at the same side of a thick fused silica substrate. This approach has the advantage of writing large periods without any upper limitation. Standard lithography techniques (e-beam, RIE) have been used to fabricate the mask during a two months stay at UEF at Joensuu. At the wavelength of 442 nm, a large 2 µm period grating has been made with exposure by a divergent beam. The second type of mask is binary and made in a layer of high refractive index material. It has been used at the 244 nm wavelength and under immersion to write a 100 nm period grating. The modeling was performed to find the optimal structure capable of suppressing the zeroth transmitted order. The masks were made by three European partners within the Network of Excellence NEMO. The etching of LuAG has also been studied in view of making a 193 nm phase-mask. To write large and homogeneous gratings, various methods of beam expansion were compared to generate a light line with a homogeneous intensity profile (top-hat). Solutions for the fabrication of long phase-masks have also been demonstrated

In this work we studied properties of garnet scintillator layers (RxLu3-xAl5O12, RxY3-xAl5O12) doped by rare earth ions (Ce, Pr, Tb), orthosilicates (Y2SiO5; R = Ce, Tb) and influence of Sc codoping on Pr3+ and Tb3+ emissions. The Zr codoping on Ce3+ emission in orthosilicates was also studied. The samples were prepared by liquid phase epitaxy. The studied materials show high quantum efficiency and good chemical and mechanical stability. They represent ideal materials for 2D imaging devices. We studied optical absorption, excitation and emission spectra and scintillation properties (radiolunescence and photoelectron yield). The aim was to determine the properties of grown layers and their comparison to Czochralski grown single crystals. We looked for the impact of melt and growth conditions on measured layer properties. We also tried to determine optimal amount of dopants in layer. We used PbO - B2O3 and BaO - BaF2 - B2O3 fluxes. Using these fluxes, we succeeded in growing layers with less intrinsic defects in crystal lattice in comparison to single crystals. In grown layers of thickness from 1 to 30 µm higher dopant concentration was achieved than in single crystals.