Une grande 'Chambre à Projection Temporelle' (TPC) est un candidat pour la détection et la mesure des traces chargées auprès de l'ILC, collisionneur linéaire d'électrons et de positons de 31 km permettant d'atteindre des énergies dans le centre de masse de 250 GeV à 1 TeV. Le travail de R&D décrit dans cette thèse porte sur un type nouveau de TPC, dont la lecture est assurée par des Micromégas à anode résistive. Ce dispositif permet de répartir le signal électrique sur plusieurs carreaux, même lorsque la charge est déposée sur un seul carreau. Il permet aussi de protéger l'électronique, ce qui est utilisé dans notre prototype pour miniaturiser les cartes de lecture. Dans ce travail, des modules Micromégas ont été testés et caractérisés, dans un premier temps, en faisceau, un par un au centre de la chambre, puis 7 modules montés en même temps de façon à couvrir la surface. Egalement, des tests sur un banc équipé d'une source de ⁵⁵Fe ont permis de caractériser les 7 modules utilisés. Une résolution en position de 60 microns par ligne de carreaux est obtenue à petite distance de dérive. L'uniformité est aussi évaluée, et des distorsions pouvant atteindre environ 500 microns sont observées. L'ensemble des résultats démontre l'adéquation de ce type de lecture à la TPC pour l'ILC. La fraction de retour des ions est également mesurée à l'aide d'un détecteur de même géométrie et avec le même gaz que ceux utilisés dans ces tests, et la loi en rapport inverse des champs est validée à nouveau dans ces conditions. La même technique est appliquée à la réalisation d'un imageur neutron, consistant en une TPC Micromégas 'plate' précédée d'un film convertisseur de 1mm d'épaisseur. Les protons éjectés par les neutrons sont 'suivis à la trace' dans le volume gazeux, ce qui permet de reconstruire avec une précision meilleure que le millimètre le point d'origine du neutron.

Une grande ‘Chambre à Projection Temporelle’ (TPC) est un candidat pour la détection et la mesure des traces chargées auprès de l’ILC, collisionneur linéaire d’électrons et de positons de 31 km permettant d’atteindre des énergies dans le centre de masse de 250 GeV à 1 TeV. Le travail de R&D décrit dans cette thèse porte sur un type nouveau de TPC, dont la lecture est assurée par des Micromégas à anode résistive. Ce dispositif permet de répartir le signal électrique sur plusieurs carreaux, même lorsque la charge est déposée sur un seul carreau. Il permet aussi de protéger l’électronique, ce qui est utilisé dans notre prototype pour miniaturiser les cartes de lecture. Dans ce travail, des modules Micromégas ont été testés et caractérisés, dans un premier temps, en faisceau, un par un au centre de la chambre, puis 7 modules montés en même temps de façon à couvrir la surface. Egalement, des tests sur un banc équipé d’une source de ⁵⁵Fe ont permis de caractériser les 7 modules utilisés. Une résolution en position de 60 microns par ligne de carreaux est obtenue à petite distance de dérive. L’uniformité est aussi évaluée, et des distorsions pouvant atteindre environ 500 microns sont observées. L’ensemble des résultats démontre l’adéquation de ce type de lecture à la TPC pour l’ILC. La fraction de retour des ions est également mesurée à l’aide d’un détecteur de même géométrie et avec le même gaz que ceux utilisés dans ces tests, et la loi en rapport inverse des champs est validée à nouveau dans ces conditions. La même technique est appliquée à la réalisation d’un imageur neutron, consistant en une TPC Micromégas ‘plate’ précédée d’un film convertisseur de 1mm d’épaisseur. Les protons éjectés par les neutrons sont ‘suivis à la trace’ dans le volume gazeux, ce qui permet de reconstruire avec une précision meilleure que le millimètre le point d’origine du neutron. / The study of the fundamental building blocks of matter necessitates always more powerful accelerators. New particles are produced in high energy collisions of protons or electrons. The by-Products of these collisions are detected in large apparatus surrounding the interaction point. The 125 GeV Higgs particle discovered at LHC will be studied in detail in the next e⁺e⁻ collider. The leading project for this is called ILC. The team that I joined is working on the R&D for a Time Projection Chamber (TPC) to detect the charged tracks by the ionization they leave in a gas volume, optimised for use at ILC. This primary ionization is amplified by the so-Called Micromegas device, with a charge-Sharing anode made of a resistive-Capacitive coating. After a presentation of the physics motivation for the ILC and ILD detector, I will review the principle of operation of a TPC (Chapter 2) and underline the advantages of the Micromegas readout with charge sharing. The main part of this PhD work concerns the detailed study of up to 12 prototypes of various kinds. The modules and their readout electronics are described in Chapter 3. A test-Bench setup has been assembled at CERN (Chapter 4) to study the response to a ⁵⁵Fe source, allowing an energy calibration and a uniformity study. In Chapter 5, the ion backflow is studied using a bulk Micromegas and the gas gain is measured using a calibrated electronics chain. With the same setup, the electron transparency is measured as a function of the field ratio (drift/amplification). Also, several beam tests have been carried out at DESY with a 5 GeV electron beam in a 1 T superconducting magnet. These beam tests allowed the detailed study of the spatial resolution. In the final test, the endplate was equipped with seven modules, bringing sensitivity to misalignment and distortions. Such a study required software developments (Chapter 6) to make optimal use of the charge sharing and to reconstruct multiple tracks through several modules with a Kalman filter algorithm. The results of these studies are given in Chapter 7. The TPC technique has been applied to neutron imaging in collaboration with the University of Lanzhou. A test using a neutron source has been carried out in China. The results are reported in Chapter 8.

L'imagerie médicale fonctionnelle permet de localiser en trois dimensions la position d'un traceur radioactif injecté au préalable à un patient. Les deux principales modalités employées en routine clinique pour détecter les tumeurs, la TEMP et la TEP, utilisent la technologie des scintillateurs solides comme milieu de détection des photons gamma.<br />Le but de cette thèse a été d'étudier la possibilité d'utiliser du xénon liquide, les propriétés intrinsèques de ce scintillateur en faisant un candidat intéressant pour une application en imagerie fonctionnelle. L'étude de faisabilité a été réalisée en tenant compte des difficultés techniques inhérentes à l'utilisation du xénon liquide. <br />Tout d'abord, des simulations d'une TEP au xénon liquide ont été menées à l'aide de méthodes Monte-Carlo. Les résultats obtenus avec un grand volume de détection laissent envisager une réduction de l'activité de radioélément injectée au patient ainsi qu'une amélioration de la résolution spatiale de l'image et une suppression de l'effet de parallaxe.<br />La seconde partie de cette thèse s'est portée sur un nouveau concept d'imagerie médicale à trois photons, basée sur l'utilisation de scandium 44. Associé à une camera TEP classique, le télescope Compton est chargé de mesurer la direction d'arrivée du troisième gamma par triangulation. Il est alors possible de reconstruire directement la position de l'émetteur dans les trois dimensions. <br />Ces travaux ont convaincu la communauté scientifique d'accompagner la construction et la caractérisation d'un télescope Compton au xénon liquide. La première caméra dédiée a l'imagerie du petit animal devrait ainsi voir le jour a l'horizon 2009.

Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe. / This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.