Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre.

La fission nucléaire est le mécanisme de séparation d'un noyau lourd en deux noyaux appelés fragments de fission. Ces fragments excités émettent des neutrons et des gammas dits prompts pour rejoindre leur état fondamental ou métastable. L'énergie libérée lors de la fission est utilisée dans les centrales nucléaires pour fournir de l'électricité. La durée de vie et le contrôle des réacteurs nucléaires dépendent entre autres des observables de fission telles que les rendements en masse des fragments, la multiplicité et l'énergie des neutrons et des gammas prompts. La première partie de cette thèse est dédiée à l'étude du processus de désexcitation des fragments de fission avec le code de simulation Monte-Carlo FIFRELIN. Ce code, constitué de plusieurs modèles nucléaires permettant de décrire les fragments, prédit les propriétés (multiplicité, énergie) des particules promptes émises lors de la désexcitation. Lors de ce travail de thèse l'influence des modèles sur les prédictions du code a été étudiée. Les modèles étudiés sont ceux définissant le moment angulaire initial, la densité de niveaux et les fonctions de force gamma des fragments. Les résultats de ces études permettent d'identifier les modèles qui influencent significativement les prédictions du code et donc, de sélectionner la combinaison des modèles reproduisant le maximum d'observables et d'améliorer la description nucléaire des fragments. Ces études sont d'abord menées sur la fission spontanée du 252Cf pour laquelle de nombreuses données expérimentales existent ce qui permet de contraindre fortement les modèles. Des études sur la fission rapide (énergie des neutrons incidents de l'ordre du MeV) de 238U et 237Np sont ensuite réalisées. Elles sont motivées, entre autres, par le développement de nouveaux concepts de réacteurs rapides, dits de quatrième génération, permettant de réduire les quantités de déchets nucléaires et d'utiliser les réserves abondantes de 238U pour fournir de l'électricité. Les données expérimentales relatives à la fission rapide sont rares. De nouveaux dispositifs expérimentaux sont actuellement en développement afin d’étudier l’évolution des différentes observables de fission sur un large domaine en énergie d’excitation. Le dispositif FALSTAFF qui fait l'objet de la deuxième partie de cette thèse est l'un d'entre eux. Dans cette seconde partie les étapes de développement, d'optimisation et de caractérisation du premier bras du dispositif expérimental FALSTAFF sont présentées. Ce spectromètre, installé auprès de l'installation NFS (Neutrons For Science), permettra d'étudier la fission rapide en cinématique directe de nombreux actinides. La détection des deux fragments de fission en coïncidence permettra de caractériser leur énergie, leurs masses (avant et après évaporation des neutrons) et leur charge. La multiplicité des neutrons émis sera alors déterminée et nous renseignera sur le partage de l'énergie d’excitation entre les fragments. Les données mesurées serviront ultérieurement de données d'entrée au code FIFRELIN. La mesure de la vitesse des deux fragments en coïncidence (méthode 2V), avec des détecteurs de temps de vol MWPC-SeD donnent accès à la masse avant évaporation. Une chambre à ionisation axiale placée après ces détecteurs permet de mesurer l'énergie cinétique et le profil de perte d'énergie des fragments, ce qui permet de déterminer respectivement la masse après évaporation (méthode EV) et la charge nucléaire des fragments.La partie expérimentale de cette thèse est dédiée au développement des programmes de simulation et d'analyse des données, à la mise en place du système d'acquisition, à la caractérisation et à l'optimisation des détecteurs. Ce dernier point concerne essentiellement l'étude des performances de la chambre à ionisation axiale. / Nuclear fission is the process in which a heavy nucleus splits into two nuclei called fission fragments. These excited fragments emit prompt neutrons and gammas to reach their ground or a metastable state. The energy released during fission is used in nuclear power plants to provide electricity. The nuclear reactor lifespan and control depend partly on fission observables such as the fragment mass yields, the neutron and gamma multiplicity and energy. The first part of this thesis is dedicated to the study of the fission fragment de-excitation process with the FIFRELIN Monte-Carlo code. This code, containing many nuclear models describing the fragments, predicts the prompt particle properties (multiplicity, energy).During this PhD work the impact of different models on the code predictions was investigated. The models which are studied are those defining the initial angular momentum, the level density and the radiative strength function of fragments. These studies identified those nuclear properties that have a significant impact on the code predictions, and as a consequence permitted selection of the model combination suited to reproduce the maximum number of fission observables, and improving our understanding about the nuclear description of fission fragments. These studies are firstly performed on the spontaneous fission of 252Cf for which numerous experimental data are available allowing constraints to be set on the models. Studies on fast fission (incident neutron with an energy around MeV) of 238U and 237Np are then performed. They are motivated partly by the development of new fast reactor concepts, called Generation IV reactors, that will reduce the quantity of nuclear waste and burn the large amount of natural uranium to provide electricity. Experimental data concerning fast fission are scarce. As a consequence new experimental setups are currently under development. They will measure fission observables over a large excitation energy domain. One of them, called FALSTAFF, is the topic of the second part of this thesis. In the second part of this PhD thesis, the different steps concerning the development, the optimization and the characterization of the first arm of the FALSTAFF setup are presented. This spectrometer, placed at the NFS facility (Neutrons For Science), will study fast fission in direct kinematic for various actinides. The detection of both fragments in coincidence will allow characterization of their energy, their masses (before and after neutron evaporation) and their nuclear charge. The neutron multiplicity will be deduced and will provide information on the energy sharing between the fragments. This data will be later used as input for the FIFRELIN code. The velocity determination of both fragments (2V method), with MWPC-SeD time-of-flight detectors, will provide pre-neutron emission fragment masses. An axial ionization chamber, placed after those detectors, will measure the kinematic energy and the energy loss profile of fragments, which will provide respectively the post-neutron emission mass (EV method) and the nuclear charge. The experimental part of this thesis is dedicated to the development of simulation and data analysis software, the configuration of the data acquisition system, the characterization and the optimization of the detectors. This last item mainly concerns the axial ionization chamber.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Dans une première partie introductive, nous rappelons la description théorique de la propagation de faisceaux optiques en terme des modes solutions de l'équation de propagation dans l'approximation paraxialle. Dans ce cadre, nous présentons les notions de moment cinétique transporté par les faisceaux lumineux, et de sa décomposition en moment cinétique intrinsèque (ou spin) et en moment angulaire.La seconde partie est consacrée au codage de l'information dans les degrés de libertés de polarisation et de modes transverses des faisceaux optiques. Les modes spin-orbites sont définis et un dispositif expérimental optique pour produire ces modes est présenté. Les modes spin-orbites sont alors exploités pour implémenter un protocole de distribution de clés BB84 ne nécessitant pas le partage à priori d'une base de référence.Dans une troisième partie, nous proposons un critère de type inégalité de Bell, qui constitue une condition suffisante pour caractériser la non-séparabilité en spin-orbite d'un faisceau optique classique. Nous montrons ensuite que la notion de modes spin-orbite séparable ou non-séparable constitue une analogie pertinente avec la notion d'intrication d'états quantiques et permet l'étude de certaines de ses propriétés fondamentales. Enfin, une implémentation expérimentale de cette simulation de tests de Bell avec des faisceaux optiques classiques est présentée, ainsi que sa description détaillée dans le cadre de l'optique quantique.Dans une dernière partie, nous nous intéressons à des inégalités de Bell, pour des états quantiques de systèmes quantiques à deux parties, qui sont caractérisées chacune par une variable continue de type angulaire (périodique). Nous montrons comment détecter la non-localité sur ce type de système, avec des inégalités qui sont similaires aux inégalités CHSH; inégalités qui avaient été développées originellement pour des systèmes de type spin 1/2. Nos inégalités, sont construites à partir de la mesure de la corrélation de fonctions angulaires. Nous montrons qu'elles sont en fait la superposition continue d'inégalités CHSH de type spin 1/2. Nous envisageons une possible implémentation expérimentale, où les corrélations mesurées sont les corrélations angulaires du profil transverse des photons intriqués. / We shall present a theoretical description of paraxial beams, showing the propagation modes that arise from the solution of the paraxial equation in free space. We then discuss the angular momentum carried by light beams, with its decomposition in spin and orbital angular momentum and its quantization. We present the polarization and transverse modes of a beam as potential degrees of freedom to encode information. We define the Spin-Orbit modes and explain the experimental methods to produce such modes. We then apply the Spin-Orbit modes to perform a BB84 quantum key distribution protocol without a shared reference frame.We propose a Bell-like inequality criterion as a sufficient condition for the spin-orbit non-separability of a classical laser beam. We show that the notion of separable and non-separable spin-orbit modes in classical optics builds a useful analogy with entangled quantum states, allowing for the study of some of their important mathematical properties. We present a detailed quantum optical description of the experiment in which a comprehensive range of quantum states are considered.Following the study of Bell's inequalities we consider bipartite quantum systems characterized by a continuous angular variable θ. We show how to reveal non-locality on this type of system using inequalities similar to CHSH ones, originally derived for bipartite spin 1/2 like systems. Such inequalities involve correlated measurement of continuous angular functions and are equivalent to the continuous superposition of CHSH inequalities acting on two-dimensional subspaces of the infinite dimensional Hilbert space. As an example, we discuss in detail one application of our results, which consists in measuring orientation correlations on the transverse profile of entangled photons.

L’étude des rendements de fission a un impact majeur sur la caractérisation du processus de fission mais également sur le fonctionnement des réacteurs nucléaires. Bien que les rendements de fission thermiques des actinides majeurs (U-235, Pu-239) soient bien connus, ce n’est pas le cas de ceux de l’Am-242, ce que confirment les désaccords observés entre les principales bases de données évaluées. L’utilisation grandissante du combustible MOX dans les réacteurs nucléaires et la réduction de la radiotoxicité des déchets nucléaires nous poussent à étudier l’Am-241 et l’Am-242. Ainsi, les rendements issus de la fission de la réaction Am-241(2n,f) ont été mesurés auprès du spectromètre de masse Lohengrin situé à l’Institut Laue Langevin de Grenoble (France). Ces mesures ont permis la détermination de 41 rendements en masse. De plus, 20 rendements isotopiques ont pu être mesurés par spectrométrie gamma. Les expériences menées dans le cadre de cette thèse avaient également pour but de déterminer si les rendements de fission sont influencés par l’état de spin de l’Am-242. Afin de répondre à cette question, la mesure répétitive de rendements en masse pour différents rapports de taux de fission (Am-242m/Am-242g) a été réalisée. Nos résultats montrent que le spin du noyau cible n’a que peu d’influence sur les rendements en masse. De nouvelles expériences sont proposées afin de déterminer son influence sur les rapports isomériques. Les modèles théoriques actuels sont dans l’incapacité de prédire avec une précision suffisante les rendements de fission. Ainsi, l’industrie nucléaire a recours aux bases de données évaluées et aux modèles phénoménologiques. Néanmoins, les prédictions issues de modèles semi-empiriques implémentés dans le code GEF ont atteint un niveau suffisant pour faire de ce code un outil d’évaluation performant. Le contenu physique, les développements, les validations et l’extension du code seront également présentés dans cette thèse. / The study of fission yields has a major impact on the characterization and understanding of the fission process and is mandatory for reactor applications. While the yields are known for the major actinides (U-235, Pu-239) in the thermal neutron-induced fission, only few measurements were performed on Am-242. Moreover, the two main data libraries do not agree among each other on the light peak. Am-241 and Am-242 are nuclei of interest for the MOX-fuel reactors and for the reduction of nuclear waste radiotoxicity using transmutation reactions. Thus, a campaign of precise measurement of the fission mass yields from the reaction Am-241(2n,f) was performed at the Lohengrin mass spectrometer (ILL, France) for both the light and the heavy peak. Forty-one masses were measured. Moreover, the measurement of the isotopic fission yields on the heavy peak by gamma-ray spectrometry led to the extraction of 20 independent isotopic yields. Our measurement was also meant to determine whether there is a difference in fission yields between the Am-242 isomeric state and its ground state as it exists in fission cross sections. The experimental method used to answer this question is based on the measurement a set of fission mass yields as a function of the ratio of Am-242gs to Am-242m fission rate. Results show that the mass yields are independent of the fission rate ratio. A future experimental campaign is proposed to observe a possible influence on the isomeric yields. The theoretical models are nowadays unable to predict the fission yields with enough accuracy and therefore we have to rely on experimental data and phenomenological models. The accuracy of the predictions of the semi empirical GEF fission model predictions makes it a useful tool for evaluation. This thesis also presents the physical content and part of the development of this model. Validation of the kinetic energy distributions, isomeric yields and fission yields predictions was performed. The extension of the GEF model at high energy is also presented.

Exploiter le degré de liberté angulaire de la lumière pour contrôler les forces optiques ouvre une nouvelle voie pour la manipulation optique de systèmes matériels. Dans ce contexte, notre travail porte sur l’interaction lumière-matière en présence de chiralité, qu’elle soit matérielle ou ondulatoire. Expérimentalement, nous avons utilisé des gouttes de cristaux liquides cholestériques interagissant avec un ou plusieurs champs lumineux polarisés circulairement et nous avons apporté une description quantitative de nos observations. Notre principal résultat correspond à la démonstration que la pression de radiation optique peut être contrôlée par l’hélicité du photon. Ce phénomène est ensuite utilisé, d’une part pour faire une démonstration de principe du tri de la chiralité matérielle via une approche optofluidique et d’autre part pour réaliser un piège optique tridimensionnel sensible à la chiralité de l’objet piégé. / Exploiting the angular momentum degree of freedom of light to control the mechanical effects that result from light-matter exchanges of linear momentum is an intriguing challenge that may open new routes towards enhanced optical manipulation of material systems. In this context, our work addresses the interplay between the chirality of matter and the chirality of optical fields. Experimentally, this is done by using cholesteric liquid crystal droplets interacting with circularly polarized light and we provide with theoretical developments to quantitatively support our observations. Our main result is the demonstration of optical radiation force controlled by the photon helicity. This phenomenon is then used to demonstrate the optofluidic sorting of material chirality and the helicity-dependent three-dimensional optical trapping of chiral liquid crystal microspheres.

Les traitements en radiothérapie consistent à irradier le patient avec desfaisceaux de particules énergétiques (typiquement des photons) ciblant la tumeur. Cesparticules sont transporté à travers le milieu et y dépose de l'énergie. Cette énergiedéposée, appelée la dose, est responsable des effets biologiques des radiations.Ce travail a pour but de développer des méthodes numériques de calcul etd'optimisation de la dose qui sont compétitives en termes de coût de calcul et de précisionpar rapport à des méthodes de référence.Le mouvement des particules est d'abord étudié via un système d'équationscinétiques linéaires. Cependant, résoudre directement ces systèmes est numériquementtrop coûteux pour des applications médicales. Pour palier ce coût de calcul, la méthodemoment, et en particulier les modèles Mn, est utilisée. Ces équations aux moments sontnon linéaires et valides sous une condition appelée réalisabilité.Les schémas numériques standards pour les équations aux moments sontcontraints par des conditions de stabilité qui se trouvent être très restrictives lorsque lemilieu contient des zones sous-denses. Des schémas numériques inconditionnellementstables et adaptés aux équations aux moments (préservant la réalisation) sontdéveloppés. Ces schémas se révèlent compétitifs en termes de coûts de calcul par rapportaux approches de référence. Finalement, ces méthodes sont appliquées dans uneprocédure d'optimisation visant à maximiser la dose dans la tumeur et la minimiser dansles tissus sains. / Radiotherapy treatments consists in irradiating the patient with beams ofenergetic particles (typically photons) targeting the tumor. Such particles are transportedthrough the medium and deposit energy in the medium. This deposited energy is the socalleddose, responsible for the biological effect of the radiations.The present work aim to develop numerical methods for dose computation andoptimization that are competitive in terms of computational cost and accuracy compared toreference method.The motion of particles is first studied through a system of linear transport equationsat the kinetic level. However, solving directly such systems is numerically too costly formedical application. Instead, the moment method is used with a special focus on the Mnmodels. Those moment equations are non-linear and valid under a condition calledrealizability.Standard numerical schemes for moment equations are constrained by stabilityconditions which happen to be very restrictive when the medium contains low densityregions. Inconditionally stable numerical schemes adapted to moment equations(preserving the realizability property) are developped. Those schemes are shown to becompetitive in terms of computational costs compared to reference approaches. Finallythey are applied to in an optimization procedure aiming to maximize the dose in the tumorand to minimize the dose in healthy tissues.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les mémoires quantiques sont un élément essentiel dans le domaine de l'information quantique, en particulier pour la mise en oeuvre de communications quantiques sur de longues distances. Une mémoire quantique a pour but de stocker un état quantique de la lumière, comme par exemple un bit quantique (qubit), et de le réémettre après un délai donné. Les ensembles atomiques sont de bons candidats pour construire de telles mémoires quantiques, car il est possible d'obtenir de fort couplage lumière-matière dans le cas d'un grand nombre d'atomes. De plus, la notion d'effet collectif, qui est renforcé pour de large profondeur optique, permet en principe une efficacité de stockage proche de l'unité. Ainsi, dans cette thèse, un piège magnéto-optique de césium à forte densité optique est utilisé pour l'implémentation d'un protocole de mémoire quantique basé sur la transparence induite électromagnétiquement (EIT). Tout d'abord, le phénomène EIT est étudié à travers un critère de discrimination entre les modèles d'EIT et de séparation Autler-Townes. Nous rapportons ensuite la mise en oeuvre d'une mémoire basée sur l'EIT pour des qubits photoniques encodés en moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Une mémoire réversible pour des modes de Laguerre-Gauss est réalisée, et nous démontrons que la mémoire optique préserve le sens de la structure hélicoïdale au niveau du photon unique. Ensuite, une tomographie quantique complète des états réémis est effectuée, donnant des fidélités au-dessus de la limite classique. Cela montre que notre mémoire optique fonctionne dans le régime quantique. Enfin, nous présentons la mise en oeuvre du protocole dit DLCZ dans notre ensemble d'atomes froids, permettant la génération de photons uniques annoncés. Une détection homodyne nous permet de réaliser la tomographie quantique de l'état photonique ainsi créé.

La description magnétohydrodynamique est utilisée pour étudier les plasmas de fusion par confinement magnétique dans deux configurations: tokamak et reversed field pinch. Une méthode de Fourier pseudo-spectrale et une technique de pénalisation en volume sont employées pour résoudre les équations. La méthode de pénalisation permet d'introduire des conditions aux limites de Dirichlet et donc de faire varier facilement la géométrie considérée. Les simulations dans des géométries toroïdales de type tokamak montrent l'apparition spontanée de vitesses. Une importante composante toroïdale se développe si le système est peu dissipatif. Il est aussi montré que la brisure de symétrie dans la forme de la section du tore fait apparaitre un moment angulaire toroïdal. Pour le Reversed Field Pinch on montre l'émergence de structures hélicoïdales. La forme de ces structures varie en fonction des coefficients de transport ainsi que du paramètre de pincement du champ magnétique imposé. Pour compléter l'étude on compare les résultats du tore aux calculs dans un cylindre périodique. Les différences dans la dynamique des deux cas sont mises en avant. Finalement les simulations sont confrontées à des expériences et un meilleur accord est observé entre simulation et expérience pour la géométrie toroïdale que pour la géométrie cylindrique.