Les travaux effectués au cours de cette thèse ont été réalisés dans le cadre du développement d'une plateforme d'irradiation protons dédiée aux études en radiobiologie (Radiograaff) à partir de l'accélérateur Van de Graaff 4 MV de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon. Ceci, grâce à une collaboration étroite et interdisciplinaire entre les physiciens et ingénieurs de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) et des biologistes du Laboratoire de Radiobiologie Cellulaire et Moléculaire (LRCM) du CHU de Lyon Sud. Afin de présenter le développement de la plateforme Radiograaff, ce manuscrit se découpera en trois chapitres. Le premier chapitre présente les fondements de l'hadronthérapie et le contexte scientifique du projet. Nous traiterons, dans une première partie, de l'interaction ions-matière vivante afin de mieux cerner les concepts théoriques associés à l'hadronthérapie. Et nous présenterons, dans un second temps, les intérêts scientifiques et les objectifs du projet Radiograaff. Le deuxième chapitre concernera les développements instrumentaux de la ligne d'irradiation. Après avoir discuté du mode de délivrance et d'extraction du faisceau ainsi que des méthodes de simulation que nous avons employées pour le dimensionnement théorique la ligne d'irradiation, nous présenterons le système de contrôle de la dosimétrie. Le chapitre 2 sera conclu par les résultats de l'évaluation et de la qualification de la plateforme. Enfin, dans le troisième chapitre, après une brève présentation de quelques aspects de biologie et de radiobiologie, nous présenterons les premiers résultats obtenus concernant l'efficacité biologique relative des protons délivrés par la plateforme Radiograaff. Nous discuterons des protocoles, des conditions expérimentales ainsi que des méthodes d'analyse des résultats / The work done in this thesis has been made in the development of a proton irradiation platform dedicated for radiobiological studies from the 4 MV Van de Graaff accelerator of the Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL). These developments have been made through a close interdisciplinary collaboration between physicists and engineers from IPNL and biologists from the Laboratoire de Radiobiologie Cellulaire et Moléculaire (LRCM, CHU Lyon Sud). To present the development of Radiograaff platform, this manuscript will split into three chapters. The first chapter introduces the basics of hadrontherapy and the scientific context of the project. In the first part of this chapter, we present the interactions between ion and matter in order to better understand the theoretical concepts associated with the hadrons. Then, we present the scientific interests and objectives of the Radiograaff project. The second chapter concerns the instrumental developments of the beam line. After discussing the delivery mode and beam extraction in air and simulation methods that we used to design the theoretical line radiation, we present the dosimetric monitoring system. The chapter 2 is concluded by the results of the evaluation and qualification of the platform. Finally, in the third chapter, after a brief presentation of some aspects of biology and radiobiology, we present the first results on the relative biological effectiveness of protons delivered by the Radiograaff platform. We discuss the protocols, experimental conditions and methods for analysing results

Les micro-irradiateurs pour la radiothérapie préclinique du petit animal permettent d’effectuer des irradiations au plus proche des techniques de traitement chez l’homme, facilitant la transposition de résultats d'études radiobiologiques à la clinique. La spécificité des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (< 300 keV) utilisés génère cependant des problématiques dosimétriques inédites. Ce travail de thèse a consisté à mettre en œuvre la dosimétrie par fibre scintillante plastique pour ce domaine d’utilisation, là où peu de détecteurs conviennent. Dans une première partie, les faisceaux d’un micro-irradiateur ont été caractérisés en dose d’une part et leur spectres en énergie obtenus par simulations Monte Carlo d’autre part, afin d’étudier les performances du dosimètre prototype. La deuxième partie a montré ses excellentes caractéristiques dosimétriques telles que la répétabilité, reproductibilité et linéarité de réponse. Un des enjeux majeurs a alors été de caractériser sa dépendance en énergie, problématique inhérente à la dosimétrie à moyenne énergie et intrinsèque au scintillateur plastique en dessous de 100 keV. Une méthode d’étalonnage a été proposée pour prendre en compte cette dépendance en conditions précliniques (mini-faisceaux et petit volume diffusant), à partir de spectres en énergie simulés. Le dosimètre a ensuite été utilisé pour la vérification de plans de traitement sur fantôme puis in vivo sur des rats, avec des résultats très concluants. Il a montré des performances prometteuses pour l’évaluation en temps réel de la dose délivrée aux tumeurs soumises aux mouvements respiratoires des animaux. / Small animal micro-irradiators designed for preclinical radiotherapy experiments mimic human clinical irradiation techniques thus facilitating the transposition of radiobiological research findings to clinical practice. These devices deliver millimetric x-ray beams of medium-energy (< 300 keV) which implies specific dosimetric issues. The objective of this thesis was the implementation of plastic scintillating fiber dosimetry in this specific field of use, for which few existing dosimeters are suitable. In a first part, beams from a micro-irradiator were characterized. Dosimetric measurements along with energy spectra Monte Carlo simulations allowed the study of the dosimeter prototype performances. In the second part of this work, excellent dosimetric properties of the detector such as repeatability, reproducibility and dose response linearity were shown. Then, a major issue was to determine the detector energy dependence, which is inherent to medium-energy dosimetry and also an intrinsic property of plastic scintillator, below 100 keV. A calibration method based on the simulated energy spectra was proposed to correct this dependence in preclinical conditions (mini-beams, small scattering volume). The dosimeter showed very conclusive results for treatment plan verification in a heterogene phantom and during rats in vivo experiments. The dosimeter also demonstrated promising performances for online control of the delivered dose to mobile tumors, subject to the animal respiratory movements.

L’intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l’optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd’hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l’intégration, l’In(Ga)As présente l’avantage d’un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d’In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l’étude par faisceaux d’ions de boîtes quantiques (BQs) d’In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L’analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d’In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d’exo-diffusion d’indium et la présence d’espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l’analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l’épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l’analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d’obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d’In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l’effet de blocage du flux d’ions rétrodiffusés qui permet d’observer les ombres des axes et des plans cristallographiques. / The integration on silicon of direct band gap materials such as some semiconductors from the III-V group is of a rising interest for tomorrow's optoelectronic devices. Although silicon is the raw material for many microelectronic devices, it has a poor light emitting efficiency due to his indirect band gap. Among the III-V family, the In(Ga)As compounds present the advantage of a smaller band gap than silicon, which encourage the confinement of electron-hole pairs. However, the large lattice mismatch between silicon and In(Ga)As is a serious limitation for the epitaxial integration. This PhD work has been focused on the ion beam study of In(Ga)As quantum dots (QDs) grown by epitaxy on silicon and of the QD capping by silicon. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) has been used to quantify composition of both QDs and cap layer. Exo-diffusion and excess issues of some elements have been pointed out. The epitaxial relation between QDs and substrate have been investigated by ion channelling (RBS-C). Medium Energy Ion Scattering (MEIS) has also been used to obtain high resolution profiles of composition, defects and strain for both the QD plane and the capping layer. Direct space mapping of both crystals has also been achieved by MEIS thanks to the blocking effect.

L'intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l'optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd'hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l'intégration, l'In(Ga)As présente l'avantage d'un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d'In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l'étude par faisceaux d'ions de boîtes quantiques (BQs) d'In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L'analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d'In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d'exo-diffusion d'indium et la présence d'espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l'analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l'épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l'analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d'obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d'In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l'effet de blocage du flux d'ions rétrodiffusés qui permet d'observer les ombres des axes et des plans cristallographiques.

Les travaux effectués au cours de cette thèse ont été réalisés dans le cadre du développement d'une plateforme d'irradiation protons dédiée aux études en radiobiologie (Radiograaff) à partir de l'accélérateur Van de Graaff 4 MV de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon. Ceci, grâce à une collaboration étroite et interdisciplinaire entre les physiciens et ingénieurs de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) et des biologistes du Laboratoire de Radiobiologie Cellulaire et Moléculaire (LRCM) du CHU de Lyon Sud. Afin de présenter le développement de la plateforme Radiograaff, ce manuscrit se découpera en trois chapitres. Le premier chapitre présente les fondements de l'hadronthérapie et le contexte scientifique du projet. Nous traiterons, dans une première partie, de l'interaction ions-matière vivante afin de mieux cerner les concepts théoriques associés à l'hadronthérapie. Et nous présenterons, dans un second temps, les intérêts scientifiques et les objectifs du projet Radiograaff. Le deuxième chapitre concernera les développements instrumentaux de la ligne d'irradiation. Après avoir discuté du mode de délivrance et d'extraction du faisceau ainsi que des méthodes de simulation que nous avons employées pour le dimensionnement théorique la ligne d'irradiation, nous présenterons le système de contrôle de la dosimétrie. Le chapitre 2 sera conclu par les résultats de l'évaluation et de la qualification de la plateforme. Enfin, dans le troisième chapitre, après une brève présentation de quelques aspects de biologie et de radiobiologie, nous présenterons les premiers résultats obtenus concernant l'efficacité biologique relative des protons délivrés par la plateforme Radiograaff. Nous discuterons des protocoles, des conditions expérimentales ainsi que des méthodes d'analyse des résultats