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This work presents results on the study of mechanisms and performance of negative ion drift and gas gain in gas-filled radiation detectors with electronegative fill gases. Negative ions drift with slow drift velocity and the lowest possible (thermal limit) diffusion, which leads to relaxed requirements for readout electronics without sacrificing accuracy. Slow drift velocity and low diffusion are the bases for this work because these characteristics are highly desirable for space-based detectors and for low pressure Time Projection Chambers (TPCs) used to make direction sensitive searches for Galactic Dark Matter. The present work led to two major successes: (1) Nitromethane (CH3NO2) was discovered as a new electronegative fill gas for TPCs. Nitromethane anions drift even slower (mobility = 0.032 m2·T/V ·s) than the only other known capture agent, carbon disulfide (CS2, mobility = 0.036 m2·T/V ·s), and the measured longitudinal diffusion remains at the thermodynamic (lower) limit for fields up to 7 V/cmT. Nitromethane is of particular interest for X-ray photoelectric polarimeters in the 2-10 keV energy range because of its low atomic number (Z). (2) Using a Diethorn plot, the mechanism which initiates electron avalanches in electronegative gas mixtures was accounted for. The Diethorn plot parameter Emin, is the minimum field needed to start avalanche gain in a proportional counter. Electronegative gases were found to have extremely large pressure-reduced starting fields (10-50 times larger than electron gases) which are themselves approximately independent of pressure. This can only be accounted for by a collisional ionization mechanism leading to the release of electrons from the ions and subsequent development of gain through a normal Townsend avalanche. The collision cross-section (σc) calculated from drift velocity data allows an estimate of Emin to be made which agrees with the experimental findings (5 - 25 % difference). The light output from Townsend avalanches has been proposed as an alternative readout mechanism for TPCs. The light output from negative ion avalanches was investigated using a Negative Ion Drift Chamber (NIDC) with a Gaseous Electron Multiplier (GEM)-like device as the amplification structure, viewed through a quartz window by a photomultiplier tube. This study allowed an upper limit of light output to be assigned to several negative ion gas mixtures. Finally, a Micromegas NIDC was assembled to test the performance of negative ion mixtures in this gain device. The detector was stable and operated at gas gains of ∼ 104 in an electron gas mixture (argon-isobutane). However, with the two negative ion gases studied, CS2 and CH3NO2, high voltage breakdown and microphonic noise developed before appreciable gain was obtained. / Physics

L'incorporation d'actinide dans un matériau soumet ce dernier à l'action d'une particule alpha, de quelques MeV toujours associée au recul du noyau résiduel. Ce dernier avec une énergie d'une centaine de keV produit l'essentiel des dégâts d'irradiation. L'étude des analogues naturels a permis d'identifier les fluoroapatites à forte teneur en groupements phosphate comme matrices potentielles de conditionnement des actinides. Des travaux antérieurs, simulant la décroissance alpha dans la fluoroapatite phosphocalcique monocristalline ont mis en évidence un phénomène d'exfoliation et un recuit des défauts créés par les noyaux de recul par les ions hélium. Notre travail a montré que l'exfoliation ne peut pas se produire sur les matériaux apatitiques polycristallins (fluoroapatite phosphocalcique et fluoroapatite à un silicate) probablement grâce à l'évacuation de l'hélium hors des grains par un réseau de microcanaux aboutissant à la surface du grain et par la diffusion de l'hélium dans les joints de grains. En revanche ces chemins d'évacuation de l'hélium diminuent la résistance chimique de la fluoroapatite. De même, la vitesse de dissolution de l'apatite est fortement augmentée au-dessus d'un seuil d'endommagement correspondant à la percolation des défauts isolés et surtout en cas d'amorphisation totale. Concernant l'effet des noyaux de recul et de recuit par les particules alpha, une méthode d'étude originale reposant sur l'utilisation d'un microscope électronique à transmission couplé avec un implanteur d'ions a été mise au point. Ce dispositif a permis de réaliser des irradiations simulant la décroissance alpha et de suivre in situ l'évolution du désordre d'échantillons polycristallins. Il a été montré que pour toute la solution solide des fluoroapatites phospho-silicatées l'amorphisation se produit directement dans la cascade. De même, grâce à cette technique, l'efficacité du recuit par alpha a été mesurée sur différentes compositions d'apatite. Le principal résultat montre que l'efficacité du recuit par alpha dans la fluoroapatite diminue très rapidement avec l'augmentation du rapport SiO4/PO4 ce qui est en accord avec les conclusions de l'étude des analogues naturels. Elle diminue également lorsque l'anion fluor présent dans les tunnels est remplacé par un groupement hydroxyle. Au niveau de nos connaissances actuelles, le recuit par alpha semble être une propriété unique de la structure apatitique. Afin de modéliser le comportement des céramiques lorsqu'elles sont dopées avec des actinides nous avons établi, en tenant compte des vitesses de création et de guérison des défauts, l'équation différentielle gouvernant l'évolution du désordre en fonction du temps de stockage ou d'entreposage. La résolution de cette équation dans le cas de la fluoroapatite phosphocalcique et de la fluoroapatite à un silicate permet de conclure que ces deux matrices potentielles conserveront probablement leur structure cristalline au cours du stockage ou de l'entreposage.

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La photoproduction de mésons eta sur l'hydrogène a été mesurée du seuil jusqu'à une énergie de 1100 MeV dans l'expérience GRAAL effectuée en 1996-97 à l'ESRF à Grenoble dans une collaboration entre des groupes Italiens Français et Russes.<br>Un faisceau de photons étiquetés et polarisés linéairement a été produit en rétrodiffusant un faisceau laser sur le faisceau d'électrons de 6 GeV de l'anneau de l'ESRF. La cible a été d'hydrogène liquide de 3 cm. Un détecteur 4 pi a été utilisé, composé de trois couches de détecteurs: chambres à fil, compteurs à scintillation et calorimètres. Nous avions la charge d'installer et d'étalonner un double mur de scintillants (3x3 m) conçu pour détecter aux angles avant (1-25°) les particules chargées et mesurer leur pertes d'énergie et leurs temps de vol.<br>Nous avons analysé les résultats de la réaction g p -> eta p en identifant le eta dans le calorimètre latéral qui est une boule BGO et en détectant le proton dans les détecteurs à scintillation.<br />L'asymètrie faisceau Sigma a été extraite des distribution en phi du méson éta et a été établie en fonction de theta CM du eta pour 6 intervalles d'énergie incidentes allant du seuil jusqu'à 1100 MeV.<br>L'interprétation des résultats de l'asymètrie Sigma a été effectuée dans le cadre du modèle isobarique. La prise en compte des deux résonances, S11(1535) et D13(1520) n'a pas suffi pour expliquer nos résultats.<br />Il a fallu inclure en plus l'excitation des résonances P13(1720) et D13(1675) et P13(1880) la dernière étant manquante dans le tableau des résonances et récemment revélée par le modèle des quarks.

la production de phi et (omega+rho) a été étudiée à travers la mesure des paires de muons dans l'expérience NA38-NA50. L'extraction des résultats utilise la meme technique d'analyse pour les systemes considérés qui couvrent la plus grande partie des possibilités, du système d-C au système Pb-Pb. Une des originalités est que les rapports de production phi/(omega+rho) sont extraits dans des domaines de masse transverse. Cette étude met en évidence un changement de comportement entre les systèmes utilisant des projectiles légers, d-C et d-U, et ceux utilisant des projectiles lourds, S-U et Pb-Pb. On observe de plus pour le phi une augmentation supplémentaire de la production, qui s'inscrit dans l'augmentation générale de l'étrangeté observée dans les collisions d'ions lourds à ces énergies. Ces résultats semblent par ailleurs indiquer que l'utilisation de la masse transverse conduit à une certaine unification des évolutions de la production des différentes régions de masse des dimuons.