Les spectres énergétiques (sections efficaces doublement différentielles) de production de protons, deutons, tritons et particules alpha induite par des neutrons rapides sur 209Bi et natU sont présentées pour plusieurs énergies de neutrons incidents comprises entre 25 et 65 MeV. Les spectres ont été obtenus à 9 angles laboratoire entre 20° et 160° et extrapolés et interpolés à 10 autres angles afin de couvrir le domaine angulaire de 0 à 180°. Le dispositif expérimental et les procédures d'analyse des données incluant les corrections et la normalisation sont présentées et discutées. Sur base des sections efficaces doublement différentielles obtenues, les sections efficaces différentielles en énergie et en angle ainsi que les sections efficaces totales de production et les coefficients KERMA partiels associés sont également déduits. La thèse présente également des comparaisons aux rares mesures existantes dans la littérature ainsi qu'aux calculs théoriques basés sur les codes de réactions nucléaires INCL3, GNASH et TALYS. Tandis que l'INCL3 se base sur la cascade intranucléaire, les deux autres codes intègrent le modèle optique et les modèles de réactions directes, de prééquilibre, de fission et de noyaux composés dans un unique schéma de calcul. Finalement, sur base de l'ensemble des résultats obtenus depuis une dizaine d'années par le groupe, une vue nouvelle des sections efficaces totales de production et des coefficients KERMA partiels en fonction de la masse de la cible est proposée.

Les spectres énergétiques (sections efficaces doublement différentielles) de production de protons, deutons, tritons et particules alpha induite par des neutrons rapides sur 209Bi et natU sont présentées pour plusieurs énergies de neutrons incidents comprises entre 25 et 65 MeV. Les spectres ont été obtenus à 9 angles laboratoire entre 20° et 160° et extrapolés et interpolés à 10 autres angles afin de couvrir le domaine angulaire de 0 à 180°. Le dispositif expérimental et les procédures d'analyse des données incluant les corrections et la normalisation sont présentées et discutées. Sur base des sections efficaces doublement différentielles obtenues, les sections efficaces différentielles en énergie et en angle ainsi que les sections efficaces totales de production et les coefficients KERMA partiels associés sont également déduits. La thèse présente également des comparaisons aux rares mesures existantes dans la littérature ainsi qu'aux calculs théoriques basés sur les codes de réactions nucléaires INCL3, GNASH et TALYS. Tandis que l'INCL3 se base sur la cascade intranucléaire, les deux autres codes intègrent le modèle optique et les modèles de réactions directes, de prééquilibre, de fission et de noyaux composés dans un unique schéma de calcul. Finalement, sur base de l'ensemble des résultats obtenus depuis une dizaine d'années par le groupe, une vue nouvelle des sections efficaces totales de production et des coefficients KERMA partiels en fonction de la masse de la cible est proposée.

Dans la magnétosphère de Saturne les ceintures de radiation de protons de haute énergie (de l'ordre de quelques MeV) s'avèrent être isolées de la magnétosphère moyenne et externe, et la source de ces protons de haute énergie devraient être liée aux rayons cosmiques galactiques (GCR). Pour valider cette hypothèse il est d'abord nécessaire de détenniner le flux de GCR accédant à Saturne de manière réaliste. Auparavant, seulement des tentatives théoriques ont été effectuées afm de vérifier cette idée. Dans cette thèse, pour la première est développée nne solution numérique pour la détermination de l'accès des GCR à l'atmosphère et aux anneaux de Saturne. La méthode proposée est basée sur le traçage de particules chargées et le code a été développé spécifiquement pour la magnétosphère de Saturne. Lors de la validation de la méthode les observations de Cassini MIMI1 LEMMS acquises pendant les survols de Rbéa et de Dioné ont été modélisées à l'aide du traceur et les résultats obtenus ont été comparés aux observations. TI a été découvert que le << draping >> des lignes de champ magnétique autour de ces satellites de glace, même si il produit des perturbations locales de seulement quelques pour cent du champ magnétique ambient, peut produire des changements mesurables dans la distribution spatiale et l'énergie des flux des ions énergétiques mesurés par MIMI1 LEMMS. Ces résultats sont importants pour l'interprétation correcte des données MIMI 1 LEMMS, et offrent des fonctionnalités pour l'étalonnage croisé précis en vol des instruments. Après cette validation du traceur de particules il a été appliqué pour un calcul à rebours dans le temps des GCR accédant à Saturne. L'énergie d'accès des GCR a été obtenue, les spectres des GCR ont été reconstruits et le flux intégré de GCR autour de Saturne et de ses anneaux a été calculé. Les résultats obtenus sont essentiels pour la compréhension de la formation des ceintures de radiation de protons, ainsi que pour la future investigation du processus CRAND sur Saturne, pour l'évaluation de l'intensité de la ceinture de radiation intérieure et pour d'autres projets, discutés dans cette thèse. / The MeV proton radiation belts of Saturn are isolated from the middle and outer magnetosphere and the source of these high energy protons should be related to the access of Galactic Cosmic Rays (GCRs) in the system. To validate this hypothesis it is first of all necessary to determine the realistic spectrum of GCRs at Saturn. Previously only theoretical attempts were performed in order to calculate the GCR spectra. In this thesis I provide for the first time the numerical solution for the determination of the GCR access to the upper atmosphere and rings of Saturn. The proposed method is based on the charged particle tracing technique and a code that was developed specifically for this purpose. For the validation of the code, the Cassini MIMI/LEMMS observations during the Rhea and Dione flybys were modeled using the tracer and the obtained results were compared to the observations. It was demonstrated that even a weak perturbation of the magnetic field lines can produce measurable changes in the spatial and energy distribution of fluxes measured by MIMI/LEMMS that can be accurately simulated by particle tracing. These results are important for the correct interpretation of the MIMI/LEMMS data, and offer capabilities for a precise in-flight instruments' cross-calibration besides the validation of our simulation code. After this validation the particle tracer was applied for simulating the access of the GCRs. The GCRs access to the rings and atmosphere was obtained, the GCRs spectra were reconstructed and were in part also validated using additional Cassini observations. Dependencies of the spectral parameters on the time, incidence direction, etc., were also obtained offering all necessary information for simulating the interaction of GCRs with the Saturnian system during different phases of the Cassini mission. That includes also the Proximal orbits of 2017, during which Cassini will sample for the first time the radiation belts inside the D-ring of the planet, a region which is likely populated only by GCR secondaries.

Malgré de récentes avancées, les traitements par radiothérapie (RT) demeurent insatisfaisants : la tolérance des tissus sains aux rayonnements limite la délivrance de fortes doses (potentiellement curatives) à la tumeur. Pour remédier à ce problème, de nouvelles approches basées sur des modes de dépôt de dose innovants sont aujourd’hui à l’étude. Parmi ces approches, la technique synchrotron “Minibeam Radiation Therapy” (MBRT) a démontré sa capacité à élever la résistance des tissus sains aux rayonnements, ainsi qu’à induire un important retard de croissance tumorale. La MBRT combine des faisceaux submillimétriques à un fractionnement spatial de la dose. Dans ce contexte, l’alliance de la balistique plus avantageuse des particules chargées (et leur sélectivité biologique) à la préservation des tissus sains observée en MBRT permettrait de préserver d’avantage les tissus sains. Cette stratégie innovante a été explorée durant ce travail de thèse. Deux voies ont notamment été étudiées: la MBRT par faisceaux de protons (pMBRT), et d’ions très lourds. Premièrement, la preuve de concept expérimentale de la pMBRT a été réalisée dans un centre clinique (Institut Curie, Centre de Protonthérapie d’Orsay). De plus, l'évaluation de potentielles optimisations de la pMBRT, à la fois en terme de configuration d’irradiation et de génération des minifaisceaux, a été menée dans une étude Monte Carlo (MC). Dans la seconde partie de ce travail, un nouvel usage potentiel des ions très lourds (néon et plus lourds) en radiothérapie a été évalué dans une étude MC. Les combiner à un fractionnement spatial permettrait de tirer profit de leur efficacité dans le traitement de tumeurs radiorésistantes (hypoxiques), un des principaux défis de la RT, tout en minimisant leurs effets secondaires. Les résultats obtenus au terme de ce travail sont favorables à une exploration approfondie de ces deux approches innovantes. Les données dosimétriques compilées dans ce manuscrit serviront à guider prochaines les expérimentations biologiques. / Despite recent breakthroughs, radiotherapy (RT) treatments remain unsatisfactory : the tolerance of normal tissues to radiations still limits the possibility of delivering high (potentially curative) doses in the tumour. To overcome these difficulties, new RT approaches using distinct dose delivery methods are being explored. Among them, the synchrotron minibeam radiation therapy (MBRT) technique has been shown to lead to a remarkable normal tissue resistance to very high doses, and a significant tumour growth delay. MBRT allies sub-millimetric beams to a spatial fractionation of the dose. The combination of the more selective energy deposition of charged particles (and their biological selectivity) to the well-established normal tissue sparing of MBRT could lead to a further gain in normal tissue sparing. This innovative strategy was explored in this Ph.D. thesis. In particular, two new avenues were studied: proton MBRT (pMBRT) and very heavy ion MBRT. First, the experimental proof of concept of pMBRT was performed at a clinical facility (Institut Curie, Orsay, France). In addition, pMBRT setup and minibeam generation were optimised by means of Monte Carlo (MC) simulations. In the second part of this work, a potential renewed use of very heavy ions (neon and heavier) for therapy was evaluated in a MC study. Combining such ions to a spatial fractionation could allow profiting from their high efficiency in the treatment of hypoxic radioresistant tumours, one of the main challenges in RT, while reducing at maximum their side effects. The promising results obtained in this thesis support further explorations of these two novel avenues. The dosimetry knowledge acquired will serve to guide the biological experiments.

Ce travail de thèse a pour objet de contribuer à la compréhension de la déformation des assemblages combustibles REP équipés de composants en alliages de zirconium (Zy-4 ou M5). En particulier, nous nous sommes intéressés à l’accélération de croissance, corrélée à l’apparition d’un type de défaut d’irradiation : les boucles à composante <c>. Des irradiations aux particules chargées nous ont permis de reproduire ces évolutions microstructurales et d’étudier leur représentativité. La morphologie du dommage primaire n’a ainsi que peu d’impact sur la microstructure de boucles <c> tandis que le taux de création de dommage (tout comme la température) semble jouer un rôle majeur. Par ailleurs, la dose seuil pour la nucléation des boucles <c> apparaît étroitement liée à la cinétique de croissance des amas lacunaires et des germes de boucles. Cette cinétique peut être influencée par le taux de création de dommage, les éléments d’alliages, mais également la contrainte ou la présence d’hydrogène (introduit dans le matériau lors de l’oxydation en réacteur). Ce travail a ainsi exploré de manière approfondie l’effet d’une contrainte appliquée dans les domaines d’élasticité et de plasticité ainsi que l’impact de l’hydrogène absorbé sur la nucléation et la croissance des boucles <c>. Conformément au mécanisme SIPA proposé dans la littérature, nous avons observé un effet de la contrainte sur les boucles <c>. Par ailleurs, cette étude met en évidence que l’hydrogène en solution et / ou sous forme d’hydrures influence significativement la nucléation et la croissance des boucles <c>. / The aim of this PhD work is to have a better understanding of axial elongation of the PWR fuel assemblies manufactured in zirconium alloys (Zy-4 or M5). More specifically, we focused on the growth acceleration of these assemblies, clearly correlated to the nucleation of specific irradiation defects: the c-loops. Irradiations by charged particles were performed in order to reproduce the microstructure evolution and to study its representativeness. Thus, primary damage morphology has no impact on the c-loop microstructures where as the damage creation rate (like the temperature) seems to play a major role. Moreover, the nucleation dose for c-loops appears clearly correlated to the nuclei and vacancy clusters growth kinetics. This kinetics could be influenced by the damage creation rate, the alloying elements, but also by an applied stress or the hydrogen content (which can be introduced during oxidation in reactor). Thus, this work has explored the effect of an applied stress (in the elasticity or plasticity domain) and the impact of the hydrogen pick-up on the nucleation and growth of c-loops. In accordance with the SIPA mechanism described in the literature, we observed an effect of the applied stress on the c-loop microstructures. Moreover, this study clearly shows an impact of hydrogen in solid solution and as precipitated hydrides on the nucleation and growth of c-loops.

Le plasma de quarks et de gluons est un état de la matière apparaissant à haute température. En laboratoire, il est possible d'atteindre les conditions nécessaires à sa formation grâce aux collisions d'ions lourds aux énergies ultra-relativistes. L'expérience ALICE au LHC est dédiée à l'étude du plasma de quarks et de gluons grâce aux collisions Pb-Pb à 2,76 TeV. Les premiers résultats d'ALICE, presentés en annexe, ont été obtenus grâce aux rayons cosmiques. Une étude de l'évolution de l'efficacité de reconstruction du spectromètre à muons durant ses deux premières années de fonctionnement sera présentée par la suite. L'efficacité totale de reconstruction des chambres de trajectographie ainsi obtenue est de plus de 90% pour les données correspondant à des collisions proton-proton, et de 85% pour les données recueillies avec des collisions plomb-plomb. Une méthode de sélection des traces reposant sur la distribution du produit impulsion - distance d'approche minimale sera également présentée. Cette sélection permet de rejeter les traces de muons produits par des collisions entre les particules du faisceau et le gaz résiduel dans le tube faisceau, et les fausses traces dans les collisions Pb-Pb les plus centrales. Enfin, cette thèse présentera une première analyse sur le taux de production des muons simples et des J/psi en fonction de la multiplicité en particules chargées lors des collisions proton-proton.

Les futures grandes expériences de l'exploration des lois fondamentales de la Nature (e.g. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l'origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L'encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L'objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D'abord, plusieurs architectures d'un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L'architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu'elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l'architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.

Cette thèse présente de nouveaux développements en détection de particules chargées et traitement tout-numérique d'impulsions pour application à l'analyse avec des faisceaux d'ions rapides (IBA). Un ensemble de 16 détecteurs gravés sur une puce de Si est mis en œuvre, ce qui fournit un angle solide de détection environ 100 fois plus grande que celle des détecteurs utilisés auparavant pour l'IBA. Seize chaines d'acquisition sont également mises en œuvre avec une approche 'tout-numérique' pour le traitement des signaux issus des détecteurs. Dans son ensemble, le système ainsi développé a une résolution en énergie équivalent à celle des détecteurs standards. La considérable quantité d'information ainsi générée est traitée de manière cohérente en ajustant des spectres en énergie simulé aux spectres mesurés grâce à un algorithme de recuit simulé, avec le NDF DataFurnace. Les grandes angles solides disponibles sont exploitées pour des études par rétrodiffusion de Rutherford (RBS) et canalisation d'ions de l'isolant topologique Bi2Se3 enrichi en fer en vue d'études de l'effet thermoélectrique, de spintronique ou encore la computation quantique, ainsi que pour des études par RBS et analyse par réactions nucléaires (NRA) de matériaux pour la photovoltaïque organique, basés sur tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) comme photo-absorbant avec oxydes de métaux de transition pour injection de charge. / This thesis presents new developments in charged particle detection and digital pulse processing for application in analysis with fast ion beams - Ion Beam Analysis (IBA). In particular a charged particle detector array, consisting of 16 independent charged particle detectors on a single silicon chip is implemented giving an overall solid angle of detection around two orders of magnitude greater than the standard charged particle detectors used in IBA. Sixteen parallel data acquisition channels are implemented using a fully digital approach for nuclear pulse processing. The overall system has an energy resolution equivalent to that of standard detectors. The large amount of data generated is handled in a self-consistent way by spectrum fitting with a simulated annealing algorithm via the NDF DataFurnace. The large solid angles thus achieved are exploited in Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and ion channelling studies of the topological insulator Bi2Se3 enriched in Fe, in view of studies of the thermo-electric effect, spintronics and quantum computing, and in RBS and Nuclear Reaction Analysis (NRA) studies of organic photovoltaic materials based on tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) as the photo-absorber and transition metal oxide charge injectors.

L’expérience ALICE au CERN examine l’état de la matière QCD chaude et dense créée lors de collisions d’ions lourds ultra-relativistes - le plasma de Quark Gluon (QGP). En raison de sa courte durée de vie, le QGP ne peut être étudié que via ses signatures.La suppression de J/ψ a été proposée comme preuve de la formation du milieu déconfiné.Néanmoins, il est devenu évident que la réalité est bien plus complexe, car il existe d’autres mécanismes concurrents qui affectent la production de J/ψ . Pour comprendre quels effets agissant sur la production de J/ψ dans les collisions noyau-noyau résultent véritablement de la présence du QGP, ALICE étudie également la production de J/ψ en collisions pp et p–Pb. Le QGP ne devrait pas se former dans ces systèmes. De plus, les mesures de la production de J/ψ dans les collisions p–Pb peuvent révéler des informations sur les effets provenant de la liaison des nucléons dans le noyau, appelés effets de la matière nucléaire froide (CNM). L’objectif de cette thèse est d’étudier la production de J/ψ à rapidité vers l’avant avec le spectromètre à muons ALICE. La section efficace de production J/ψ inclusive dans les collisions pp à √s = 5.02 TeV,et sa dépendance en pT et en rapidité, ont été examinées et comparées à des calculs théoriques ainsi qu’ à des mesures à d’autres énergies du LHC. Les données sont bien décrites par la somme des calculs de pQCD pour les J/ψ prompts et de FONLL pour les J/ψ non-prompts. La production différentielle en multiplicité des J/ψ a été étudiée dans les collisions p–Pb et Pb–p à √sNN = 8,16 TeV, ainsi que le moment transvers moyen. La mesure montre un comportement dépendant de la rapidité pour les taux de production relatifs des J/ψ . Le moment transvers moyen des J/ψ est par contre identique dans les deux intervalles de rapidité mesurés. La nouvelle analyse a augmenté la précision et étendu la mesure à des multiplicités plus élevées par rapport à la mesure précédente à √sNN = 5,02 TeV. Nous constatons que les taux de production relatifs et le <pti> relatif sont indépendants de l’énergie du centre de masse. / The ALICE experiment at CERN probesthe state of hot and dense QCD matter created in ultrarelativisticheavy ion collisions - the Quark GluonPlasma (QGP). Due to its short lifetime, the QGP canbe studied only via its signatures. The suppression ofJ/ ψ was proposed as a proof of formation of the deconfinedmedium. Nevertheless, it became clear thatthe real picture is far more complex as there are othercompeting mechanisms affecting the J/ ψ production.To understand which effects acting on the J/ productionin nucleus-nucleus collisions truly stem fromthe presence of the QGP, ALICE also studies the productionof J/ψ in pp and p–Pb collisions. The QGP isexpected not to form in these systems. Furthermore,measurements of the J/ ψ production in p–Pb collisionscan unveil information on the effects originatingfrom the binding of the nucleons in the nucleus, referredto as the cold nuclear matter effects (CNM).The objective of this thesis is to study the productionof J/ ψ at forward rapidity with the ALICE Muon Spectrometer.The inclusive J/ ψ production cross sectionin pp collisions at √s = 5.02 TeV, and its dependenceon pT and rapidity, were examined and compared withtheoretical calculations as well as measurement atother LHC energies. The data are well described bya sum of pQCD calculations for prompt and FONLLcalculations for non-prompt contribution. The multiplicitydifferential J/ ψ production was studied in p–Pband Pb–p collisions at √sNN = 8.16 TeV, as well asits mean transverse momentum. The measurementshows a rapidity dependent behaviour of relative J/ ψ yields. The J/ ψ mean transverse momentum on theother hand is identical in the two measured rapidityintervals. The new analysis increased the precisionand extended the measurement to higher multiplicitiescompared to previous measurement at √sNN =5.02 TeV. We find that both relative yields and relative<pti> are independent of centre-of-mass energy.

Cette thèse d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) est constituée de six chapitres. Le chapitre I est consacré à une description de mon parcours scientifique, un récapitulatif de mes travaux de recherche, expériences professionnelles, productions scientifiques, liste de mes présentations orales dans les congrès internationaux et liste de mes publications. Le chapitre II introduit l'objectif de recherches de la physique des ions lourds relativistes, les axes principaux de recherche du collisionneur RHIC. Le chapitre III présente le contexte physique du plasma de Quarks et de Gluons (PQG) incluant les aspects théoriques, les aspects expérimentaux, les signatures du déconfinement et la physique du SPS au RHIC. Le chapitre IV porte principalement sur ma contribution personnelle à la construction, l'assemblage, l'installation, le fonctionnement, l'évaluation du signal et la maintenance des détecteurs pixel au silicium pour la mesure de la multiplicité des particules chargées pour l'expérience PHOBOS et le traceur de vertex en silicium (VTX) dont le but est de différencier les mesures des quarks lourds charme et beauté dans l'expérience PHENIX au RHIC. Le chapitre V présente mon travail d'analyse par la méthode de ''hit-counting'' (4휋) qui permet d'obtenir les distributions de pseudorapidité de densité des particules chargées dans PHOBOS aux énergies du RHIC. Ce chapitre illustre également mes prédictions pour le LHC ainsi que mes publications comme auteur principal et mes responsabilités comme ''co-conveneur '' du groupe de multiplicité. Finalement, le chapitre VI présente les points culminants des résultats du RHIC : "Fluide Quasi Parfait de Quarks et de Gluons". Ce chapitre illustre une grande richesse de découvertes scientifiques, et quelques grandes surprises produites au RHIC. Celles-ci ont fourni des aperçus nouveaux dans les calculs de la chromodynamique quantique (QCD). À la fin de ce chapitre, je conclus en répondant à la question : Qu'avons-nous appris et où en sommes-nous ?