The Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty verification regime mandates atmospheric monitoring for the four radioxenon isotopes that are produced in high abundance in a nuclear explosion: [superscript 131m]Xe, [superscript 133m]Xe, [superscript 133g]Xe, and [superscript 135g]Xe. This mandate has driven the development of improved xenon detectors, including a phoswich detector, which has potential to replace the ARSA detector in the International Monitoring System. In this experiment, the four relevant radioxenon isotopes were produced through neutron activation and the phoswich detector was used to attain spectra from the gas. Spectral characteristics and resolution of the phoswich spectra were compared to an ARSA-type [beta]-[gamma] coincidence detector to perform an overall evaluation of the phoswich detector. The results indicated that spectral characteristics and resolutions for the phoswich were comparable to the ARSA-type detector, with slightly improved beta detection. As an additional test of the new detector's capabilities, a tailored spectrum designed to mimic a nuclear explosion signature was produced and analyzed with the detector. / text

Le mise en commun de la tomographie par émission de positons (TEP) et de la tomodensitométrie (TDM) sur des scanner bimodaux TEP/TDM a été un axe de recherche essentiel en imagerie ces vingt dernières années et a mené à un développement rapide de cette technique en clinique et en pré-clinique. Cependant, même si les deux modalités peuvent être juxtaposées sur le même statif, l’idée originelle de David W. Townsend prévoyait d’acquérir de manière simultanée les données TEP et TDM provenant du même champ de vue. Cela devrait permettre de connaître la position exacte du sujet lors de l’acquisition, et donc potentiellement de corriger de ses mouvements. C’est dans cet optique que nous avons développé le prototype ClearPET/XPAD : le premier scanner TEP/TDM simultané combinant les modules phoswich à scintillateurs du prototype ClearPET et un détecteur à pixels hybride développé au CPPM faisant face à une source de rayons X sur le même rotateur. Je présente les premières images TEP/CT simultanées de source ponctuelles, du fantôme Derenzo et d’une souris vivante acquises sur le prototype ClearPET/XPAD et discute les limites et les particularités de l’imagerie hybride TEP/TDM simultanée. / The combination of Positron Emission Tomography (PET) and X-ray Computerized Tomographie (CT) for PET/CT imaging has been an essential line of research in the previous decades and led to a rapid expansion of this technique in clinics and preclinics. However, even if the two modalities can be juxtaposed on the same gantry, the original concept invented by David W. Townsend foresaw to do both PET and CT imaging at the same time, while imaging a common Field-Of-View (FOV). This will allow to know the exact position of the animal during the scan and possibly to correct for the animal movements. Therefore we developed the ClearPET/XPAD prototype: the first simultaneous PET/CT scanner for mice combining on the same gantry ClearPET modules and the hybrid pixels camera XPAD3 facing an X-ray source. I present the first simultaneous PET/CT scans of point sources, of the Derenzo phantom and of a living mouse acquired with the ClearePET/XPAD prototype and discuss the limitations and prospects of simultaneous hybrid PET/CT imaging.

A des fins de propreté radiologique, les exploitants nucléaires doivent évaluer l'activité surfacique résiduelle, telle que la contamination bêta. Pour cela, les contaminamètres sont essentiels. Dans ce cadre, EDF R&D a proposé un projet de recherche visant à étudier la faisabilité d’un contaminamètre innovant permettant de détecter l’activité surfacique bêta in situ, alors qu’elle est actuellement mesurée ex-situ.L'objectif principal de ce travail est de détecter une contamination bêta surfacique de 0,4 Bq/cm^2 dans un environnement gamma élevé, jusqu'à 100 µSv/h. Cela exige un détecteur ayant une performance de discrimination bêta/gamma élevée. Plusieurs technologies basées sur un scintillateur et/ou un détecteur à gaz ont été étudiées. Des simulations Geant4 ont été effectuées pour optimiser la configuration des technologies retenues (géométrie, matériaux, etc.). Suite à ces simulations, deux prototypes, de type Phoswich, optimisés ont été fabriqués et testés à l’aide de sources bêta et gamma au laboratoire ( LPC Caen). En outre, deux campagnes d’essai ont été menées dans une centrale nucléaire (CNPE de Chinon) afin d'évaluer les performances des prototypes développés dans un bruit de fond gamma réaliste. Les simulations Geant4 et les tests sont discutés dans cette thèse. / For radiological cleanliness purpose, nuclear operators have to assess surface residual activity such as beta contamination. To this aim, contamination monitors are essential. In this context, EDF R&D proposed a research project in order to study the feasibility of an innovative contamination monitor to detect beta surface activity in situ which is until now performed ex situ. The main objective is to detect a 0.4 Bq/cm^2 beta surface contamination in a high gamma background up to 100 μSv/h. This demands the detector to have a high beta/gamma discrimination performance. Several technologies based on scintillator and/or gas filled detector have been investigated. Geant4 simulations have been carried out to optimise the configuration of the chosen detector such as geometry, materials, etc. Two simulation-optimised prototypes based on Phoswich detectors have been developed and tested with beta and gamma sources in a laboratory framework (LPC Caen). Furthermore, two experimental campaigns have been conducted in a nuclear power plant (NPP of Chinon) in order to evaluate the performance of the developed prototypes in a realistic gamma background environment. The Geant4 simulations and the experimental work are discussed in this thesis.

La tomographie d'émission par positrons (TEP) occupe une place de choix dans le domaine de l'imagerie moléculaire par sa capacité d'obtenir des informations ultrasensibles et quantitatives sur des processus métaboliques, physiologiques ou cellulaires. De plus, grâce à la similitude des génomes de l'homme et de petits rongeurs comme la souris, elle attire un grand intérêt dans le domaine de la recherche médicale, allant de la détection précoce de différentes formes de cancers jusqu'au développement de nouveaux médicaments. Toutefois, pour tirer profit des images acquises lors d'études animales, des scanners de plus en plus performants sont nécessaires. Le LabPETTM, le scanner TEP petit animal conçu par les efforts unis du Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et du Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS) se démarque des autres scanners d'une part par son couplage individuel des photodiodes à avalanche à une paire de cristaux scintillateurs et d'autre part par une numérisation hâtive des signaux et un traitement numérique parallèle. Cela permet d'y implanter des algorithmes de traitement de signaux puissants. Le filtre de Wiener est une des techniques utilisées dans le LabPETTM pour optimiser à la fois le rendement et la capacité d'identification du cristal (IC) excité par le rayonnement émis dans le scanner par les radioisotopes. Les travaux de cette thèse portent, dans une première partie, sur le développement et l'implantation d'une version plus complète et ajustée de la méthode d'IC basée sur le filtre de Wiener. L'amélioration de cette technique porte sur l'utilisation des deux caractéristiques élémentaires des cristaux, soit leur constante de temps et leur rendement lumineux pour une IC plus précise et rapide. Une telle IC peut être réalisée même avec des cristaux possédant des caractéristiques très similaires, et pour des énergies très basses - jusqu'à 100 keV. Dans une deuxième partie, les performances de la méthode d'IC Wiener ont été évaluées en tenant compte de la contribution des différentes sources de bruit de la chaîne d'acquisition d'un scanner TEP. L'influence du bruit de multiplication de la photodiode à avalanche (un bruit non-stationnaire et poissonien), le bruit électronique (un bruit stationnaire et gaussien), ainsi que l'effet de l'utilisation des filtres de mise en forme rapide CR-RC n sur les résultats de l'algorithme d'IC ont été étudiés grâce au développement d'un simulateur de TEP qui imite les signaux de sortie du LabPETTM. Finalement, la possibilité d'utiliser la méthode d'IC Wiener pour discriminer des détecteurs multicouches, composés de trois et quatre cristaux, a été étudiée. L'implantation de cet algorithme dans un scanner TEP permettra à court terme d'améliorer les performances de démultiplexage des détecteurs et, de ce fait, la résolution spatiale axiale du système. Des techniques de modélisations du bruit non-stationnaire sont proposées pour rehausser les résultats de l'algorithme d'IC. En se basant sur les résultats de l'algorithme d'IC, il est possible de développer des techniques pour mesurer l'énergie déposée dans les cristaux et parvenir à une séparation des évènements Compton diffusés entre les cristaux d'un même détecteur comparativement aux autres diffusions Compton. A plus long terme, ceci permettra de bonifier la sensibilité du scanner.

La performance d’un scanner TEP se mesure par sa sensibilité, son contraste et sa résolution spatiale. Cette dernière doit être idéalement uniforme dans tout le champ de vue utile (CDV) du scanner. Cependant, le problème de parallaxe dû à l’éloignement de la source du centre de CDV, entraîne une dégradation de la résolution spatiale radiale. Ce problème est très présent dans les scanners avec une grande densité de détecteurs et de petit diamètre notamment dans le LabPET II, le scanner en cours de développement à l’Université de Sherbrooke par le Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS), avec [tilde]37 000 détecteurs pour un CDV de 16 cm de diamètre et 12 cm de longueur axiale. Chaque détecteur a une surface de 1,2[indice supérieur *] 1,2 mm[indice supérieur 2] et une longueur supérieure à 10 mm. La mesure de profondeur d’interaction (PDI) demeure très utile pour résoudre le problème de parallaxe. La PDI peut être réalisée par l’assemblage de deux cristaux en phoswich, tout en gardant la même longueur totale pour assurer une bonne efficacité de détection, et puis, le cristal dans lequel une interaction est faite sera déterminé à l’aide d’algorithme d’identification de cristaux. Pour le traitement des signaux issus des modules de détection, un ASIC de 64 canaux a été développé. L’ASIC utilise une nouvelle technique de mesure de temps à doubles seuils inspirée de la technique de mesure de temps au-dessus d’un seuil (ToT). Cette technique repose sur l’utilisation de deux discriminateurs à seuil afin de déterminer le temps d’arrivée du photon d’annihilation et son énergie. Le temps d’arrivée est estimé par le moment de discrimination du signal avec le premier discriminateur. Tandis que l’énergie du signal est calculée par la différence des moments de discrimination du signal avec le premier et le deuxième discriminateur. Cette différence de temps est non linéaire en fonction de l’énergie. Donc une correction d’énergie est faite pour déterminer le spectre d’énergie. Les seuils des discriminateurs sont méticuleusement choisis afin de minimiser l’erreur sur les temps de croisement. Cette méthode de ToT à doubles seuils est une technique innovatrice pour identifier les cristaux qui ont scintillés [i.e. scintillé] dans un scanner TEP. Avec une erreur inférieure à 5%, cette technique discrimine entre un LGS045ns et un LYSO40ns. Malgré le taux d’erreur élevé comparé à d’autres méthodes d’identification, cette technique possède l’avantage d’être facilement intégrable dans l’ASIC du LabPET II.