Th. 3e cycle--Instrumentation nucl.--Grenoble 1, 1978. N°: 124.

SuperNEMO est un projet de détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. La technique expérimental déployée est dans la lignée du son prédécesseur NEMO3, combinant un trajectographe et un calorimètre, afin d’identifier non seulement les électrons des décroissances double bêta, mais également pour mesurer l’ensemble des composantes de bruit de fond du détecteur. Le projet vise ainsi une sensibilité de 10^26 ans sur la période du 82Se, ce qui permettrait de sonder une masse effective du neutrino de 50 meV. Pour atteindre cette sensibilité, le projet prévoit notamment de mettre en place un calorimètre composé d’un millier de compteur à scintillation de basse radioactivité, dont la résolution en énergie serait meilleure que 8 % FWHM pour des électrons de 1 MeV.Ce travail de thèse apporte une contribution importante dans les travaux de Recherche et Développements pour améliorer les performances des scintillateurs et photomultiplicateurs, et pour réduire leur radioactivité, avec notamment la conception d’un nouveau photomultiplicateur en collaboration avec Photonis. / SuperNEMO is a next generation double beta decay experiment which will extend the successful “tracko-calo” technique employed in NEMO 3. The main characteristic of this type of detector is to identify not only double beta decays, but also to mesure its own background components. The projet aims to reach a sensitivity up to 1026 years on the half-life of 82Se. One of the main challenge of the Research and Development is to achieve an unprecedented energy resolution for the electron calorimeter, better than 8 % FWHM at 1 MeV.This thesis contributes to improve scintillators and photomultiplicators performances and reduce their radioactivity, including in particular the development of a new photomultiplier in collaboration with Photonis.

Ce travail de thèse s'inscrit dans une collaboration entre le groupe Application et Valorisation des Interactions Rayonnement-Matière et l'entreprise Hamamatsu pour l'étude d'une électronique dédiée et fortement intégrée destinée à équiper un photomultiplicateur multianodes de type H8500. De par leur faible zone morte et leur configuration multianodes, ces photomultiplicateurs permettent d'améliorer les performances des gamma-caméras utilisées en particulier pour le dépistage du cancer du sein (scintimammographie). Après avoir élaboré un cahier des charges à partir des tests effectués sur ces tubes photomultiplicateurs, une électronique d'acquisition spécifique est proposée. Elle est composée d'un préamplificateur de courant multigain, d'un intégrateur commuté et d'un convertisseur analogique-numérique à rampe. L'ensemble est autodéclenché sur le signal. Cette électronique à fait l'objet de plusieurs prototypes multivoies dont la conception et les résultats de tests sont présentés.

L'expérience NEMO3 était dédiée à la recherche de la désintégration ββ0ν à l'aide de diverses sources d'isotopes de désintégration double bêta (principalement ¹ººMo, ⁸²Se, ¹¹⁶Cd et ¹³ºTe pour un total d'environ 10 kg). Le détecteur était localisé dans le Laboratoire souterrain de Modane, à mi-parcours du tunnel du Fréjus. Cette expérience a permis de démontrer que la technologie "tracko-calo" est très compétitive et a de plus offert de nouveaux résultats pour la recherche des désintégrations ββ2ν et ββ0ν. Par ailleurs, elle a ouvert la voie pour son successeur SuperNEMO, dont le but est d'atteindre 100 kg de ⁸²Se (pour une sensibilité de 10²⁶ années). Le but principal de cette thèse a été de mesurer le temps de demi-vie des désintégrations ββ2ν et ββ0ν du ¹ººMo vers les états excités 0₁⁺ du ¹ººRu à l'aide des données totales de NEMO3, avec de nouvelles méthodes d'analyse et un développement du programme d'analyse de la collaboration. Les résultats obtenus pour la désintégration ββ2ν du ¹ººMo vers l'état fondamental (gs) et excité (0₁⁺) du ¹ººRu sont T1/2(ββ2ν,gs)=(7,05±0,01(stat)±0,54(syst)).10¹⁸ ans et T1/2(ββ2ν,0₁⁺)=(6,15±1,1(stat)±0,78)).10²º ans. Ces résultats sont compatibles avec les résultats publiés par la collaboration. Quant à la désintégration ββ0ν(0₁⁺), ce travail permet d'obtenir un temps de demi-vie de T1/2(ββ0ν, 0₁⁺)>2,6.10²³ ans, améliorant significativement les derniers résultats publiés. De plus ces méthodes ont aussi permis de présenter un nouveau modèle de bruit de fond de l'expérience, plus exhaustif. Le second but de ce travail a été de mesurer les erreurs systématiques du calorimètre de NEMO3 dues, entre autres, à la longueur d'onde des systèmes d'étalonnage du détecteur. Ce travail a été réalisé notamment à l'aide d'un banc de test basé sur des DEL. Ce banc a aussi permis de contribuer au développement du calorimètre de SuperNEMO, particulièrement au travers de mesures de linéarité et de caractéristiques temporelles des PM destinés au démonstrateur de l'expérience.

Une technique d'imagerie innovante reposant sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (bêta, gamma) à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide a été proposée au laboratoire SUBATECH en 2003. Cette technique, appelée imagerie 3 gammas, repose sur l'association d'une caméra à tomographie d'émission de positons pour la reconstruction des deux photons d'annihilation et d'une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la reconstruction du troisième photon. L'interaction de ce dernier avec le xénon liquide induit un signal de scintillation, lu avec un tube photomultiplicateur, qui permet de déclencher l'acquisition du signal d'ionisation, lu avec un MICROMEGAS (MICRO MEsh Gaseous Structure), donnant accès à la mesure de l'énergie et de la position de chaque interaction. Dans le cadre de ce développement, nous proposons une alternative à la lecture du signal de scintillation avec des tubes photomultiplicateurs classiques : un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface. Ce photodétecteur est doté d'une photocathode réflective solide d'iodure de césium pour la photoconversion des photons UV et de microstructures amplificatrices telles que le THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), le MICROMEGAS et le PIM (Parallel Ionization Multiplier). Il devrait permettre une segmentation virtuelle du volume de xénon liquide afin de réduire l'occupation du télescope. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un premier prototype de petite surface à la température du xénon liquide (173 K) sont présentés.

Ce mémoire décrit le développement opto-mécanique et électro-mécanique de la 2ième version du scanner TomOptUS pour tomographie optique diffuse (TOD).Ce scanner est destiné à l'imagerie moléculaire 3D de l'intérieur d'un petit animal. Les buts de la TOD sont : 1) d'obtenir la distribution spatiale des coefficients d'absorption ([mu][indice inférieur a]) et de diffusion ([mu][indice inférieur s]) dans les tissus biologiques (imagerie intrinsèque) et 2) de localiser des agents fluorescents injectés et à suivre leur distribution spatiale (imagerie par fluorescence). La TOD sur petit animal est d'un grand intérêt en pharmacologie et en oncologie pour l'étiquetage de médicaments afin de suivre leur progression, pour suivre l'évolution d'une pathologie sous traitement sur un même individu, ou pour repérer des cellules cancéreuses par marquage des protéines membranaires qu'elles expriment. La diffusion de la lumière dans les tissus biologiques est le plus grand obstacle en TOD. Les mesures en régime continu ne permettent pas de distinguer les photons détectés selon le degré de diffusion qu'ils subissent. La diffusion mène à une perte d'information quant à la trajectoire suivie par les photons. La détection résolue en temps permet de garder une partie de cette information. Le scanner TomOptUS utilise un système ultra-rapide de comptage de photons corrélé en temps et des tubes photomultiplicateurs pour mesurer la distribution temporelle de pulses lumineux transmis et/ou rétrodiffusés dans le sujet à imager suite à l'illumination à l'aide d'impulsions laser ultra-brèves. La 2 ième version du scanner est un système multicanal à géométrie annulaire sur 360 [degrés] autour du sujet. Il est muni de 7 canaux de détection optique permettant l'acquisition simultanée de données tomographiques dans deux bandes de longueurs d'onde (intrinsèque et fluorescence). L'acquisition des données est automatisée par ordinateur.Ce scanner a l'avantage d'effectuer des mesures sans contact avec le sujet. Ceci facilite l'acquisition des données et permettra éventuellement de le combiner à d'autres modalités d'imagerie médicale sans contact (tomographie d'émission par positrons, tomodentométrie [i.e. tomodensitométrie] ou imagerie par résonance magnétique) pour réaliser des séances d'imagerie multimodales. Le scanner est aussi équipé d'un système de vision numérique stéréo à 2 caméras permettant de mesurer la surface externe du sujet en 3D. Les mesures tomographiques et de surface se font simultanément en utilisant le faisceau laser incident sur le sujet. On présente des résultats de localisation d'un nombre a priori inconnu d'inclusions fluorescentes ponctuelles dans une mire (ou fantôme) absorbante et diffusante. L'algorithme de localisation repose sur la mesure des temps d'arrivée des premiers photons à différentes positions angulaires autour du sujet. Ceci requiert une résolution temporelle très élevée dans la détection des photons, une très grande synchronisation des différents canaux de détection et une grande stabilité dans la détection des signaux optiques. L'architecture du scanner ainsi qu'une méthode de calibration élaborée dans le cadre des présents travaux permettent d'atteindre de telles performances. On présente également des résultats préliminaires de l'effet d'un milieu hétérogène sur le temps de vol des photons.

L’exérèse des tumeurs cancéreuses est une procédure courante pour le traitement de nombreux cancers. L’enjeu est de réaliser une excision la plus complète possible pour éviter les récidives tout en épargnant le plus possible les tissus sains bordant la tumeur. La détection de positons est une modalité d’imagerie particulièrement adaptée au repérage de résidus tumoraux lors de l'éxerèse car sa forte sélectivité spatiale permet de s'affranchir du bruit provenant de la fixation non spécifique du radiotraceur dans les tissus situés en profondeur, offrant ainsi une meilleur sensibilité et un meilleur rapport signal sur bruit que la détection de photons gamma. L’utilisation pour le contrôle d’exérèse impose cependant une contrainte forte sur les dimensions du détecteur qui doit être manipulable facilement par le chirurgien et pouvoir être inséré dans des plaies opératoires potentiellement étroites. Une nouvelle génération de photodétecteurs appelés photomultiplicateurs silicium (SiPM) est particulièrement adaptée à cette application car ceux-ci allient la compacité et la robustesse des technologies silicium avec d'excellentes performances de détection. Mon travail de thèse porte sur le développement et la caractérisation de nouvelles sondes positon basées sur ces photodétecteurs. Dans un premier temps, un travail de caractérisation des SiPMs a été réalisé pour évaluer leurs performances pour la détection de positons. Deux prototypes de prototypes de détecteurs aux rôles complémentaires ont ensuite été réalisé: le premier est un imageur, basé sur l’assemblage de deux scintillateurs avec une ou deux matrices de SiPMs, qui permet de réaliser rapidement l'image de la distribution de traceur sur une large surface de tissus. Le second détecteur est une sonde de comptage, constituée de fibres scintillantes couplées à des SiPMs individuels via des fibres claires et capable d'être couplée à l'outil d'exérèse. Elle permet de guider l'outil du chirurgien vers les tissus repérés préalablement avec l'imageur. La caractérisation de l’imageur a montré sa capacité à détecter des résidus tumoraux de petite taille (15mg) avec une résolution submillimétrique. La sonde de comptage présente quant à elle, une efficacité de détection de 80%. / Excision of cancerous tumors is a common procedure for the treatment of numerous cancers. The stake is to perform the most complete excision to prevent recurrences while preserving as much as possible surrounding healthy tissues. Positron detection is a well suited imaging modality for detection of tumor remains during excision because its strong spatial selectivity makes it insensitive to the noise coming from the non-specific accumulation of the radiotracer in healthy tissues located far from the detector, leading to a better sensitivity and a better signal-to-noise ratio than gamma photon detection. Its use for the control of excision implies however strong constraints on detector dimensions which must be easy to handle by the surgeon and easy to insert in tight surgical wound. A new generation of photodetectors called Silicon Photmultipliers (SiPMs) is particularly suited for this application because they present the compactness and robustness of silicon technologies and very good detection performances. My thesis aims to develop and characterize a new generation of new positron probes based on these photodetectors. Two prototypes of detectors with complementary roles were realized: the first one is an imaging device based on the assembly of two scintillators with one or two SiPMs arrays which allows to quickly make an image of tracer distribution along a wide surface of tissues. The second detector is a counting probe made of scintillating fibers associated with individual SiPMs through clear optical fibers and can be associated to the excision tool. It guides the surgeon tool to the tissues previously localized with the imaging probe. Characterization of the imaging probe showed its ability to detect small tumor remains (15mg) with a submillimetric resolution. The counting probe showed a detection efficiency of 80%.

L'expérience NEMO3 était dédiée à la recherche de la désintégration ββ0ν à l'aide de diverses sources d'isotopes de désintégration double bêta (principalement ¹ººMo, ⁸²Se, ¹¹⁶Cd et ¹³ºTe pour un total d'environ 10 kg). Le détecteur était localisé dans le Laboratoire souterrain de Modane, à mi-parcours du tunnel du Fréjus. Cette expérience a permis de démontrer que la technologie "tracko-calo" est très compétitive et a de plus offert de nouveaux résultats pour la recherche des désintégrations ββ2ν et ββ0ν. Par ailleurs, elle a ouvert la voie pour son successeur SuperNEMO, dont le but est d'atteindre 100 kg de ⁸²Se (pour une sensibilité de 10²⁶ années). Le but principal de cette thèse a été de mesurer le temps de demi-vie des désintégrations ββ2ν et ββ0ν du ¹ººMo vers les états excités 0₁⁺ du ¹ººRu à l'aide des données totales de NEMO3, avec de nouvelles méthodes d'analyse et un développement du programme d'analyse de la collaboration. Les résultats obtenus pour la désintégration ββ2ν du ¹ººMo vers l'état fondamental (gs) et excité (0₁⁺) du ¹ººRu sont T1/2(ββ2ν,gs)=(7,05±0,01(stat)±0,54(syst)).10¹⁸ ans et T1/2(ββ2ν,0₁⁺)=(6,15±1,1(stat)±0,78)).10²º ans. Ces résultats sont compatibles avec les résultats publiés par la collaboration. Quant à la désintégration ββ0ν(0₁⁺), ce travail permet d’obtenir un temps de demi-vie de T1/2(ββ0ν, 0₁⁺)>2,6.10²³ ans, améliorant significativement les derniers résultats publiés. De plus ces méthodes ont aussi permis de présenter un nouveau modèle de bruit de fond de l'expérience, plus exhaustif. Le second but de ce travail a été de mesurer les erreurs systématiques du calorimètre de NEMO3 dues, entre autres, à la longueur d'onde des systèmes d’étalonnage du détecteur. Ce travail a été réalisé notamment à l'aide d'un banc de test basé sur des DEL. Ce banc a aussi permis de contribuer au développement du calorimètre de SuperNEMO, particulièrement au travers de mesures de linéarité et de caractéristiques temporelles des PM destinés au démonstrateur de l'expérience. / The NEMO3 experiment was researching the ββ0ν decay by using various sources of double beta decay isotopes (mainly ¹ººMo, ⁸²Se, ¹¹⁶Cd and ¹³⁰Te for about 10 kg in total). The detector was located in the “Laboratoire Souterrain de Modane”, in the halfway point of the Frejus tunnel. This experiment demonstrated that the "tracko-calo" technology is really competitive and, in addition, it gives new results for the ββ2ν and the ββ0ν decay research. Moreover it opened a new way for its successor SuperNEMO, which aim is to reach a mass of 100 kg of ⁸²Se (for a sensitivity of 10²⁶ years). The main goal of the thesis is to measure the ββ2ν and ββ0ν decay of the ¹ººMo to the excited state 0₁⁺ of the ¹ººRu thanks to the whole NEMO3 data, with new original methods of analysis and through the development of the collaboration analysis software. The results obtained for the ground states (gs) and excited states ββ2ν of the ¹ººMo are T1/2(ββ2ν,gs)=(7,05±0,01(stat)±0,54(syst)).10¹⁸ years and T1/2(ββ2ν, 0₁⁺)=(6,15±1,1(stat)±0,78)).10²º years. Those results are compatibles with the last published ones by the collaboration. For the ββ0ν(0₁⁺), this work gave a half-life time of T1/2 (ββ0ν, 0₁⁺)>2,6.10²³ years, improving significantly the last published results. Furthermore those methods also allowed to present a new and more exhaustive background noise model for this experiment. The second point of this work was to measure the systematics errors of the NEMO3 calorimeter, among others, due to the wavelength of the NEMO3 calibration systems. This work was done using a new test bench based on LED. This bench also allowed to contribute to the development of the SuperNEMO calorimeter, especially in the time characteristic and the energy linearity measurement of the PMT intended to the demonstrator of the experiments.

Un banc test, composé d’ une cuve à eau et d’ un hodoscope, a été optimisé et utilisé pour la caractérisation des Modules Optiques (OMs) des expériences ANTARES et KM3NeT. La comparaison entre le flux attendu de muons atmosphériques et le flux mesuré a permis l’ estimation de l’ efficacité de l’ hodoscope.Dans un premier temps, des mesures effectuées avec un OM ANTARES ont permis de valider le système d’ acquisition et de caractériser l’ étalonnage temporel du banc test. Un Module Optique Digital (DOM) a ensuite pu être installé dans la cuve pour être testé. De nombreux points cruciaux pour les télescopes sous-marins à neutrino ont été mentionnés et une description détaillée de l’ étalonnage en charge et du réglage du détecteur a été présentée. La dégradation, observée expérimentalement, de l’ efficacité de détection des OMs ANTARES a été confrontée aux résultats obtenus en simulant la formation d’ une couche de sédimentation. L’ impact de différents profils de sédimentation a été étudié et les résultats de l’ analyse Monte Carlo ont été détaillés. Ce travail a permis de rejeter certains profils de sédimentation en désaccord avec les données. / A test bench, comprised of a water tank and a hodoscope, was optimized and operated for the characterization of ANTARES and KM3NeT OpticalModules (OMs). A calculation of the expected atmospheric muon flux and the comparisonto the detected flux is made for the evaluation of the hodoscope efficiency.Measurements were initially made with an ANTARES OM for the evaluation of thetest bench potential and the consequent time correlation analysis. The results wereconsidered satisfying for proceeding to the characterization of a KM3NeT DigitalOM (DOM). This was the first time a DOM was investigated with known muontracks and the analysis lead to original and insightful results. Many key aspectsfor an undersea neutrino telescope are outlined and a detailed description of chargecalibration and the tuning sequence for the ANTARES detector are presented. Theobservation that the OM efficiencies for ANTARES are deteriorating in the courseof time has been compared to simulations of a sedimentation layer on the OMÕsglass sphere. Different profiles for this sedimentation impact are considered and thecombined analysis of monte carlo results with detector data is described. This workpermitted to reject extreme cases of biofouling profiles that are inconsistent withthe data

Le détecteur ATLAS conçu pour étudier la physique des particules, sera mis en service à partir de 2007 sur le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Il sera dédié à la recherche du boson de HIGGS et à des études dans le cadre du modèle standard ou en dehors. Le calorimètre à tuiles scintillantes est un sous-ensemble du détecteur ATLAS. Les 10000 voies de lecture, composant ce calorimètre, sont constituées de photomultiplicateurs qui transforment la lumière en signal électrique. La reconstruction du passage des particules et l'énergie déposée dans le détecteur doivent être connues avec précision. Pour cela, chaque sous-ensemble dispose de plusieurs systèmes d'étalonnage. Le système utilisé par le calorimètre à tuiles scintillantes pour calibrer les photomultiplicateurs et l'électronique associée est un laser. Le système laser possède son propre système de calibration afin de connaître avec précision l'impulsion lumineuse transmise aux photomultiplicateurs du calorimètre, soit :<br> · quatre photodiodes qui reçoivent une fraction du faisceau laser,<br> · une source radioactive, passant devant les photodiodes dont l'énergie des particules alpha émises est monoénergétique,<br> · une injection de charge pour connaître la linéarité des préamplificateurs des photodiodes.<br> <br><br> Pour commander ce système laser, le prototype d'une carte électronique SLAMA a été développé et réalisé. Cette carte, qui s'insère dans un châssis VME, se compose de trois parties : la première est l'interface avec le logiciel via le bus VME, la deuxième met en forme les signaux analogiques provenant des photomultiplicateurs et des photodiodes et la troisième doit prendre en compte le temps de réponse du laser. Les signaux électroniques issus des entrées analogiques sont mis en forme par des discriminateurs à fraction constante. Ils ont pour particularité d'avoir une gigue sur le temps de réponse peu dépendante de l'amplitude du signal d'entrée. Le temps de réponse du laser est dépendant de l'amplitude de l'impulsion lumineuse. La carte SLAMA intègre une fonction dédiée à ce calcul, pour optimiser les calibrations pendant l'absence d'événements physiques. Elle est dotée de fonctions diverses réalisées à l'aide de composants numériques programmables FPGA et de circuits spécifiques :<br> · une interface avec le bus VME,<br> · un convertisseur temps-numérique TDC, ASIC développé au CERN,<br> · l'unité de calculs et d'ajustements du retard de déclenchement du laser,<br> · une logique de fonctionnement autonome. <br><br> Les tests préliminaires avant l'intégration complète dans le système ont été effectués en laboratoire. Ils permettent de confirmer la faisabilité de la fonction commande et contrôle du laser. Ils montrent également une grande souplesse de la carte, grâce à la possibilité de reconfiguration in-situ.