No description available.

En opération depuis 2008, l’expérience ATLAS est la plus grande de toutes les expériences au LHC. Les détecteurs ATLAS- MPX (MPX) installés dans ATLAS sont basés sur le détecteur au silicium à pixels Medipix2 qui a été développé par la collaboration Medipix au CERN pour faire de l’imagerie en temps réel. Les détecteurs MPX peuvent être utilisés pour mesurer la luminosité. Ils ont été installés à seize différents endroits dans les zones expérimentale et technique d’ATLAS en 2008. Le réseau MPX a recueilli avec succès des données indépendamment de la chaîne d’enregistrement des données ATLAS de 2008 à 2013. Chaque détecteur MPX fournit des mesures de la luminosité intégrée du LHC. Ce mémoire décrit la méthode d’étalonnage de la luminosité absolue mesurée avec les détectors MPX et la performance des détecteurs MPX pour les données de luminosité en 2012. Une constante d’étalonnage de la luminosité a été déterminée. L’étalonnage est basé sur technique de van der Meer (vdM). Cette technique permet la mesure de la taille des deux faisceaux en recouvrement dans le plan vertical et horizontal au point d’interaction d’ATLAS (IP1). La détermination de la luminosité absolue nécessite la connaissance précise de l’intensité des faisceaux et du nombre de trains de particules. Les trois balayages d’étalonnage ont été analysés et les résultats obtenus par les détecteurs MPX ont été comparés aux autres détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. La luminosité obtenue à partir des balayages vdM a été comparée à la luminosité des collisions proton- proton avant et après les balayages vdM. Le réseau des détecteurs MPX donne des informations fiables pour la détermination de la luminosité de l’expérience ATLAS sur un large intervalle (luminosité de 5 × 10^29 cm−2 s−1 jusqu’à 7 × 10^33 cm−2 s−1 . / In operation since 2008, the ATLAS experiment is the largest of all the experiments at the LHC. The ATLAS-MPX (MPX) detectors installed in ATLAS are based on the Medipix2 silicon pixelated detector which has been developed by the Medipix Collaboration at CERN to perform real-time imaging. They can be used for luminosity measurements. They were installed at sixteen different positions in the ATLAS cavern at the LHC in 2008. The MPX network successfully collected data independently of the ATLAS data recording chain from 2008 to 2013. Each MPX detector provides measurements of the integrated LHC luminosity. This thesis describes the technique for calibrating the luminosity data and performance of MPX detectors for measuring the luminosity in 2012. The calibration was performed via the van der Meer (vdM) scans technique which allows the measurement of the convolved beam sizes in the vertical and the horizontal planes at the ATLAS interaction point (IP1). The determination of the absolute luminosity requires a precise knowledge of the beam intensities and the number of beam bunches. A luminosity calibration constant was determined. The three calibration scans were analyzed and the results were cross-checked among the MPX detectors and other ATLAS sub-detectors specifically dedicated to luminosity measurement. The luminosity determined from the calibration scans was compared to the luminosity of regular runs before and after the vdM scans. The MPX network gives reliable information for the overall ATLAS luminosity determination over a wide dynamic range (luminosity from 5 × 10^29 cm−2 s−1 up to 7 × 10^33 cm−2 s−1).

Hybrid pixel detectors have been demonstrated to provide excellent quality detection of ionising photon radiation, particularly in X-ray imaging. Recently, there has been interest in developing a hybrid pixel detector specifically for photon dosimetry. This thesis is on the design, implementation, and preliminary characterisation of the Dosepix readout chip. Dosepix has 256 square pixels of 220 mm side-length, constituting 12.4 mm2 of photo-sensitive area per detector. The combination of multiple pixels provides many parallel processors with limited input flux, resulting in a radiation dose monitor which can continuously record data and provide a real-time report on personal dose equivalent. Energy measurements are obtained by measuring the time over threshold of each photon and a state machine in the pixel sorts the detected photon event into appropriate energy bins. Each pixel contains 16 digital thresholds with 16 registers to store the associated energy bins. Preliminary measurements of Dosepix chips bump bonded to silicon sensors show very promising results. The pixel has a frontend noise of 120 e-. In low power mode, each chip consumes 15 mW, permitting its use in a portable, battery-powered system. Direct time over threshold output from the hybrid pixel detector assembly reveal distinctive photo-peaks correctly identifying the nature of incident photons, and verification measurements indicate that the pixel binning state machines accurately categorise charge spectra. Personal dose equivalent reconstruction using this data has a flat response for a large range of photon energies and personal dose equivalent rates.

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En opération depuis 2008, l’expérience ATLAS est la plus grande de toutes les expériences au LHC. Les détecteurs ATLAS- MPX (MPX) installés dans ATLAS sont basés sur le détecteur au silicium à pixels Medipix2 qui a été développé par la collaboration Medipix au CERN pour faire de l’imagerie en temps réel. Les détecteurs MPX peuvent être utilisés pour mesurer la luminosité. Ils ont été installés à seize différents endroits dans les zones expérimentale et technique d’ATLAS en 2008. Le réseau MPX a recueilli avec succès des données indépendamment de la chaîne d’enregistrement des données ATLAS de 2008 à 2013. Chaque détecteur MPX fournit des mesures de la luminosité intégrée du LHC. Ce mémoire décrit la méthode d’étalonnage de la luminosité absolue mesurée avec les détectors MPX et la performance des détecteurs MPX pour les données de luminosité en 2012. Une constante d’étalonnage de la luminosité a été déterminée. L’étalonnage est basé sur technique de van der Meer (vdM). Cette technique permet la mesure de la taille des deux faisceaux en recouvrement dans le plan vertical et horizontal au point d’interaction d’ATLAS (IP1). La détermination de la luminosité absolue nécessite la connaissance précise de l’intensité des faisceaux et du nombre de trains de particules. Les trois balayages d’étalonnage ont été analysés et les résultats obtenus par les détecteurs MPX ont été comparés aux autres détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. La luminosité obtenue à partir des balayages vdM a été comparée à la luminosité des collisions proton- proton avant et après les balayages vdM. Le réseau des détecteurs MPX donne des informations fiables pour la détermination de la luminosité de l’expérience ATLAS sur un large intervalle (luminosité de 5 × 10^29 cm−2 s−1 jusqu’à 7 × 10^33 cm−2 s−1 . / In operation since 2008, the ATLAS experiment is the largest of all the experiments at the LHC. The ATLAS-MPX (MPX) detectors installed in ATLAS are based on the Medipix2 silicon pixelated detector which has been developed by the Medipix Collaboration at CERN to perform real-time imaging. They can be used for luminosity measurements. They were installed at sixteen different positions in the ATLAS cavern at the LHC in 2008. The MPX network successfully collected data independently of the ATLAS data recording chain from 2008 to 2013. Each MPX detector provides measurements of the integrated LHC luminosity. This thesis describes the technique for calibrating the luminosity data and performance of MPX detectors for measuring the luminosity in 2012. The calibration was performed via the van der Meer (vdM) scans technique which allows the measurement of the convolved beam sizes in the vertical and the horizontal planes at the ATLAS interaction point (IP1). The determination of the absolute luminosity requires a precise knowledge of the beam intensities and the number of beam bunches. A luminosity calibration constant was determined. The three calibration scans were analyzed and the results were cross-checked among the MPX detectors and other ATLAS sub-detectors specifically dedicated to luminosity measurement. The luminosity determined from the calibration scans was compared to the luminosity of regular runs before and after the vdM scans. The MPX network gives reliable information for the overall ATLAS luminosity determination over a wide dynamic range (luminosity from 5 × 10^29 cm−2 s−1 up to 7 × 10^33 cm−2 s−1).

Le détecteur ATLAS est le plus grand détecteur après du Grand Collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. L'un des objectifs les plus importants de ATLAS était la recherche de la pièce manquante du Modèle Standard, le boson, de Higgs, qui a été trouvé en 2012. Afin de continuer à chercher les inconnues, il est prévu d'améliorer le LHC. La haute luminosité pour le LHC est un projet, visant à augmenter la luminosité d'un facteur cinq ou plus au-dessus de la conception nominale. En parallèle à l'amélioration de l'accélérateur aussi ATLAS sera amélioré pour faire face au vieillissement des détecteurs et parvenir à la même ou meilleure performance avec un taux d'événements augmenté et une dose de rayonnement plus important.Cette thèse discute un nouveau design pour le détecteur pixel d'ATLAS , appelé “détecteur Alpine“ , pour la phase de haute luminosité du LHC. La structure du support local du détecteur Alpine est proposé, optimisé et testé avec un système avancé de refroidissement à deux phases qui utilise le dioxide de carbone ( CO2).Un programme de simulation du transfert de chaleur par évaporation du CO2 est mis au point au utilisant les modelés le plus récent de transfert de chaleur du CO2 pour caractériser le fonctionnement d'un évaporateur. Ce programme peut être utilisé pour analyser les aspects concernant les paramètres du système de refroidissement à l'intérieur et à l'extérieur du détecteur. Dans cette thèse, ce programme est principalement utilisé pour vérifier que un système à deux phases avec le CO2 peut être employé pour refroidir le détecteur Alpine. Plusieurs fonctions de calcule sont intégrées dans le programme dans une interface utilisateur graphique (GUI) afin d'avoir une large utilisation à l'intérieur de la communauté ATLAS.Pour faciliter l'analyse de la performance thermique du prototype, le modèle de la structure de support local est construit et analysé par analyse par éléments finis (FEA). Des nouveaux matériaux sont étudiés afin de faire face à la plus forte densité de puissance dégagée pour les modules au cours de la prise de donnée du HL-LHC.Les deux simulations par le programme numérique et par FEA sont combinées a fin de caractériser la performance thermique des deux prototypes: prototype Proof-of-Concept (PoC) et prototype Démonstration Fonctionnelle (FD). Ils sont produits par une société et un laboratoire de recherche respectivement et sont analysées et testées. Des études préliminaires des incertitudes les résultats ont été effectués. Les mesures du prototype PoC montrent que le refroidissement par évaporation du CO2 est efficace pour le détecteur Alpine.Par contre le premier prototype FD produit sur la base de la géométrie alpin avec une amélioration limitée de la matière n'aboutit pas à un résultat satisfaisant. Effets possibles pendant la production sont identifiés. Afin d'obtenir la performance thermique attendue, les futurs prototypes FD seront produits avec une procédure de production améliorée et de nouveaux matériaux. / The ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) detector is the largest detector of the Large Hadron Collider (LHC). One of the most important goals of ATLAS was to search for the missing piece of the Standard Model, the Higgs boson that had been found in 2012. In order to keep looking for the unknowns, it is planned to upgrade the LHC. The High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) is a novel configuration of the accelerator, aiming at increasing the luminosity by a factor five or more above the nominal LHC design. In parallel with the accelerator upgrade also the ATLAS will be upgraded to cope with detector aging and to achieve the same or better performance under increased event rate and radiation dose expected at the HL-LHC.This thesis discusses a novel design for the ATLAS Pixel Detector called the Alpine layout for the high luminosity of the LHC. To support the Alpine Pixel Detector, a local support structure is proposed, optimized and tested with an advanced CO2 two-phase cooling system.A numerical program simulating the CO2 evaporative heat transfer flowing through a pipe is developed by the author of this thesis using the most up to date CO2 heat transfer models to characterize the heat transfer properties of an evaporator. This program can be used to analyze the aspects concerning the parameters of the cooling system inside and outside the detector. In this thesis, the program is mainly used to verify that a CO2 two-phase system can be used to efficiently cool down the Alpine Detector. Several functions in the program are built into a Graphic User Interface (GUI) in order to facilitate a wide use inside the ATLAS community.A model of the local support structure is built and analyzed by Finite Element Analysis (FEA) in order to facilitate the analysis of the thermal performance of the prototype. Candidate new materials are investigated in order to cope with the high power density from the detector modules during HL-LHC. The two simulations (the CO2 evaporative numerical program and the FEA ) are combined to characterize the thermal performance of two prototypes: Proof-of-Concept (PoC) prototype and Functional-Demonstration (FD) prototype. They are produced by a company and an institute respectively and are analyzed and tested. Studies of the systematic uncertainty affecting the result are present. The PoC prototype measurement shows that the Alpine design can be effectively cooled down. The measurements agree with the predictions within the considered systematic uncertainties. The first FD prototype produced based on the Alpine geometry with limited improvement on materials yet show a less satisfactory behavior. Possible effects occurring during the production that can be improved are identified. The future FD prototypes will be produced with an improved production procedure and using new materials in order to obtain the expected thermal performance

La thèse se place dans le contexte du programme de physique prévu auprès du collisionneur Beijing Electron Positron Collider II, pour lequel l'expérience BESIII (Beijing Electron Spectrometer III) doit subir une jouvence. Mon travail concerne l'amélioration des performances de la trajectométrie centrale de l'expérience, en explorant une nouvelle approche utilisant les capteurs à pixels CMOS (CPS) en remplacement partiel de la chambre à dérive actuelle. Il est validé, qu'un pixel de 39.0X50.8 µm2 permet d'atteindre une résolution spatiale ~10 µm. Cette confirmation ouvre la voie pour le développement d'échelle de grande longueur. Un logiciel générique proposant une stratégie d'optimisation pour un trajectomètre pixellisé a été mis au point et appliqué au cas particulier du BESIII. Il a permis de montrer qu'une configuration à trois couches optimise la résolution sur les trajectoire alors qu'une option incluant une couche double-face atteint une efficacité de reconstruction supérieure. / The thesis addresses the upcoming particle physics program foreseen at the Beijing Electron Positron Collider II, for which the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) is being upgraded. The work presented focused on the upgrade of the central tracker of the experiment by exploring the possibilities offered by a new approach using CMOS Pixel Sensors (CPS) instead of the present gas drift chamber. The performance of CPS with a larger pixel (39.0X50.8 µm2) and a lower power consumption has been validated, which will help to develop long ladders. A general strategy and software to optimise the design of a barrel pixelated tracker has also been developed, and its application on the BESIII silicon tracker indicates that the layout of three evenly placed single-sided layers is favoured by BESIII physics for the best momentum resolution, with an option using one double-sided ladder to achieve a higher tracking efficiency.

L’approche qui a été développée dans l’équipe imXgam du CPPM est de combiner sur un unique support rotatif les modules de détection de la caméra pour petit animal ClearPET avec un détecteur de rayons X à comptage de photons dans le but d’acquérir simultanément des images anatomiques (TDM) et fonctionnelles (TEP) du même champ de vue. L’étude préliminaire du système hybride ClearPET/XPAD3 menée en simulation avec Gate a permis d’implémenter une nouvelle géométrie de détection TEP à 21 détecteurs phoswich, de fixer les grandes lignes de l’assemblage TEP/TDM, ainsi que d’étudier et de solutionner les difficultés liées au régime de fonctionnement bimodal. Pour finir, l’outil de simulation a également permis d’imaginer comment un tel système pourrait judicieusement exploiter la corrélation spatiale et temporelle des informations anatomo-fonctionnelles.Du point de vue de l’instrumentation, ce projet a vu la mise en œuvre du système hybride simultané ClearPET/XPAD3. Une fois les deux systèmes TEP et TDM opérationnels individuellement,il a été démontré, d’une part que le ClearPET est parfaitement capable d’opérer en régime de fonctionnement simultané moyennant un blindage approprié de ses modules de détection, et d’autre part que la nouvelle génération de caméra à pixels hybrides XPAD3-S/Si s’avère très prometteuse compte tenu de la bonne qualité des premières images reconstruites.Finalement, la preuve de concept d’une acquisition TEP/TDM simultanée avec une source de positons scellée et un tube à rayons X a pu être concrètement démontrée. / The pathway that has been followed by the imXgam team at CPPM was to combine on a single rotating device the detector modules of the small animal PET scanner ClearPET witha photon counting X-ray detector in order to perform simultaneous acquisition of images from the anatomy (X-ray CT) and from the metabolic function (PET) of the common field-of-view.A preliminary study of the hybrid imaging system ClearPET/XPAD3 carried out using Gateled us to form a new PET detection assembly based on 21 phoswich modules, to fix the design of the PET/CT device, as well as to study and solve the difficulties arising from simultaneous hybrid imaging. Last but not least, the simulation tool also allowed us for thinking how wellsuch a system could judiciously use the spatial and temporal correlations between anatomicand functional information.From an instrumentation point of view, we succeeded to set up the ClearPET/XPAD3 prototype.Once both imaging systems were operational individually, we demonstrated on one sidethat the ClearPET prototype was perfectly capable of performing correctly in simultaneousacquisition conditions, providing that the detector modules were appropriately shielded. Onthe other side, the new generation of the hybrid pixel camera using the XPAD3-S chip provedto be quite promising given the good quality of the first reconstructed images.Finally, the proof of concept of simultaneous PET/CT data acquisition was made using a sealed positron source and an X-ray tube.

L'hypothèse d'une quatrième famille de fermions –les particules de matière décrites au sein du Modèle Standard (MS) de la physique des particules– est un des plus simples modèles de nouvelle physique encore non exclu et accessible au démarrage du LHC – le plus puissant collisionneur hadronique au monde depuis 2009. Cette thèse s'intéresse à la production d'une paire de quarks t' se désintégrant chacun via Wb. La recherche se focalise sur le domaine des très hautes masses, où la production peut être distinguée de la production de bruit de fond d'une paire de quark top en exploitant la cinématique des produits de désintégration des collisions p-p produites au centre du détecteur ATLAS. Nous présentons une stratégie originale exploitant la collimation des produits de la désintégration des bosons W de grande impulsion transverse, permettant leur reconstruction explicite. L'analyse s'appuie sur un travail de mise en oeuvre des algorithmes d'identification des jets résultants de la fragmentation des quarks de saveur b. L'étiquetage-b permet à l'expérience ATLAS d'améliorer la (re)découverte du MS, et la sensibilité à la nouvelle physique. Il sera ainsi d'une grande importance pour les futures années d'opération du LHC, raison pour laquelle nous présentons une étude de prospective de ses performances attendues avec l'extension du détecteur à pixels d'ATLAS dénommée IBL. Notre recherche de quark t' a permis d'établir une limite inférieure à la masse du quark t' de 656 GeV à partir des 4.7 fb^−1 de données 7 TeV collectées en 2011, ce qui est la meilleure limite à ce jour en recherche directe, avec également une interprétation dans le cadre du modèle de quarks dits vecteurs. / The hypothesis of a fourth generation of fermions – the matter particles described in the Standard Model (SM) of particle physics – is one of the simplest model of new physics still not excluded and accessible at the start of the Large Hadron Collider (LHC) – the world most powerful hadron collider since 2009. We search for the pair production of up-type t' quarks decaying to a W boson and a b-quark. The search is optimized for the high quark mass regime, for which the production can be distinguished from the top background by exploiting kinematic features of the decay products arising from the proton-proton collisions occurring at the center of the ATLAS detector. We present a novel search strategy reconstructing explicitly very high-pT W bosons from their collimated decay products. The analysis benefits from the commissioning of algorithms intended to identify jets stemming from the fragmentation of b-quarks. These algorithms are based on the precise reconstruction of the trajectory of charged particles, vertices of primary interaction and secondary vertices in jets. The b-tagging ability allows for ATLAS to improve the (re)discovery of the SM, and the sensibility to new physics. It will hence play an important role in the future of the LHC, the reason why we study the expected performance with an upgrade of the ATLAS pixel detector, called IBL and currently under construction. Our search of t' quark, using 4.7 fb^−1 of the 7 TeV data collected in 2011, has resulted in the world most stringent limit, excluding t' masses below 656 GeV, with also an interpretation in the framework of vector-like quarks.

L'approche développée par l'équipe imXgam du CPPM a consisté à adapter la technologie des pixels hybrides XPAD à l'imagerie biomédicale. C'est dans cette optique qu'un micro-tomodensitomètre PIXSCAN II basé sur la nouvelle génération de détecteurs à pixels hybrides appelés XPAD3 a été développé. Ce travail de thèse décrit la démarche engagée pour évaluer l'apport de la technologie à pixels hybrides en tomodensitométrie par rayons X en termes de contraste et de dose et pour explorer de nouvelles possibilités d'imagerie biomédicale à faible dose. L'évaluation des performances ainsi que la validation des résultats obtenus avec les données acquises avec le détecteur XPAD3 ont été comparées aux résultats obtenus avec la caméra CCD DALSA XR-4 similaire aux détecteurs utilisés dans la plupart des micro-TDM usuels. Le détecteur XPAD3 permet d'obtenir des images reconstruites d'une qualité satisfaisante et proche de celle des images de la caméra DALSA XR-4, mais avec une meilleure résolution spatiale. A faible dose, les images du détecteur XPAD3 sont de meilleure qualité que celles de la caméra CCD. Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a prouvé le bon fonctionnement du dispositif PIXSCAN II pour la souris. Nous avons pu reproduire une qualité d'image semblable à celle obtenue avec un détecteur à intégration de charges de type caméra CCD. Pour améliorer les performances du détecteur XPAD3, il va falloir optimiser la stabilité des seuils et avoir des courbes de réponses des pixels en fonction de l'énergie assez homogènes en utilisant un capteur plus dense comme le CdTe par exemple. / The pathway that has been followed by the imXgam team at CPPM was to adapt the hybrid pixel technology XPAD to biomedical imaging. It is in this context that the micro-CT PIXSCAN II based on the new generation of hybrid pixel detectors called XPAD3 has been developed. This thesis describes the process undertaken to assess the contribution of the hybrid pixel technology in X-ray computed tomography in terms of contrast and dose and to explore new opportunities for biomedical imaging at low doses. Performance evaluation as well as the validation of the results obtained with data acquired with the detector XPAD3 were compared to results obtained with the CCD camera DALSA XR-4 similar to detectors used in most conventional micro-CT systems. The detector XPAD3 allows to obtain reconstruced images of satisfactory quality close to that of images from the DALSA XR-4 camera, but with a better spatial resolution. At low doses, the images from the detector XPAD3 have a better quality that is those from CCD camera. From an instrumentation point of view, this project demonstrated the proper erations of the device PIXSCAN II for mouse imaging. We were able to reproduce an image quality similar to that obtained with a charge integration detector such as a CCD camera. To improve the performance of the detector XPAD3, we will have to optimize the stability of the thresholds and in order to obtain more homogeneous response curves of the pixels as a function as energy by using a denser sensor such as CdTe.