Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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'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%.

La Tomographie par Émission de Positon (TEP) combinée à l'imagerie scanner est intéressante pour la planification de traitement en radiothérapie. Elle réduit la variabilité inter et intra-observateur dans la définition du volume cible et permet de visualiser les hétérogénéités biologiques. Plusieurs algorithmes de segmentation ont été proposés mais aucun ne fait consensus. Pour valider ces algorithmes, les simulations de Monte-Carlo offrent la possibilité de maîtriser la vérité terrain et l'ensemble des paramètres d'acquisition.Nous avons proposé plusieurs méthodologies d'amélioration du réalisme des simulations. Des jeux de données présentant une variabilité anatomique, une hétérogénéité tumorale réaliste et intégrant les mouvements respiratoires ont ainsi été générés.Ces données ont été utilisées dans une première étude sur la segmentation du volume cible. Plusieurs algorithmes ont été comparés dans le cadre de la planification de traitement. L'utilisation de données simulées a permis de relier la précision de la segmentation à la qualité de la couverture de la vérité terrain. Nous avons aussi étudié l'impact de la respiration sur la précision de la segmentation.L'utilisation d'un algorithme de segmentation avancé permettant de définir un sous-volume plus actif pour la prescription d'une dose hétérogène a été proposée. Plusieurs scénarios de prescription ont été comparés en terme de probabilité de contrôle tumorale (TCP) calculée sur la TEP. La variabilité de la TCP liée aux paramètres d'acquisitions a été quantifiée. L'impact du contraste et de la taille du sous-volume fut étudié. Pour finir l'apport d'un ajout de compartiments à de telles prescriptions a été analysé. / There has been an increasing interest for the use Positron Emission Tomography (PET) combined with Computed Tomography for radiotherapy treatment planning. It improves target volume delineation by reducing inter and intra-observer variability and allows visualizing biological heterogeneities. Plethoras of segmentation algorithm have been proposed but there is a lack of consensus regarding which one to use. Monte Carlo simulations are interesting to validate these algorithms since they allow creating datasets with known ground-truth and for which all acquisition parameters are controlled.We proposed several methodologies for improving the realism of simulations. Several datasets incorporating patient specific variability in terms of anatomy and activity distributions, realistic tumor shape and activity modeling and integrating the respiratory motions were created.These data were used in a first study concerning target volume definition. Several algorithms were compared for radiotherapy treatment planning. The accuracy of segmentation was related to the quality of ground-truth volume coverage. We also studied the impact of respiratory motion on segmentation accuracy.We investigated the use of an advanced segmentation method able to define high uptake sub-volumes, for heterogeneous dose prescriptions. Several scenarios of prescriptions were compares in terms of Tumor Control Probability (TCP) computed on PET images. Variability of this TCP due to acquisition parameters was quantified. The impact of contrast and size of sub-volume was studied. Finally we studied the usefulness of the addition of compartments to such heterogeneous prescriptions.

L’expérience GBAR repose sur la production d’ions antihydrogène positifs dans le but de mesurer l’accélération gravitationnelle à laquelle est soumise l’antimatière au repos. Le projet ANTION, sous-projet de GBAR, a pour but la production de ces ions d’antimatière. Il vise également à mesurer la section efficace de production d’antihydrogène dans les collisions d’antiprotons sur des atomes de positronium, ainsi que les sections efficaces correspondantes avec la matière, de production d’hydrogène et de l’ion hydrogène négatif. Ces expériences reposent sur la formation d’un nuage très dense de positronium, et nécessitent donc une grande quantité de positons qui seront implantés sur un matériau convertisseur de positons en positronium. Cette thèse décrit la construction d’un piège à “buffer gas” à trois étages, destiné à piéger et accumuler des positons pour le projet ANTION. L’association d’un piège de Penning avec une source basée sur un Linac constitue un montage expérimental unique. Le piège a été construit et optimisé, et est maintenant pleinement opérationnel. Les protocoles de piégeage ont été étudiés et les effets du gaz tampon et du gaz de refroidissement sur le taux de piégeage et la durée de vie des positons ont été quantifiés. Afin de faciliter la mesure de la section efficace de production de l’hydrogène, une simulation avec GEANT4 a été mise au point. Elle décrit l’évolution temporelle et spatiale des atomes d’ortho-positronium dans la cavité où aura lieu la production d’hydrogène. On estime que 2.7 atomes d’hydrogène sont produits pour des proton de 6 keV d’énergie incidente, en utilisant les sections efficaces calculées avec le modèle “Coulomb-Born Approximation”, et 1.6 atomes d’hydrogène pour des protons de 10 keV, si l’on utilise la méthode “two-center convergent close-coupling”. Les simulations permettent également d’estimer le bruit de fond associé aux positons et à l’annihilation du para-positronium. Cette étude amène à proposer une modification permettant d’augmenter le nombre d’atomes de positronium dans la cavité. En parallèle, une étude a porté sur l’efficacité de modération de positons d’une couche épitaxiale de carbure de silicium 4H-SiC. Une efficacité de modération de 65% a été mesurée pour des positons implantés avec une énergie de l’ordre du kilo- électronvolt. Ce résultat intéresse les expériences de physique utilisant des positons lents, car il permet d’améliorer la luminosité de faisceaux de positons; dans le cas de GBAR cela permettrait d’augmenter l’efficacité de piégeage des positons. / The GBAR experiment relies on the production of antihydrogen positive ions to achieve its goal of measuring the gravitational acceleration of antimatter at rest. The ANTION project, included in the GBAR enterprise, is responsible for the production of these antimatter ions. Moreover, it also aims to measure the cross section of antihydrogen production throughout the collision of antiprotons and positronium atoms, as well as the matter cross sections of hydrogen and the hydrogen negative ion. These experiments imply the formation of a very dense positronium cloud, thus a large amount of positrons will be implanted on a positron/positronium converter material. This thesis reports the construction of a three stage buffer gas trap with the goal of trapping and accumulating positrons for the ANTION project. The combination of the Penning-type trap with a LINAC source constitutes a unique experimental setup. The trap was commissioned and optimized and is now fully operational. Trapping protocols were studied and the effect of the buffer and cooling gases on the positron trapping rate and lifetime was assessed. In order to assist the cross section measurement of hydrogen, a GEANT4 simulation was developed. It evaluates the time and spatial evolution of the ortho-positronium atoms in a cavity, where hydrogen production will take place. It was estimated that 2.7 hydrogen atoms are produced for proton impact energy of ∼ 6 keV, according to the cross sections computed with the Coulomb-Born Approximation model, and 1.6 hydrogen atoms for a proton impact energy of ∼ 10 keV, according to the two-center convergent close-coupling method. The simulations also allow the estimation of the background associated with the positron and para-positronium decay. In addition, a suggestion is proposed to increase the number of positronium atoms in the cavity. In parallel, the positron moderation efficiency of a commercially available 4H-SiC epitaxial layer was studied. A 65% moderation efficiency was observed for kiloelectronvolt implanted positrons. This result can be of interest to slow positron physics experiments by improving the brightness of positron beams, and in particular to GBAR as it can potentially increase the efficiency of positron trapping.

Les tumeurs solides relèvent pour un très grand nombre de cas d’un traitement chirurgical. La réussite thérapeutique dépend de la qualité, de la précision de l’exérèse et de la capacité à « visualiser » les résidus tumoraux. Pour ce faire, différents marqueurs sont disponibles sur le marché, notamment radioactifs. Depuis peu, des émetteurs de positrons spécifiques sont disponibles, relançant l’intérêt des techniques de chirurgies radioguidées. Les objectifs de ces travaux ont été la conception, le développement et l’optimisation d’un détecteur de positons pour la localisation de la tumeur avant exérèse et des amas tumoraux résiduels après exérèse. L’avantage de la détection des positons est leur parcours dans les tissus mous, de quelques millimètres. Leur détection est donc plus précise et de meilleure sensibilité (1 à 3 ordres de grandeurs) que la détection de rayonnements gamma. Elle consiste en une technique d’imagerie de contact sur une profondeur de quelques millimètres. Nous avons donc développé 2 prototypes d’imageurs beta+ composés de photomultiplicateurs en silicone (SiPM). Le SiPM sont des photomultiplicateurs présentant les mêmes caractéristiques que les tubes photomultiplicateurs (PMT), tout en étant sensibles à une faible luminosité et de très petite dimension, ce qui est parfaitement adapté à la problématique. La tête de détection du premier prototype est l’association d’un scintillateur organique sur une matrice de SiPM. Cette configuration permet de réduire le bruit dû à la contamination du signal par des rayonnements gamma. La seconde configuration inclus une méthode de soustraction permettant d’améliorer la discrimination du bruit Gamma, sans l’éliminer totalement. Pour ce faire, un assemblage de deux scintillateurs séparés par un guide de lumière est utilisé. Le signal issu des extrémités du scintillateur sont discriminés par l’analyse des différentes distributions de lumière sur la matrice SiPM. Dans les deux cas, le détecteur a été conceptualisé de façon à positionner la tête de détection dans un boitier mécanique comprenant une électronique de lecture miniaturisée. Différents designs de la sonde Beta+, prenant en compte le matériau et l’épaisseur du scintillateur, la fenêtre de propagation lumineuse et le réflecteur optique ont été simulés avec MonteCarlo et mesurés expérimentalement. Ces paramètres ont été optimisés de façon à ce que la sonde offre les meilleures performances en termes de sensibilité de détection des positons, discrimination du bruit Gamma, résolution et distorsion spatiale et uniformité de réponse. L’influence des différents algorithmes de reconstruction sur les performances spatiales ont été étudiées et une première étude préclinique du détecteur sur fantôme a pu être réalisée avec la première configuration de détecteur. / Extent and accuracy of surgical resection is a crucial step in the therapy of operable solid tumors. The recent availability of specific tumor-seeking agents, positron labeled, renewed the interest for radioguided surgery. The detection of beta particles, due to their short range, allows a more sensitive and accurate tumor localization. Since no mechanical collimation is necessary, it is possible to design probes with a sensitivity increased by one to three orders of magnitude compared to gamma detectors. The beta particle short range also reduces the contamination from distal non-specific radiotracers uptake region, which results in a increased signal-to-noise-ratio. Conversely, beta detection requires sensors to be extremely compact in order to operate in contact with the surveyed tissues in narrow surgical cavities. This thesis takes place in that context. Its aim was to develop an intraoperative positron imaging probe based on the silicon photomultiplier technology (SiPM) and to evaluate its ability to perform in real time tumor localization and post-operative control of the surgical cavity. During this work, two prototypes of intraoperative positron imaging probe were developed. The first detector design is based on the use of a single organic scintillator coupled to an array of SiPMs. This configuration uses a small sensitive volume to reduce the contamination noise coming from the annihilation gamma rays. The second version of the probe implements a subtraction method allowing to improve gamma rejection efficiency. This configuration uses a stack of two scintillators separated by a light guide. The events interacting in the top and the bottom scintillator are discriminated by the analysis of the different light distributions on the SiPM array. Different designs of the positron imaging probes, including scintillator material and thickness, light spreading window and optical reflector, were investigated with Montecarlo simulations and measurements. Their impact on the probes performances were optimized in terms of positron sensitivity, gamma ray rejection efficiency, spatial resolution and bias and uniformity of response. The effect of different reconstruction algorithm on spatial performances was also studied. Finally, the objective of developing an intraoperative probe fully operational in the operating room has been achieved by the design of dedicated miniaturized electronic readouts and mechanical housing. In the last part of my thesis, the evaluation of the single scintillator configuration in a realistic clinical environment was performed with 18F-FDG phantoms. We showed that the low intrinsic sensitivity of this probe to gamma radiations allows to detect tumor volumes as small as 14 mg for uptake properties corresponding to currently available radiotracers and acquisition times compatible with the surgery duration.

La Tomographie par Emission de Positons (TEP) au 18Fluoro-désoxyglucose (18F-FDG) est l’imagerie de référence pour la quantification in vivo du métabolisme glucidique des cellules tumorales. Elle permet, entre autre, de suivre les modifications du métabolisme tumoral en cours de chimiothérapie. Le cancer du sein regroupe différentes entités génomiques dont les comportements clinico-biologiques et la prise en charge thérapeutique divergent. L’objectif de cette thèse était d’étudier le lien entre ces diverses entités biologiques du cancer du sein et le comportement métabolique tumoral en cours de chimiothérapie néoadjuvante. Nous avons également extrait, parmi les différents paramètres métaboliques tumoraux des images TEP, les critères les plus robustes pour prédire dès la fin dès la première cure de chimiothérapie néoadjuvante la réponse histologique finale et la survie des patientes. Nous avons également appliqué un modèle de mesure de la perfusion tumorale, dérivée d’une acquisition dynamique du premier passage artériel et tumoral du 18F-FDG.Le premier article de cette thèse souligne l’impact majeur du phénotype tumoral sur le comportement métabolique en cours de chimiothérapie de la tumeur primitive mammaire. Les trois articles suivants montrent que, pour les tumeurs triple-négatives et HER2 positives, les modifications métaboliques tumorales observées par la TEP au 18F-FDG prédisent la réponse histologique complète à l’issue du traitement. Concernant le phénotype tumoral luminal/HER2 négatif, la réponse métabolique apporte surtout une information pronostique. L’imagerie TEP au 18F-FDG pourrait permettre dans un avenir proche de guider les choix thérapeutiques du clinicien, en proposant une alternative thérapeutique aux patientes non-répondeuses identifiées dès la première cure de chimiothérapie néoadjuvante. / Positron Emission Tomography (PET) with 18Fluoro-deoxyglucose (18F-FDG) is the reference imaging examination for in-vivo quantification of the glucidic metabolism of tumour cells. It allows for the monitoring of tumour metabolic changes during chemotherapy. Breast cancer comprises several distinct genomic entities with different biological characteristics and clinical behaviours, leading to different tailored treatments. The aim of this doctoral thesis was to evaluate the relationship between the different biological entities of breast cancer and the tumour metabolic behaviour during neoadjuvant chemotherapy. We have also retrieved, among the various metabolic parameters on PET images, the most reliable ones to predict, as early as after the first neoadjuvant cycle, the final tumour histologic response and patient’s outcome. We have also evaluated early changes in tumour blood flow, using a tumour first-pass model derived from an dynamic 18F-FDG-PET acquisition.The first article presented in this thesis has underlined the strong correlation between breast cancer subtypes, and the tumour metabolic behaviour during chemotherapy. The following three articles have demonstrated that tumour metabolic changes after the first neoadjuvant cycle can predict the final histologic complete response at the end of the treatment, both in triple-negative and HER2 positive tumours. Concerning the luminal/HER2 subtype, the early metabolic response mainly predicts patient’s outcome.These results should lead, in the near future, to PET-guided neoadjuvant strategies, in order to adapt the neoadjuvant treatment in poor-responding women. Such a strategy should lead to enhanced personalized medicine.

L’amélioration des techniques d’imagerie cérébrale a permis de grandes avancées dans la compréhension et la prédiction des mécanismes physiopathologiques de la Maladie d’Alzheimer (MA). Récemment, des travaux ont émis l’hypothèse d’une neurodégénérescence transneuronale selon laquelle les maladies neurodégénératives cibleraient des réseaux fonctionnels spécifiques où elles apparaitraient et se propageraient. Cette thèse visait à tester cette hypothèse dans le cadre de la MA en étudiant les liens entre la connectivité fonctionnelle au repos et les atteintes structurales, métaboliques et moléculaires. Un premier volet a été consacré à la caractérisation des atteintes fonctionnelles, structurales et métaboliques au sein des réseaux ventral et dorsal du cortex cingulaire postérieur (CCP) dans le Mild Cognitive Impairment (MCI) et la MA. Cette étude transversale a suggéré une vulnérabilité plus précoce (dès le stade de MCI) du réseau ventral en atrophie et en connectivité fonctionnelle au repos tandis que l’hypométabolisme était présent dans les deux réseaux chez les MCI et les MA. Le second volet a permis d’évaluer l’influence de la connectivité spécifique (de la région la plus atteinte) versus de la connectivité globale (d’une région avec le reste du cerveau, particulièrement élevée dans les régions hubs) sur la topographie et la propagation de l’atrophie, de l’hypométabolisme et des dépôts amyloïdes sur 18 mois dans la MA. Cette étude longitudinale a révélé que l’atrophie apparaitrait et se propagerait via la connectivité spécifique en évitant les régions hubs qui sont davantage vulnérables à l’hypométabolisme et aux dépôts amyloïdes. / Advances in neuroimaging techniques have allowed considerable improvement of the understanding and the prediction of the pathophysiological processes of Alzheimer’s disease (AD). Recent findings suggested a transneuronal spread hypothesis of neurodegeneration according to which neurodegenerative disease would target specific functional networks among which it would appear and spread. This thesis aimed at assessing this hypothesis in AD by studying the relationships between resting-state functional connectivity and structural, metabolic and molecular alterations. Firstly, we identified the functional, structural and metabolic alterations within the ventral and the dorsal posterior cingulate cortex (PCC) networks in Mild Cognitive Impairment (MCI) and AD. This transversal study suggested an early vulnerability (since the MCI stage) of the ventral network regarding atrophy and resting-state functional connectivity disruptions while hypometabolism concerned both ventral and dorsal networks in MCI and AD patients. Secondly, we assessed the relative influence of the specific connectivity (of the region the most disrupted) versus the global connectivity (of one region with the rest of the brain, especially high in hub regions) on the topography and the propagation of atrophy, hypometabolism and amyloid deposition over 18 months in AD. This longitudinal study revealed that atrophy would appear and propagate through the specific connectivity by avoiding hub regions which would be more vulnerable to the hypometabolism and amyloid deposition.

L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège. / The Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest experiment - GBAR - is designed to perform a direct measurement of the weak equivalence principle on antimatter by measuring the acceleration (gbar) of antihydrogen atoms in free fall. Its originality is to produce Hbar+ ions and use sympathetic cooling to achieve µK temperature. Hbar+ ions are produced by the reactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, and Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, where pbar is an antiproton, Ps stands for positronium (the bound-state of a positron and an electron), Hbar is the antihydrogen and Hbar+ the antiion associated. To produce enough Ps atoms, 2x10^10 positrons must be impinged on a porous SiO2 target within 100ns. Such an intense flux requires the accumulation (collection and cooling) of the positrons in a particle trap. This thesis describes the injector being commissioned at CEA Saclay for GBAR. It consists of a Penning-Malmberg trap (moved from RIKEN) fed by a slow positron beam. A 4.3MeV linear accelerator shooting electrons on a tungsten target produces the pulsed positron beam, which is moderated by a multi-grid tungsten moderator. The slow positron flux is 10^4 e+/pulse, or 2x10^6 e+/s at 200Hz. This work presents the first ever accumulation of low-energy positrons produced by an accelerator (rather than a radioactive source) and their cooling by a prepared reservoir of 2x10^10 cold electrons.

The objective of the thesis is concerned on the problem of detecting superpositional signals in a wireless channel. In many wireless systems, an observed signal is commonly represented as a linear combination of the transmitted signal with the interfering signals dispersed in space and time. These systems are generally known as the interference-limited systems. The mathematical model of these systems is generally referred as a superpositional model. A distinguished characteristic of signal transmission in a time-varying wireless channel is that the channel process is not known a priori. Reliable signal reception inherently requires exploiting the structure of the interfering signals under channel uncertainty. Our goal is to design computational efficient receivers for various interference-limited systems by using advanced statistical signal processing techniques. The thesis consists of four main parts. Firstly, we have proposed a novel Multi-Input Multi-Output (MIMO) signal detector, known as the neighbourhood exploring detector (NED). According to the maximum likelihood principle, the space time MIMO detection problem is equivalent to a NP-hard combinatorial optimization problem. The proposed detector is a sub-optimal maximum likelihood detector which eliminates exhaustive multidimensional searches. Secondly, we address the problem of signal synchronization for Global Positioning System (GPS) in a multipath environment. The problem of multipath mitigation constitutes a joint estimation of the unknown amplitudes, phases and time delays of the linearly combined signals. The complexity of the nonlinear joint estimation problem increases exponentially with the number of signals. We have proposed two robust GPS code acquisition systems with low complexities. Thirdly, we deal with the problem of multipath mitigation in the spatial domain. A GPS receiver integrated with the Inertial Navigation System (INS) and a multiple antenna array is considered. We have designed a software based GPS receiver which effectively estimates the directions of arrival and the time of arrival of the linearly combined signals. Finally, the problem of communications with unknown channel state information is investigated. Conventionally, the information theoretical communication problem and the channel estimation problem are decoupled. However the training sequence, which facilitates the estimation of the channel, reduces the throughput of the channel. We have analytically derived the optimal length of the training sequence which maximizes the mutual information in a block fading channel.