La formation et l'activité des objets compacts, tels que Trous Noirs ou étoiles à Neutrons, s'accompagne couramment d'éjection de matière ionisée sous forme de jets à la vitesse proche de celle de la lumière (vitesses relativistes). Se propageant dans le milieu environnant, par exemple Milieu Interstellaire, ces jets conduisent inéluctablement à la formation d'ondes de choc relativistes. Une forte turbulence magnétique et une population d'électrons accélérés sont requises afin de tenir compte de l'émission radiative non-thermique de ces chocs. L'approche naturelle de ce problème, décrivant de manière auto-consistante la structure du choc non-collisionnel, est celle de la physique cinétique des plasmas en régime relativiste. L'aspect essentiel de cette approche est l'étude du précurseur du choc, sous forme d'un faisceau de protons très énergétiques. Un ensemble d'instabilites plasma y prend lieu et dissipe l'energie du choc sous forme de micro-turbulence électromagnétique, électrons chauffés et particules accélérées. Ce cadre conceptuel emmène à reconsidérer le processus de transport de particules charges autour du choc. Deux études indépendantes, effectuées pendant la thèse, montrent que les lois de diffusion en aval et amont du choc se mettent sous une forme concise, en loi de puissance en fonction de l'énergie des particules et de l'intensité de la micro-turbulence magnétique. Les lois de diffusion, dérivées à l'aide des simulations Monte-Carlo et analytiquement, chiffrent l'énergie maximale des protons accélérés au choc à 10^15 eV, si le facteur de Lorentz du choc est très grand devant 1. Cette limite se situe loin de l'énergie maximale des Rayons Cosmique et rend les chocs relativistes comme accélérateurs de particules inefficaces aux énergies les plus extrêmes. Le rayonnement, issu de l'accélération des électrons, atteint plusieurs GeV et corrobore l'idée que les chocs externes des Sursauts Gamma peuvent émettre à de telles énergies. L'approche alternative de l'étude des chocs, simulations Particle-In-Cell, m'as permis d'étudier la formation, structuration et évolution des chocs modérément relativistes dans une géométrie spatiale 1D. L'auto-reformation du front d'un choc perpendiculaire, connue dans le régime non-relativiste, persiste dans le régime moyennement relativiste et exhibe un front de choc non-stationnaire. A magnétisation basse, les électrons sont préchauffés dans le pied du choc par l'instabilité de Buneman entre protons réfléchis et électrons incidents, mais leur température en aval du choc reste plus faible que celle des protons. A magnétisation croissante, l'instabilité Maser Synchrotron devient essentielle dans la structuration du front de choc, avec émission d'un fort précurseur électromagnétique a partir du front de choc. Dans ce cas les électrons se mettent en équipartition avec les protons. Ces simulations 1D ne montrent pas d'évidence d'accélération des particules et des simulations 2D (3D) sont nécessaires. / The formation and activity of compact objects such as Black Holes and Neutron Stars results in the ejection of ionized matter in the form of jets with velocities close to $c$ (relativistic). The interaction of such powerful jets with the external medium forms shocks, eventually relativistic.A strong self-g???enerated magnetic micto-turbulence and a population of accelerated electron are required to explain the observed non-thermal radiation of these shocks. A natural approach to the study of the structure of a non-collisionnal shock involves kinetic treatement of plasma processes in the relativistic limit. This approach is adopted in the present thesis.Consequently, charged particle transport laws need to be studied carefully taking to acount self-consistent magnetic micro-turbulence at the shock. Two different studies of particle transport at each side of the shock (downstream and upstream) show that the diffusion laws take a concise form as a power law in energy ($D \propto E^2$) and the micro-turbulence strength. Both Monte-Carlo simulations and analytic studies are in agreement and, if the shock Lorentz factor is much greater than 1, it is found that the maximum energy of accelerated protons is $10^{15}$eV. A physical mechanism is also provided to explain how electrons attain the equipartition with protons at the shock. Finally, the radiation from accelerated electrons at the shock can reach several GeV in a synchrotron-like spectrum.In the second part of the thesis, I used 1D3V PIC simulations to study mildly relativistic shocks structure and their time evolution. The prependicular shock front self-reformation, well-known in non-relativistic limit, persists at mildly relativistic speeds. At low magnetization ($\sigma \ll 10^{-2}$), electrons are pre-heated in the shock precursor by the Buneman instability between reflected ions and incident electrons. At higher magnetizations ions form a coherent cyclotron loop at the front and the Maser Synchrotron Instability is essential for the shock structure by emitting a strong electromagnetic precursor, responsible for electrons heating up to equipartition with protons. No particle acceleration is seen in these 1D3V simulations.

Cette thèse propose une méthodologie de pilotage d'organisations complexes, ens'intéressant à de nouvelles méthodes de planification collaborative et d'optimisation d'interventions en environnements soumis à des rayonnements ionisants. En nous basant sur l'étude d'installations scientifiques et technologiques complexes tels que celles du CERN à Genève (Suisse) et de la GSI à Darmstadt (Allemagne), nous y analysons les besoins et contraintes de planification imposés par les environnements à risques en général, et par lesrayonnements ionisants en particulier. Les implications liées à la collaboration sont ensuite détaillées, et un modèle ontologique d'intervention est proposé afin de sélectionner les méthodes les plus adaptées au problème étudié. La méthode proposée dans cette thèse repose sur des techniques éprouvées en planification de projets ainsi qu'en conception de produits comme la Design Structure Matrix (DSM). Elle introduit en revanche dans ces domaines des méthodes habituellement rencontrées en intelligence artificielle : les algèbres temporelles qualitatives et la propagation des contraintes temporelles, ainsi que la recherche de compromis en cas de conflit. Cette « DSM Collaborative » a été implémentée dans une application prototype testée sur des cas pratiques au CERN et à la GSI, dont le premier est décrit dans l'ultime chapitre de cette thèse. C'est une approche qui place la ressource(essentiellement humaine) et les contraintes temporelles au coeur du processus de planification. Elle met l'accent sur la collaboration entre les différents participants, ainsi que sur la simulation et la comparaison multicritère de multiples scenarii plutôt que sur la recherche d'un unique optimum souvent irréalisable sur le plan pratique. / This work proposes a methodology to handle complexity in organizations byfocusing on innovative and collaborative planning and scheduling methods dedicated to the optimization of interventions in environments emitting ionizing radiations. By taking as work environment highly complex and technological scientific facilities such as the ones of CERN in Geneva (Switzerland) and GSI in Darmstadt (Germany), we analyze the needs and requirements induced in intervention planning and scheduling by hazardous environments in general, and then more specifically by ionizing radiations. The implications of collaborative work are then scrutinized, and an ontological model for interventions is designed in order to select the methods best suited to our problem. The framework we present in this work relies on methods sucessfully used in project planning and scheduling and innovative product design like the Design Structure Matrix (DSM). It also introduces in these fields methods borrowed to artificial intelligence planning and scheduling such as the temporal qualitative algebras, constraint propagation, and the search of compromises in case of conflicts. This so called “Collaborative DSM” has been implemented in a prototype software application tested at CERN and GSI on practical applications. The very first one and its results are presented in the final chapter of this thesis. This framework aims at placing resources (mostly human resources) and temporal constraints at the heart of the planning and scheduling process. It focuses on collaboration between the different actors involved, from coordinators to technicians, and on simulation and multiple-criteria comparison of several scenarios, rather than searching for a unique optimum, which often tends to be non-practical, should one even be found.

La curiethérapie électronique, également appelée radiothérapie de contact, est une technique de traitement du cancer utilisant des rayons X de faible énergie (≤ 50 keV) générés par des tubes à rayons X miniaturisés et positionnés au contact des tissus à irradier. La miniaturisation des générateurs à rayons X a conduit au développement de nouveaux systèmes de traitement, dont le plus répandu dans le monde et le seul utilisé en France est le système INTRABEAM® commercialisé par la société Zeiss. Au-delà du bénéfice médical, les avantages potentiels de la curiethérapie électronique sont une diminution drastique de l'inconfort du patient combinée à un moindre coût de traitement. Ainsi, dans le cadre du cancer du sein qui correspond à l’application principale de l’INTRABEAM, cette technique remplace la trentaine de séances de radiothérapie externe classiquement prescrite suite à l’exérèse du volume tumoral par une seule et unique séance délivrée en 20 à 50 minutes au bloc opératoire directement après l’acte chirurgical alors que la patiente est encore sous anesthésie. Cette radiothérapie peropératoire (RTPO) associe au mini générateur de rayons X des applicateurs qui, en sénologie, correspondent à des sphères de différents diamètres conçues pour épouser au mieux la cavité tumorale résultant de l’exérèse. La dose délivrée en RTPO est classiquement de l'ordre de 20 Gy en surface du lit tumoral et diminue rapidement avec la profondeur afin de préserver les tissus sains voisins (< 1 Gy après quelques cm). En France, le 1er traitement par RTPO a eu lieu à Nantes fin 2011. Aujourd’hui, une dizaine de centres hospitaliers français propose des traitements par RTPO au moyen de la technique INTRABEAM®. Très rapidement, plusieurs physiciens médicaux ont exprimé au laboratoire français de métrologie de la dose (LNHB), leur besoin de raccordement dosimétrique à une référence indépendante du constructeur. Ce besoin a été réaffirmé par la Haute Autorité de Santé (HAS) dans un rapport sur l’évaluation de la RTPO dans le cancer du sein, édité en avril 2016. Le présent travail vise à renforcer la sécurité d’emploi d’appareils de RTPO par rayons X de basse énergie (< 50 keV). Cependant, afin de répondre aux physiciens médicaux français et du fait de contraintes temporelles, l’étude est ici limitée au système INTRABEAM associé au seul applicateur sphérique de 4 cm de diamètre. Le travail a été articulé autour de trois axes. Le premier a concerné l’établissement et le transfert d’une référence primaire en termes de dose absorbée dans l’eau à 1 cm de profondeur. La méthodologie a été développée et ensuite appliquée pour le système INTRABEAM® associé à un applicateur sphérique de 4 cm, pour lequel, la référence primaire a été réalisée. Le deuxième axe a eu pour objet la détermination de la distribution spatiale de dose autour de la source considérée par l’utilisation de gels dosimétriques et par calcul de type Monte Carlo. L’hydrogel à base de Fricke, utilisé ici, est lu par imagerie par résonance magnétique à l’hôpital d’Orsay. Ce gel a été étalonné en dose pour des photons d’énergie inférieure à 50 keV puis utilisé pour déterminer les profils de doses autour de la source INTRABEAM® associée à l’applicateur sphérique de 4 cm de diamètre dans les plans axial et transverse incluant le centre de la source INTRABEAM®. Quant au dernier axe, il s’est agi de confronter des données dosimétriques fournies par la société Zeiss, concernant l’INTRABEAM® en utilisation à l’hôpital St-Louis à Paris, à celles obtenues au cours de la présente étude pour le même système. Des différences significatives ont été trouvées entre les doses délivrées par Zeiss et celles obtenues dans la présente étude. Une étude indépendante menée par le PTB pour une autre configuration de source INTRABEAM® a conduit à des observations comparables. L’approche adoptée par Zeiss a ainsi été investiguée dans le présent travail et une cause de divergence a été proposée. / Electronic Brachytherapy (eBT), also called contact radiotherapy, is a cancer treatment technique using low energy X-Rays (≤ 50 keV) generated by X-Ray tubes which are placed in close contact with the treated lesions. The latest evolutions of miniaturized X-Ray tubes led to the development of new treatment systems, such as the INTRABEAM® system of the ZEISS Company which is the most available eBT system and the only one currently used in France. Beside its medical benefit, the potential major advantages of treatment by eBT are the drastic decrease in patient discomfort and treatment cost. In the case of breast cancer treatment with such technique, the treatment is given in a single session that lasts 20 to 50 minutes where a high dose, in the order of 20 Gy, is delivered to the tumor bed surface in contact with spherical applicators associated to the X-Ray source. The delivered dose decreases rapidly with depth (< 1 Gy after a few centimeters) enabling to preserve neighboring healthy tissues. In France, the first IORT treatment performed was in Nantes in 2011. Today, ten medical centers offer IORT treatment using the INTRABEAM® system. Consequently, several medical physicists addressed to the French national metrology laboratory for ionizing radiation (LNHB) their need for a dosimetric traceability with a reference independent from the manufacturer. This need was reaffirmed by the French Authority for Health (HAS), in their report on the evaluation of the IORT for breast cancer treatment published in April 2016. This thesis work is a contribution to the metrological work initiated by LNHB for enhancing the safety of employing IORT by eBT systems. It was limited, within the thesis period, to the INTRABEAM® system associated with a 4 cm diameter spherical applicator. The thesis work was oriented towards three main objectives. The first one concerned the establishment and the transfer of a primary dosimetric standard, in terms of absorbed dose to water at 1 cm depth in water. The methodology was developed and applied on the INTRABEAM® system with 4 cm spherical applicator, for which, the dosimetric reference was established. The second objective was to use a dosimetric gel and the Monte Carlo method to assess the 3D spatial distribution of the relative absorbed dose delivered by such a system. The dosimetric gel system used was a Fricke-based hydrogel read by Magnetic Resonance Imaging at Service Hospitalier Frédéric Joliot in Orsay (SHFJ). The gel reading was calibrated, in terms of absorbed dose for low energy X-Rays (< 50 keV), and then used to define the relative dose distributions of the INTRABEAM® X-Ray source associated with the 4 cm spherical applicator in the axial and transverse planes of the X-Ray source probe tip. The last objective was to compare the dosimetric data delivered by Zeiss, for the INTRABEAM® system used at St. Louis hospital in Paris, by the ones obtained in the current study for the same system. Significant discrepancies were found from this comparison between the doses delivered by Zeiss and those obtained in the current study. Discrepancies were also observed in a separate work conducted by the PTB under a different INTRABEAM® configuration. Some reasons of these discrepancies are outlined and discussed in this study.

Les cassures double-brin de l’ADN (CDB) sont des événements clés dans la réponse aux rayonnements ionisants qui, avec le profil génétique et épigénétique individuel, peuvent conditionner le devenir des tissus sains d’un individu exposé. À la suite des cassures de la molécule d’ADN et de la déstabilisation de la chromatine, une série de modifications post-traductionnelles des histones se produit, notamment la phosphorylation de la serine 139 de l'histone H2A.X (gamma-H2A.X), conduisant à la formation de foyers radio-induits. La réparation des CDB, et donc la disparition de ces foyers, a lieu dans les heures suivant l’exposition. Toutefois, une certaine proportion de ces foyers gamma-H2A.X persiste 24 heures après l’irradiation. La nature et le rôle de ces foyers persistants sont encore peu clairs. L’objectif de ce travail est d'explorer les caractéristiques de ces foyers persistants et leurs conséquences sur le devenir des cellules. Pour étudier la dynamique des foyers radio-induits, nous avons exposé des HUVEC synchronisées en phase G0/G1 à des doses de 1 et 5 Gy de rayons X. Les foyers radio-induits ont été étudiés à partir de 10 minutes et jusqu'à 7 jours après l'exposition par l’analyse de gamma-H2A.X et de l’association temporelle de la protéine 53BP1 et des CN-PML (corps nucléaires PML). L’impact des foyers persistants sur la prolifération cellulaire a également été exploré. Nous avons analysé en microscopie à fluorescence une moyenne de 4 000 cellules pour chaque condition à l'aide d'une analyse d’image permettant la détection automatique des noyaux et des foyers. L'analyse d'un grand nombre d‘évènements nous a permis de discriminer des sous-populations de cellules ou de foyers sur la base de différentes caractéristiques, telles que leur aire ou la phase du cycle cellulaire, et de mesurer leur représentativité dans l'ensemble de la population de cellules exposées. Ainsi, nous avons déterminé que les foyers gamma-H2A.X persistant ont une aire supérieure à 0,72 ± 0,11 µm² et qu’ils sont toujours colocalisés avec 53BP1. Plus de 70% des cellules exposées à 5 Gy ont au moins un foyer persistant 24 heures après l'exposition. De plus, ces foyers persistants sont observables au moins jusqu'à 7 jours après l’irradiation. Une association spatiale significative entre les CN-PML et les foyers gamma-H2A.X a été observée à partir de 10 minutes après l'exposition et 24 heures après l’exposition, environ 90% des foyers persistants sont associés à un CN-PML. De plus, la présence de foyers persistants ne bloque pas définitivement la prolifération des cellules. Cependant, la fréquence des foyers persistants est plus faible dans les cellules filles que dans les cellules irradiées, probablement en raison d'une certaine proportion de distribution asymétrique des foyers persistants entre les cellules filles. Nous avons également mesuré une corrélation positive entre la présence d'un foyer persistant et la probabilité de mauvaise ségrégation de l'ADN par l'observation de phénomènes de catastrophes mitotiques. Il semble donc que la structure formée après le passage d'un foyer persistant à travers les phases S et G2 soit susceptible d’empêcher la séparation correcte des chromatides sœurs du chromosome affecté. Nous suggérons donc que la nature des foyers persistants n’est pas la même avant et après la première division cellulaire due à une résolution anormale de l'anaphase. Ces assemblages chromosomiques atypiques résultants d’anaphases anormales pourraient être létaux pour la cellule ou entraîner un déséquilibre du dosage génique et une instabilité génomique accrue pouvant conduire à une mosaïque de phénotypes cellulaires. / The DNA double-stranded breaks (DSB) are key events in the cell response to ionizing radiation that may affect, with the individual genetic and epigenetic profile, the fate of healthy tissues of people exposed. Following initial breaks and chromatin destabilization, a set of post-translational modifications of histones occurs, including the phosphorylation of serine 139 of histone H2AX (gamma-H2A.X), which leads to the formation of ionizing radiation-induced foci (IRIF). DSB repair results in the disappearance of most IRIF within hours after exposure. However, a proportion of IRIF remains 24 hours upon irradiation. The nature and role of these persistent IRIF are still unclear. The goal of this work is to explore the characteristics of these persistent IRIF and their consequences on the cell behavior. To investigate the dynamic of IRIF in our model, we exposed G0/G1-phase synchronized HUVECs to 1 or 5 Gy of X-rays. IRIF were studied from 10 minutes up to 7 days after exposure by monitoring gamma-H2A.X foci, their temporal association with 53BP1 protein and PML NBs (Promyelocytic leukemia nuclear bodies), and their impact on cell proliferation. We analyzed a mean of 4 000 cells for each condition using an automated detection of nuclei and foci. The analysis of a large number of cells and foci allowed us to screen subpopulations of cells or foci through different characteristics, such as size, shape or cell cycle phase among others, and to weight their representativeness in the whole population of exposed cells. We identified that persistent gamma-H2A.X foci after irradiation had a size superior to 0.72 ± 0.11 µm² and always collocated with 53BP1. More than 70% of cells exposed to 5 Gy had at least one persistent IRIF 24 hours after exposure and we observed these persistent IRIF up to 7 days post irradiation. A significant spatial association between PML NBs and IRIF was observed from 10 minutes after exposure; at 24h post irradiation, around 90% of persistent IRIF were associated with PML NBs. Moreover we demonstrated that persistent IRIF did not block cell proliferation definitively. The frequency of IRIF was lower in daughter cells, probably due to a certain amount of asymmetric distribution of IRIF between them. We report a positive association between the presence of an IRIF and the likelihood of DNA missegregation by observation of mitotic catastrophes. Hence, the structure formed after the passage of a persistent IRIF across the S and G2 phases may impede the correct segregation of sister chromatids of the chromosome affected. Consequently, the nature of IRIF in the nucleus of daughter cells might differ before and after the first cell division due to an abnormal resolution of anaphase. The resulting atypical chromosomal assembly may be lethal or result in a gene dosage imbalance and possible enhanced genomic instability, and could lead to a patchwork of cell phenotypes.

Lors d’un examen ou radiologique, des rayonnements X de basse énergie sont utilisés (<100 keV). Pour certains traitements radiologiques, l’énergie utilisée est de plusieurs MeV. La publication 103 de la CIPR considère actuellement que les photons, indépendamment de leur énergie, ont le même facteur de pondération. Cependant, il existe des différences topologiques à l'échelle nanométrique du dépôt d'énergie des rayonnements X en fonction de leur spectre énergétique. En effet, à mesure que l’énergie des photons décroit, la nature de leurs interactions avec la matière vivante se modifie. Pour étudier ces différences, nous avons caractérisé nos conditions d'irradiation en termes d'énergies initiales des photons, mais surtout en termes de spectres d'énergie des électrons secondaires au niveau du volume cellulaire, en utilisant des simulations de Monte Carlo. Nous nous sommes intéressés à la signalisation des dommages de l'ADN en analysant un grand nombre de foyers γH2A.X après exposition de cellules endothéliales humaines synchronisées en phase G0/G1 à des doses allant de 0,25 à 5 Gy à 40 kV, 220 kV et 4 MV. Le nombre et la distribution spatiale des foyers γH2A.X ont été explorés. Aussi, nous avons étudié la fréquence de division et de mort cellulaire. Nous avons également étudié le taux d’anomalies de ségrégation après la division cellulaire. Nous avons mis en évidence un nombre plus élevé de cassures double-brin de l'ADN signalisées par γH2A.X pour 40 kVp et/ou 220 kVp, comparé à 4 MVp pour les plus fortes doses testées de 2 et 5 Gy. Entre 40 et 220 kVp, aucune différence biologique n’a été observée. Ce manque de différence pourrait s’expliquer par la grande similarité des spectres énergétiques des électrons secondaires, au niveau du volume cellulaire.Le spectre d'énergie des électrons secondaires semble être plus étroitement lié au niveau de dommage à l'ADN mesuré par γH2A.X que le spectre initial des paramètres d'énergie ou de tension des photons. Nos résultats indiquent qu'à mesure que le spectre d'énergie des électrons secondaires augmente, les dommages à l'ADN signalés par γH2A.X diminuent et cet effet est observable au-delà de 220 kVp. / In a radiological examination, low-energy X-radiation is used (<100 keV). For other radiological procedures, the energy used is several MeV. ICRP in publication 103 has currently considered that photons irrespective of their energy have the same radiation weighting factor. Nevertheless, there are topological differences at the nanoscale of X-ray energy deposition as a function of its energy spectrum, meaning that the different interactions with living matter could vary in biological efficacy. To study these differences, we characterized our irradiation conditions in terms of initial photon energies, but especially in terms of energy spectra of secondary electrons at the cell nucleus level, using Monte Carlo simulations. We evaluated signaling of DNA damage by monitoring a large number of γH2A.X foci after exposure of G0/G1-phase synchronized human primary endothelial cells at a dose from 0.25 to 5 Gy at 40 kV, 220 kV and 4 MV X-rays. Number and spatial distribution of γH2A.X foci were explored. In parallel, we investigated cell behavior through cell death and ability of a mother cell to produce two daughter cells. We also studied the missegregation rate after cell division. We report a higher number of DNA double-strand breaks signaled by γH2A.X for 40 kVp and/or 220 kVp compared to 4 MVp for the highest tested doses of 2 and 5 Gy. We observed no difference between the biological endpoint studies with 40 kVp and 220 kVp X-ray spectra. This lack of difference could be explained by the relative similarity of the calculated energy spectra of secondary electrons at the cell monolayer. The energy spectrum of secondary electrons seems to be more closely related to the level of DNA damage measured by γH2A.X than the initial spectrum of photon energy or voltage settings. Our results indicate that as the energy spectrum of secondary electrons increases, the DNA damage signaled by γH2A.X decreases and this effect is observable beyond 220 kVp.

Le LHC entrera dans sa phase à haute luminosité vers 2027 et pour profiter de l’augmentation importante du taux de collisions, ATLAS, et plus particulièrement son trajectographe doivent être améliorés en terme de résistance aux radiations et traitement de données à un taux accru. Grace au nouveau design du trajectographe at à l’amélioration d’algorithmes d’étiquetage des saveurs de jets, l’identification de jets issus de la désintégration de B hadrons sera facilitée et des canaux de physique possédant des quarks b dans leurs états finaux seront plus facilement accessible, parmi lesquels le couplage trilinéaire du boson de Higgs. La résistance aux raditions des capteurs à pixels en silicium joue un rôle primordial dans leur utilisation auprès des experience LHC. La quantification de l’impact des rayonnements sur les capteurs silicium est un enjeu crucial : un outil de digitisation des dommages des rayonnements a été développé pour modéliser l’impact des radiations dans les simulations Monte Carlo d’ATLAS. Le test de capteurs à pixels planaires, développés par le LPNHE et la fonderie FBK, constitue la partie principale de cette thèse. Les trois productions de capteurs testées possèdent plusieurs designs technologiques. Pour maximiser l’acceptance géométrique du détecteur, des capteurs à bord mince ont été développés. Deux options de polarisation durant les phases de test ont ausssi été étudiée. Les capteurs ont été testés à plusieurs phases d’irradiation. L’optimisation d’algorithme de b-tagging basé sur la reconstruction de vertex secondaire sera aussi présentée, ainsi qu’une étude concernant les performances du b-tagging à haut pT . / By 2027, the LHC will enter its high luminosity regime, providing protons protons collisions at an unprecedented rate. The LHC experiments whill have to be upgraded to cope with this higher data rate. The new ATLAS Inner Tracker (ITk) will allow a better identification of b-quarks and interesting physics signature with b-quarks in the final states such as the Higgs trilinear coupling will be reachable. The work performed during this thesis consisted in testing planar pixel sensors for the ITk, as well as optimizing b-tagging algorithms. In parallel, a study on the radiation damage on silicon pixel sensors have been performed. The radiation hardness of silicon sensors plays a determinant role as it allows them to be efficient in the highly radiative environment at LHC. Understanding the impact of radiation in silicon sensors is a major challenge and a radiation damage digitizer which models radiation damage effects in ATLAS Monte Carlo simulations is currently developed by the ATLAS experiment. Three ITk silicon planar pixel sensors productions of LPNHE and FBK have been developed, produced and tested on beam. Sensors from these three productions aim to be part of the ITk and have to demonstrate good performance after being irradiated at high fluences. Several technological designs have been investigated, such as temporary metal biasing option and active edges which maximize the geometrical acceptance of the sensors. The optimization of b-tagging SV1 algorithm (a secondary-vertex based algorithm) will be pre- sented as well as a study on the extrapolation of b-tagging performances at high pT.

Les activités nucléaires génèrent des déchets radioactifs classés selon leur niveau d’activité et la durée de vie des radioéléments présents. La garantie d’un classement et d’une gestion optimale nécessite une caractérisation précise. Les déchets de moyenne et haute activité, contenant des radioéléments à vie très longue, seront stockés en profondeur pendant plusieurs centaines de milliers d’années, à l’issue desquelles il est nécessaire de pouvoir garantir l’absence de risques pour l’homme et l’environnement, non seulement sur le plan radiologique, mais aussi en ce qui concerne des éléments stables, toxiques du point de vue chimique. Cette thèse concerne la caractérisation par activation neutronique de ces éléments toxiques, ainsi que celle des matières nucléaires présentes dans les colis. Elle a été réalisée dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire de Mesures Nucléaires du CEA Cadarache, en France, et l’institut de Gestion des Déchets Radioactifs et de Sûreté des Réacteurs du centre de recherche FZJ (Forschungszentrum Jülich), en Allemagne. La première étude a consisté à valider le modèle numérique de la cellule d’activation neutronique MEDINA (FZJ) avec le code de transport Monte Carlo MCNP. Les rayonnements gamma prompts de capture radiative d’échantillons contenant des éléments d’intérêt (béryllium, aluminium, chlore, cuivre, sélénium, strontium et tantale) ont été mesurés et comparés aux simulations avec diverses bases de données nucléaires, permettant d’aboutir à un accord satisfaisant et validant le schéma de calcul en vue des études suivantes. Ensuite, la mesure des rayonnements gamma retardés de fissions induites sur les isotopes 235U et 239Pu a été étudiée pour des fûts de 225 L contenant des enrobés bitumineux ou une matrice béton, représentatifs de déchets produits en France et en Allemagne. Les rendements d’émission des rayonnements gamma retardés de fission d’intérêt, cohérents avec ceux publiés dans la littérature, ont été déterminés à partir des mesures d’échantillons métalliques d’uranium et de plutonium dans la cellule d’activation neutronique REGAIN du LMN. Le signal utile a ensuite été extrapolé par simulation MCNP pour une répartition homogène d’isotopes 239Pu ou 235U dans les matrices considérées, en utilisant le modèle numérique de MEDINA. Des signaux faibles, de l’ordre de 100 coups par gramme d’isotope 239Pu ou 235U, ont été obtenus. Pour le colis d’enrobés bitumineux, le niveau d’irradiation gamma très élevé, dû à une activité en 137Cs de l’ordre de 1 TBq par fût, nécessiterait l’utilisation d’une collimation et/ou d’écrans pour éviter la saturation de l’électronique de mesure, rendant indétectables les rayonnements gamma retardés de fission. Les colis de déchets bétonnés produits en Allemagne présentant un niveau d’activité plus faible, il a été possible d’estimer des limites de détection allant de 10 à 290 g d’isotope fissile 235U ou 239Pu, selon la raie gamma considérée, suite à la mesure du bruit de fond actif dans MEDINA avec une matrice béton maquette. Afin d’améliorer ces performances, le blindage du détecteur germanium de MEDINA a été optimisé à l’aide de simulations MCNP, montrant la possibilité de réduire les bruits de fond gamma et neutron d’un facteur 4 et 5, respectivement. La validation expérimentale de l’efficacité du blindage a été effectuée à partir de configuration simples à implémenter dans MEDINA, confirmant les facteurs de réduction attendus. Un blindage du détecteur optimal permettrait d’améliorer les limites de détection et aussi d’utiliser une source de neutrons d’intensité supérieure, comme un générateur de neutron à haut flux ou un accélérateur linéaire d’électrons avec une cible de conversion appropriée. / Nuclear activities produce radioactive wastes classified following their radioactive level and decay time. An accurate characterization is necessary for efficient classification and management. Medium and high level wastes containing long lived radioactive isotopes will be stored in deep geological storage for hundreds of thousands years. At the end of this period, it is essential to ensure that the wastes do not represent any risk for humans and environment, not only from radioactive point of view, but also from stable toxic chemicals. This PhD thesis concerns the characterization of toxic chemicals and nuclear material in radioactive waste, by using neutron activation analysis, in the frame of collaboration between the Nuclear Measurement Laboratory of CEA Cadarache, France, and the Institute of Nuclear Waste Management and Reactor Safety of the research center, FZJ (Forschungszentrum Jülich GmbH), Germany. The first study is about the validation of the numerical model of the neutron activation cell MEDINA (FZJ), using MCNP Monte Carlo transport code. Simulations and measurements of prompt capture gamma rays from small samples measured in MEDINA have been compared for a number of elements of interest (beryllium, aluminum, chlorine, copper, selenium, strontium, and tantalum). The comparison was performed using different nuclear databases, resulting in satisfactory agreement and validating simulation in view of following studies. Then, the feasibility of fission delayed gamma-ray measurements of 239Pu and 235U in 225 L waste drums has been studied, considering bituminized or concrete matrixes representative of wastes produced in France and Germany. The delayed gamma emission yields were first determined from uranium and plutonium metallic samples measurements in REGAIN, the neutron activation cell of LMN, showing satisfactory consistency with published data. The useful delayed gamma signals of 239Pu and 235U, homogeneously distributed in the 225 L matrixes, were then determined by MCNP simulations using MEDINA numerical model. Weak signals of about one hundred counts per gram of 239Pu or 235U after 7200 s irradiation were obtained. Because of the high gamma emission in the bituminized waste produced in France (about 1 TBq of 137Cs per drum), the use of collimator and/or shielding is mandatory to avoid electronic saturation, making fission delayed gamma rays undetectable. However, German concrete drums being of lower activity, their corresponding active background was measured in MEDINA with a concrete mock-up, leading to detection limits between 10 and 290 g of 235U or239Pu, depending on the delayed gamma line. In order to improve these performances, the shielding of MEDINA germanium detector was optimized using MCNP calculations, resulting in gamma and neutron background reduction factors of 4 and 5, respectively. The experimental validation of the shielding efficiency was performed by implementing easy-to-build configurations in MEDINA, which confirmed the expected background reduction factors predicted by MCNP. Thanks to an optimized detector shielding, it will also be possible to use a higher neutron emission source, like a high flux neutron generator or an electron LINAC with appropriate conversion targets, in view to further reduce detection limits.

Les capteurs monolithiques actifs à pixels (Monolithic Active Pixel Sensors, MAPS) sont de bons candidats pour être utilisés dans des expériences en Physique des Hautes Énergies (PHE) pour la détection des particules chargées. Dans les applications en PHE, des puces MAPS sont placées dans le voisinage immédiat du point d’interaction et sont directement exposées au rayonnement intense de leur environnement. Dans cette thèse, nous avons étudié et amélioré la résistance aux radiations des MAPS. Les effets principaux de l’irradiation et le progrès de la recherche sur les MAPS sont étudiés tout d'abord. Nous avons constaté que les cœurs des SRAM IP incorporées dans la puce MAPS limitent sensiblement la tolérance aux radiations de la puce MAPS entière. Aussi, pour améliorer la radiorésistance des MAPS, trois mémoires radiorésistantes sont conçues et évaluées pour les expériences en PHE. Pour remplacer les cœurs des IP SRAM, une SRAM radiorésistante est développée sur une petite surface. Pour les procédés de plus petit taille de grille des transistors, dans lequel les effets SEU (Single Event Upset) deviennent significatifs, une SRAM radiorésistante avec une tolérance SEU accrue est réalisée à l’aide d’un algorithme de détection et de correction d'erreurs (Error Detection And Correction, EDAC) et un stockage entrelacé des bits. Afin d'obtenir une tolérance aux rayonnements et une densité de micro-circuits plus élevées, une mémoire à double accès avec une cellule à 2 transistors originale est développée et évaluée pour des puces MAPS futures. Enfin, la radiorésistance des puces MAPS avec des nouveaux procédés disponibles est étudiée, et les travaux futurs sont proposés. / Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are good candidates to be used in High Energy Physics (HEP) experiments for charged particle detection. In the HEP applications, MAPS chips are placed very close to the interaction point and are directly exposed to harsh environmental radiation. This thesis focuses on the study and improvement of the MAPS radiation hardness. The main radiation effects and the research progress of MAPS are studied firstly. During the study, the SRAM IP cores built in MAPS are found limiting the radiation hardness of the whole MAPS chips. Consequently, in order to improve the radiation hardness of MAPS, three radiation hard memories are designed and evaluated for the HEP experiments. In order to replace the SRAM IP cores, a radiation hard SRAM is developed on a very limited area. For smaller feature size processes, in which the single event upset (SEU) effects get significant, a radiation hard SRAM with enhanced SEU tolerance is implemented by an error detection and correction algorithm and a bit-interleaving storage. In order to obtain higher radiation tolerance and higher circuitry density, a dual-port memory with an original 2-transistor cell is developed and evaluated for future MAPS chips. Finally, the radiation hardness of the MAPS chips using new available processes is studied, and the future works are prospected.

Résumé : Il est généralement admis que les cassures double-brin (CDB) de l’ADN sont parmi les lésions les plus toxiques induites par les radiations ionisantes (RI). Les CDBs non ou mal réparées peuvent conduire à une instabilité génomique et à la mort cellulaire. La chimioradiothérapie concomitante est l’une des modalités la plus efficace pour le traitement de certains cancers surtout en stade avancé. Le rendement des CDBs a augmenté quand l’ADN a été irradié en présence de cisplatine avec des électrons de basse énergie (EBEs). Notre étude a pour objectif de réévaluer la contribution des CDBs et d’autres lésions induites par les RI dans la létalité cellulaire. L'effet des RI sur la fonctionnalité de l’ADN plasmidique modifié ou non de façon covalente par le cisplatine a été étudié par mesure de l'efficacité de transformation du plasmide dans E. coli. Les complexes cisplatine-ADN ont été préparés de telle sorte qu’il y avait en moyenne deux adduits de cisplatine par plasmide tel que mesuré par ICP-MS. Nos échantillons ont été irradiés en solution avec des doses croissantes de rayonnements gamma (137Cs). La présence de cisplatine a augmenté la formation des CDBs par un facteur de 2.6 par comparaison avec l'ADN non modifié. Malgré cette augmentation, le rendement des CDBs reste très faible et ne peut pas expliquer la perte de fonctionnalité observée. Alors que, les dommages multiples localisés (LMDS) (non-DSB cluster damage) donnant naissance à des CDBs sous l’action des enzymes de réparation la formamidopyrimidine [fapy]-DNA glycosylase (Fpg) et l’endonuclease III (Nth) où leur rendement a été augmenté d’un facteur de 2.1 lorsque l’ADN a été irradié en présence de cisplatine, ont pu expliquer la perte de fonctionnalité observée. Ces résultats suggèrent que le cisplatine peut agir, non seulement comme un agent chimiothérapeutique, mais aussi comme un radiosensibilisateur efficace par addition d’autres lésions à l’ADN. Aussi, pour la première fois nous avons pu évaluer l’effet des EBEs sur la létalité cellulaire. Des films d'ADN ont été préparés en utilisant la méthode d’adsorption douce sur un substrat de graphite pyrolytique, en présence de 1,3- diaminopropane (Dap[indice supérieur]2+) et ont été irradiées avec des EBEs 10 eV. Nous avons pu conclure, qu’en plus des CSBs, CDBs et des dommages de base, les EBEs sont capables aussi d’induire des LMDS (non-DSB cluster damage) et induire la perte de fonctionnalité de l’ADN. Le rendement des CDBs est très faible d’où ils n’ont pas pu expliquer la perte de fonctionnalité de plasmide observée, après irradiation avec les EBEs. Le rendement très faible des LMDS (non-DSB cluster damage) ne peut pas expliquer la perte de fonctionnalité de l’ADN. Il semble que les EBEs sont capables d’induire des dommages très proches les uns des autres et qui ne peuvent pas être révélés par les enzymes de réparation Fpg et Nth. Plus les dommages sont proches les uns des autres, plus leur réparation est difficile, car une de ces lésions peut inhiber la réparation de l’autre la plus proche. // Abstract : It is generally accepted that DNA double-strand breaks (DSB) are among the most toxic lesions induced by ionizing radiation (IR). Unrepaired or misrepaired DSB can lead to genomic instability and cell death. It is known that concomitant chemoradiation therapy is one of the most preferred methods for the treatment of certain cancers especially in advanced stage. The yield of DSBs was increased when DNA was irradiated with low energy electron (LEEs). The aims of our study was to reassess the contribution of DSBs and other lesions induced by indirect and direct effect of IR in cell lethality. The effect of IR on the DNA functionality of the plasmid modified covalently with cisplatin was studied by measuring the transformation efficiency of the plasmid in E. coli. Cisplatin-DNA complexes were prepared such that there was an average of two cisplatin adducts per plasmid as measured by ICP-MS. Aqueous solutions of the samples were irradiated with 137Cs [gamma]-rays at various doses. Gel electrophoresis analysis shows that cisplatin enhances, by a factor of 2.6, the formation of DSB by [gamma]-rays relative to those in unmodified DNA. Despite this increase, the yield of DSBs is very low and cannot explain the loss of functionality observed after transformation with plasmids modified with cisplatin. While locally multiple damaged sites (LMDS) revealed by repair enzymes Fpg (Formamidopyrimidine [fapy]-DNA glycosylase) and Nth (Endonuclease III) as DSB (nonDSB cluster damage), where their yield was increased by a factor of 2.1 when DNA was irradiated in the presence of cisplatin were able to explain the observed loss of DNA functionality. These results suggest that cisplatin may act not only as a chemotherapeutic agent, but also as an effective radiosensitizer by addition of other DNA lesions. For the first time, we could also evaluate the effect of low energy electrons (LEEs) on DNA functionality. Highly ordered DNA films were prepared on pyrolytic graphite by molecular self-assembly using 1,3-diaminopropane ions (Dap[superscript]2+) to bind together the plasmids and irradiated with LEE (10 eV). We concluded that in addition to CSBs, DSBs and base damage, LEEs induced the formation of non-DSB cluster damage and also induced the loss of DNA functionality under LEE irradiation. The yields of DSBs and of non-DSB cluster damage are too low and so one unable to explain the loss of DNA functionality. It seems that LEEs are able to induce a high complex damage that cannot be revealed by repair enzymes Fpg and Nth. The high complex damage is difficult to repair possibly because the repair of one lesion, may inhibit the repair of another.

Bien que les technologies d’imagerie soient un acquis réel de la médecine moderne, leur introduction ne semble pas avoir été précédée d’une démarche réflexive suffisante qui aurait permis d’anticiper les multiples enjeux que rencontre la pratique radiologique actuelle. En effet, à force de se focaliser sur les acquis techniques et scientifiques, le cadre de radioprotection en place semble ne pas avoir suffisamment considéré l’apport essentiel que représente la connaissance des aspects sociaux, éthiques et humains que peuvent amener des domaines comme la bioéthique. Cette insuffisance fait en sorte que l’on se retrouve aujourd’hui face à des enjeux importants relatifs à la radioprotection du patient comme la surutilisation des examens radiologiques ou encore le manque d’information des acteurs du milieu face aux risques des rayonnements. Après un état des lieux des enjeux éthiques en radiologie diagnostique ayant un impact sur la radioprotection médicale des patients, un enjeu majeur de la pratique actuelle, qui est la justification inadéquate des prescriptions d’examens radiologiques, sera analysé selon une approche par principes. De cet exercice, visant à démontrer comment l’éthique peut concrètement contribuer à la radioprotection, découle l’impératif d’une vision nouvelle et globale permettant de proposer des pistes de solution aux controverses liées à l’utilisation actuelle de l’imagerie. Dans une perspective de santé des populations, il est important de contribuer à la diminution de la banalisation du recours au rayonnement ionisant dans la pratique médicale diagnostique en alliant bioéthique et radioprotection. Ce projet de recherche se veut être une étape limitée, mais nécessaire dans l’établissement de ce dialogue interdisciplinaire. / While imaging technologies represent a real achievement for modern medicine, their introduction seems not to have been preceded by a sufficiently reflective process that would have anticipated the multiple challenges arising in current radiological practice. In focusing on the technical and scientific achievements, the actual radiation protection framework fails to consider sufficiently the essential contribution brought by social, ethical and human dimensions of disciplines such as bioethics. This failure means that today we find ourselves faced with major issues related to patient radiation protection, such as overuse of radiological examinations or medical personnel’s lack of information about the risks of radiation. Following an overview of ethical issues in diagnostic radiology affecting medical radiation protection of patients, a major issue in current practice – i.e., the inadequate justification of radiological examination prescriptions – will be analyzed using a principle-based approach. From this exercise, which aims to demonstrate how ethics can contribute concretely to radiation protection, a need arises for a new and comprehensive vision leading to solutions for controversies related to the current use of medical imaging. In a population health perspective, it is important to contribute to the reduction of the trivialization of the use of ionizing radiation in diagnostic medical practice by combining both bioethics and radiation protection. This research project aims to be a modest but necessary first step in the establishment of such an interdisciplinary dialogue.