Le siècle dernier a vu le développement de la physique des particules, avec la fondation du célèbre modèle Standard de la physique des particules. Plus spécifiquement, durant les 70 dernières années de nombreuses particules ont été détecté et étudié. Parallèlement à ces découvertes, les moyens expérimentaux et les détecteurs ont grandement évolué. de la simple chambre à bulles de l'expérience Gargamel, qui a posé la première brique expérimentale du modèle standard, aux détecteurs complexes d'aujourd'hui tel que le LHC. Durant le développement de nouveaux détecteurs, nous pouvons distinguer deux grandes catégories: les détecteurs dits Solid State et les détecteurs gazeux. La première englobe les détecteurs tels que les Cherenkov ou les scintilateurs tandis que les derniers utilisent un gaz comme moyen de détection.Les détecteurs gazeux ont aussi grandement évolué durant le siècle dernier, des tubes Geiger-Muller au chambres à étincelles ou Pestov, qui peuvent faire face aux taux de détections toujours grandissant des accélérateurs de particules. The Parallel Plate Avalanche Chamber est un détecteur gazeux similaire mais fonctionne en mode avalanche, où les signaux électriques sont produits par une multiplication contrôlée des électrons dans le gaz. Les autres détecteurs susmentionnées fonctionnent eux en mode étincelle, où le signal détectée est produit par une décharge électrique dans le gaz.Le mode avalanche permets un taux de détection encore supérieur mais au prix de signaux électriques beaucoup plus faibles. Au début des années 80 un nouveau type de détecteur gazeux commence à se développer, les Resistive Plate Chambers. Ce détecteur présente la particularité de pouvoir fonctionner en mode étincelle ou avalanche, selon le design. Utilisé en mode avalanche, ils présentent un taux de détection particulièrement intéressant au prix de signaux électriques faibles, nécessitant un circuit d'amplification dédié. De nos jours les Resistive Plate Chambers sont très largement utilisés dans de nombreuses expériences de physique des particules, notamment pour leurs performances intéressantes et leur prix contenu. Malgré leur usage répandu, les Resistive Plate Chambers n'ont pas été beaucoup étudié d'un point de vue modélisation et simulation. La simulation d'un détecteur est un outil essentiel pour leur développement et leur fabrication, permettant de tester un design et calculer les performances que l'on est en droit d'attendre. Dans les travaux présentés dans ce document nous nous sommes intéressés à la description des différents phénomènes physiques se produisant durant une avalanche électronique au sein d'un Resistive Plate Chambers fonctionnant en mode avalanche, dans le but de les modéliser et simuler. Nous décrivons un modèle détaillé pour le processus d'ionisation, qui est l'évènement fondamental pour tout détecteur gazeux. Nous décrivons aussi un modèle mis au point par Riegler-Lippmann-Veenhof pour le développement d'avalanche électronique. Une simulation C++ a été produite dans le contexte de cette étude et quelques résultats sont présentés. / The 20th century saw the development of particle physics research field, with the fundationof the famous Standard Model of particle physics. More specifically during the past 70 years numerous particles have been detected and studied. Alongside those discoveries, the experimental means and detectors has greatly evolved. From the simple Gargamel bubble chamber, which lay the first brick to the Standard Model theory, to the nowadays complex detectors such as the LHC. In the development of newer particles detector, one can distinguish two big categories:the solid state detectors et the gaseous detectors. The former encompass detectors suchas Cherenkov and scintillator counters while the later make use of gases as detection medium. The gaseous detectors have also greatly evolved during the past century from theGeiger-Muller tube to the spark or Pestov chambers, which can cope with the increasing detection rate of particles accelerator. The Parallel Plate Avalanche Chamber is a similar gaseous detector but operates in avalanche mode, where the detected signal is producedby a controlled multiplication of electrons in the gas. The aforementioned detectors were operated in spark mode, where the detection is made through a spark discharge in the gas.The avalanche mode allows even greater detection rates at the expense of signal amplitude. In early 80s a new gaseous detector design began to emerge: the Resistive Plate Chambers.This detector has the particularity to operates in spark or avalanche mode depending on its design. Operated in avalanche mode, they present an impressing detection rates at the expense of very small electric signals, requiring dedicated amplification circuitries. Nowadays the Resistive Plate Chambers are widely used in numerous experiments worldwide,because of their interesting performances and relatively small price. Despite their widespread usage, the Resistive Plate Chambers have not been extensively studied from a simulation and modelisation point of view. Simulation of a detectoris an essential tool for its development and construction, as it allows to test a design and predict the performances one may get. In this work we focused on the description of the physics phenomenons occuring during an electronic avalanche inside a Resistive Plate Chambers operated in avalanche mode, in order to properly modelise and simulate them. We review a detailed model of the ionisation process, which is the fundamental event in any gaseous particle detector, alongside theRiegler-Lippmann-Veenhof model for the electronic avalanche. A C++ simulation has been produced in the context of this work and some results are presented.

The focus of this thesis is the development of Resistive Plate Chambers (RPCs) with ceramic electrodes. The use of ceramic composites, Si3N4/SiC, opens the way for the application of RPCs in harsh radiation environments. Future Experiments like the Compressed Baryonic Matter (CBM) at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt will need new RPCs with high rate capabilities and high radiation tolerance. Ceramic composites are specially suited for this purpose due to their resistance to radiation and chemical contamination. The bulk resistivity of these ceramics is in the range 10^7 - 10^13 Ohm cm. The bulk resistivity of the electrodes is the main factor determining the rate capabilities of a RPC, therefore a specifific measuring station and a measurement protocol has been set for these measurements. The dependence of the bulk resistivity on the difffferent steps of the manufacturing process has been studied. Other electrical parameters like the relaxation time, the relative permittivity and the tangent loss have also been investigated. Simulation codes for the investigation of RPC functionality was developed using the gas detectors simulation framework GARFIELD++. The parameters of the two mixtures used in RPC operation have been extracted. Furthermore, theoretical predictions on time resolution and effi ciency have been calculated and compared with experimental results. Two ceramic materials have been used to assemble RPCs. Si3N4/SiC and Al2O3 with a thin (nm thick) chromium layer deposited over it. Several prototypes have been assembled with active areas of 5x 5 cm^2, 10x 10 cm^2 and 20 x20 cm^2. The number of gaps ranges from two to six. The gas gap widths were 250 micro meter and 300 micrometer. As separator material mylar foils, fifishing line and high-resistive ceramics have been used. Different detector architectures have been built and their effffect on RPC performance analysed. The RPCs developed at HZDR and ITEP (Moscow) were systematically tested in electron and proton beams and with cosmic radiation over the course of three years. The performance of the RPCs was extracted from the measured data. The main parameters like time resolution, effi ciency, rate capabilities, cluster size, detector currents and avalanche charge were obtained and compared with other RPC systems in the world. A comparison with phenomenological models was performed.

Le futur collisionneur électron-positon ILC est un projet d'envergure internationale. Il doit poursuivre le programme scientifique actuellement en cours auprès du Large Hadron Collider (LHC) lorsque celui-ci aura atteint les limites de sa sensibilité. Cet ambitieux projet d'accélérateur nécessitera également la mise en place de nouveaux concepts du point de vue de la détection. Afin d'optimiser la reconstruction des événements, une approche basée sur le suivit de particule (Particle Flow) a ainsi été adoptée. Jusqu'à aujourd'hui, les calorimètres hadroniques ont souvent représenté le point faible des expériences de physique des hautes énergies auprès de collisionneurs. En effet, leur faible granularité dégrade fortement la résolution en énergie des jets reconstruits. Dans le cas de l'ILC, il est envisagé d'utiliser des calorimètres de forte granularité de manière à distinguer clairement chaque dépôt d'énergie. Il est ainsi possible d'améliorer la résolution en énergie globale de l'expérience en utilisant le détecteur le plus approprié pour caractériser chaque particule fille issue de la collision. Les membres de la collaboration CALICE sont en charge du développement de ces calorimètres ultra granulaires. Dans ce cadre, plusieurs projets de calorimètres sont à l'étude afin de s'assurer que la technologie finalement choisie soit optimale. Durant ces trois dernières années, j'ai participé au développement de l'un de ces détecteurs : le calorimètre hadronique semi digital SDHCAL. Cet instrument utilise des chambres à plaques résistives de verre (GRPC) en tant qu'élément sensible. Ce calorimètre à échantillonnage comporte 48 plans de détection successifs séparés par de l'acier. Il est segmenté latéralement en cellules de un centimètre carré, pour un total de 50 millions de canaux. La dissipation thermique de l'électronique de lecture embarquée est un facteur clef du projet. […] / The future electron-positon linear collider ILC is an international project aiming to follow and go forward the scientific program which is actually on-going at the Large Hadron Collider (LHC). Such a leptonic collider project implies also new concepts in particle detection to ensure a better event reconstruction : this can be achieved by using particle flow techniques. Until now, hadronic calorimeters are the bottleneck of particle detectors concepts. They are usually poorly granular and they contribute strongly to degrade the energy resolution of the reconstructed jets. In the ILC case, we aim to build highly granular calorimeters to distinguish each energy deposit. This way we can improve the energy resolution by using the most suitable detector to perform energy measurement for each particle. The CALICE collaboration federate the highly granular calorimeters R&D activities in order to distinguish the best technology for the final detector concept. I worked for the last three years on one of those projects : the SDHCAL, a semi digital hadronic calorimeter based on glass resistive plate chambers (GRPC). This 48 layer sampling calorimeter is segmented in cells of one square centimeter for a total of 50 millions channels. […]

The focus of this thesis is the development of Resistive Plate Chambers (RPCs) with ceramic electrodes. The use of ceramic composites, Si3N4/SiC, opens the way for the application of RPCs in harsh radiation environments. Future Experiments like the Compressed Baryonic Matter (CBM) at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt will need new RPCs with high rate capabilities and high radiation tolerance. Ceramic composites are specially suited for this purpose due to their resistance to radiation and chemical contamination. The bulk resistivity of these ceramics is in the range 10^7 - 10^13 Ohm cm. The bulk resistivity of the electrodes is the main factor determining the rate capabilities of a RPC, therefore a specifific measuring station and a measurement protocol has been set for these measurements. The dependence of the bulk resistivity on the difffferent steps of the manufacturing process has been studied. Other electrical parameters like the relaxation time, the relative permittivity and the tangent loss have also been investigated. Simulation codes for the investigation of RPC functionality was developed using the gas detectors simulation framework GARFIELD++. The parameters of the two mixtures used in RPC operation have been extracted. Furthermore, theoretical predictions on time resolution and effi ciency have been calculated and compared with experimental results. Two ceramic materials have been used to assemble RPCs. Si3N4/SiC and Al2O3 with a thin (nm thick) chromium layer deposited over it. Several prototypes have been assembled with active areas of 5x 5 cm^2, 10x 10 cm^2 and 20 x20 cm^2. The number of gaps ranges from two to six. The gas gap widths were 250 micro meter and 300 micrometer. As separator material mylar foils, fifishing line and high-resistive ceramics have been used. Different detector architectures have been built and their effffect on RPC performance analysed. The RPCs developed at HZDR and ITEP (Moscow) were systematically tested in electron and proton beams and with cosmic radiation over the course of three years. The performance of the RPCs was extracted from the measured data. The main parameters like time resolution, effi ciency, rate capabilities, cluster size, detector currents and avalanche charge were obtained and compared with other RPC systems in the world. A comparison with phenomenological models was performed.