Cette thèse porte sur le développement du DosiMap, un nouvel instrument de dosimétrie pour le contrôle des faisceaux de radiothérapie. Ce dispositif est basé sur l'utilisation d'un scintillateur plastique plan placé au sein d'un fantôme de polystyrène. La distribution lumineuse produite par le DosiMap sous irradiation, composée de scintillation et de rayonnement Čerenkov, est mesurée par une caméra CCD, puis analysée afin d'en déduire la distribution de dose déposée dans le scintillateur.<br />Ce dispositif possède un certain nombre d'avantages. Il est équivalent tissus, présente une bonne résolution spatiale et une réponse linéaire en énergie. Il permet également d'effectuer des mesures de dose immédiates, ce qui rend son utilisation adaptée à une utilisation clinique.<br />Après une introduction des notions de base de la radiothérapie, les différentes étapes du développement de cet instrument sont exposées dans ce mémoire. Différents scintillateurs plastiques ont, dans un premier temps, été testés afin de déterminer le mieux adapté à cette application. Seule la scintillation étant proportionnelle à la dose, la déconvolution de la scintillation et du rayonnement Čerenkov a ensuite été réalisée. Enfin, la caméra se trouvant en salle d'irradiation, il a été nécessaire de mettre au point un blindage afin de la protéger. La calibration en dose du dispositif ainsi que sa réponse dosimétrique sont alors exposées.<br />Ce travail a permis de mesurer des distributions de dose avec une incertitude inférieure à 2 % pour des faisceaux de photons homogènes. D'excellents résultats ont également été obtenus dans le cas de faisceaux modulés en intensité.

Cette thèse étudie la détection de matière nucléaire avec la technique de la particule associée pour l’inspection de bagages abandonnés ou de conteneurs maritimes dans le domaine de la sécurité. Le principe consiste à mesurer, avec des scintillateurs plastique, les coïncidences entre particules de fissions induites par des neutrons de 14 MeV produits par un générateur basé sur la réaction 2H(3H,n)4He et équipé d’un détecteur alpha à localisation pour déterminer le temps d’émission et la direction du neutron opposé. La détection d’au moins trois particules de fission en coïncidence avec la particule qui permet de discriminer les matières nucléaires des matériaux bénins. Le système d’acquisition et les outils de simulation ont été qualifiés en passif avec des sources radioactives puis en actif avec le générateur et diverses cibles, validant les estimations de performances de systèmesd’inspection de bagages abandonnés ou de conteneurs maritimes réalisées par simulation numérique avec le code MCNP-PoliMi. Il est ainsi possible de détecter en quelques minutes, quelques kg d’uranium au centre d’un container rempli d’une matrice fer mêmesi l’échantillon est masqué par du plomb, à l’aide du signal des neutrons prompts de fission. La détection est plus difficile dans les matrices organiques en raison de la diffusion des neutrons interrogateurs et de fission sur les noyaux d’hydrogène. Par ailleurs, l’utilisation de scintillateurs plastiques à la place des compteurs gazeux à 3He a été évaluée pour caractériser le plutonium dans les colis de déchets radioactifs par mesure passive des coïncidences. La détection des neutrons de fission est beaucoup plus rapide,ce qui permet de minimiser le bruit accidentel dû aux réactions (,n). Les scintillateurs sont cependant plus sensibles aux rayonnements gamma et à la diaphonie entre détecteurs voisins, ce qui nécessite d’exploiter les coïncidences de multiplicité 3 avec un traitement des données spécifique pour limiter la diaphonie. / This thesis investigates the detection of Special Nuclear Materials (SNM) by neutroninterrogation with the Associated Particle Technique (APT). 14 MeV neutrons areproduced from the 3H(2H,n)α fusion reaction in a sealed tube neutron generatorembedding a position-sensitive alpha detector. The alpha detector determines thedirection of the nearly opposite neutron and its time of flight. The detection of at leastthree prompt fission particles in coincidence with the tagged neutron signs the presenceof SNM. The acquisition system and simulation tools have been qualified in passive modewith radioactive sources and active mode with the generator and various targets,validating the simulation of inspection systems with MCNP-PoliMi. Calculations showthat the detection of a few kilograms of shielded SNM with the ATP is possible in ironcargo container, with the prompt fission neutrons signal. Detection is more difficult inorganic matrices due to tagged- and prompt fission neutrons scattering on hydrogennuclei. Furthermore, the use of plastic scintillators instead of 3He counters was studied tocharacterize the plutonium in the radioactive waste by passive coincidences measurement.Measurements at fast time scales of fast-neutrons instead of the long time scales ofthermal-neutrons reduce random coincidences that can occur with high (,n) reactionrate. The scintillators are however sensitive to gamma rays and cross-talk betweenadjacent detectors. Therefore, we used data-analysis algorithms to minimize cross-talkcontribution to measured three-fold coincidences.

Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection directe de matière noire sousforme de WIMPs, par l'étude de leur diffusion élastique sur les noyaux de germanium des détecteurs bolomètriques. Le plus problématique des bruits de fond provient des neutrons pouvant mimer l'interaction d'un WIMP dans un détecteur. Ces neutrons sont notamment produits par les rares muons cosmiques de haute énergie qui atteignent le laboratoire souterrain malgré les 4800 m w.e. de roche. Les muons résiduels sont détectés par un système veto de 46 modules de scintillateur plastique entourant l'expérience, qui permet de rejeter la plupart du bruit de fond associé. La détermination précise du bruit de fond neutron résiduel induit par ces muons dans EDELWEISS-III, essentielle pour l'identification des WIMPs, est le but de cette thèse. Le taux de bruit de fond dépend de la géométrie de l'expérience ainsi que des matériaux utilisés, qui ont subi d'importantes modifications depuis EDELWEISS-II. Des simulations GEANT4 du passage des muons dans la nouvelle géométrie ont été réalisées afin d'extraire le taux d'événements induits par les muons dans les bolomètres. Ce taux est en bon accord avec le taux mesuré extrait des données du Run308. En parallèle, une limite inférieure sur l'efficacité du veto muon a été extraite à partir des données bolomètres. Une nouvelle méthode basée sur l'utilisation d'une source d'AmBe a été développée afin d'extraire l'efficacité de chaque module de la simulation. À partir de ces résultats, il a été montré que le bruit de fond attendu est négligeable pour la recherche de WIMPs avec les données du Run308 et ne limitera pas la sensibilité future d'EDELWEISS-III / The aim of the EDELWEISS-III experiment is to detect the elastic scattering of WIMPs from the galactic dark matter halo on germanium bolometers. The most problematic background arises from neutrons, which can mimic a WIMP interaction in a detector. Neutrons are notably induced by high energy cosmic ray muons reaching the underground laboratory despite the 4800 m w.e. of rock overburdened. Remaining muons are tagged using an active muon-veto system of 46 plastic scintillator modules surrounding the experiment, which allows to reject most of the associated background. The goal of this thesis was to give a precise estimation of the irreducible muon-induced neutron background, needed to identify a potential WIMP signal. The expected background depends on the geometry of the experiment as well as on the used materials, both strongly modified since EDELWEISS-II. Geant4-based simulations of muons through the modified geometry were performed to derive the rate of events induced by muons in the bolometer array. This rate has been shown to be in good agreement with the measured one extracted from the Run308 data. In parallel, a lower limit on the muon-veto efficiency was derived using bolometer data only. A new method based on an AmBe source was developed to extract precisely the detection efficiency of individual modules from the simulation. From these results, it was shown that the expected background is negligible for the WIMP search analyses performed with the Run308 data and won't limit the future sensitivity of the EDELWEISS-III experiment

Le détecteur MINOS a été développé jusqu'à mi-2013 pour la spectroscopie γ prompte de noyaux très exotiques à partir de réactions d’arrachage de protons. Il est composé d'une cible épaisse d'hydrogène liquide pour augmenter la luminosité et d’une chambre à projection temporelle (TPC) pour reconstruire la position du vertex de réaction et de compenser l'effet de la cible épaisse sur la correction Doppler.La chambre à projection temporelle a été développée avec l'expertise du CEA-Irfu sur les détecteurs gazeux de type Micromegas. Dans un premier temps, différentes solutions pour la TPC ont été testées dans une chambre d'essai avec une source α et des mesures de rayons cosmiques. Des muons cosmiques ont été détectés pour la première fois en utilisant la chambre d'essai en début 2013 et ont validé l'utilisation d'un plan de détection Micromegas. Le premier prototype de TPC a été achevé en mai 2013 et nous avons utilisé un banc de rayons cosmiques pour estimer l’efficacité de la TPC.MINOS a ensuite été expédié au Japon et un test de performance sous faisceau a été réalisée à l'installation médicale HIMAC (Chiba, Japon) avec deux cibles minces au lieu de la cible épaisse d'hydrogène pour valider l'algorithme de reconstruction et la résolution de la position du vertex. Un algorithme de reconstruction de traces basé sur la transformée de Hough a été mis au point pour l'analyse des données, testé avec ces données, et comparé à des simulations.La première campagne de physique avec MINOS a eu lieu en mai 2014, avec SEASTAR. Elle s’est concentrée sur la première spectroscopie des ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe et ⁷⁸Ni. L'analyse de la spectroscopie du ⁶ ⁶Cr a révélé deux transitions, assignées aux deux premiers états excités. Une interprétation avec des calculs de modèle en couches montre que le maximum de collectivité quadripolaire se produit à N = 40 le long de la chaîne isotopique de chrome.Le ⁶ ⁶Cr est toujours placé dans la région de l’Îlot d’Inversion à N = 40 et les calculs de modèle en couches ainsi que la comparaison avec des calculs basés sur HFB suggèrent une extension de cet Îlot d’Inversion vers N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. L'analyse des ⁷⁰,⁷²Fe effectuée par C. Louchart (TU Darmstadt, Allemagne) révèle la même tendance que pour les isotopes de chrome. Les données et notre interprétation par le modèle en couches suggère une grande collectivité les Cr et Fe riches en neutrons, éventuellement jusqu'à N = 50, ce qui remettrait en cause la solidité de la fermeture de couche N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. / The MINOS device has been developed until mid-2013 for in-beam γ spectroscopy of very exotic nuclei from proton knockout reactions. It is composed of a thick liquid hydrogen target to achieve higher luminosities and a Time Projection Chamber (TPC) to reconstruct the vertex position and compensate for the thick target effect on the Doppler correction.The Time Projection Chamber has been developed with the expertise of CEA-IRFU in gas detectors and Micromegas detectors. At first, different solutions for the TPC were tested in a test chamber with an α source and cosmic-ray measurements. Cosmic rays were detected for the first time using the test chamber in early 2013 and validated the use of a Micromegas detection plane. The first TPC prototype was finished in May 2013, and we used a cosmic-ray bench to estimate the effiiciency of the TPC. The MINOS device was then shipped to Japan and an in-beam performance test was performed at the HIMAC medical facility (Chiba, Japan) with two thin targets instead of the thick hydrogen target to validate the tracking algorithm and the vertex position resolution. A tracking algorithm for the offline analysis based on the Hough transform has been developed, tested with the data, and compared with simulations.The first physics campaign using MINOS took place in May 2014 with SEASTAR. It focused on the first spectroscopy of ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe, and ⁷⁸Ni. The analysis of the ⁶⁶Cr spectroscopy revealed two transitions, assigned to the two first excited states. An interpretation with shell model calculations shows that the maximum of quadrupole collectivity occurs at N=40 along the Cr isotopic chain.⁶⁶Cr is still placed in the Island of Inversion region of N=40 and the shell model calculations as well as comparison with HFB-based calculations suggest an extension of this Island of Inversion towards N=50 below ⁷⁸Ni. The analysis of ⁷⁰,⁷²Fe performed by C. Louchart (TU Darmstadt, Germany) reveals the same trend as for Cr isotopes, with a maximum of deformation at N=42. The full data set and our shell-model interpretation suggests a large collectivity for neutron-rich Cr and Fe, possibly up to N=50, questioning the robustness of the N=50 shell closure below ⁷⁸Ni.