Les processus de radioluminescence, phénomène aussi appelé scintillation, sont plutôt bien décrits théoriquement, que ce soit pour les matériaux organiques que pour les matériaux inorganiques. Cependant, le cas des structures non-cristallines dopées d'ions de lanthanides présente des particularités surprenantes. On présente l'étude des spectres d'émission par radioluminescence qui montrent des raies spectrales dues à une propagation d'exciton, ce qui devrait correspondre à des structures cristallines. Après avoir exposé les différentes théories liées à l'excitation des matériaux et à leur production de lumière, l'hypothèse d'un procédé de fluorescence induite par radioluminescence est proposée comme une excitation optique des ions trivalents de lanthanides par la radioluminescence émise par le matériau irradié. Différents calculs et simulations numériques ont permis de prédire le comportement des matériaux soumis à des particules ionisantes, telles que des y ou des ions accélérés. Plusieurs matériaux, comme l'ED2 dopé de néodyme (NdIV:ED2) ou le verre poreux dopé d'erbium (ErIV:VP), sont aussi étudiés expérimentalement. Un échantillon de titane saphir (Ti:Sa) a été utilisé comme référence en raison de sa structure cristalline. L'étude expérimentale de ces matériaux exposés à des ions de H2+ , de 4He++ et de 12C ++ permet d'observer la fluorescence induite par radioluminescence, ainsi que d'évaluer son intensité relative par rapport aux faisceaux incidents. Une étude de temps de vie de certaines des transitions atomiques concernées, ainsi que de leur dépendance à l'intensité de l'exposition permet d'envisager quelques applications, que ce soit pour des détecteurs à particules ionisantes émettant dans l'infrarouge, ou que ce soit pour de l'excitation ionisante pour le pompage laser. / Two processes explain radioluminescence of organic and inorganic materials. Exposition of organic materials to ionising particles leads to the excitation of the molecules of the matrix. The relaxation leads to photon emission. In the case of the inorganic materials a self-trapped exciton (STE) propagates in the crystal until it reaches and excites an impurity; the relaxation of this impurity may be radiative. We observed that lanthanides (ErlV or NdIV) doped materials (porous or ED2 glasses) show some characteristic emission rays. The spectra are quite similar to the expected ones for inorganic materials, although these materials are organic. We developed a model describing how the radioluminescence of the organic materials excites the lanthanide ions, and then the observed radioluminescence emission spectra can be explained by the Judd-Ofelt theory. Several materials have been studied: erbium doped porous glass (ErIV:PG), neodymium doped ED2 glass (NdIV:ED2), and also a sample of titan sapphire (Ti:Sa) as a comparison sample for inorganic materials. These samples have been exposed to H2+ , 4He++ , 12C ++ ions accelerated up to 4.1MeV with a Van de Graaff accelerator. The emission spectra have been measured and a study of the luminescence Lifetime of the material has been made. Luminescence Lifetime of the characteristic rays is dependent of the radiation dose. These observations allow us to conclude that the lanthanide ions are well excited by the standard radioluminescence of the undoped material. Also, studies have been made as a function of the deposited energy to investigate the potential applications.

Actuellement, les mesures de dose en radiothérapie sont effectuées en employant différents types de détecteurs tels que les chambres à ionisation, les diodes et les films radiosensibles. Bien que ces différents détecteurs permettent d’obtenir une mesure de dose très précise, aucun d’entre eux n’a les propriétés nécessaires pour permettre la mesure de dose en temps réel sur un patient tout en ne perturbant pas le champ radiatif de traitement. Depuis une vingtaine d’années, les scintillateurs plastiques gagnent en popularité grâce à leurs propriétés relativement identiques à celles de l’eau, et du fait qu’ils génèrent un signal lumineux proportionnel à la dose déposée. Cette étude vise à construire un dispositif CCD sans lentilles pour la collecte de la lumière de scintillation, pour ensuite caractériser le signal obtenu et comparer le tout à un système optique plus conventionnel à base de lentilles. Pour ce faire, nous avons conçu un détecteur à fibre scintillante ayant servi pour l’acquisition des mesures des deux systèmes étudiés, soit le système à objectif photographique et le système équipé d’un « taper » à fibre optique. Nous avons évalué les signaux mesurés en termes de qualité par le ratio de signal sur bruit, en limite minimale de dose mesurable, en stabilité et en reproductibilité des mesures. Les résultats obtenus démontrent la supériorité du nouveau système sans lentille sur le système conventionnel en termes de gain de collecte de photon et en diminution des incertitudes de mesures. Ces résultats ouvrent la voie à des applications de mesure de très faibles doses et à la réduction des dimensions des détecteurs à des fins d’applications cliniques « in vivo », ou encore pour effectuer divers tests de contrôle de qualité des appareils.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / La dosimetric dans la gamme d'énergie du kV représente l'un des défis majeurs de la radiologie diagnostique et interventionnelle ainsi qu'en radiothérapie superficielle. Les détecteurs utilisés actuellement comportent souvent des limitations quant à la justesse, du temps de réponse et de la taille. Les détecteurs à fibre scintillante plastique sont des détecteurs très prometteurs, n'offrant aucune de ces limitations. La perte de l'équivalence à l'eau causée par le gain en importance de l'effet photoélectrique avec des faisceaux entre 80 et 150 kVp est compensée par des facteurs de conversion basés sur la théorie des grandes cavités qui sont pondérés spectralement. De cette façon, la méthode est adaptable à différentes qualités de faisceau. La méthode est validée par des simulations Monte Carlo qui servent de références. La réponse du détecteur pour des faisceaux d'énergie effective variant entre 26 et 86 keV présente un coefficient de variation de 2.1% comparativement à 30% lorsqu'aucune correction est appliquée. La même méthode peut compenser le durcissement et la contribution du rayonnement diffusé lors de mesure de rendement en profondeur. Avec ce type de détecteur et la correction spectrale, il sera possible de mesurer en temps réel, avec une précision accrue, la dose reçue par le patient lors d'examens radiologiques. La petite taille du détecteur (1 mm de diamètre) ouvre la porte à des mesures in vivo afin d'obtenir des mesures expérimentales de la dose reçue non seulement à la peau mais aussi aux organes internes.

Le but de cette thèse est de développer de nouveaux systèmes de dosimétrie par scintillateurs plastiques afin de faciliter leur implémentation comme détecteurs de dose in vivo en temps réel pour la radiothérapie et surtout pour la curiethérapie à haut débit de dose. Dans un premier temps, la nécessité de soustraire la lumière induite dans le guide optique par effet de tige a été démontrée pour cette modalité d'irradiation. Le détecteur développé pour cette étude a ensuite été utilisé afin de démontrer sa capacité à effectuer des mesures de dose en temps réel lors de la délivrance d'un traitement de curiethérapie de prostate à haut débit de dose à l'intérieur d'un fantôme d'eau. La dose déposée à chaque position de source, dans chaque cathéter et pour la fraction entière était comparable à la dose attendue par le système de planification de traitement. Comme les dosimètres à scintillation jusqu’à ce jour nécessitent une fibre optique de transmission par scintillateur, la preuve de faisabilité pour la mesure adéquate de doses de radiation avec un détecteur multi-points utilisant une seule fibre de transmission a été effectuée. Cela a d’abord été effectué pour des détecteurs à 2 et 3 points de mesure exposés à des irradiations externes de haute énergie. Comme l'approche proposée permet la décomposition du signal en ses diverses composantes, une étude sur l'importance du signal de fluorescence dans l'effet de tige a été effectuée pour une multitude de modalités d'irradiation. Finalement, un détecteur à 3 points de mesure et une seule fibre optique collectrice a été utilisé en curiethérapie à haut débit de dose et inséré dans un unique cathéter pour effectuer la mesure de dose dans un fantôme d’eau. Sa capacité de mesurer efficacement la dose en de multiples positions simultanément a été démontrée. Un budget d'incertitude a aussi été effectué afin d'évaluer les limites sous lesquelles ce détecteur peut être utilisé comme potentiel dosimètre in vivo en clinique pour la curiethérapie à haut débit. / The goal of this thesis is to develop new plastic scintillation dosimetry systems to enable the measurement of in vivo doses in real time and the verification of the treatment delivery accuracy for radiation therapy, especially for high dose rate brachytherapy. The necessity to account for the stem effect light produced in the optical guide by radiation was first shown. The detector built for this study was then used to verify its accuracy to measure dose in real time during the delivery of a typical prostate treatment plan in high dose rate brachytherapy. This measurement was performed inside a water phantom. Dose deposited at each dwell position, inside each catheter and for the entire treatment delivery was measured and compared to the treatment planning system. Another part of this research project was on the development of an approach to render possible measurement at multiple positions with the use of multiple scintillating elements and only a single collecting optical guide. Plastic scintillation detectors with 2 and 3 points of measurement were first developed and used under external beam high energy radiation therapy. The approach enabled the calculation of different signal contributions over the total optical signal; a study was then performed to evaluate the importance of the fluorescence component on the total stem effect under a variety of irradiation modalities and conditions. Finally, a 3-point detector was inserted inside a single catheter to perform dosimetry under Ir-192 high dose rate brachytherapy in a water phantom. Its accuracy to measure dose was demonstrated. An uncertainty budget was also calculated in order to evaluate the limitations of this detector for its clinical potential as a real-time in vivo dosimeter.

Dans ce travail, nous avons montré comment la structure en halo de neutron d'un noyau se manifestait sur les mécanismes de réaction. Notre étude expérimentale a été appliquée à un noyau doté d'un seul neutron dans le halo (11Be) et à un noyau doté de deux neutrons dans son halo (6He) dans leurs interactions avec un noyau-cible de plomb. Le dispositif expérimental permettait une mesure simultanée des impulsions du noyau-cœur et des neutrons du halo, ainsi que de l'état d'excitation du noyau-cible. La mesure des caractéristiques cinématiques des neutrons du halo était effectuée par le nouveau détecteur TOURNESOL, un détecteur par temps de vol à scintillateur liquide de large volume. Les caractéristiques de ce détecteur sont décrites en détail dans ce document. Pour les deux faisceaux, nous avons obtenu des mesures sélectives de largeurs en impulsion, en distinguant les réactions de break-up, stripping et cassure de cœur, ainsi que différents domaines d'excitation du noyau-cible. En faisceau de 11Be les largeurs d'impulsion du noyau-cœur et du neutron de halo sont cohérentes pour les réactions de break-up, et le noyau-cible n'est pas excité. Les valeurs obtenues sont de 10 à 15% supérieures aux valeurs équivalents obtenues avec un noyau-cœur au voisinage de zéro degré. Des largeurs de distributions d'impulsion des neutrons produits lors de la cassure du cœur ont été comparées à celles en faisceau de 10Be. En faisceau de 6He, nous avons étudié les corrélations entre l'impulsion des neutrons et celle du cœur, pour constater qu'en réaction de break-up la dissociation s'effectue en une étape, et en une ou deux étapes en réaction de stripping. Dans ce dernier cas, la cassure en une étape est liée à la structure " di-neutrons " et celle en deux étapes à la structure " cigare " de l'état fondamental du noyau 6He.

L'objet de cette thèse est le développement d'un système d'imagerie X destiné à être employé sur le Laser Méga Joule, dans le cadre des expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI). La FCI consiste en la fusion par laser d'un mélange de deutérium et de tritium, afin de produire un gain d'énergie thermonucléaire. La fonction du système d'imagerie est d'imager entre 10 et 30 keV le rayonnement émis par le microballon ayant atteint sa compression maximale, avec une résolution spatiale meilleure que 10 µm. Le système proposé n'est qu'une partie d'un diagnostic complet, comprenant notamment un dispositif d'optique X. La conception de ce système tient en grande partie compte de la vulnérabilité en milieu radiatif. En phase d'allumage, la fusion du DT génère 1016 neutrons, dont la distribution d'énergie va jusqu'à 14 MeV. Ces neutrons sont à l'origine de l'ambiance radiative hostile à laquelle sera soumise le diagnostic, pouvant dégrader l'image acquise et endommager les dispositifs d'instrumentation. Le système proposé consiste en un scintillateur, imagé sur une caméra CCD par un relais catadioptrique. Un travail d'innovation a été effectué sur les scintillateurs, pour répondre aux spécifications influencées par la vulnérabilité. Les travaux de cette thèse ont abouti à un système imageur permettant un déport de la caméra CCD de 4 mètres, avec une résolution spatiale de 100 µm dans le plan du scintillateur. Des perspectives sont ouvertes, comme le développement de compositions de scintillateurs organiques chargés, ainsi que l'optimisation du relais optique.

Ce travail concerne l'étude de cristaux scintillateurs inorganiques découverts récemment : LaCl3:Ce3+ et LaBr3:Ce3+. Une réponse rapide, un rendement lumineux élevé et une excellente résolution énergétique sont quelques-unes des propriétés qui rendent les cristaux de LaCl3:Ce3+ et LaBr3:Ce3+ intéressants pour la détection de rayonnement gamma, tout particulièrement en imagerie médicale. La forte hygroscopie de ces matériaux nécessite l'adaptation des modes opératoires habituels pour la détermination des caractéristiques physico chimiques. Une fois déterminées, ces caractéristiques servent au développement de la synthèse industrielle des cristaux.<br />La bonne compréhension du mécanisme de scintillation et de l'effet des défauts présents dans le matériau permet d'envisager des pistes pour l'optimisation des performances du scintillateur. Dans ce sens, plusieurs techniques sont utilisées (RPE, radioluminescence, excitation laser, thermoluminescence,...). Au côté des ions Ce3+ , des excitons auto-piégés sont impliqués dans le mécanisme de scintillation ; leur nature et leur rôle sont précisés. La connaissance des divers processus impliqués dans le mécanisme de scintillation conduit à prévoir l'effet de la température et du taux de dopage sur les performances du scintillateur. Un mécanisme est proposé pour expliquer les processus de thermoluminescence à l'origine de l'apparition de composantes lentes dans l'émission lumineuse et d'une perte de rendement lumineux. Enfin, l'étude de la luminescence persistante permet de révéler un transfert de charge vers des pièges profonds impliqués dans la thermoluminescence à haute température.

La nanotechnologie est devenue un domaine clé de la technologie du XXIe siècle. L’important développement des approches pour la synthèse des nanoparticules (NPs) avec une composition, une taille et une forme désirées rend compte du potentiel de leur utilisation comme « blocs de construction » pour des structures de plus grande échelle. Cela permet d’envisager à la fois la fabrication de matériaux fonctionnels et de dispositifs directement à partir de colloïdes par approche ascendante et la conception de matériaux sur plusieurs échelles de grandeur. Le procédé utilise l'assemblage ou l'auto-assemblage de NPs et conduit à des matériaux avec des architectures différentes notamment 1D (bâtonnets), 2D (films) ou 3D (super-réseaux ou gels). Cependant, la plupart des assemblages 3D sont limités à l'échelle micrométrique et sont difficiles à contrôler. Pratiquement, la seule voie permettant la préparation de structures 3D macroscopiques à partir de NPs est la gélification et la préparation d'aérogels. Une voie alternative consiste à disperser les NPs dans une matrice, conduisant ainsi à un matériau composite massif, avec des NPs non agrégées distribuées de manière homogène.Le présent travail est consacré au développement de matériaux à partir de NPs d'oxydes métalliques (principalement Y3Al5O12: Ce et Li4Ti5O12) de différentes dimensions et pour diverses applications. La première partie de ce travail décrit la synthèse de NPs de YAG: Ce et de LTO par approche glycothermale. Dans le cas du YAG: Ce, les conditions de réaction ont été ajustées de façon appropriée pour obtenir des nanocristaux (NCs) non agrégés de quelques nanomètres. Des solutions colloïdales de différentes concentrations contenant de tels NCs ont été utilisées, pour la fabrication par la technique de « spin-coating », de films minces avec une épaisseur contrôlable. A l’inverse, la synthèse de LTO conduit à des NPs agrégées dans une structure hiérarchique très bénéfique pour les batteries au lithium. La grande surface spécifique et la porosité du matériau obtenu assurent en effet un échange efficace des ions lithium entre l'électrolyte et le matériau d'anode.Par ailleurs, les NCs de YAG: Ce ont été utilisés pour la préparation de matériaux monolithiques de grande taille avec une porosité et une transparence élevées. Pour cela, la solution colloïdale de NCs a été gélifiée par le changement brusque de la constante diélectrique du solvant de dispersion des NCs. Les gels ainsi obtenus ont été par la suite séchés de manière supercritique, donnant ainsi des aérogels à base de NPs de YAG:Ce, avec une porosité et une transparence élevées. La même approche s'est avérée appropriée pour d'autres systèmes à base de NPs de GdF3 ou de mélanges de NPS de YAG: Ce et de GdF3.Alternativement, les NPs de YAG: Ce ont été incorporées dans des aérogels de silice formant ainsi des aérogels macroscopiques robustes et hautement transparents présentant les propriétés des NPs incorporées. Ces aérogels composites ont été utilisés en tant que nouveaux types de capteurs pour les rayonnements ionisants de basse énergie dans les liquides ou les gaz. Leur porosité élevée permet un contact optimal entre l'émetteur radioactif et le scintillateur assurant ainsi une bonne récupération de l'énergie radioactive. / Nanotechnology has become a key domain of technology in XXI century. The great development of the synthetic approaches toward nanoparticles (NPs) with desired composition, size and shape expose the potential of their use as building blocks for larger scale structures. It allows fabrication of functional materials and devices directly from colloids by bottom-up approach, thus involving possibility of material design over several length scales. The process is referred to NPs assembly or self-assembly and leads to materials with varying architectures as for instance 1D (rods), 2D (films) or 3D (superlattices or gels). However most of 3D assemblies are limited to the micrometric scale and are difficult to control. Practically the only route allowing preparation of macroscopic 3D structures from NPs is their gelation and preparation of aerogels. As an alternative, NPs can be embedded in some matrix creating bulk composite material, with homogenously distributed non-aggregated NPs.Therefore, this work is devoted to development of materials with different dimensionalities for various applications from metal oxides NPs (mainly Y3Al5O12:Ce and Li4Ti5O12). The first part describes the syntheses of YAG:Ce and LTO NPs by glycothermal approach. In the case of YAG:Ce, the reactions conditions were appropriately adjusted in order to obtain non-aggregated nanocrystals (NCs) of few nanometers. The colloidal solution containing such NCs with different concentration was used for fabrication of thin films with controllable thickness by spin-coating method. Contrary, the synthesis of LTO led to aggregated NPs with hierarchical structuration which was highly beneficial for Li-ion batteries. The large surface area and porosity ensured efficient exchange of Li ions between electrolyte and anode material. Furthermore, the YAG:Ce NCs were used for preparation of macroscopic monoliths with high porosity and transparency. For that reason, colloidal solution of NCs was gelled by the abrupt change of solvent dielectric constant. The gels were further supercritically dried yielding YAG:Ce NPs-based aerogels with high porosity and transparency. The same approach turned o be appropriate for other systems like GdF3 or hybrid aerogels of YAG:Ce and GdF3.Alternatively, YAG:Ce NPs were incorporated into silica aerogels forming robust macroscopic and highly transparent aerogels exhibiting properties of incorporated NPs. They served for novel type of sensors for low-energy ionizing radiation in liquids and gases. Their high porosity assured well-developed contact between radioactive emitter and the scintillator ensuring good harvesting of radioactive energy.

Ce travail de thèse porte sur le développement de techniques de spectroscopie neutronique dans les champs de rayonnement mixte pour des applications liées aux réacteurs de recherche à neutrons rapides, en particulier l’installation MASURCA.La première partie est consacrée à l'étude des configurations expérimentales spéciales de MASURCA dans lesquelles un canal radial est construit pour extraire un faisceau continu de neutrons d'énergie intermédiaires et rapides, adaptable à différents besoins. Exploiter MASURCA en tant qu'installation de faisceau de neutrons ouvrirait de nouvelles possibilités d'expériences telles que des expériences de protection et de transport de neutrons rapides, la production de champs neutroniques standards (de référence), le développement et étalonnage de systèmes de détection des neutrons rapides, etc.La deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d’une capacité de spectrométrie neutronique rapide pour la caractérisation en ligne de la distribution d'énergie neutronique. Différents types de détecteurs sont comparés. Le meilleur compromis pour ce spectromètre est un système combinant des compteurs proportionnels et des scintillateurs organiques. Ce système est capable de couvrir le domaine énergétique entre 10 keV et 10 MeV. Le scintillateur organique sélectionné est un monocristal de stilbène obtenu par un procédé “solution-grown” développé récemment. Au bilan, on conclut qu'un spectromètre à neutrons basé sur le stilbène de type “solution-grown” serait adapté à une utilisation dans MASURCA et dans d'autres champs de rayonnement mixte et qu'il serait plus performant que les systèmes de détection traditionnels. / This doctoral thesis work is focused on the development of neutron spectroscopy techniques in mixed radiations fields for fast research reactor applications, especially for the MASURCA facility.The first part of the thesis is dedicated to the study of special MASURCA configurations in which a radial channel is built to extract a continuous beam of intermediate-to-fast energy neutrons, tailorable to meet different needs. Operating MASURCA as a neutron beam facility would open up new possibilities of experiments, such as fast neutron attenuation and shielding experiments; measurements in standard (reference) fast neutron fields, development and calibration of fast neutron detection systems etc.The second part of the thesis is dedicated to the development of fast neutron spectrometric capabilities for the on-line characterization of the neutron energy distribution. Different candidate detector systems are compared. A “best compromise” spectrometer is shown to be a system combining proportional counters and organic scintillators. Such a system would be able to cover the neutron energy domain between 10 keV and 10 MeV. The selected organic scintillator is a stilbene single crystal obtained by a recently developed solution-grown process. Overall, it is concluded that a neutron spectrometer based on a solution-grown stilbene detector would be suitable for use in MASURCA and in other mixed radiations fields, and would perform better than traditional detector systems.

Le sujet principal de cette thèse porte sur la recherche d’un boson de Higgs additionnel de plus haute masse à travers sa désintégration en une paire de bosons de jauge Z (H → ZZ(*)) en utilisant les données enregistrées avec l’expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Quatre analyses distinctes sont présentées en fonction du mode de désintégration du boson Z soit une paire de leptons chargés (électrons ou muons), soit une paire de neutrinos soit une paire de quarks ; ces analyses sont appelés ZZ → 4l, 2l2ν, 2l2q et 2ν2q. L’étude utilise 20.3 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton enregistrées au cours de la première phase du LHC (Run-1) à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La stratégie de recherche segmente les données en supposant que les mécanismes de production de bosons de Higgs additionnel sont les mêmes que dans le Modèle Standard (SM), et modélise le signal avec une largeur qui est faible par rapport à la résolution de la masse invariante. La région de masse du boson de Higgs considéré s’étend de 140 GeV jusqu’à 1 TeV. Aucun nouveau boson de Higgs n’a été trouvé. La combinaison de résultats de quatre modes de désintégration donne des limites supérieures sur la section efficace σ de ce boson de Higgs additionnel (σ × H → ZZ(*)) qui s’étend de 359 fb à mH = 200 GeV à 11 fb à mH = 1TeV. Les résultats sont également interprétés dans le contexte des modèles au-delà du SM, à savoir les modèles à deux doublets. L’analyse H → ZZ(*) → 4l est également réalisée au cours de la deuxième phase du LHC (Run-2) en utilisant 3.2 fb⁻¹ de données de collisions de proton-proton enregistrées en 2015 à une énergie à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Aucun excès significatif d’évènements sur la prédiction du MS n’est trouvé. Les limites supérieures sur la section efficace (σ × H → ZZ(*) → 4l) sont de 4.5 fb à mH = 200 GeV et 1 fb à mH = 1 TeV. La dernière partie de la thèse porte sur la caractérisation des détecteurs à scintillation d’ATLAS pour le déclenchement d’un biais minimal dans la région avant (le Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS)) en utilisant les rayons cosmiques. En raison de la dégradation des matériaux provoquée par des dommages dus à l’irradiation dans la première phase de fonctionnement du LHC, les MBTS devaient être remplacés lors de l’arrêt du LHC qui a eu lieu en 2014. Avant leur installation dans ATLAS, ces détecteurs ont été caractérisés en laboratoire en utilisant les rayons cosmiques. / The main subject of this thesis is the search for an additional heavy Higgs boson through its decay into a pair of Z bosons (H → ZZ(*)) using data recorded with the ATLAS experiment installed at the Large Hadron Collider (LHC). Four distinct analyses are presented, which are distinguished by the decay mode of the Z boson into either a pair of charged leptons (electrons or muons), into a pair of neutrinos or into a pair of quarks, denoted according to final-state, i.e. as 4l, 2l2ν, 2l2q and 2ν2q. The study is performed using 20.3 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the first phase of LHC operation (Run-1) at centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. A search strategy is employed which segments the data according to the Higgs boson production mechanism, assuming that these are the same as in the Standard Model (SM). Furthermore, the signal is modelled with a width that is small compared to the experimental mass resolution. The Higgs boson mass range considered extends up to 1 TeV for all four decay modes and down to as low as 140 GeV, depending on the decay mode. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. A simultaneous fit to the four decay modes yields upper limits on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ branching ratio ranging from 359 fb at mH = 200 GeV to 11 fb at mH = 1 TeV for the gluon-fusion production mechanism, and from 214 fb at mH = 200 GeV to 13 fb at mH = 1 TeV for the vector-boson fusion production mechanism. The results from these four searches are also interpreted in the context of models beyond the SM, namely the Type-1 and Type-2 2 Higgs Doublet Model. The heavy Higgs boson search is also performed with the H → ZZ(*) → 4l decay mode alone using 3.2 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the second phase of LHC operation (Run-2) at an increased centre-of- mass energy of √s = 13 TeV. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. Upper limits are set on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ(*) → 4l branching ratio of 4.5 fb at mH = 200 GeV and 1 fb at mH = 1 TeV. Lastly, a project of a more technical character is presented. In this study, the scintillation detectors employed by ATLAS for triggering with minimal bias in the forward region, the Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS), are characterised. Due to material degradation caused by radiation damage in the early phases of LHC operation, the MBTS had to be replaced during the LHC shutdown taking place in 2014. Before installation in ATLAS, these detectors were characterised in appropriate laboratory facilities using cosmic radiation.