Le Réacteur à Sels Fondus (RSF) en cycle Th/U est un des concepts de nouvelle génération pour la production d'énergie nucléaire. Un RSF type se compose d'une structure en graphite, servant de modérateur, percé de canaux dans lesquels circule le sel fondu (^{7}LiF+ThF_{4}+UF_{4}). Les données neutroniques fondamentales pour les simulations numériques sont les sections efficaces de diffusion élastique d'un neutron sur des noyaux de carbone (\sigma_{C}), de fluor (\sigma_{F}) et de lithium 7 (\sigma_{Li}) dans le domaine épithermique. <br /><br />Le but de ce travail est de déterminer précisément \sigma_{C} et \sigma_{F} entre 1 eV et 100 keV. Ces mesures ont été réalisées auprès de la plate-forme d'Etude et de Recherche sur l'Electro-Nucléaire (PEREN) du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble. Elle comprend un GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense (GENEPI) produisant des neutrons de 2.5 MeV au centre de massifs ralentisseurs (C et CF_{2}). Des taux de capture sont obtenus, pour des échantillons composés de matériaux de référence (Au, Ag, Mo et In) placés dans les massifs, à l'aide d'un scintillateur YAP couplé à un photo-multiplicateur.<br /><br />Des simulations précises des expériences, avec le code MCNP, ont été réalisées et la comparaison entre la simulation et l'expérience a permis de déterminer \sigma_{C} et \sigma_{F} avec des précisions de 1% et 2% respectivement, mettant en évidence des écarts avec les données nucléaires évaluées (ENDF).<br /><br />Des mesures complémentaires des sections efficaces totales \sigma_{C} et \sigma_{F} à plus haute énergie (200 - 600keV) ont été effectuées au Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux par une méthode de transmission. Un faisceau de neutrons mono-énergétique est produit par des protons accélérés, dans un accélérateur Van De Graaff, sur une cible de LiF. Les neutrons transmis sont comptés par un détecteur proportionnel à hydrogène. Des écarts de 5% (C) et de 9% (F) par rapport à ENDF ont été mis en évidence.

The general context of this work is the use of low energy photon sealed sources in brachytherapy. We have worked in particular on two isotopes: I-125 (mean energy of 27 keV) and Pd-103 (mean energy of 21 keV). The sealed sources are prepared as cylindrical seeds 4.5 mm in length and 0.8 mm in radius. Even if the external dimensions are standard, the internal design can be extremely different from one model to the other as the manufacturers try to improve the dosimetric characteristics of their sources. These isotopes are used mainly as permanent implants for prostate tumours but can also be used in the treatment of eye tumours. Compared to the higher energy photon sources, they offer the physical advantages of a safer manipulation from a radioprotection point of view and of the reduction of the dose to the surrounding healthy tissues. When performing a clinical treatment, it is absolutely mandatory to be able to report very precisely various parameters that can have an impact on the patient treatment outcomes. These parameters are, for example, the prescribed dose, the doses at different organs, the degree of uniformity that has been achieved on the target or some dose-volume information. The brachytherapy treatment planning systems (TPS) also permit more and more to conform the treatment to the patient anatomy, like in external treatments. In the case of prostate tumours, it has been possible for a few years, using ultrasound imaging, to check the positioning of the seeds and to calculate the dose distribution in real time during the implantation procedure. It is clear that to achieve a good precision in the treatment itself, the sources dosimetric characteristics must be known with a maximum of precision. As at these low energies the dosimetric characteristics are very dependant on the internal design, this implies a thorough study of any new source design. This is the subject of the first part of this work with the determination of the dosimetric characteristics of two new models of seed produced by the IBt Company. That determination has been done using measurements with thermoluminescent detectors and Monte Carlo calculations with two codes: MCNP4C and EGSnrc. The comparison of these two codes with the measurements has brought into evidence the necessity to use up to date cross section libraries during the calculations and to take into account the presence of the detectors during the measurements. However, the dosimetry is only one part of the problem when dealing with these low energy sources in radiotherapy. The irradiated materials are complex living tissues, composed of many substructures on which radiations have not always the same impact. It is now largely accepted that the most radiosensitive part of a living cell is the DNA. When photons interact with matter, they produce electrons that deposit their energy as ionisations and excitations of the atoms. These ionisations, if they occur with or close to the DNA molecule, are responsible for damaging it. That structure can support a certain amount of damage and stay functional thanks to repair mechanisms, but these mechanisms have limits in the way they can handle multiple breaks in the DNA strands. If these breaks are too close in space and time, repair is not possible and the cell dies. The density of ionisations increases when the energy of the incoming photon decreases so it is expected that low energy photons will have a higher efficiency at killing cells and so a higher Relative Biological Effect than high energy photons. To study that subject, one must reduce the volume of matter considered during energy deposition events to reach the sizes relevant for cells, micron or even nanometre volumes. That is why the part of radiation physics dealing with that problem is called microdosimetry. The second part of this work is dedicated to a theoretical microdosimetric study of these low energy photon sources using the microdosimetric functions for volumes of 1µm and a cluster analysis study for nanometric volumes. The two types of studies show that the photons of 20-30 keV are effectively more biologically efficient than high energy photons. The microdosimetric results give a ratio of the relative to Co-60 of 2.6 for Pd-103 and 2.2 for I-125, which is concordant with the experimental values published by Wuu et al. (1996). The cluster analysis also shows that the electrons generated by photons of 20-30 keV produce more high order clusters than electrons of 300 keV. The mean cluster order for clusters of 10 nm is 3.0 for Pd-103 and is 3.3 for I-125 compared to 2.1 for electrons of 300 keV. In this case, I-125 shows a higher mean cluster order, which is related to a potentially higher biological efficiency. This is explained by the fact that I-125 photons interact with a probability of 51% by Compton Effect, when that probability decreases to 27% for Pd-103. Compton interactions generate a high number of very low electrons that deposit their energy very locally with a very high density of ionisations. More radiobiological studies are needed to determine which volume site is more relevant and therefore which kind of study better reflects the reality. / Le cadre général de ce travail est l'utilisation de sources scellées de photons de basse énergie en curiethérapie. Nous avons travaillé en particulier avec deux isotopes : I-125 (énergie moyenne de 27 keV) et le Pd-103 (énergie moyenne de 21 keV). Les sources scellées se présentent sous la forme de grains cylindriques de 4.5 mm de long et 0.8 mm de rayon. Bien que les dimensions externes soient standards, la configuration interne peut être extrêmement différente d'un modèle à l'autre vu que les fabricants essaient d'améliorer les caractéristiques dosimétriques de leurs sources. Ces isotopes sont utilisés comme implants permanents pour les tumeurs de la prostate mais peuvent aussi être utilisés dans le traitement des tumeurs ophtalmiques. Comparés aux sources de plus haute énergie, ils offrent l'avantage physique d'une manipulation plus facile du point de vue de la radioprotection et d'une réduction de la dose aux tissus sains avoisinants. Lors d'un traitement clinique, il est important de pouvoir rapporter précisément certains paramètres qui peuvent avoir un impact sur les résultats du traitement pour le patient. Ces paramètres sont par exemple la dose prescrite, les doses à différents organes, le degré d'uniformité atteint sur le volume cible ou certaines information dose-volume. Les systèmes de calcul de dose pour la curiethérapie permettent également de mieux en mieux de conformer le traitement à l'anatomie du patient, comme en radiothérapie externe. Dans le cas des tumeurs de la prostate, il est possible depuis quelques années de vérifier la position des sources et de calculer les distributions de dose en temps réel lors de l'implantation grâce à l'utilisation d'une sonde ultrason. Il est clair que pour arriver à une bonne précision lors du traitement lui-même, il est indispensable de connaître les caractéristiques dosimétriques des sources avec un maximum de précision. Vu que, à ces basses énergies, les caractéristiques dosimétriques sont très dépendantes de la structure interne de sources, cela implique une étude minutieuse et complète de chaque nouveau modèle de grain mis sur le marché. Ceci forme le cadre de la première partie de ce travail qui est la détermination des caractéristiques dosimétriques de deux nouveaux modèles de grains produits par la compagnie IBt. Cette détermination a été réalisée grâce à l'utilisation de détecteurs thermoluminescents et de calculs de Monte Carlo avec deux codes : MCNP4C et EGSnrc. La comparaison de ces deux codes avec les mesures a permit de mettre en évidence la nécessité d'utiliser des bibliothèques de sections efficaces récentes lors des calculs et de prendre en compte la présence des détecteurs lors des mesures. Cependant, la dosimétrie est seulement une partie du problème de l'étude des sources de basse énergie utilisée en radiothérapie. Les milieux irradiés sont des tissus vivants complexes, composés de plusieurs sous-structures sur lesquelles les radiations n'ont pas toujours le même effet. Il est maintenant largement accepté que la partie la plus radiosensible d'une cellule vivante est la molécule d'ADN. Lorsque des photons interagissent avec la matière, ils produisent des électrons qui eux-mêmes déposent leur énergie sous forme d'ionisation et d'excitations des atomes. Ces ionisations, si elles se passent à proximité ou dans la molécule d'ADN, peuvent endommager celle-ci. Cette structure peut supporter une certaine quantité de dommages tout en restant fonctionnelle grâce à des mécanismes de réparation, mais ces mécanismes connaissent des limitations dans la manière dont ils peuvent gérer les cassures multiples des brins d'ADN. Si ces cassures sont trop proches dans le temps et l'espace, la réparation n'est plus possible et la cellule meurt. La densité d'ionisation augmente lorsque l'énergie du photon décroît. Il est donc attendu que les photons de basse énergie auront un efficacité accrue pour tuer les cellules et donc une plus haute Efficacité Biologique Relative que les photons de haute énergie. Pour étudier cet effet, il faut réduire le volume de matière considéré lors des évènements responsables du dépôt d'énergie afin d'atteindre des dimensions d'un ordre représentatif pour les cellules, microns ou même nanomètres. C'est pourquoi la partie de la physique des radiations dédiée à ce problème est appelée microdosimétrie. La seconde partie de ce travail est dédiée à une étude microdosimétrique théorique des ces sources de photons de basse énergie utilisant le concept de fonctions microdosimétriques pour des volumes de 1 µm et une analyse de cluster pour des volumes de l'ordre du nanomètre. Les deux types d'étude montrent que les photons de 20-30 keV sont effectivement plus efficaces radiobiologiquement que les photons de hautes énergie. Les résultats microdosimétriques donnent un rapport de yD relatif au Co-60 de 2.6 pour le Pd-103 et de 2.2 pour l'I-125, ce qui est concordant avec les valeurs expérimentales publiées par Wuu et al. (1996). L'analyse de cluster montre aussi que les électrons générés par les photons de 20-30 keV produisent plus de clusters d'ordre élevé que les électrons de 300 keV. L'ordre de cluster moyen pour des clusters de 10 nm est de 3.0 pour le 103Pd et de 3.3 pour l'I-125 comparé à 2.1 pour des électrons de 300keV. Dans ce cas, l'I-125 montre un ordre de cluster moyen plus élevé, ce qui est lié à une efficacité biologique potentiellement plus élevée. Ceci est expliqué par le fait que les photons de l'I-125 interagissent par effet Compton avec une probabilité de 51 %, cette probabilité tombe à 27 % dans le cas du Pd-103. Les interactions Compton génèrent un grand nombre d'électrons de très basse énergie qui déposent leur énergie très localement avec une très haute densité d'ionisations. D'autres études biologiques sont nécessaires pour déterminer quel volume est plus adapté et donc quel type d'étude reflète le mieux la réalité.

Dans les milieux ionisés existe un grand nombre d’espèces chimiques. Beaucoup sont en quantité minoritaire mais jouent pourtant, par leur grande réactivité, un rôle essentiel dans les processus de transformation chimique. Cette étude s’intéresse à la structure et à la dynamique des ions moléculaires, ainsi qu’aux collisions réactives pour des systèmes intervenant dans les atmosphères planétaires et dans le milieu interstellaire, comme les réactions mettant en jeu le monoxyde de carbone. Des modélisations numériques sont nécessaires à la préparation des expériences de fusion thermonucléaire. Enrichis par les résultats expérimentaux, concernant les ions d’hydrocarbures tels que le méthane, ils fournissent une aide pour l'interprétation des phénomènes observés dans les tokamaks. L’identification des réactions physiques à l’origine de la présence de particules dans le plasma est une étape importante afin de comprendre les environnements ionisés. Les systèmes examinés à Louvain-la-Neuve sont donc choisis pour leur intérêt immédiat en astrophysique ou en physique des plasmas. Alors que la connaissance des processus d'ionisation par impact d'électrons d’espèces atomiques ou ioniques simples est bien établie, ce n’est pas encore le cas lorsque la cible primaire est un ion moléculaire. L'existence d'au moins un degré de liberté supplémentaire rend possible la dissociation de l'ion moléculaire initial en plusieurs fragments, une partie de l’énergie potentielle est alors transférée sous forme d’énergie cinétique aux produits. En conséquence, ceux-ci sont généralement distribués dans de larges gammes angulaire et énergétique. L’analyse fine des distributions permet d’étudier les détails de la collision électronique. L’expérience a pour thématique majeure la mesure des sections efficaces absolues en fonction de l’énergie des électrons projectiles incidents, pour des réactions impliquant des espèces ioniques polyatomiques. L’observation des seuils de réaction et de l’énergie cinétique des fragments permet de déterminer la zone de Franck-Condon accessible et les états moléculaires impliqués dans les processus considérés. Les travaux réalisés au laboratoire ont démontré que l'appareillage existant est bien approprié à ce type d’étude. A un niveau plus fondamental, l’examen comparatif minutieux des présentes mesures, des résultats issus d’autres expériences et des prédictions des formalismes semi-empiriques, permet d’améliorer la connaissance des phénomènes collisionnels.

Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires.

Les systèmes électroniques, évoluant dans les environnements spatial et terrestre, sont soumis à un flux de particules d'origine naturelle pouvant induire des dysfonctionnements. Ces particules ont la faculté de provoquer des aléas logiques (SEU) dans les mémoires SRAM. Bien que non destructifs, les SEU peuvent avoir des conséquences sur la sûreté de fonctionnement des équipements dans les applications nécessitant une grande fiabilité (avion, satellite, lanceur, médical, etc.). L'évaluation de la sensibilité de la technologie d'un composant est donc nécessaire afin de prédire la fiabilité d'un système. En environnement atmosphérique, cette sensibilité aux SEU est principalement causée par les ions secondaires issus des réactions nucléaires entre les neutrons et les atomes du composant. En environnement spatial, les protons de forte énergie induisent les mêmes effets que les neutrons de l'environnement atmosphérique.<br />Dans ce travail de recherche, un nouveau code de prédiction du taux de SEU a été développé (MC-DASIE) afin de pouvoir quantifier la sensibilité pour un environnement donné et explorer les mécanismes de défaillances en fonction de la technologie. Ce code permet d'étudier différentes technologies de mémoires SRAM (Bulk et SOI) en environnement neutronique et protonique entre 1 MeV et 1 GeV. Ainsi, MC-DASIE a été utilisé avec l'aide d'expérimentations pour étudier l'effet de l'intégration sur la sensibilité des mémoires en environnement terrestre, une comparaison entre les irradiations neutroniques et protoniques et l'influence de la modélisation du composant cible sur le calcul du taux de SEU.

Dans une première partie, certaines caractéristiques de la propagation<br />d'un électron dans des systèmes désordonnés sont étudiées au moyen<br />d'un développement perturbatif utilisant la série de Watson.<br />L'utilisation de potentiels de taille finie répartis de façon<br />aléatoire pour modéliser le désordre nécessite l'introduction de<br />matrices de diffusion hors couche d'énergie, qui permettent ensuite de<br />calculer analytiquement chaque élément de la série de Watson. Des<br />corrections au libre parcours moyen élastique de Boltzmann, en<br />dimensions 2 et 3, sont obtenues à l'aide de la moyenne d'ensemble du<br />propagateur de l'électron. La taille du diffuseur y joue un rôle<br />important.<br /><br />La resommation exacte de la série de Watson sous forme matricielle<br />permet une étude numérique de la section efficace totale de diffusion<br />du système désordonné. Celle-ci montre un comportement inattendu lors<br />du passage du régime balistique au régime diffusif.<br /><br />La deuxième partie concerne le transport d'électrons en interaction<br />dans les systèmes désordonnés. Le désordre y est modélisé par un<br />champ d'impuretés statiques. L'utilisation d'outils de la théorie des<br />champs permet d'envisager une approche non perturbative de ces<br />systèmes désordonnés dans lesquels l'interaction entre électrons peut<br />être à l'origine d'une transition entre le régime métallique et le régime<br />isolant.<br /><br />Une nouvelle approche s'inspirant du groupe de renormalisation est<br />ensuite appliquée au calcul d'équations de flot décrivant l'évolution<br />des constantes de couplage d'un système d'électrons en interaction.<br />L'approximation à l'ordre d'une boucle permet de vérifier que ces<br />équations de flot conduisent aux résultats donnés par la théorie des<br />perturbations (RPA).

Celà fait maintenant presque 50 ans qu'on a découvert que la section efficace totale proton-proton augmentait avec l'énergie, alors qu'on pensait précédemment qu'elle deviendrait asymptotiquement constante. Les incertitudes des mesures sur les rayons cosmiques effectuées à haute énergie ne permettent pas de déterminer la forme exacte de l'augmentation de la section efficace avec l'énergie.Le LHC au CERN à Genève fournit des collisions avec une énergie jamais atteinte dans un accélérateur de particule. L'énergie dans le centre de masse était 7 TeV en 2010 - 2011, 8 TeV en 2012 et atteindra 14 TeV dans un futur proche. Le détecteur ATLAS installé sur un des quatre points d'interaction du LHC, est utilisé pour collecter le résultat des collisions proton-proton. Son sous-détecteur ALFA, situé à 240 m du point d'interaction, est utilisé pour détecter les proton résultant des collisions élastiques. ALFA est donc capable, dans certaines conditions particulières de l'optique, de mesurer la section efficace totale et la pente nucléaire.Le travail effectué durant cette thèse a permit de mesurer σtot = 94.88 ± 0.12 stat ± 1.56syst mb et b = 19.45 ± 0.05stat ± 0.31syst GeV-2 à 7 TeV.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale par spectroscopie de photoluminescence de nanotubes de carbone nus et fonctionnalisés. Les nanotubes étant formés exclusivement d'atomes de surface, leurs propriétés optiques peuvent être grandement altérées, mais aussi contrôlées, par interaction avec l'environnement physico-chimique. Un dispositif de microscopie confocale à l'échelle de l'objet unique et à température cryogénique est développé pour l'étude de la luminescence de nanotubes déposés sur substrat. La variété des profils spectraux observés est interprétée en terme d'un couplage entre excitons localisés et phonons acoustiques unidimensionnels dont le spectre peut être altéré aux basses énergies. Ce mécanisme explique notamment l'observation originale de raies très fines, de largeur inférieure à 500 µeV. La fonctionnalisation non-covalente des nanotubes par des molécules de colorants (porphyrines) introduit une nouvelle voie d'excitation optique par un transfert d'énergie très efficace. Le suivi physico-chimique de la réaction d'adsorption nous informe sur la couverture et l'affinité des molécules sur les nanotubes. Une étude de photoluminescence sur composés uniques résolue en polarisation montre une forte anisotropie du transfert d'énergie gouvernée par des effets d'antenne à proximité du nanotube. Enfin, le colorant peut être utilisé comme cellule d'absorption de référence pour évaluer la section efficace d'absorption des nanotubes. Une nette évolution avec l'angle chiral de l'espèce est notamment observée pour l'absorption à la résonance optique S22.

Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d'un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d'une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d'onde d'excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l'observation de la saturation en régime d'éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l'accroissement du signal de détachement produit lors de l'éclairement d'un jet d'ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d'interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm - longueur d'onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres - en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S'asservir sur l'une de ces résonances permettrait d'augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l'étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l'atome neutre est laissé dans un terme excité.

La réponse d'un détecteur de neutrons varie avec l'énergie du neutron incident. La détermination expérimentale de cette variation se réalise au moyen de champs neutroniques monoénergétiques. Ceux-ci sont produits par l'interaction entre un faisceau d'ions accélérés et une cible fine constituée d'un dépôt réactif sur un support métallique. En utilisant différentes réactions telles que 7Li(p,n), 3H(p,n), 2H(d,n) et 3H(d,n), il est possible de produire des neutrons entre 120 keV et 20 MeV dans la direction du faisceau incident (0°).Pour atteindre des énergies inférieures, il est possible d'augmenter l'angle du point de mesure par rapport à la direction du faisceau d'ions. Cependant, cette méthode présente des problèmes d'homogénéité en énergie et en fluence des neutrons à la surface du détecteur, ainsi qu'une augmentation de la proportion de neutrons diffusés. Une alternative est l'utilisation d'autres réactions nucléaires, notamment la réaction 45Sc(p,n) qui permet de descendre jusqu'à des énergies de 8 keV à 0°.Une étude complète de cette réaction et de sa section efficace a été menée au sein d'une coopération scientifique entre le laboratoire de métrologie et de dosimétrie des neutrons (LMDN) de l'IRSN, deux instituts de métrologie européens, le NPL (National Physical Laboratory, RU) et le PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, All), et l'IRMM (Institute for Reference Materials and Measurements, CEE). Parallèlement, d'autres réactions envisageables ont été étudiées : 65Cu(p,n), 51V(p,n), 57Fe(p,n), 49Ti(p,n), 53Cr(p,n) et 37Cl(p,n). Elles ont été comparées en termes d'émission neutronique et d'énergie minimale des neutrons produits.