Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le contrôle tumoral en radiothérapie nécessite une exposition des cellules cancéreuses au rayonnement ionisant tout en limitant l'exposition des cellules saines pour minimiser les effets secondaires indésirables. Pour atteindre cet objectif, des techniques sophistiquées telles que l'IMRT, le VMAT, le SRS et le SBRT ont été développées, utilisant plusieurs champs d'irradiation de forme variable et de petites tailles. Le succès de ces techniques repose sur la caractérisation des petits champs, pour lesquels il n'existe pas encore de norme établie quant au type de dosimètre à utiliser. En effet, aucun des dosimètres couramment utilisés en radiothérapie ne permet de mesurer la dose avec une précision inférieure à 2 % pour ces champs de petite taille. De façon générale, ce sont les détecteurs ayant une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection qui performent le mieux pour la dosimétrie des petits champs. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle génération de calorimètres multi-point spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie possédant à la fois une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection. Ces calorimètres utilisent une fibre optique à réseaux de Bragg comme thermomètre, permettant des mesures de haute résolution pour les petits champs de traitement. Cette thèse se divise en 4 volets distincts, soit la caractérisation et la maximisation du changement de longueur d'onde de Bragg produit par la radiation ; la caractérisation des mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg induit par la radiation ; la correction de la dépendance aux variations de température ambiante et finalement, la conception d'un dosimètre multi-point utilisant une fibre optique à réseaux de Bragg ayant une résolution spatiale adaptée à la dosimétrie standard et à la dosimétrie des petits champs. D'abord, la caractérisation a permis de déterminer que, pour une fibre à réseau de Bragg recouverte de polymère, la longueur d'onde de Bragg varie linéairement avec la dose et cette variation est indépendante du débit de dose (2.8-11.6 Gy/min) et de l'énergie du faisceau de photons ou d'électrons (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Les facteurs permettant de maximiser cette variation de longueur d'onde et de diminuer le bruit de mesure ont ensuite été identifiés. Le type de revêtement a été identifiée comme étant un paramètre important pour maximiser le signal, plus particulièrement ses propriété thermiques (coefficient d'expansion thermique, capacité thermique massique), son module de Young et sa solidité d'adhésion ainsi que le type de colle maximisant cette dernière. La taille du revêtement et de la fibre optique contribuent également à l'optimisation du détecteur. L'optimisation des paramètres de réseaux ont également permis de minimiser le bruit de mesure. En ce qui concerne les mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg, il a d'abord été déterminé que la réponse du détecteur est indépendante du dopage du cœur de la fibre et provient du revêtement de polymère puisque sans ce dernier, aucun signal n'est mesuré. Il a ensuite été démontré que le détecteur développé est un calorimètre et non un détecteur de défauts radio-induits, contrairement aux dosimètres à réseaux de Bragg généralement utilisés dans le secteur de l'énergie nucléaire. Cette démonstration est réalisée en validant un modèle théorique basé sur la théorie des calorimètres et en confirmant le comportement thermique suite à une irradiation à l'aide de simulations thermiques. Quatre techniques ont été comparées afin de corriger la dépendance aux variations de température ambiante, dont la technique standard utilisée en calorimétrie ainsi qu'une nouvelle technique de gradient de température interpolé pour effectuer une dosimétrie multi-point. Cette dernière technique se révèle la plus performante tout en permettant une correction de température en temps réel, réduisant les erreurs de mesure de 200% à environ 10% pour une irradiation de 20 Gy. Deux prototypes ont été développés : un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie standard et un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie des petits champs. Le premier détecteur est composé de vingt (20) réseaux d'environ 4 mm de long répartis sur 20 cm fixé à une plaque de PMMA de 5.5 x 107.5 x 205 mm³ permettant d'obtenir une erreur statistique de 0.03 pm sur les points de données limitant ainsi la dose détectable à 0.4 Gy. Le second détecteur se compose d'un fibre optique de 80 µm contenant trente (30) réseaux d'environ 1 mm de long fixés à l'intérieur d'un cylindre de PMMA de 0.63 cm de diamètre sur une longueur de 30 cm permettant d'obtenir la même erreur statistique et la même dose détectable que précédemment. Ce dernier prototype a également permis de mesurer un profil de dose d'un faisceau de 2 x 2 cm² ayant une énergie de 6 MV avec une différence relative moyenne de 1.8% (en excluant la région de pénombre) pour une irradiation de 12.37 Gy. Ainsi la thèse présente le premier calorimètre multi-point à réseaux de Bragg spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie. Ce type de détecteur pourrait s'avérer extrêmement bénéfique pour la dosimétrie des petits champs, et présenter également un fort potentiel pour des applications en IRM-LINAC et en radiothérapie FLASH, compte tenu de la grande résistance des fibres de silice aux radiations. / Radiotherapy relies on precise control of tumor exposure to ionizing radiation while limiting the dose to healthy tissues to minimize undesirable side effects. Sophisticated techniques such as IMRT, VMAT, SRS, and SBRT have been developed, utilizing multiple small and variableshaped radiation fields. The success of these techniques depends on the characterization of small fields, for which no standard dosimeter has been established. Commonly used dosimeters in radiotherapy do not provide dose measurements with accuracy below 2% for small fields. Generally, dosimeters with near water-equivalence and small detection volumes perform best for small-field dosimetry. This thesis focuses on developing a new generation of multi-point calorimeters specifically adapted to the dosimetry of small fields in radiotherapy, possessing both water dosimetric equivalence and a small detection volume. These calorimeters use fiber Bragg gratings as thermometers, enabling high-resolution dose measurements for small fields radiotherapy treatments. The thesis comprises four distinct aspects : characterizing and maximizing the Bragg wavelength change induced by radiation ; understanding the mechanisms causing the Bragg wavelength shift ; compensating for ambient temperature variations ; and designing a multipoint dosimeter using gratings with a suitable spatial resolution for standard and small field dosimetry. The characterization revealed that the Bragg wavelength of a polymer-embedded fiber Bragg grating varies linearly with the dose and this variation is independent of the dose rate (2.8-11.6 Gy/min) and the beam energy (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Factors optimizing this wavelength variation and reducing measurement noise were identified. The type of coating, particularly its thermal properties (thermal expansion coefficient, specific heat capacity), Young's modulus, and adhesive strength play a critical role in maximizing the signal. Additionally, optimizing the fiber and coating sizes contributes to detector optimization. The optimization of gratings parameters also allowed the minimization of measurement noise. Regarding the mechanisms leading to a Bragg wavelength shift, it was first determined that the detector's response is independent of the fiber core doping and originates from the polymer coating since no signal is measured without it. The developed detector was confirmed to be a calorimeter, rather than a radiation-induced defect detector like conventional fiber Bragg gratings dosimeters used in the nuclear industry. This was demonstrated by validating a theoretical model based on calorimeter theory and confirming the thermal behavior through thermal simulations after irradiation. Four temperature compensation techniques were compared to correct ambient temperature variations, including standard calorimetric techniques and a new interpolated temperature gradient technique for multi-point dosimetry. The interpolated technique proved most effective, providing real-time temperature correction and reducing measurement errors from 200% to approximately 10% for a 20 Gy irradiation. Two prototypes were developed : one with spatial resolution optimized for standard dosimetry and the other with spatial resolution optimized for small-field dosimetry. The first detector consists of twenty (20) gratings, each approximately 4 mm long, distributed over 20 cm and attached to a PMMA plate measuring 5.5 x 107.5 x 205 mm³ , achieving a statistical error of 0.03 pm on data points, limiting the detectable dose to 0.4 Gy. The second detector comprises a 80 µm optical fiber containing thirty (30) gratings, each approximately 1 mm long, fixed inside a PMMA cylinder measuring 0.63 cm in diameter and 30 cm in length, allowing for the same statistical error and detectable dose as the previous one. This latter prototype also enabled the measurement of a dose profile for a 2 x 2 cm² beam with a 6 MV energy, showing a mean relative difference of 1.8% (excluding the penumbra region) for an irradiation of 12.37 Gy.

Parmi les techniques de détection de rayonnement, les détecteurs optiques occupent une place importante et apportent des réponses aux exigences des expériences de physique et d'astrophysique. Je traiterai plus particulièrement dans mon exposé des techniques de détection basées sur l'émission Čerenkov ou la scintillation dans les matériaux inorganiques transparents, en les illustrant par les recherches, développements et réalisations. Les aspects de science des matériaux, d'optique, en particulier les problèmes causés par les radiations, les techniques expérimentales utilisées, les développements réalisés en matière de simulation numérique et de modélisation, et bien entendu les expériences de physique en cours ou projetées seront abordés. Je terminerai par quelques perspectives d'utilisation des cristaux scintillants dans les calorimètres hadroniques du futur.

L'expérience de diffusion Compton profondément virtuelle sur le proton (DVCS) du Hall A a pris le faisceau d'électrons de 5,757 GeV polarisé du Jefferson Laboratory de septembre à décembre 2004. Elle a utilisé un spectromètre à haute résolution associé à un calorimètre électromagnétique en fluorure de plomb et à un détecteur de protons tous deux spécialement conçus pour fonctionner à une haute luminosité de 10 puissance 37cm puissance-2s puissance-1 permettant de signer les évènements exclusifs sans ambiguïté. Trois mesures ont été effectuées à x indice bjorken=0.32 constant pour 3 valeurs de Q puissance2 : 1.5 GeV carré, 1.91GeV carré, 2.32 GeV carré. Une électronique dédiée a aussi été mise en place permettant de résoudre l'empilement plus tard à l'analyse ainsi qu'un module de coïncidence électron-photon. Les données de la cinématique à 2.32 GeV carré et s=5.6 GeV carré ont permis d'extraire un résultat préliminaire pour la section efficace d'électrproduction exclusive de pi0 sur le proton

L'objectif de ce travail de thèse est de démontrer le potentiel des calorimètres métalliques magnétiques pour la spectrométrie bêta via une mesure du spectre du 63-Ni. Ce nucléide fait partie des émetteurs bêta pour lesquels la théorie est connue et les calculs crédibles. Nous proposons une méthode d'observation expérimentale du spectre, à basse énergie surtout, permettant de valider les calculs théoriques.Un traitement des données spécifique à l'établissement d'un spectre continu a été établi et optimisé, prenant en compte les paramètres d'une mesure cryogénique avec un calorimètre métallique magnétique et les exigences de la spectrométrie bêta.Deux types de sources ont été réalisés, un dépôt sous forme de sel de nickel à partir d'une goutte séchée de solution de NiCl2 et un dépôt métallique de nickel issu d'une électrodéposition. Les sources électrodéposées se sont révélées être le type de source adéquate pour la spectrométrie du 63-Ni.Les performances des calorimètres métalliques magnétiques, parmi lesquelles le fort rendement de détection ou le faible seuil en énergie, permettent d'obtenir des résultats suffisamment précis pour la validation expérimentale des calculs théoriques.

ATLAS est l'une des quatre expériences installées au CERN, dans le cadre du projet LHC (Large Hadron Collider). Ce document présente une étude de la calibration des photomultiplicateurs (PM) du calorimètre hadronique d'ATLAS avec un système laser et une analyse de la réponse en énergie des calorimètres d'ATLAS à des pions chargés d'énergie comprise entre 3 et 250 GeV. L'étude débute par la description de la calibration des PM du calorimètre hadronique. Les résultats produits à l'issue de l'analyse ont démontré que le système est très performant. L'analyse de la réponse des calorimètres est divisée en deux parties. On s'intéresse à la réponse des calorimètres aux pions des hautes énergies. L'étude se termine avec l'analyse de la réponse basse énergie (3-9 GeV)

Le LHC a commencé, dès le mois de Novembre 2009, à prendre des données. Cela initie une nouvelle ère de découverte pour la physique des particules. Le détecteur CMS est une des expériences principales de physique présente au LHC. Un des buts de cette expérience est la recherche du boson de Higgs, pouvant être à l'origine de la brisure de symétrie électrofaible. Après un replacement de la place du LHC et de CMS au sein de la physique des particules d'aujourd'hui, je présenterai alors l'ensemble de la chaîne permettant de passer de l'évènement physique aux analyses finales permettant d'extraire, des particules reconstruites, les informations permettant, à terme, la découverte de nouvelles particules telles que le boson de Higgs. Une première partie de mes travaux a porté sur la mesure et le suivi des rapports de gains de l'électronique d'acquisition, permettant de mesurer de manière précise l'énergie des photons sur toute la gamme d'énergie accessible (35 MeV  1.7 TeV). Mes travaux ont alors concernés la vérification de la validité des méthodes de calibration des cartes d'acquisition VFE au sein du détecteur. Une seconde partie de mes travaux à porté sur la manière dont doivent êtres générés les évènements de physique pour ne pas avoir de double-comptage entre les photons provenant de générateurs à éléments de matrices et ceux provenant de générateur à gerbe partonique. En collaboration avec des physiciens phénoménologues une méthode de véto anti double-comptage a été élaborée. Enfin, la dernière partie de mes résultats concerne la manière dont les désintégrations radiatives du boson de jauge électrofaible neutre Z° permettent, par la sélection d'une population de photons certifiés et isotopiques, d'extraire l'échelle d'énergie des photons au sein du calorimètre électromagnétique de CMS

Le LHC a commencé, dès le mois de Novembre 2009, à prendre des données. Cela initie une nouvelle ère de découverte pour la physique des particules. Le détecteur CMS est une des expériences principales de physique présente au LHC. Un des buts de cette expérience est la recherche du boson de Higgs, pouvant être à l'origine de la brisure de symétrie électrofaible. Après un replacement de la place du LHC et de CMS au sein de la physique des particules d'aujourd'hui, je présenterai alors l'ensemble de la chaîne permettant de passer de l'évènement physique aux analyses finales permettant d'extraire, des particules reconstruites, les informations permettant, à terme, la découverte de nouvelles particules telles que le boson de Higgs. Une première partie de mes travaux a porté sur la mesure et le suivi des rapports de gains de l'électronique d'acquisition, permettant de mesurer de manière précise l'énergie des photons sur toute la gamme d'énergie accessible (35 MeV  1.7 TeV). Mes travaux ont alors concernés la vérification de la validité des méthodes de calibration des cartes d'acquisition VFE au sein du détecteur. Une seconde partie de mes travaux à porté sur la manière dont doivent êtres générés les évènements de physique pour ne pas avoir de double-comptage entre les photons provenant de générateurs à éléments de matrices et ceux provenant de générateur à gerbe partonique. En collaboration avec des physiciens phénoménologues une méthode de véto anti double-comptage a été élaborée. Enfin, la dernière partie de mes résultats concerne la manière dont les désintégrations radiatives du boson de jauge électrofaible neutre Z° permettent, par la sélection d'une population de photons certifiés et isotopiques, d'extraire l'échelle d'énergie des photons au sein du calorimètre électromagnétique de CMS / The LHC has started, since november 2009 taking data. This started a new era of discovery in particle physics. The CMS detector is one of the main experiment at the LHC (CERN). One goal of this experiment is the Higgs's boson discovery, that can be related to the electroweak symmetry breaking. After a contextual replacement of the LHC and CMS within the nowdays's particle physics, I will explain the whole chain allowing to go from the physical event to the nal analysis, in order to extract the reconstructed particles and the informations allowing, at the end, the discovery of new particles like the Higgs's boson. A rst part of my works was about the measurement and the study of the acquisition electronics's gains-ratios. This work aimed to have a precise measurement of the photons energy on the whole available energy band (35 MeV -> 1.7 TeV). In particular, my works were upon the validation of the dierent calibration methods for the VFE acquisition cards within the detector. A second part of my work was about the way that one have to generate the physics events avoiding double-counting between photons coming from matrix-element generators and those coming from parton-shower algorithms. In collaboration with phenomenologists physicists, an anti-double-counting veto have been created. At last, the nal part of my results was about the way the radiative decay of the Z° neutral electroweak gauge boson allow, by the selection of certied photons, the extraction of the photons energy scale inside the electromagnetical calorimeter of CMS.

Le développement de nouvelles modalités de traitement telles que la RCMI et la radiothérapie stéréotaxique s'accompagne d'une utilisation croissante de champs d'irradiation complexes obtenus par superposition de faisceaux de petite taille ayant de multiples angles d'incidence. Ces nouvelles conditions de traitement sont très différentes des conditions de référence sur lesquelles se basent les protocoles dosimétriques internationaux. Ces travaux de thèse se proposent de réaliser des références dosimétriques pour des champs d'irradiation de dimensions inférieures à 10 x 10 cm², à savoir 4 x 4 et 2 x 2 cm². Il s'agit, dans la pratique, de comparer les coefficients d'étalonnage d'une chambre d'ionisation en termes de dose absorbée dans l'eau, pour les faisceaux de photons de 6 MV (avec et sans cône égalisateur) et de 12 MV de l'accélérateur linéaire médical du LNHB. Les références ont été déterminées à partir d'une mesure par calorimétrie graphite. Pour les mesures en champ 2 x 2 cm², un calorimètre disposant d'un absorbeur de petites dimensions a été construit. Par ailleurs, une chambre d'ionisation adaptée à cette taille de champ a été recherchée. Nous avons montré que, pour les faisceaux étudiés, le coefficient d'étalonnage de la chambre d'ionisation de référence est indépendant de la dimension du champ d'irradiation entre 10 x 10 et 2 x 2 cm², aux incertitudes près (environ 0,4 % à un écart-type).

L'objectif de ce travail de thèse est de démontrer le potentiel des calorimètres métalliques magnétiques pour la spectrométrie bêta via une mesure du spectre du 63-Ni. Ce nucléide fait partie des émetteurs bêta pour lesquels la théorie est connue et les calculs crédibles. Nous proposons une méthode d'observation expérimentale du spectre, à basse énergie surtout, permettant de valider les calculs théoriques.Un traitement des données spécifique à l'établissement d'un spectre continu a été établi et optimisé, prenant en compte les paramètres d'une mesure cryogénique avec un calorimètre métallique magnétique et les exigences de la spectrométrie bêta.Deux types de sources ont été réalisés, un dépôt sous forme de sel de nickel à partir d'une goutte séchée de solution de NiCl2 et un dépôt métallique de nickel issu d'une électrodéposition. Les sources électrodéposées se sont révélées être le type de source adéquate pour la spectrométrie du 63-Ni.Les performances des calorimètres métalliques magnétiques, parmi lesquelles le fort rendement de détection ou le faible seuil en énergie, permettent d'obtenir des résultats suffisamment précis pour la validation expérimentale des calculs théoriques. / The aim of this thesis is to demonstrate the potential of metallic magnetic calorimeters for beta spectrometry by measuring the spectrum of 63-Ni. This nuclide is one of the beta emitters for which theory is well-known and calculation reliable. We propose a method for experimental observation, especially at low energies, which allows to validate the theoretical calculation.A dedicated data analysis has been established and optimized. It takes into account the parameters of a cryogenic measurement and also the specific requirements of beta spectrometryTwo types of sources have been realized, a deposit of nickel salt from a dried drop of a solution of NiCl2 and a metallic electroplated source of Ni. The electroplated sources turn out to be the appropriate type of source for 63-Ni spectrometry.The performances of metallic magnetic calorimeters, such as high detection efficiency and low energy threshold, lead to results precise enough to validate experimentally the theory.

Le travail réalisé lors de cette thèse s’inscrit dans le projet de création d’un calorimètre électromagnétique pour le futur International Linear Collider (ILC) au sein de la collaboration CALICE. Le calorimètre est dit ultra-granulaire du fait du grand nombre de pixels de détection : environ 82 millions dans le calorimètre final complet. C’est ce nombre élevé de détecteurs à lire qui a conduit au développement de circuits intégrés dédiés à cette tâche, l’usage d’électronique classique n’étant pas possible dans ce cas du fait de contraintes dimensionnelles. Les travaux démarrent par l’étude de la puce SKIROC2, développée par le laboratoire Omega, qui est l’état de l’art de l’ASIC de lecture pour ce projet. Les performances sur carte de test et dans l’environnement du détecteur ont été mesurées, ce qui a permis de tirer certaines conclusions sur les forces et les faiblesses de SKIROC2. Après cette étude, le travail a été le développement d’un nouvel ASIC de lecture se basant sur SKIROC2. L’objectif étant de préserver les forces de SKIROC2 tout en tentant d’en corriger les faiblesses. Le nouvel ASIC a été conçu dans une technologie tout juste disponible au moment de la conception. Il a donc tout fallu redessiner en repartant de zéro. Il s’agit en cela de building blocks plus que d’un véritable ASIC de lecture. Trois structures de préamplificateurs de charge ont été testées, l’architecture générale et le fonctionnement d’un canal de lecture étant largement inspirés de SKIROC2. / This work takes place in the design project of the electromagnetic calorimeter for the future International Linear Collider (ILC) within the CALICE collaboration. The final calorimeter will be made of 82 million of PIN diodes; this is where the term “high granularity” comes from. The need for a read-out ASIC is a consequence of this high number of detectors, knowing that the dimensions of the electromagnetic calorimeter are a big constraint: the standard electronics is not an option. This work starts from an existing ASIC called SKIROC2. This state-of-the-art read-out chip has been designed by the Omega laboratory, a member of the CALICE collaboration. The performances on testboard and in the detector environment have been measured. It allowed to conclude on the advantages and drawbacks of using SKIROC2 in the calorimeter. After that the focus has been made on the design of a new read-out chip based on SKIROC2. The main goal was to preserve the good performances of SKIROC2 while trying to correct the encountered issues. This new ASIC has been developped in a newly released technology available during the design phase. Therefore the design has been started from scratch. The final chip is composed of building blocks rather than a ready-to-use read-out chip. Three charge preamplifier designs have been tested, the general architecture of a read-out channel being largely inspired by SKIROC2.