Les spectres énergétiques (sections efficaces doublement différentielles) de production de protons, deutons, tritons et particules alpha induite par des neutrons rapides sur 209Bi et natU sont présentées pour plusieurs énergies de neutrons incidents comprises entre 25 et 65 MeV. Les spectres ont été obtenus à 9 angles laboratoire entre 20° et 160° et extrapolés et interpolés à 10 autres angles afin de couvrir le domaine angulaire de 0 à 180°. Le dispositif expérimental et les procédures d'analyse des données incluant les corrections et la normalisation sont présentées et discutées. Sur base des sections efficaces doublement différentielles obtenues, les sections efficaces différentielles en énergie et en angle ainsi que les sections efficaces totales de production et les coefficients KERMA partiels associés sont également déduits. La thèse présente également des comparaisons aux rares mesures existantes dans la littérature ainsi qu'aux calculs théoriques basés sur les codes de réactions nucléaires INCL3, GNASH et TALYS. Tandis que l'INCL3 se base sur la cascade intranucléaire, les deux autres codes intègrent le modèle optique et les modèles de réactions directes, de prééquilibre, de fission et de noyaux composés dans un unique schéma de calcul. Finalement, sur base de l'ensemble des résultats obtenus depuis une dizaine d'années par le groupe, une vue nouvelle des sections efficaces totales de production et des coefficients KERMA partiels en fonction de la masse de la cible est proposée.

Les spectres énergétiques (sections efficaces doublement différentielles) de production de protons, deutons, tritons et particules alpha induite par des neutrons rapides sur 209Bi et natU sont présentées pour plusieurs énergies de neutrons incidents comprises entre 25 et 65 MeV. Les spectres ont été obtenus à 9 angles laboratoire entre 20° et 160° et extrapolés et interpolés à 10 autres angles afin de couvrir le domaine angulaire de 0 à 180°. Le dispositif expérimental et les procédures d'analyse des données incluant les corrections et la normalisation sont présentées et discutées. Sur base des sections efficaces doublement différentielles obtenues, les sections efficaces différentielles en énergie et en angle ainsi que les sections efficaces totales de production et les coefficients KERMA partiels associés sont également déduits. La thèse présente également des comparaisons aux rares mesures existantes dans la littérature ainsi qu'aux calculs théoriques basés sur les codes de réactions nucléaires INCL3, GNASH et TALYS. Tandis que l'INCL3 se base sur la cascade intranucléaire, les deux autres codes intègrent le modèle optique et les modèles de réactions directes, de prééquilibre, de fission et de noyaux composés dans un unique schéma de calcul. Finalement, sur base de l'ensemble des résultats obtenus depuis une dizaine d'années par le groupe, une vue nouvelle des sections efficaces totales de production et des coefficients KERMA partiels en fonction de la masse de la cible est proposée.

La présence de surfaces solides peut modifier l'organisation et le comportement dynamique d'espèces chargées en solution. Dans ce cadre, nous étudions des systèmes chargés de complexité croissante au voisinage d'une surface d'argile par des méthodes numériques. Il convient de choisir une échelle de description appropriée selon les propriétés que l'on cherche à obtenir, tout en limitant le temps de calcul. Modéliser le transport d'ions dans un échantillon d'argile demande de décrire sa structure complexe mais également les interactions entre les particules mobiles considérées comme ponctuelles et les parois solides. Nous proposons un modèle mésoscopique composé d'un système à deux milieux dans lequel le déplacement des ions obtenu par dynamique brownienne est conditionné par la localisation de l'espèce diffusante, les coefficients de diffusion étant extraits de simulations atomiques de dynamique moléculaire. Pour des espèces chargées non ponctuelles comme un polyélectrolyte, le système peut être simplifié en construisant un modèle à gros grains qui permet d'avoir accès aux échelles de temps adaptées à la diffusion par dynamique de Langevin. Deux cas sont envisagés, avec une description explicite ou non des contre-ions, et les paramètres sont calibrés sur des simulations atomiques. En revanche, pour des molécules chargées complexes comme les nucléotides, une description tout atome est nécessaire pour tenir compte des interactions spécifiques qui émergent de la structure locale de la molécule. Les simulations de métadynamique permettent alors d'accéder aux grandeurs liées aux phénomènes « rares » comme l'adsorption des molécules sur la surface d'argile. / The presence of solid surfaces can modify the organization and the dynamics of charged species in solution with potential applications from the transport of polluants to formation of the firt biopolymers. We study charged systems with increasing complexity in the vicinity of a clay surface by numerical methods. The level of description should be adapted according to the relevant properties while limiting calculation times. Modeling the transport of ions in a clay sample requires to describe its complex structure but also the interactions between the mobile particles considered as punctual and the solid walls. We propose a mesoscopic model composed of a two-media system in which the displacement of the ions obtained by Brownian dynamics is conditioned by the localization of the diffusing species whith the diffusion coefficients being extracted from atomic simulations of molecular dynamics. For non-punctual species such as polyelectrolytes, the system can be simplified by constructing a coarse-grained model that allows to gain access to time scales adapted to diffusion phenomenon thanks to Langevin dynamics simulations. Two cases are considered, with an explicit or non-explicit description of the counter-ions, and the parameters are calibrated on atomic simulations. However, for complex charged molecules such as nucleotides, an atomic description is necessary to take into account the specific interactions emerging from the local structure of the molecule. Then, metadynamics simulations give quantities related to "rare" phenomena such as the adsorption of molecules on the surface of clay.

Dans la magnétosphère de Saturne les ceintures de radiation de protons de haute énergie (de l'ordre de quelques MeV) s'avèrent être isolées de la magnétosphère moyenne et externe, et la source de ces protons de haute énergie devraient être liée aux rayons cosmiques galactiques (GCR). Pour valider cette hypothèse il est d'abord nécessaire de détenniner le flux de GCR accédant à Saturne de manière réaliste. Auparavant, seulement des tentatives théoriques ont été effectuées afm de vérifier cette idée. Dans cette thèse, pour la première est développée nne solution numérique pour la détermination de l'accès des GCR à l'atmosphère et aux anneaux de Saturne. La méthode proposée est basée sur le traçage de particules chargées et le code a été développé spécifiquement pour la magnétosphère de Saturne. Lors de la validation de la méthode les observations de Cassini MIMI1 LEMMS acquises pendant les survols de Rbéa et de Dioné ont été modélisées à l'aide du traceur et les résultats obtenus ont été comparés aux observations. TI a été découvert que le << draping >> des lignes de champ magnétique autour de ces satellites de glace, même si il produit des perturbations locales de seulement quelques pour cent du champ magnétique ambient, peut produire des changements mesurables dans la distribution spatiale et l'énergie des flux des ions énergétiques mesurés par MIMI1 LEMMS. Ces résultats sont importants pour l'interprétation correcte des données MIMI 1 LEMMS, et offrent des fonctionnalités pour l'étalonnage croisé précis en vol des instruments. Après cette validation du traceur de particules il a été appliqué pour un calcul à rebours dans le temps des GCR accédant à Saturne. L'énergie d'accès des GCR a été obtenue, les spectres des GCR ont été reconstruits et le flux intégré de GCR autour de Saturne et de ses anneaux a été calculé. Les résultats obtenus sont essentiels pour la compréhension de la formation des ceintures de radiation de protons, ainsi que pour la future investigation du processus CRAND sur Saturne, pour l'évaluation de l'intensité de la ceinture de radiation intérieure et pour d'autres projets, discutés dans cette thèse. / The MeV proton radiation belts of Saturn are isolated from the middle and outer magnetosphere and the source of these high energy protons should be related to the access of Galactic Cosmic Rays (GCRs) in the system. To validate this hypothesis it is first of all necessary to determine the realistic spectrum of GCRs at Saturn. Previously only theoretical attempts were performed in order to calculate the GCR spectra. In this thesis I provide for the first time the numerical solution for the determination of the GCR access to the upper atmosphere and rings of Saturn. The proposed method is based on the charged particle tracing technique and a code that was developed specifically for this purpose. For the validation of the code, the Cassini MIMI/LEMMS observations during the Rhea and Dione flybys were modeled using the tracer and the obtained results were compared to the observations. It was demonstrated that even a weak perturbation of the magnetic field lines can produce measurable changes in the spatial and energy distribution of fluxes measured by MIMI/LEMMS that can be accurately simulated by particle tracing. These results are important for the correct interpretation of the MIMI/LEMMS data, and offer capabilities for a precise in-flight instruments' cross-calibration besides the validation of our simulation code. After this validation the particle tracer was applied for simulating the access of the GCRs. The GCRs access to the rings and atmosphere was obtained, the GCRs spectra were reconstructed and were in part also validated using additional Cassini observations. Dependencies of the spectral parameters on the time, incidence direction, etc., were also obtained offering all necessary information for simulating the interaction of GCRs with the Saturnian system during different phases of the Cassini mission. That includes also the Proximal orbits of 2017, during which Cassini will sample for the first time the radiation belts inside the D-ring of the planet, a region which is likely populated only by GCR secondaries.

L'étude des plasmas poussiéreux est maintenant un domaine scientifique en plein développement qui attire l'attention d’une large communauté de scientifiques. Rappelons que le plasma poussiéreux est un plasma classique avec des particules injectées ou qui s’y sont formées dont les tailles peuvent atteindre quelques micromètres. Ces particules (poussières) peuvent acquérir de très grandes charges jusqu'à 103 à 105 charges élémentaires. Dans la littérature, il est également appelé plasma à phase condensée dispersée, plasma aérosol et aussi plasma complexe. Les plasmas poussiéreux sont d’un grand intérêt à la fois sur le plan pratique afin de trouver des solutions à des problèmes industriels et sur le plan scientifique fondamental afin d’élargir nos connaissances sur les phénomènes fondamentaux de la nature ainsi que les propriétés et la structure de la matière. En raison du fait que les particules de poussière macroscopique sont visuellement distinguables, le plasma poussiéreux est un objet d’étude unique pour l'étude de certaines propriétés physiques de la matière condensée, telles que les transitions de phase, la propagation d’ondes, les phénomènes de dislocation, les processus de transport, etc…On a constaté que dans de nombreuses technologies modernes mettant en oeuvre un plasma, en raison de l'interaction du plasma avec la surface des matériaux, des particules macroscopiques sont éjectées de celles-ci dans le plasma (dont les tailles peuvent être de quelques nanomètres jusqu'à quelques dizaines de micromètres). Il en résulte ainsi la formation d’un plasma complexe. Le nom le plus commun de ce plasma est un plasma poussiéreux. Un des aspects les plus intéressants est la formation dans certaines conditions de structures ordonnées (« cristaux ou liquide coulombiens »). Toutes ces structures plasmapoussière, se formant de façon naturelle, sont une contamination indésirable qui affecte négativement les propriétés physiques et mécaniques (micro dureté, résistance à la corrosion, etc.) des matériaux et dispositifs manufacturés.L'un des problèmes scientifiques et technologiques les plus importants, à l’heure actuelle, est la réalisation de la fusion thermonucléaire contrôlée. Dans ces conditions extrêmes se forment aussi au voisinage des parois des Tokamaks des poussières qui jouent un rôle fondamental : les données expérimentales récentes montrent que la présence de poussières dans le plasma peut affecter le temps global de confinement du plasma. L'utilisation du plasma poussiéreux dans la production de matériaux composites, à haute valeur ajoutée, est un nouveau champ d'applications. On peut citer à titre d’exemples, le traitement de surface de petites particules sphériques avec des revêtements, d’épaisseur nanométrique, déposés par plasma. Afin d'étudier les mécanismes de formation de particules homogènes ayant des propriétés désirées et une production stable, il est nécessaire de trouver les conditions optimales de production. Ainsi, l'étude des propriétés des plasmas poussiéreux et leurs diagnostics sont des tâches très importantes, à la fois pour les connaissances scientifiques fondamentales et que pour les aspects appliqués. / The study of the dusty plasma is now a developing scientific field, attracting the attention of scientists. Recall that the dusty plasma is conventional plasma with inserted or formed therein particles of condensed matter of microns sizes, the size of these particulates (dusts) can acquire very large charges up to 3 5 10 ¸10 of the elementary charges. In the literature, it is also named as plasma with a condensed dispersed phase, aerosol plasma. Dusty plasma is of interest both for the solution of the applied problems, and to expand our knowledge of the fundamental phenomena in nature, properties and structure of matter. Due to the fact that the macroscopic dust are visually distinguishable the dispersed plasma is unique comfort object for the study of some physical properties of condensed matter, such as phase transitions, transport processes, etc.It was found that in many modern plasma technologies, due to the interaction of the plasma with the material surfaces macroscopic particles from the material fall into the plasma (sizes are from micron fractions up to a few hundred microns). As result complex plasma is formed. The most common name of this plasma is dusty plasma. An interesting fact is that the dusty plasma forms under certain conditions the ordered structures ("plasma crystal", clouds, droplets). All of these plasma- dust structures are naturally occurring undesirable contamination and negatively affect on the physical and mechanical properties (microhardness, corrosion resistance, etc.) of the constructional materials.One of the most important scientific and technological problems is the realization of the controlled thermonuclear fusion. Formed in the wall region of the Tokamak dusty plasma can play a big role: recent experimental data show that the presence of dust in the plasma can affect the global energy confinement time. The use of the dusty plasma in the production of high composite materials is new field of application, for example, small spherical particles with nanocoating deposited in the plasma. In order to study formation of a homogeneous powder of the dust particles with desired properties and stability of its production, it is necessary to find the optimal conditions and time of production. Thus, the study of dusty plasma properties, their diagnostics are very important tasks, both from the scientific and applied aspects.

Le spin électronique dans les semi-conducteurs fait actuellement l'objet de nombreuses investigations. Il pourrait en effet constituer, en tant que système quantique à 2 niveaux, l'élément de base d'un futur ordinateur quantique: un quantum-bit. Une des limites physiques d'un tel ordinateur provient en premier lieu de la décohérence de la superposition des états up et down de ce quantum-bit. La problématique est donc d'obtenir un système dans lequel ce temps de cohérence soit suffisamment long pour permettre de futures manipulations quantiques. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semi-conductrices chargées avec un seul électron se présentent comme des candidats prometteurs. Ces systèmes, de part leur dimensions nanométriques, ont en effet la propriété de posséder une structure électronique discrétisée, ce qui supprime les principaux mécanismes responsables de la relaxation du spin. Ce travail de thèse tend donc à déterminer le temps de relaxation du spin dans une boîte.

Malgré de récentes avancées, les traitements par radiothérapie (RT) demeurent insatisfaisants : la tolérance des tissus sains aux rayonnements limite la délivrance de fortes doses (potentiellement curatives) à la tumeur. Pour remédier à ce problème, de nouvelles approches basées sur des modes de dépôt de dose innovants sont aujourd’hui à l’étude. Parmi ces approches, la technique synchrotron “Minibeam Radiation Therapy” (MBRT) a démontré sa capacité à élever la résistance des tissus sains aux rayonnements, ainsi qu’à induire un important retard de croissance tumorale. La MBRT combine des faisceaux submillimétriques à un fractionnement spatial de la dose. Dans ce contexte, l’alliance de la balistique plus avantageuse des particules chargées (et leur sélectivité biologique) à la préservation des tissus sains observée en MBRT permettrait de préserver d’avantage les tissus sains. Cette stratégie innovante a été explorée durant ce travail de thèse. Deux voies ont notamment été étudiées: la MBRT par faisceaux de protons (pMBRT), et d’ions très lourds. Premièrement, la preuve de concept expérimentale de la pMBRT a été réalisée dans un centre clinique (Institut Curie, Centre de Protonthérapie d’Orsay). De plus, l'évaluation de potentielles optimisations de la pMBRT, à la fois en terme de configuration d’irradiation et de génération des minifaisceaux, a été menée dans une étude Monte Carlo (MC). Dans la seconde partie de ce travail, un nouvel usage potentiel des ions très lourds (néon et plus lourds) en radiothérapie a été évalué dans une étude MC. Les combiner à un fractionnement spatial permettrait de tirer profit de leur efficacité dans le traitement de tumeurs radiorésistantes (hypoxiques), un des principaux défis de la RT, tout en minimisant leurs effets secondaires. Les résultats obtenus au terme de ce travail sont favorables à une exploration approfondie de ces deux approches innovantes. Les données dosimétriques compilées dans ce manuscrit serviront à guider prochaines les expérimentations biologiques. / Despite recent breakthroughs, radiotherapy (RT) treatments remain unsatisfactory : the tolerance of normal tissues to radiations still limits the possibility of delivering high (potentially curative) doses in the tumour. To overcome these difficulties, new RT approaches using distinct dose delivery methods are being explored. Among them, the synchrotron minibeam radiation therapy (MBRT) technique has been shown to lead to a remarkable normal tissue resistance to very high doses, and a significant tumour growth delay. MBRT allies sub-millimetric beams to a spatial fractionation of the dose. The combination of the more selective energy deposition of charged particles (and their biological selectivity) to the well-established normal tissue sparing of MBRT could lead to a further gain in normal tissue sparing. This innovative strategy was explored in this Ph.D. thesis. In particular, two new avenues were studied: proton MBRT (pMBRT) and very heavy ion MBRT. First, the experimental proof of concept of pMBRT was performed at a clinical facility (Institut Curie, Orsay, France). In addition, pMBRT setup and minibeam generation were optimised by means of Monte Carlo (MC) simulations. In the second part of this work, a potential renewed use of very heavy ions (neon and heavier) for therapy was evaluated in a MC study. Combining such ions to a spatial fractionation could allow profiting from their high efficiency in the treatment of hypoxic radioresistant tumours, one of the main challenges in RT, while reducing at maximum their side effects. The promising results obtained in this thesis support further explorations of these two novel avenues. The dosimetry knowledge acquired will serve to guide the biological experiments.

Ce travail de thèse a pour objet de contribuer à la compréhension de la déformation des assemblages combustibles REP équipés de composants en alliages de zirconium (Zy-4 ou M5). En particulier, nous nous sommes intéressés à l’accélération de croissance, corrélée à l’apparition d’un type de défaut d’irradiation : les boucles à composante <c>. Des irradiations aux particules chargées nous ont permis de reproduire ces évolutions microstructurales et d’étudier leur représentativité. La morphologie du dommage primaire n’a ainsi que peu d’impact sur la microstructure de boucles <c> tandis que le taux de création de dommage (tout comme la température) semble jouer un rôle majeur. Par ailleurs, la dose seuil pour la nucléation des boucles <c> apparaît étroitement liée à la cinétique de croissance des amas lacunaires et des germes de boucles. Cette cinétique peut être influencée par le taux de création de dommage, les éléments d’alliages, mais également la contrainte ou la présence d’hydrogène (introduit dans le matériau lors de l’oxydation en réacteur). Ce travail a ainsi exploré de manière approfondie l’effet d’une contrainte appliquée dans les domaines d’élasticité et de plasticité ainsi que l’impact de l’hydrogène absorbé sur la nucléation et la croissance des boucles <c>. Conformément au mécanisme SIPA proposé dans la littérature, nous avons observé un effet de la contrainte sur les boucles <c>. Par ailleurs, cette étude met en évidence que l’hydrogène en solution et / ou sous forme d’hydrures influence significativement la nucléation et la croissance des boucles <c>. / The aim of this PhD work is to have a better understanding of axial elongation of the PWR fuel assemblies manufactured in zirconium alloys (Zy-4 or M5). More specifically, we focused on the growth acceleration of these assemblies, clearly correlated to the nucleation of specific irradiation defects: the c-loops. Irradiations by charged particles were performed in order to reproduce the microstructure evolution and to study its representativeness. Thus, primary damage morphology has no impact on the c-loop microstructures where as the damage creation rate (like the temperature) seems to play a major role. Moreover, the nucleation dose for c-loops appears clearly correlated to the nuclei and vacancy clusters growth kinetics. This kinetics could be influenced by the damage creation rate, the alloying elements, but also by an applied stress or the hydrogen content (which can be introduced during oxidation in reactor). Thus, this work has explored the effect of an applied stress (in the elasticity or plasticity domain) and the impact of the hydrogen pick-up on the nucleation and growth of c-loops. In accordance with the SIPA mechanism described in the literature, we observed an effect of the applied stress on the c-loop microstructures. Moreover, this study clearly shows an impact of hydrogen in solid solution and as precipitated hydrides on the nucleation and growth of c-loops.

Des métamatériaux homogénéisables à base d'éléments ferromagnétiques et électroniques sont fabriqués, mesurés et modélisés dans le domaine des hyperfréquences. Ces métamatériaux sont des composites artificiels structurés, hétérogènes et parfois multi-échelles à base d'inclusions diélectriques et métalliques, qui présentent des permittivités et des perméabilités artificielles. Dans un premier temps, l'´elaboration d'un critère intégral pour les métamatériaux chiraux permet de cerner les limites en absorption de ces composites. Dans un deuxième temps, l'étude se concentre sur les composites à perméabilité artificielle à base de boucles ou d'hélices métalliques chargées par des composants électroniques actifs ou passifs. Un modèle de perméabilité effective, fondé sur la mesure d'impédance de la charge est proposé.Les boucles peuvent être chargées par des diodes varicap. La perméabilité artificielle est alors ajustable par une tension électrique. Dans ce cas, il est possible de fabriquer un métamatériau actif à bande passante reconfigurable instantanément. Enfin, la dernière partie de cette thèse explore les réseaux de fils métalliques. En utilisant des fils ferromagnétiques, un nouveau comportement diélectrique artificiel est mis en exergue : la permittivité varie sous l'effet d'un champ magnétique. Aprs avoir mis en évidence le phénomène lors d'une étude expérimentale, la modélisation montre que la magnéto-impédance géante est à l'origine du comportement résonant en basses fréquences des réseaux de fils ferromagnétiques.

Le plasma de quarks et de gluons est un état de la matière apparaissant à haute température. En laboratoire, il est possible d'atteindre les conditions nécessaires à sa formation grâce aux collisions d'ions lourds aux énergies ultra-relativistes. L'expérience ALICE au LHC est dédiée à l'étude du plasma de quarks et de gluons grâce aux collisions Pb-Pb à 2,76 TeV. Les premiers résultats d'ALICE, presentés en annexe, ont été obtenus grâce aux rayons cosmiques. Une étude de l'évolution de l'efficacité de reconstruction du spectromètre à muons durant ses deux premières années de fonctionnement sera présentée par la suite. L'efficacité totale de reconstruction des chambres de trajectographie ainsi obtenue est de plus de 90% pour les données correspondant à des collisions proton-proton, et de 85% pour les données recueillies avec des collisions plomb-plomb. Une méthode de sélection des traces reposant sur la distribution du produit impulsion - distance d'approche minimale sera également présentée. Cette sélection permet de rejeter les traces de muons produits par des collisions entre les particules du faisceau et le gaz résiduel dans le tube faisceau, et les fausses traces dans les collisions Pb-Pb les plus centrales. Enfin, cette thèse présentera une première analyse sur le taux de production des muons simples et des J/psi en fonction de la multiplicité en particules chargées lors des collisions proton-proton.