This thesis summarizes a senior project on the Active Galactic Nucleus (AGN) Markarian 421 (Mrk 421). Observations of Gev and TeV flux with Fermi Large Area Telescope (LAT) and High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) were compared with previous reports and publications of flux analyses of the gamma-ray emission from Mrk 421. Power laws with exponential cutoffs made consistent fits to most SEDs in the GeV and TeV bands.

On s'est interesse dans ce travail a l'etude de deux equations cinetiques. La premiere est une equation cinetique quantique homogene decrivant l'effet Compton. Ce phenomene se produit lorsque les photons entrent en collision avec les electrons. Le noyau dans l'integrale de collision presente une forte singularite en l'energie nulle. Un resultat d'existence locale en temps d'une solution entropique au probleme de Cauchy est obtenu pour de petites valeurs initiales. La deuxieme est une equation de Vlasov couplee avec l'equation de Poisson. Le systeme de Vlasov-Poisson modelise les interactions entre plasma et satellite. Plus precisement, on s'interesse au phenomene de charge electrostatique d'un satellite en orbite geostationnaire. Les particules, essentiellement des ions et des electrons, sont décrites suivant une approche cinétique. On considère le cas où la dynamique des ions et des électrons obéit à une équation de Vlasov et où le potentiel est donné par l'équation de Poisson. Le but est d'etudier ce probleme dans un cadre 3D dans tout l'espace. Une methode particulaire pour la resolution de l'equation de Vlasov est couplee a une methode d'elements finis et infinis pour la partie Poisson.

AUCUN

La diffusion Compton est un moyen de produire des rayons X en réalisant des collisions entre un faisceau d'électrons relativistes et un faisceau laser. Par analogie avec le rayonnement synchrotron, le faisceau laser joue le rôle d'onduleur, ce qui entraîne les électrons dans un mouvement d'oscillation. Le rayonnement émis par les électrons en mouvement, dont certaines caractéristiques sont proches de celle du rayonnement synchrotron, peut être produit sur des machines relativement compactes. L'installation ELSA du CEA DAM DIF dispose d'un accélérateur d'électrons (17 MeV) et d'un laser (532 nm) dont les caractéristiques sont favorables à la réalisation d'une expérience de production de rayonnement X par diffusion Compton. La faible probabilité d'interaction et les petites dimensions des faisceaux (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) obligent à optimiser avec soin le recouvrement spatial et temporel des impulsions. La visualisation des deux faisceaux en simultanée se fait grâce à un biseau en aluminium renvoyant les images des deux faisceaux vers les caméras CCD et à balayage de fente. La détection du rayonnement X produit (d'énergie < 11 keV) est réalisée par des écrans radio-luminescents à mémoire. Ces écrans, très sensibles au rayonnement de basse énergie, permettent de visualiser le profil du rayonnement et de réaliser la radiométrie du signal. Ces écrans ont également été utilisés en tant que scintillateurs couplés à un photomultiplicateur pour contrôler en temps réel le rendement de l'interaction. L'analyse des résultats expérimentaux obtenus confirme les résultats des simulations.

Nous avons développé une simulation de Monte Carlo rapide pour la tomographie à émission de positons (TEP) fondée sur le code SimSET modélisant la propagation des photons gammas dans le patient et le scanner basé sur un design en blocs. La validation de ce simulateur avec un code bien validé, GATE, et des données acquises sur un scanner TEP GE Discovery STE a montré qu'il modélise précisément les spectres en énergie (erreur inférieure à 4,6%), la résolution spatiale (6,1%), la fraction de diffusé (3,5%), la sensibilité aux coïncidences primaires (2,3%) et les taux de comptage (12,7%). Nous avons ensuite développé une correction de la diffusion incorporant l'énergie des photons détectés en mode liste en plus de la distribution spatiale des coïncidences diffusées. Notre approche est basée sur une reformulation de la fonction de vraisemblance contenant l'information en énergie donnant lieu à un algorithme de reconstruction EM contenant des termes de correction de la diffusion spatiaux et énergétiques. Nous avons aussi proposé une nouvelle méthode de normalisation du sinogramme diffusé utilisant l'information en énergie. Enfin, nous avons développé une méthode d'estimation des spectres primaires et diffusés détectés dans différents secteurs du scanner TEP. Nous avons évalué notre méthode spatio-spectrale de correction de la diffusion ainsi que la méthode spatiale traditionnelle dans des simulations de Monte Carlo réalistes. Ces résultats montrent que notre approche réduit les biais de quantification de 60% dans les régions froides dans les patients obèses, donnant lieu à des erreurs de quantification inférieures à 13% même dans les patients les plus larges en mode 3D (comparé à une erreur de 65% avec la méthode conventionnelle).

Escape of photoelectrons, Compton-scattered photons and Ge X-rays from a HPGe detector was studied as a function of energy in the range 8-52 keV. A variable-energy source producing Cu, Rb, Mo, Ag, Ba, and Tb X-rays was used. All three mechanisms for energy loss were observed in the same experiment for Ba and Tb, while only X-ray and photoelectron escapes were evident in the spectra for Ag, Mo, Rb, and Cu. Spectral features and possible mechanisms for partial energy deposition were investigated. A Monte Carlo program was used to simulate the relevant interactions and to estimate the escape probabilities.

<p>&#65279;<p></p><p>Giant multipole resonances are a fundamental property of nuclei and</p><p>arise from the collective motion of the nucleons inside</p><p>the nucleus. Careful studies of these resonances and their properties provides</p><p>insight into the nature of nuclear matter and constraints</p><p>which can be used to test our theories. </p><p></p></p><p><p></p><p>An investigation of the Isovector Giant Quadrupole Resonance (IVGQR)</p><p>in ²⁰⁹Bi has been preformed using the High Intensity &gamma;-ray</p><p>Source (HI&gamma;S) facility. Intense nearly monochromatic</p><p>polarized &gamma;-rays were incident upon a ²⁰⁹Bi target producing</p><p>nuclear Compton scattered &gamma;-rays that were detected using the HI&gamma;S</p><p>NaI(Tl) Detector Array (HINDA). The HINDA array consists of six</p><p>large (10''x10'') NaI(Tl) core crystals, each surrounded by an</p><p>optically segmented 3'' thick NaI(Tl) annulus. The scattered &gamma;-rays</p><p>both parallel and perpendicular to the plane of polarization were</p><p>detected at scattering angles of 55&deg; and 125&deg; with</p><p>respect to the beam axis. This was motivated by the realization that</p><p>the term representing the interference between the electric dipole</p><p>(E1) and electric quadrupole (E2) amplitudes, which appears in the</p><p>theoretical expression for the ratio of the polarized cross sections,</p><p>has a sign difference between the forward and backward angles and also</p><p>changes sign as the incident &gamma;-ray energy is scanned over the E2</p><p>resonance energy. The ratio of cross sections perpendicular and</p><p>parallel to the plane of polarization of the incident &gamma;-ray were</p><p>measured for thirteen different incident &gamma;-ray energies between 15 and</p><p>26 MeV at these two angles and used to extract the parameters of the</p><p>IVGQR in ²⁰⁹Bi.</p><p></p></p><p><p></p><p>The polarization ratio was calculated at 55&deg; and</p><p>125&deg; using a model consisting of E1 and E2 giant resonances as</p><p>well as a modified Thomson scattering amplitude. The parameters of the E1 giant</p><p>resonance came from previous measurements of the Giant Dipole</p><p>Resonance (GDR) </p><p>in ²⁰⁹Bi. The finite size of the nucleus was</p><p>accounted for by introducing a charge form factor in the (modified)</p><p>Thomson amplitude. This form factor was obtained from</p><p>measurements of the charge density in inelastic electron scattering</p><p>experiments. </p><p></p></p><p><p></p><p>The resulting curves were fit to the data by varying the</p><p>E2 parameters until a minimum value of the &chi;² was found.</p><p>The resulting parameters from the fit yield an IVGQR in ²⁰⁹Bi</p><p>located at E_res=23.0&plusmn;0.13(stat)&plusmn;0.25(sys) MeV</p><p>with a width of &Gamma;=3.9&plusmn;0.7(stat)&plusmn;1.3(sys) MeV and a</p><p>strength of 0.56&plusmn;0.04(stat)&plusmn;0.10(sys) Isovector Giant</p><p>Quadrupole Energy Weighted Sum Rules (IVQEWSRs).</p><p></p></p><p><p></p><p>The ability to make precise measurements of the parameters of the</p><p>IVGQR demonstrated by this work opens up new challenges to both</p><p>experimental and theoretical work in nuclear structure. A detailed</p><p>search for the missing sum rule strength in the case of ²⁰⁹Bi should</p><p>be performed. In addition, a systematic study of a number of nuclei</p><p>should be studied with this technique in order to carefully examine</p><p>the A dependence of the energy, width and sum rule strength of the</p><p>IVGQR as a function of the mass number A. The unique properties of</p><p>the HI&gamma;S facility makes it the ideal laboratory at which to perform</p><p>these studies.</p><p></p></p><p><p></p><p>Such a data base will provide more stringent tests of nuclear</p><p>theory. The effective parameters of collective models can be fine</p><p>tuned to account for such precision data. This should lead to new</p><p>insights into the underlying interactions responsible for the nature</p><p>of the IVGQR. Furthermore, with the recent advances in computational</p><p>power and techniques, microscopic shell model based calculations</p><p>should be possible and could lead to new insights into the underlying</p><p>properties of nuclear matter which are responsible for the collective</p><p>behavior evidenced by the existence and properties of the IVGQR.</p><p></p></p> / Dissertation

The work presented here develops a gamma-ray spectral construction and analysis software tool that was used to analyze multi-detector data collected using a digital spectrometer with list mode capabilities. The tool was used to parse the output from three detectors and generate new spectra that the user chooses from post-processing suppression routines, such as simulated anticoincidence and coincidence spectra. Part of this research was also to characterize the improvements in the detection limits and the various detector efficiencies from this method as opposed to creating these spectra using traditional electronic gating systems. A focus is placed on the detection capability improvements for nuclear forensics purposes, particularly the identification and quantification of fission product samples, and structuring the code framework for handling these types of time-dependent samples while increasing the versatility of the detector system. Improvements to the minimum detectable activity for a series of fission products was accomplished through post-processing suppression methods and multi-dimensional spectral data structures are now achievable. / text

The nuclides present in spent nuclear fuel are categorized according to their capacity for detection by Compton suppression or gamma-gamma coincidence methods. The fifty nuclides with the highest activities in spent fuel are identified, their decay schemes analyzed, and the best detection scheme for each is recommended. / text

L'imagerie 3γ est une technique innovante d'imagerie médicale nucléaire qui est étudiée au laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (β+, γ), le 44Sc, à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide. Le lieu de désintégration de ce radioisotope est obtenu par l'intersection de la ligne de réponse, construite à partir de la détection des deux photons de 511 keV issus de l'annihilation d'un positron, et du cône déterminé à partir du troisième photon. Un prototype de petite dimension XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) a été développé afin de faire la preuve expérimentale de la faisabilité de l'imagerie à 3γ. Les résultats de ce prototype sont très promoteurs en terme de résolution en énergie, de pureté du xénon liquide et de faible bruit électronique. La simulation Monte Carlo est un outil indispensable pour accompagner la R&D et évaluer les performances de la nouvelle technique d'imagerie proposée. Les travaux rapportés dans cette thèse concernent le développement de la simulation du système d'imagerie 3γ avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). De nouvelles fonctionnalités ont été implémentées dans GATE afin de simuler un détecteur de type TPC (Time Projection Chamber). Nous avons effectué une simulation du prototype XEMIS1 et obtenu des résultats en bon accord avec nos données expérimentales. La prochaine étape du projet consiste à construire une caméra cylindrique au xénon liquide pour l'imagerie du petit animal. Les résultats des simulations de cette caméra présentés dans cette thèse montrent la possibilité de localiser chaque désintégration le long de la ligne de réponse avec une très bonne précision et une bonne sensibilité de détection. Des premières images de fantômes simples, réalisées évènements par événements, et après reconstruction tomographiques ont également présentées.