Définies aux milieux des années 1990, les distributions de partons généralisées (GPDs) représentent un degré d'information supérieur aux facteurs de formes et fonctions de distributions de partons: en effet elles conservent la corrélation entre fraction d'impulsion longitudinale et position transverse des partons dans le nucléon. Par conséquent les GPDs permettent d'accéder à la distributions des partons dans le plan transverse en fonction de leur impulsion longitudinale. De plus il est possible de calculer le moment orbital angulaire total des quarks par le biais de la règle de somme de Ji. Nous accédons expérimentalement aux GPDs par des observables liées à des processus exclusifs (asymmétries, sections efficaces,...). Un programme expérimental mondial a commencé au début des années 2000 afin de caractériser les GPDs. Ce document décrit l'analyse de données de deux expériences réalisées en 2004 et 2010 dans le Hall A au laboratoire Jefferson en Virginie. A partir des données de 2004, nous avons extrait les sections efficaces d'électroproduction de photon polarisées et non polarisées. Une étude approfondie des erreurs systématiques a significativement améliorée la qualité des résultats. Ces derniers semblent indiquer la nécessité de prendre en compte les corrections de cible massive et de transfert d'impulsion fini jusqu'au twist-4. A partir des données 2010, nous avons réalisé pour la première fois une séparation des réponses longitudinale et transverse de l'électroproduction de pions neutres. Les résultats ont confirmé l'hypothèse d'une contribution transverse significative bien qu'étant de twist supérieur par rapport à la contribution longitudinale. Ces données de haute précision, que ce soit pour le photon ou le pion neutre, valident le formalisme des GPDs et permettront d'affiner les modèles afin de réaliser la tomographie 3D du nucléon. / Defined in the mid 90's, the generelized parton distributions (GPDs) represent a higher level of information than the form factors and parton distribution fuctions: indeed they encapsulate the correlation between the fraction of longitudinal momentum and the transverse position of the partons inside the nucleon. Consequently we can access the distribution of the partons in the transverse plane according to their longitudinal momentum. Moreover we can derive the total angular orbital momentum of quarks thanks to Ji's sum rule. Experimentally, we access the GPDs through the study of deep exclusive processes (asymmetries, cross sections,...). A worldwide experimental program started in the early 2000's. This thesis presents two data analyses carried on two data sets from experiments running at Jefferson laboratory - Hall A in 2004 and 2010. From the 2004 data set, we have extracted unpolarized and polarized photon electroproduction cross sections. A careful study of the systematic errors has greatly improved the quality of the results. They seem to indicate the necessity to take into account target-mass and finite-t corrections up to twist-4. From the 2010 data set, we have performed the first separation of the longitudinal and transverse responses of neutral pion electroproduction. The results confirm the assumption of a significant contribution of the transverse response although kinematically suppressed with respect to the longitudinal response. These results of high precision validate the GPD approach and will allow to improve the existing models.

An electron momentum spectrometer at the Australian National University has been used to study various aspects of different solid state systems. EMS is a transmission mode technique and involves the collision of the incident electron with a bound electron, after which both electrons are ejected and measured in coincidence. Through well defined reaction kinematics the complete valence spectral momentum density A(ɛ,q) can be measured. The spectrometer has been used to measure the spectral momentum densities (spectral functions) of single crystal targets, as well as targets in disordered states. A new spin polarised electron source was constructed and implemented in the ANU spectrometer, which was used to measure spin dependent features of ferromagnetic samples.¶ This thesis is divided into seven chapters, the first chapter is an introduction into the field of electron momentum spectroscopy, highlighting what has been measured before and how the technique has progressed to its present state. Some comparisons to other experimental techniques will be made.¶ The second chapter describes the ANU EMS spectrometer in detail. The technique requires some technical and advanced equipment that is often used in novel ways. The production of thin (20 nm) free standing targets will be detailed, along with the experimental chamber and electronics used to run the apparatus and collect data. The determination of the energy and momentum resolution of the experiment is also described.¶ The third chapter will detail the design and construction of the new spin polarised electron source. The results of commissioning and characterizing the new source will be presented.¶ Chapters four through six will present the measured results. The fourth chapter will detail the single crystalline measurements for the group eleven noble metals (Cu, Ag and Au). Each sample was measured along three high symmetry directions and compared to a DFT calculation using the LDA and a FP-LMTO basis. The fifth chapter will include the results from samples that were in disordered states, a measurement which is unique to the EMS technique. The polycrystalline and amorphous states of the Si and Ge semiconductors are presented and conclusions are made to the degree of difference in the results and to which theoretical approach to the unique amorphous state of the semiconductors best matches the EMS results. The sixth chapter includes results of ferromagnetic iron, measured using the spin polarised electron source. The spectrometer was used to measure spin-polarised electron-energy-loss-spectroscopy (SPEELS) and magnetic electron-Compton profiles. A theoretical investigation is also presented in chapter six which details the advancements required in the spin polarised electron gun to measure an accurate spin-polarised EMS spectra of a ferromagnetic Fe sample.¶ Chapter 7 includes the summary of all the results presented and conclusions reached from the comparison of the measured EMS spectra and various theoretical calculations. A discussion is presented about the future directions and possibilities of the EMS technique.

L'objectif principal de cette thèse porte sur l'étude et la conception d'une cavité Fabry Pérot de haute finesse pour amplifier un faisceau laser dans le but d'atteindre des gains de puissance allant de 1E4 à 1E5. Cette cavité est destinée à la production de rayons-X intenses et monochromatiques pour des applications médicales (anneau médical RADIOTHOMX) et de rayons gamma, pour la source de positrons polarisés pour les collisionneurs linéaires CLIC "Collisionneur Linéaire Compact" et ILC "International Linear Collider", par interaction Compton entre un faisceau laser de grande puissance et un faisceau d'électrons. <br />Pour augmenter la luminosité de l'interaction Compton aux points de collisions, il est essentiel d'avoir non seulement un faisceau laser de très grande puissance mais il faut aussi que le faisceau soit très focalisé au point d'interaction. Pour atteindre de telles performances, deux cas de figures se présentent : une cavité concentrique mécaniquement instable ou une cavité à quatre miroirs plus complexe mais plus stable. Nous avons testé numériquement la stabilité mécanique et la stabilité de polarisation des modes propres de la configuration non planaire de différentes géométries de cavités à quatre miroirs. Expérimentalement, nous avons développé une cavité à quatre miroirs tétraédrique, des rayons de l'ordre de 20 micromètres ont été obtenus. Les modes propres de cette cavité, dans ses deux géométries planaire et non planaire, ont été mesurés et comparés aux résultats calculés numériquement. Un bon accord a été observé. <br />Dans un deuxième temps, l'impact de l'interaction Compton sur la dynamique transverse, dans le cas de la source de positrons polarisés, et sur la dynamique longitudinale, dans le cas de l'anneau médical, du faisceau d'électron a été étudié. La diffusion Compton provoque une perte d'énergie et induit une dispersion d'énergie additionnelle du faisceau d'électrons. Dans le cas de la source de positrons polarisés, dix points de collisions sont prévus. La ligne de focalisation a été déterminée et une modélisation de l'effet de l'interaction Compton sur le transport du faisceau, avec un calcul matriciel simple, a été faite. Dans le cas de l'anneau médical, l'interaction Compton provoque l'allongement du paquet d'électrons, qui à son tour influence le flux de rayons-X produit. Une étude de la dynamique longitudinale du faisceau d'électrons dans l'anneau a été présentée. Les paramètres de l'anneau qui permettent d'optimiser la luminosité de l'interaction Compton ont été discutés. Le flux de rayons-X qui peut être atteint avec ces paramètres est de l'ordre de 1E13 photons/s.

En physique hadronique, la structure du nucléon et le confinement des quarks sont des problèmes toujours d'actualité. Les réactions d'électro-production de pions neutres et de difusion Compton virtuelle permettent d'accéder à de nouvelles observables décrivant cette structure. Ce travail porte sur l'expérience de diffusion Compton virtuelle réalisée à Jefferson Lab en 1998. Le faisceau d'électrons d'énergie 4 GeV est envoyé sur une cible cryogénique d'hydrogène, et l'électron et le proton difusés sont détectés en coïncidence grâce aux deux spectromètres du Hall A. Le photon (pion) est détecté par une technique de particule manquante. L'analyse des données de cette expérience a permis d'extraire les sections efficaces des deux processus au quadrimoment de transfert Q2=1 GeV2. La section efficace de diffusion Compton virtuelle a été extraite pour la première fois dans la région des résonances du proton (W compris entre 1.0 et 2.0 GeV) par l'intermédiaire de l'électroproduction de photon. Autour du seuil de production de pion jusqu'à la région de la résonance Delta(1232), ces résultats permettent de mesurer les polarisabilités généralisées, qui décrivent la structure du proton au même titre que les facteurs de forme élastiques. De plus, la mesure de la section efficace d'électro-production de pions neutres dans la région des résonances a permis d'apporter des contraintes sur les modèles phénoménologiques existants.

Pas de résumé

Une nouvelle technique de radiothérapie, l'hadronthérapie, irradie les tumeurs à l'aide d'un faisceau de protons ou d'ions carbone. L'hadronthérapie est très efficace pour le traitement du cancer car elle permet le dépôt d'une dose létale très localisée, en un point dit ‘pic de Bragg', à la fin du trajet des particules. La connaissance de la position du pic de Bragg, avec une précision millimétrique, est essentielle car l'hadronthérapie a prouvé son efficacité dans le traitement des tumeurs profondes, près des organes vitaux, ou radio-résistantes. Un enjeu majeur de l'hadronthérapie est le contrôle de la délivrance de la dose pendant l'irradiation. Actuellement, les centres de traitement par hadron thérapie effectuent un contrôle post-thérapeutique par tomographie par émission de positron (TEP). Les rayons gamma utilisés proviennent de l'annihilation de positons émis lors la désintégration bêta des isotopes radioactifs créés par le faisceau de particules. Ils ne sont pas en coïncidence directe avec le pic de Bragg. Une alternative est l'imagerie des rayons gamma nucléaires émis suites aux interactions inélastiques des hadrons avec les noyaux des tissus. Cette émission est isotrope, présentant un spectre à haute énergie allant de 100 keV à 20 MeV. La mesure de ces rayons gamma énergétiques dépasse la capacité des systèmes d'imagerie médicale existants. Une technique avancée de détection des rayons gamma, basée sur la diffusion Compton avec possibilité de poursuite des électrons diffusés, a été proposée pour l'observation des sources gamma en astrophysique (télescope Compton). Un dispositif, inspiré de cette technique, a été proposé avec une géométrie adaptée à l'Imagerie en Hadron Thérapie (IHT). Il se compose d'un diffuseur, où les électrons Compton sont mesurés et suivis (‘tracker'), et d'un calorimètre, où les rayons gamma sont absorbés par effet photoélectrique. Nous avons simulé un scénario d'hadronthérapie, la chaîne complète de détection jusqu'à la reconstruction d'événements individuels et la reconstruction d'une image de la source de rayons gamma. L'algorithme ‘Expectation Maximisation' (EM) à été adopté dans le calcul de l'estimateur du maximum de vraisemblance (MLEM) en mode liste pour effectuer la reconstruction d'images. Il prend en compte la réponse du système d'imagerie qui décrit le comportement complexe du détecteur. La modélisation de cette réponse nécessite des calculs, en fonction de l'angle d'incidence de tous les photons détectés, de l'angle Compton dans le diffuseur et de la direction des électrons diffusés. Dans sa forme la plus simple, la réponse du système a un événement est décrite par une conique, intersection du cône Compton et du plan dans lequel l'image est reconstruite. Une forte corrélation a été observée, entre l'image d'une source gamma reconstruite et la position du pic de Bragg. Les performances du système IHT dépendent du détecteur, en termes d'efficacité de détection, de résolution spatiale et énergétique, du temps d'acquisition et de l'algorithme utilisé pour reconstituer l'activité de la source de rayons gamma. L'algorithme de reconstruction de l'image a une importance fondamentale. En raison du faible nombre de photons mesurés (statistique de Poisson), des incertitudes induites par la résolution finie en énergie, de l'effet Doppler, des dimensions limitées et des artefacts générés par l'algorithme itératif MLEM, les images IHT reconstruites sont affectées d'artefacts que l'on regroupe sous le terme ‘bruit'. Ce bruit est variable dans l'espace et dépend du signal, ce qui représente un obstacle majeur pour l'extraction d'information. Ainsi des techniques de dé-bruitage ont été utilisées. Une stratégie de régularisation de l'algorithme MLEM (WREM) en mode liste a été développée et appliquée pour reconstituer les événements Compton. Cette proposition est multi-résolution sur une base d'ondelettes orthogonales. A chaque itération, une étape de seuillage des coefficients d'ondelettes a été intégrée. La variance du bruit a été estimée à chaque itération par la valeur médiane des coefficients de la sous-bande de haute fréquence. Cette approche stabilise le comportement de l'algorithme itératif, réduit l'erreur quadratique moyenne et améliore le contraste de l'image.

<p>The High Intensity Gamma-ray Source (HIGS) at Duke University is a world class Compton light source facility. At the HIGS, a Free-Electron Laser (FEL) beam is Compton scattered with an electron beam in the Duke storage ring to produce an intense, highly polarized, and nearly monoenergetic gamma-ray beam with a tunable energy from about 1 MeV to 100 MeV. This unique gamma-ray beam has been used in a wide range of basic and application research fields from nuclear physics to astrophysics, from medical research to homeland security and industrial applications.</p><p>The capability of accurately predicting the spatial, spectral and temporal characteristics of a Compton gamma-ray beam is crucial for the optimization of the operation of a Compton light source as well as for the applications utilizing the Compton beam. In this dissertation, we have successfully developed two approaches, an analytical calculation method and a Monte Carlo simulation technique, to study the Compton scattering process. Using these two approaches, we have characterized the HIGS beams with varying electron beam parameters as well as different collimation conditions. Based upon the Monte Carlo simulation, an end-to-end spectrum reconstruction method has been developed to analyze the measured energy spectrum of a HIGS beam. With this end-to-end method, the underlying energy distribution of the HIGS beam can be uncovered with a high degree of accuracy using its measured spectrum. To measure the transverse profile of the HIGS beam, we have developed a CCD based gamma-ray beam imaging system with a sub-mm spatial resolution and a high contrast sensitivity. This imaging system has been routinely used to align experimental apparatus with the HIGS beam for nuclear physics research. </p><p>To determine the energy distribution of the HIGS beam, it is important to know the energy distribution of the electron beam used in the collision. The electron beam energy and energy spread can be measured using the Compton scattering technique. In order to use this technique, we have developed a new fitting model directly based upon the Compton scattering cross section while taking into account the electron-beam emittance and gamma-beam collimation effects. With this model, we have successfully carried out a precise energy measurement of the electron beam in the Duke storage ring. </p><p>Alternatively, the electron beam energy can be measured using the Resonant Spin Depolarization technique, which requires a polarized electron beam. The radiative polarization of an electron beam in the Duke storage ring has been studied as part of this dissertation program. From electron-beam lifetime measurements, the equilibrium degree of polarization of the electron beam has been successfully determined. With the polarized electron beam, we will be able to apply the Resonant Spin Depolarization technique to accurately determine the electron beam energy. This on-going research is of great importance to our continued development of the HIGS facility.</p> / Dissertation

In this dissertation, two recent problems from tomographic imaging are studied, and results from numerical simulations with synthetic data are presented. The first part deals with ultrasound modulated optical tomography, a method for imaging interior optical properties of partially translucent media that combines optical contrast with ultrasound resolution. The primary application is the optical imaging of soft tissue, for which scattering and absorption rates contain important functional and structural information about the physiological state of tissue cells. We developed a mathematical model based on the diffusion approximation for photon propagation in highly scattering media. Simple reconstruction schemes for recovering optical absorption rates from boundary measurements with focused ultrasound are presented. We show numerical reconstructions from synthetic data generated for mathematical absorption phantoms. The results indicate that high resolution imaging with quantitatively correct values of absorption is possible. Synthetic focusing techniques are suggested that allow reconstruction from measurements with certain types of non-focused ultrasound signals. A preliminary stability analysis for a linearized model is given that provides an initial explanation for the observed stability of reconstruction. In the second part, backprojection schemes are proposed for the detection of small amounts of highly enriched nuclear material inside 3D volumes. These schemes rely on the geometrically singular structure that small radioactive sources represent, compared to natural background radiation. The details of the detection problem are explained, and two types of measurements, collimated and Compton-type measurements, are discussed. Computationally, we implemented backprojection by counting the number of particle trajectories intersecting each voxel of a regular rectangular grid covering the domain of detection. For collimated measurements, we derived confidence estimates indicating when voxel trajectory counts are deviating significantly from what is expected from background radiation. Monte Carlo simulations of random background radiation confirm the estimated confidence values. Numerical results for backprojection applied to synthetic measurements are shown that indicate that small sources can be detected for signal-to-noise ratios as low as 0.1%.

Depuis le début du fonctionnement de HERA, la mesure de la luminosité est réalisée en détectant les photons de bremsstrahlung émis par les électrons dans la région d'interaction. En raison des nouvelles conditions de fonctionnement, un nouveau détecteur de photons pour le système de luminosité de H1 a été développé et installé dans le tunnel à 104 mètres du point d'interaction. L'objet de cette thèse est d'analyser les données enregistrées par le détecteur de photons et d'étudier les variations de la luminosité dans H1 au cours des prises de données. Les méthodes de calcul de l'échelle d'énergie et de l'acceptance présentées dans cette thèse permettent de déterminer ces grandeurs toutes les quatre minutes avec une précision de l'ordre de 0,5 pour mille pour l'échelle d'énergie et de l'ordre de 2 pour mille pour l'acceptance. La position et la largeur du faisceau sont également mesurées toutes les quatre minutes avec une précision de l'ordre de 0,01 mm pour la position et de l'ordre de 0,05 mm pour la largeur. Ces résultats permettent de calculer la luminosité instantanée toutes les quatre minutes avec une erreur de l'ordre de 6,5 à 9,5 pour mille. Ces résultats sont en cours de validation pour devenir la méthode standard dans H1.<br /><br />J'ai également étudié les événements Compton élastique. La diffusion Compton élastique est utilisée pour une mesure complémentaire de la luminosité car sa section efficace est connue avec une bonne précision et la signature des événements dans le détecteur H1 est facilement identifiable.

This project aims to improve research in gamma-ray spectroscopy by using advanced detector systems. These systems are designed to reduce interference inherent in gamma-ray spectroscopy by rejecting Compton scattering events from high-energy gamma-rays, as well as look at cascading decays of gamma-rays through gamma-gamma coincidence counting. By combining these methods, one is able to lower detection limits for many elements than would otherwise be possible. This work also takes advantage of neutron activation analysis, which allows stable elements to be analyzed by activating them with neutrons, causing them to become unstable and decay with radioactive signatures. By analyzing these signatures, one is able to detect trace levels of elements with relatively small samples sizes (< 1g) and in a nondestructive manner. / text