Thesis (M.S. in chemistry)--Washington State University, May 2010. / Title from PDF title page (viewed on July 20, 2010). "Department of Chemistry." Includes bibliographical references.

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A cyclotron is used for diagnosing and treating cancer. Pipes in the cyclotron have to be replaced as they get worn out when isotopes travel through them. This thesis aims to use machine learning models to predict when these parts have to be changed. Based on previous studies for predictive maintenance three dif- ferent machine learning models are used. The chosen models are random forest, gradient boosting and support vector machine. The results show that a gradient boosting regressor that predicts the number of remaining runs before the pipes have to be changed in the cyclotron is preferred. However, some data augmenta- tion had to be done to obtain these results, and future studies could explore the possibility of using a bigger data set or a multiple classifier approach.

The study of the atom received great impetus from the invention of the cyclotron in 1932 by Dr. E. 0. Lawrence of the University of California. Many valuable discoveries and many possibilities for future investigations have resulted directly from its use. So important is the cyclotron that every high school and college student should have a knowledge of the basic principles of the machine and its operation.

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Le Chauffage Cyclotron Ionique (ICRH) par des ondes dans la gamme 30-80MHz est couramment utilisé dans les plasmas de fusion magnétique. Excitées par par des réseaux phasés de rubans de courant à la périphérie du plasma, ces ondes existent sous deux polarisations. L’onde rapide traverse le bord ténu du plasma par effet tunnel puis se propage à son centre où elle est absorbée. L’onde lente, émise de façon parasite, existe seulement à proximité des antennes. Quelle puissance peut être couplée au centre avec 1A de courant sur les rubans? Comment les champs radiofréquence (RF) proches et lointains émis interagissent-ils avec le plasma de bord par rectification de gaine RF à l’interface plasma-paroi? Pour répondre simultanément à ces deux questions, en géométrie réaliste sur l’échelle spatiale des antennes ICRH, cette thèse a amélioré et testé le code numérique SSWICH (Self-consitent Sheaths and Waves for ICH). SSWICH couple de manière auto-cohérente la propagation des ondes RF et la polarisation continue (DC) du plasma via des conditions aux limites non-linéaires de type gaine (SBC) appliquées à l’interface plasma / paroi. La nouvelle version SSWICH-FW est pleine onde et a été développée en deux dimensions (toroïdale/radiale). De nouvelles SBCs couplant les deux polarisations d’ondes ont été obtenues et mises en œuvre le long de parois courbes inclinées par rapport au champ magnétique de confinement. Avec ce nouvel outil en l'absence de SBCs, nous avons étudié l'impact d'une densité décroissant continûment à l'intérieur de la boîte d'antenne en traversant la résonance hybride basse (LH). Dans les limites mémoire de notre poste de travail, les champs RF au-dessous de la résonance LH ont changé avec la taille de maille. Par contre spectre de puissance couplée n’a que très peu évolué, et n’était que faiblement influencé par la densité à l'intérieur de l'antenne. En présence de SBCs, les simulations SSWICH-FW ont identifié le rôle de l'onde rapide sur l’excitation de gaines RF et reproduit certaines observations expérimentales clés. SSWICH-FW a finalement été adapté pour réaliser les premières simulations 2D électromagnétiques et de gaine-RF de la machine plasma cylindrique magnétisée ALINE / Ion Cyclotron Resonant Heating (ICRH) by waves in 30-80MHz range is currently used in magnetic fusion plasmas. Excited by phased arrays of current straps at the plasma periphery, these waves exist under two polarizations. The Fast Wave tunnels through the tenuous plasma edge and propagates to its center where it is absorbed. The parasitically emitted Slow Wave only exists close to the launchers. How much power can be coupled to the center with 1A current on the straps? How do the emitted radiofrequency (RF) near and far fields interact parasitically with the edge plasma via RF sheath rectification at plasma-wall interfaces? To address these two issues simultaneously, in realistic geometry over the size of ICRH antennas, this thesis upgraded and tested the Self-consistent Sheaths and Waves for ICH (SSWICH) code. SSWICH couples self-consistently RF wave propagation and Direct Current (DC) plasma biasing via non-linear RF and DC sheath boundary conditions (SBCs) at plasma/wall interfaces. Its upgrade is full wave and was implemented in two dimensions (toroidal/radial). New SBCs coupling the two polarizations were derived and implemented along shaped walls tilted with respect to the confinement magnetic field. Using this new tool in the absence of SBCs, we studied the impact of a density decaying continuously inside the antenna box and across the Lower Hybrid (LH) resonance. Up to the memory limits of our workstation, the RF fields below the LH resonance changed with the grid size. However the coupled power spectrum hardly evolved and was only weakly affected by the density inside the box. In presence of SBCs, SSWICH-FW simulations have identified the role of the fast wave on RF sheath excitation and reproduced some key experimental observations. SSWICH-FW was finally adapted to conduct the first electromagnetic and RF-sheath 2D simulations of the cylindrical magnetized plasma device ALINE

PIXE, Particle Induced X-ray Emission, est une méthode d’analyse multiélémentaire, rapide, non destructive, basée sur la détection des rayons X caractéristiques émis suite à l’interaction de particules chargées avec la matière. Cette méthode est usuellement utilisée avec des protons accélérés à une énergie de l’ordre de quelques MeV dans des domaines d’applications variés, atteignant une limite de détection de l’ordre de quelques μg/g (ppm). Cependant, la profondeur d’analyse est relativement limitée. Grâce au cyclotron ARRONAX, nous pouvons utiliser des protons ou des particules alpha jusqu’à une énergie de 70 MeV pour mettre en œuvre la technique PIXE à haute énergie. Avec de telles énergies, nous excitons préférentiellement les raies X K, plus énergétiques que les raies L utilisées dans la PIXE classique pour l’analyse des éléments lourds. L’analyse d’échantillons épais, en profondeur, est ainsi accessible. Pour l’analyse des éléments légers, nous pouvons utiliser la détection de rayons gamma émis pas les noyaux excités en combinant les méthodes PIGE et PIXE. Nous allons tout d’abord présenter les caractéristiques et les principes d’analyse de la méthode PIXE à haute énergie que nous avons développée à ARRONAX. Nous détaillerons ensuite les performances atteintes, notamment en termes de limite de détection dans différentes conditions expérimentales. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus pour l’analyse d’échantillons multicouches et la quantification d’éléments traces dans des échantillons épais. / Particle Induced X-ray Emission (PIXE) is a fast, nondestructive, multi-elemental analysis technique. It is based on the detection of characteristic X-rays due to the interaction of accelerated charged particles with matter. This method is successfully used in various application fields using low energy protons (energies around few MeV), reaching a limit of detection of the order the μg/g (ppm). At this low energy, the depth of analysis is limited. At the ARRONAX cyclotron, protons and alpha particles are delivered with energy up to 70 MeV, allowing the development of the High Energy PIXE technique. Thanks to these beams, we mainly produce KX-rays, more energetic than the LX-rays used with standard PIXE for the heavy elements analysis. Thus, in depth analysis in thick materials is achievable. For light element analysis, the PIGE technique, based on the detection of gamma rays emitted by excited nuclei, may be used in combination with PIXE. First of all, we will introduce the characteristics and principles of high energy PIXE analysis that we have developed at ARRONAX. Then we will detail the performance achieved, particularly in terms of detection limit in various experimental conditions. Finally, we present the results obtained for the analysis of multilayer samples and quantification of trace elements in thick samples.