Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas. / This thesis presents my work performed since 2010 to develop Micromegas detectors for the CLAS12 spectrometer that will be installed in the Hall B of Jefferson Laboratory (USA). The Micromegas are robust, fast and cheap gaseous detectors. Nevertheless, they must be adapted to the specific CLAS12 environment as there are many challenges to face : presence of a strong magnetic field, off-detector frontend electronics, high hadrons rate, necessity to curve the detectors, few space available. My PhD started by beam tests at CERN that allowed to evaluate the spark rate in CLAS12 Micromegas at a few Hertz. An important part of this document is therefore devoted to the study of several innovative methods to minimize the dead time induced by sparks. Thus, I have performed intensive tests on the optimization of the micromesh high voltage filter, with on Micromegas equipped with a GEM foild or on resistive Micromegas. The latter giving excellent results, full scale prototypes, one of which built by a company, have been tested. The mechanics and the working point (gas, voltages, geometry...) of the detectors have then be validated by laboratory tests. However, to ensure a better signal over noise ratio, the micromesh has been optimized. The CEA Saclay being also responsible for the development of the electronics for CLAS12 Micromegas, I have compared its performance with another electronics, verify its time resolution and determine the signal over noise ratio when 2 m long cables are connecting the electronics to the detector. The progress realized in the context of CLAS12 have furthermore triggered other projects. So, I have carried out simulations based on pseudo-data to validate the feasibility of a meson spectroscopy experiment for which we have proposed a Micromegas based tracker.

Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas.

Le projet Hellaz se propose de mesurer séparément le flux des deux principales sources de neutrinos (pp and béryllium) émis par le Soleil, en utilisant la diffusion élastique neutrino-électron dans une chambre à projection temporelle (TPC) remplie d'hélium à 20 bars. La cinématique de cette réaction, permet de retrouver l'énergie du neutrino incident à partir de l'énergie et de la direction de l'électron de recul.<br> L'électron de recul crée une trace jusqu'à son arrêt dans la TPC ( 5 cm de long pour 100 keV), en ionisant le gaz le long de cette trace. Les électrons d'ionisation ainsi créés dérivent sous l'action d'un champ électrique, en diffusant,et sont détectés individuellement en X, Y et Z par des chambres ultrarapides MICROMEGAS.<br> Le travail de cette thèse a consisté à réaliser une chaîne complète de simulations permettant de montrer la faisabilité du projet.<br> Au départ, GEANT 3 simule le nuage d'électrons d'ionisation créé par un électron de basse énergie. L'efficacité de détection des électrons est calculée, en fonction de l'énergie de l'électron de recul et du lieu de l'interaction dans la TPC.<br> On montre alors qu'on peut mesurer le spectre des neutrinos solaires avec une résolution de 10%, et ce en introduisant un bruit de fond radioactif réaliste (10000 Compton par jour) provenant des gammas émis par l'U-Th résiduel des parois du détecteur, ce qui montre la faisabilité du projet, à condition toutefois de pouvoir détecter des électrons uniques.

ACTAR TPC (ACtive TARget and Time Projection Chamber) est une cible active de nouvelle génération construite au GANIL (Grand Accélérateur d'Ions Lourds). Les cibles actives sont des cibles gazeuses où le gaz permet de détecter le passage de particules chargées selon le principe des chambres à projection temporelle (TPC). La TPC d'ACTAR est formée d'une anode segmentée de 16384 pixels carrés de 2 mm de côté. La haute densité de voies est gérée par le système électronique GET (General Electronics for TPCs). Ce système digitalise également les signaux sur un intervalle de temps donné, pour une reconstruction 3D complète des évènements. Un démonstrateur huit fois plus petit a d'abord été construit pour vérifier le fonctionnement de l’électronique et la conception mécanique. La finalisation d’ACTAR TPC s’est basée sur les résultats du démonstrateur, qui a été testé avec des faisceaux de 6Li, de 24Mg et de 58Ni. Le commissioning d'ACTAR TPC a été effectué dans le cas de la diffusion résonante sur cible de protons avec des faisceaux de 18O et de 20Ne.Un algorithme de reconstruction des traces mesurées dans la TPC permet d'en extraire les angles et les énergies des ions impliqués dans les réactions. Les résultats sont comparés à des données connues pour déterminer les performances du système de détection. Les résolutions obtenues sur le commissioning à partir de calculs en matrice R valident l'utilisation d'ACTAR TPC pour de futures expériences. Par ailleurs, la diffusion résonante 6Li + 4He réalisée avec le démonstrateur a permis d'étudier les états d’agrégat alpha dans le 10B. Deux résonances à 8.58 MeV et 9.52 MeV sont observées pour la première fois en diffusion élastique dans cette voie de réaction. / ACTAR TPC (ACtive TARget and Time Projection Chamber) is a next generation active target that was designed and built at GANIL (Grand Accélérateur d'Ions Lourds). Active targets are gaseous targets in which the gas is also used to track charged particles following the principles of time projection chambers (TPC). The TPC of ACTAR has a segmented anode of 16384 2 mm side square pixels. The high density of pixels is processed using the GET (General Electronics for TPCs) electronic system. This system also digitizes the signals over a time interval, enabling a full 3D event reconstruction. An eight time smaller demonstrator was first built to verify the electronics operation and the mechanical design. ACTAR TPC's final design was based on results obtained with the demonstrator which was tested using 6Li, 24Mg and 58Ni beams. The commissioning of ACTAR TPC was then carried out for the case of resonant scattering on a proton target using 18O and 20Ne beams. A track reconstruction algorithm is used to extract the angles and energies of the ions involved in the reactions. Results are compared to previous data to determine the detection system performances. Comparing the commissioning data with R matrix calculations, excitation functions resolutions in different cases are obtained. The use of ACTAR TPC is validated for future experiments. Furthermore, alpha clustering was studied in 10B through the resonant scattering 6Li + 4He, carried out with the demonstrator. Two resonances at 8.58 MeV and 9.52 MeV are observed for the first time in elastic scattering with this reaction channel.

Le détecteur MINOS a été développé jusqu'à mi-2013 pour la spectroscopie γ prompte de noyaux très exotiques à partir de réactions d’arrachage de protons. Il est composé d'une cible épaisse d'hydrogène liquide pour augmenter la luminosité et d’une chambre à projection temporelle (TPC) pour reconstruire la position du vertex de réaction et de compenser l'effet de la cible épaisse sur la correction Doppler.La chambre à projection temporelle a été développée avec l'expertise du CEA-Irfu sur les détecteurs gazeux de type Micromegas. Dans un premier temps, différentes solutions pour la TPC ont été testées dans une chambre d'essai avec une source α et des mesures de rayons cosmiques. Des muons cosmiques ont été détectés pour la première fois en utilisant la chambre d'essai en début 2013 et ont validé l'utilisation d'un plan de détection Micromegas. Le premier prototype de TPC a été achevé en mai 2013 et nous avons utilisé un banc de rayons cosmiques pour estimer l’efficacité de la TPC.MINOS a ensuite été expédié au Japon et un test de performance sous faisceau a été réalisée à l'installation médicale HIMAC (Chiba, Japon) avec deux cibles minces au lieu de la cible épaisse d'hydrogène pour valider l'algorithme de reconstruction et la résolution de la position du vertex. Un algorithme de reconstruction de traces basé sur la transformée de Hough a été mis au point pour l'analyse des données, testé avec ces données, et comparé à des simulations.La première campagne de physique avec MINOS a eu lieu en mai 2014, avec SEASTAR. Elle s’est concentrée sur la première spectroscopie des ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe et ⁷⁸Ni. L'analyse de la spectroscopie du ⁶ ⁶Cr a révélé deux transitions, assignées aux deux premiers états excités. Une interprétation avec des calculs de modèle en couches montre que le maximum de collectivité quadripolaire se produit à N = 40 le long de la chaîne isotopique de chrome.Le ⁶ ⁶Cr est toujours placé dans la région de l’Îlot d’Inversion à N = 40 et les calculs de modèle en couches ainsi que la comparaison avec des calculs basés sur HFB suggèrent une extension de cet Îlot d’Inversion vers N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. L'analyse des ⁷⁰,⁷²Fe effectuée par C. Louchart (TU Darmstadt, Allemagne) révèle la même tendance que pour les isotopes de chrome. Les données et notre interprétation par le modèle en couches suggère une grande collectivité les Cr et Fe riches en neutrons, éventuellement jusqu'à N = 50, ce qui remettrait en cause la solidité de la fermeture de couche N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. / The MINOS device has been developed until mid-2013 for in-beam γ spectroscopy of very exotic nuclei from proton knockout reactions. It is composed of a thick liquid hydrogen target to achieve higher luminosities and a Time Projection Chamber (TPC) to reconstruct the vertex position and compensate for the thick target effect on the Doppler correction.The Time Projection Chamber has been developed with the expertise of CEA-IRFU in gas detectors and Micromegas detectors. At first, different solutions for the TPC were tested in a test chamber with an α source and cosmic-ray measurements. Cosmic rays were detected for the first time using the test chamber in early 2013 and validated the use of a Micromegas detection plane. The first TPC prototype was finished in May 2013, and we used a cosmic-ray bench to estimate the effiiciency of the TPC. The MINOS device was then shipped to Japan and an in-beam performance test was performed at the HIMAC medical facility (Chiba, Japan) with two thin targets instead of the thick hydrogen target to validate the tracking algorithm and the vertex position resolution. A tracking algorithm for the offline analysis based on the Hough transform has been developed, tested with the data, and compared with simulations.The first physics campaign using MINOS took place in May 2014 with SEASTAR. It focused on the first spectroscopy of ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe, and ⁷⁸Ni. The analysis of the ⁶⁶Cr spectroscopy revealed two transitions, assigned to the two first excited states. An interpretation with shell model calculations shows that the maximum of quadrupole collectivity occurs at N=40 along the Cr isotopic chain.⁶⁶Cr is still placed in the Island of Inversion region of N=40 and the shell model calculations as well as comparison with HFB-based calculations suggest an extension of this Island of Inversion towards N=50 below ⁷⁸Ni. The analysis of ⁷⁰,⁷²Fe performed by C. Louchart (TU Darmstadt, Germany) reveals the same trend as for Cr isotopes, with a maximum of deformation at N=42. The full data set and our shell-model interpretation suggests a large collectivity for neutron-rich Cr and Fe, possibly up to N=50, questioning the robustness of the N=50 shell closure below ⁷⁸Ni.