Nous proposons dans ce travail une méthode robuste et bas-coût afin de fabriquer des détecteurs de gaz à base de Nanotubes de Carbone bi-parois (DWCNTs) chimiquement fonctionnalisés. Ces nano-objets (DWCNTs) sont synthétisés par dépôt catalytique en phase vapeur (CCVD), puis purifiés avant d'être oxydés ou bien fonctionnalisés par des terminaisons fluorées ou aminées. Les dispositifs de détection électriques ont été fabriqués par lithographie douce en utilisant un pochoir de PDMS (Poly-DiMethyl Siloxane) et un dépôt en phase liquide à la pipette d'une suspension aqueuse contenant les nanotubes fonctionnalisés, rinçage puis séchage à l'azote sec. Chaque dispositif (1 cm X 2 cm) est équipé d'un jeu de 7 résistors à base de DWCNTs. Chaque résistor peut accueillir des nanotubes fonctionnalisés par une entité chimique différente afin de cibler un gaz spécifique, permettant ainsi une détection multiplexée. En raison de leur faible encombrement et la possibilité de les fabriquer sur tout type de substrat y compris des substrats souples, ces détecteurs pourraient être utilisés pour une large gamme d'applications et notamment les détecteurs de gaz portatifs et intégrés. La résistance électrique des résistors s'avère décroître avec la température suggérant une conduction électrique gouvernée par l'effet tunnel et les fluctuations au sein du tapis désordonné de nanotubes de carbone. Nous avons cependant montré dans ce travail que pour des applications réelles de détection de gaz, une régulation thermique des dispositifs n'est pas nécessaire car les variations de résistance engendrées par l'adsorption de molécules de gaz sont significativement plus grandes que les variations causées par de possibles fluctuations de température. Les dispositifs produits présentent un caractère métallique à température ambiante et pour des applications de détection de gaz nous avons sélectionné des dispositifs présentant des résistances inférieures à 100 kO. Le principe de base de la détection de gaz étant basé sur la mesure directe de la résistance électrique du dispositif, la consommation électrique de ces dispositifs reste faible (<1 µW). La réponse des dispositifs à base de nanotubes de carbone non fonctionnalisés aux analytes testés (éthanol, acétone, ammoniac et vapeur d'eau) est faible. Les nanotubes de carbone fonctionnalisés présentent quant à eux, une réponse modérée à la vapeur d'eau, à l'éthanol et à l'acétone mais montrent une sensibilité excellente à l'ammoniac. En particulier, les nanotubes de carbone oxydés se sont avérés capables de détecter des concentrations sub-ppm d'ammoniac en présence de vapeur d'eau en excès et à température ambiante et ont montré une grande stabilité dans le temps même pour des expositions de gaz répétées. Nous pensons que les groupes chimiques fonctionnels ancrés à la surface des nanotubes de carbone modifient les interactions entre les molécules de gaz et les nanotubes et que le transfert de charges induit provoque les modifications de la conductance électrique du système. / We have successfully fabricated gas sensors based on chemically functionalized double-wall carbon nanotubes (DWCNTs) using a robust and low cost process. The DWCNTs were synthesized by catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method. They were then purified before functionalization (oxidation, amination, and fluorination). The sensor devices were fabricated by soft lithography using PDMS (Poly-DiMethylSiloxane) stencils and liquid phase pipetting of a suspension of chemically functionalized DWCNTs in deionized water, rinsing and finally drying in a nitrogen flow. Each device (1 cm x 2 cm) is equipped with a set of 7 DWCNT based resistors. Each resistor can accommodate a precise chemical functionalization for targeting a specific gas species, allowing a multiplexed (up to 7) detection. Due to their small size and the possibility to fabricate them on soft substrates, they could be used for many kinds of applications including wearable devices. The electrical resistance of the produced resistors turned out to decrease with temperature, suggesting fluctuations induced tunneling conduction through the disordered network of metallic nanotubes. However, we have shown in our work that for realistic applications, gas sensing can be achieved without any temperature regulation of our devices, because the variations of electrical conductance caused by gas molecules adsorption are significantly larger than those caused by possible temperature fluctuations. The as fabricated devices exhibit at room temperature a metallic conducting behavior. Devices with a resistance less than 100 kO were selected for gas detection. Because the sensing principle is based on the direct measurement of the resistance, our scheme ensures low power consumption (<1 µW). Raw (not functionalized) DWCNTs-based gas sensors exhibited a low sensitivity to the tested analytes, including ethanol, acetone, ammonia and water vapor. Functionalized DWCNTs-based gas sensors exhibited a moderate sensitivity to ethanol, acetone and water vapor but the response to ammonia, even in the presence of additional water vapor, was excellent. In particular, oxidized DWCNTs based gas sensors exhibited a high stability in the case of prolonged and repeated gas exposures. The oxidized DWCNTs gas sensors were also able to detect ammonia vapor at sub-ppm concentration in the presence of water vapor at high concentration.

L’incorporation d’oxyde de niobium, un métal de transition à valence multiple, dans des verres de phosphates permettrait leur intégration dans des systèmes de détection de gaz à haute température puisqu’ils présentent des propriétés optiques et électriques modulables en fonction de la température et de l’atmosphère. Dans le cadre de cette maîtrise, les verres (60-x)P₂O₅-xNa₂O-40Nb₂O₅ où x = 23, 27, 30 et 33 %mol ont été étudiés afin d’évaluer l’influence de la composition et de la température sur l’état d’oxydation du niobium. Sous forme d’oxyde, le niobium se retrouve généralement dans un état d’oxydation Nb(V) de forme Nb₂O₅, un composé incolore. Lorsque l’oxyde de niobium est réduit partiellement, il se retrouve sous forme NbO₂ d’état d’oxydation Nb(IV) qui présente une coloration bleu-noir. Les verres ont été traités thermiquement sous air et sous atmosphère partielle d’hydrogène (90Ar/10H₂) entre 450 et 630 °C. Les propriétés optiques ont été mesurées par spectrophotométrie UV-visible et permettent d’observer une large bande d’absorption dans le domaine du visible jusqu’au proche infrarouge suite aux traitements thermiques réducteurs. Une analyse de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) permet de révéler la présence d’espèces Nb⁴⁺ responsables de la coloration bleu-noir des verres. Les analyses Raman démontrent que le niobium se retrouve en sites octaédriques NbO₆ pour toutes les compositions et qu’une diminution de la concentration en ions Na⁺ permet d’augmenter le nombre d’oxygènes pontants et favorise ainsi la réduction du niobium. De plus, les verres présentent une conductivité électrique mixte ionique-électronique entre 10⁻¹⁰ et 10⁻³ S·cm⁻¹ sur une gamme de températures entre 25 et 575 °C. La conductivité ionique est due à la mobilité des ions Na⁺ dans le réseau vitreux et est plus importante lorsque la concentration de ce porteur de charge augmente. La conductivité électronique est due à la présence d’espèces Nb⁵⁺ et Nb⁴⁺. La coloration bleu foncé des verres ainsi que la conductivité électronique peuvent être expliquées par des phénomènes de transfert de charge soit respectivement le transfert de charge d’intervalence et le saut de petit polaron. Finalement, des analyses DRX, DSC, de densité, d’indice de réfraction et d’analyse thermogravimétrique (ATG) ont aussi été effectuées sur ces verres. / The incorporation of niobium oxide, a mixed valency transition metal, in phosphate glasses would allow their integration in high temperature gas detection systems because they have optical and electrical properties that can be modulated according to the temperature and the atmosphere. In this study, the glasses (60-x)P₂O₅-xNa₂O-40Nb₂O₅ where x = 23, 27, 30 and 33 mol% were studied to evaluate the influence of the composition and the temperature on the oxidation state of niobium. In the oxide form, niobium is generally found in an oxidation state Nb(V) of composition Nb₂O₅, a colorless compound. When the niobium oxide is reduced, it is found in NbO2 composition with Nb(IV) oxidation state, which exhibits a dark-blue coloration. The glasses were heat-treated in air and hydrogenated atmosphere (90Ar/10H₂) between 450 and 630 °C. The transmittance properties were measured by UV-visible spectrophotometry resulting in a broad absorption band in the visible range up to the near-infrared following reductive thermal treatments. Electron paramagnetic resonance analysis revealed the presence of Nb⁴⁺ species responsible for the dark-blue coloration of glasses. Raman analyzes show that niobium is found in octahedral sites NbO₆ for all the compositions and a decrease in Na⁺ ions makes it possible to increase the number of bridging oxygens and thus favors the reduction of niobium. In addition, the glasses have a mixed electrical ion-electron conductivity between 10⁻¹⁰ and 10⁻³ S·cm⁻¹ over a temperature range between 25 and 575 °C. The ionic conductivity is due to the mobility of the Na⁺ ions in the vitreous lattice and is more important when the concentration of this charge carrier increases. Electronic conductivity is due to the presence of Nb⁵⁺ and Nb⁴⁺ species. The dark-blue coloration of the glasses and the electronic conductivity can be explained by interatomic charge transfer phenomenons, respectively know as intervalence charge transfer and the small polaron hopping. Moreover, XRD, DSC, density, refractive index and TGA analyzes were also performed on theses glasses.

Le collisionneur linéaire international (ILC) est prévu pour être le prochain grand projet de la physique des hautes énergies. ILC est proposé avec deux détecteurs, International Large Detector (ILD), et Silicon Detector (SID). Cette thèse s’est déroulée dans le cadre de l'ILD. L'un des principaux composants du détecteur ILD est la chambre à projection temporelle (TPC). Cette thèse se concentre sur le développement de la lecture de la TPC, basée sur l'intégration des détecteurs de gaz Micro-pattern (Micromegas) et de puces CMOS pixels ("Timepix"). Ce nouveau type de dispositif est appelé "Ingrid". Les exigences principales pour "Ingrid" sont d’atteindre la sensibilité aux électrons uniques et d’obtenir une très haute résolution spatiale (~ 30 µm). Avec une TPC, on reconstruit les traces en utilisant le profil 2D des charges sur la plaque a l’extrémité de la TPC et la troisième coordonnée est dérivée du temps de dérive. Dans le cadre de cette thèse, une mini-TPC a été construite a Saclay dans le but de tester plusieurs prototypes de détecteurs "Ingrid". En outre, un système compose de 8 puces nommé "Octopuce" a été construit pour développer des algorithmes de reconstruction de traces. Nous avons effectué plusieurs mesures à l'aide de source radioactive à Saclay. Par ailleurs, de grands modules ont été testés avec un prototype de grande TPC (LP) sur un faisceau de test à DESY. Les résultats obtenus avec deux modules différents ont été présentés et les résultats sont en bon accord avec la prédiction théorique. La présence de la matière noire fournit une bonne indication d'apparition de nouveaux phénomènes a proximité de l'échelle électrofaible, et l'hypothèse populaire d’existence des WIMP doit être testé. Comme les couplages des WIMP aux différentes espèces de particules du modèle standard sont a priori inconnus, la recherche de la production de WIMP en collisions e+e- est complémentaire à la production dans les collisions pp ou a la détection directe de WIMPs primordiaux par leur diffusion sur des nucléons. Dans ce travail, nous étudions possibilité de découverte (ou l'exclusion) de production de paires de WIMPs avec l’ILC. Dans ce processus, un unique photon est rayonne dans l'état initial et une énergie manquante est requise. Nous montrons que l’ILC peut découvrir cette signature, même si l'annihilation en paires électron-positon contribue faiblement au taux d’annihilation de la matière noire dans l'univers primordial. Nous avons traduit la sensibilité en terme d’échelles de masse pour différents types d’opérateurs effectifs et montré que la masse et les couplages des WIMPs peuvent être mesurés avec une précision de l’ordre de 1% si leur détection est avérée. En outre, des études de production de WIMPs avec l’ILC sont complémentaires aux études avec des états finaux mono-X au LHC, car ils testent le couplage WIMP-lepton. Au LHC, le couplage WIMP-proton est testé a une l'échelle de 1 TeV. Avec l’ILC, en utilisant une luminosité intégrée de 500 fb⁻¹, une énergie dans le centre de masse de √s = 500 GeV et avec des faisceau non polarisés, une limite pour l’échelle sur l'interaction de contact Λ de l’ordre de 2 TeV est accessible. De plus, les configurations de polarisation appropriées permettent d'améliorer la sensibilité pour les recherches de matière noire à l’ILC, en supposant que le couplage des paires de WIMP aux électrons et aux positons dépend du choix de l'opérateur. / The International Linear Collider (ILC) is planned to be the next major project in the High Energy Physics. ILC is proposed to have two detectors, namely International Large Detector (ILD), and Silicon Detector (SiD). This thesis is done in the framework of the ILD. One of the main components of the ILD detector is the Time Projection Chamber (TPC). This PhD thesis concentrates on the development of TPC readout, based on integration of the Micro-pattern gas detectors (Micromegas) and CMOS pixel chips ("Timepix"). This new type of device is named "InGrid". Main requirements for "InGrid" is to achieve sensitivity to single electrons and a very high spatial resolution (~30 μm). In TPC one reconstructs tracks using 2D-charge profile on the TPC endplate and the third coordinate is derived from the drift time information. In Saclay mini-TPC was built. Using this mini-TPC, several prototype "Ingrid" detectors have been tested in the course of this PhD. In addition, 8-chips system named “Octopuce” was built to develop track reconstruction algorithms. We have performed several measurements using laboratory radioactive source in Saclay. In addition, the large modules were tested at a Large TPC Prototype (LP) in a test beam area at DESY. Results with two different modules were presented. Obtained results well agreed with theoretical prediction. The existence of Dark Matter provides a strong indication for the appearance of new phenomena near the electroweak scale, and the popular WIMP hypothesis is out there to be tested. Since the couplings of WIMPs to different species of Standard Model particles are a priori unknown, the investigation of WIMP production in e+e- collisions is fundamentally complementary to production in pp collisions or direct detection of primordial WIMPs scattering on nucleons. In this work we investigate the discovery (or exclusion) reach of the ILC based on the production of a pair of WIMPs, which recoils against an energetic photon from initial state radiation. We show that the ILC can discover this signature even if annihilation to electrons provides only a small fraction of the total dark matter annihilation rate in the early universe. We translated the sensitivity into mass scales of various effective operators and showed that the WIMPs mass and couplings can be measured at the percent level in case of an observation. Furthermore, WIMPs studies on ILC are complementary to current LHC in the mono-X final states, because they test WIMP-lepton coupling. LHC studies WIMP-proton coupling at the scale of 1 TeV. ILC could reach limits up to 2 TeV on the contact interaction scale Λ for the vector operator by using an integrated luminosity at 500 fb⁻¹, at the center-of-mass √s = 500 GeV with unpolarized beams. Moreover, proper polarization configurations allows to improve sensitivity for the Dark Matter searches at the ILC, assuming WIMPs pair couple differently to electron and positron for different operators.

La conductivité électrique du dioxyde d'étain varie en fonction de la température du matériau, de la nature et de la concentration de gaz environnant. Ce travail de thèse montre que le traitement par les méthodes d'analyse multivariables des signaux de conductance électrique d'un seul capteur, obtenus en descente de température, permet la détermination de concentrations de mélanges binaires ou ternaires d'éthanol (0-80ppm), de monoxyde de carbone (0-300ppm) et de méthane (0-1000ppm). Une partie de cette étude a été consacrée à la conception et à la réalisation d'un banc automatique de tests permettant l'acquisition des conductances électriques de quatre capteurs en cycle thermique et sous cycles gazeux. Elle a aussi mis en évidence des effets (humidité,) pouvant perturber la mesure. Deux technologies de fabrication de capteur ont été utilisées en vue d'obtenir des signatures, conductance fonction de la température, distinctes pour chaque gaz, assez reproductibles d'un capteur a l'autre et suffisamment stables Dans le temps pour permettre l'exploitation des signaux par les méthodes d'analyse multivariables : Dioxyde d'étain sous forme de couches minces obtenues par évaporation réactive, ou sous forme de barreaux de poudre frittée. Dans une dernière partie, il a été montré que la détermination quantitative de gaz par l'application des méthodes de chimiométrie était possible bien que la relation entre les conductances électriques d'une part, les températures et les concentrations d'autre part était non linéaire. D'ailleurs, la modélisation avec la méthode partial least square et un prétraitement permet d'obtenir des performances comparables a celles obtenues avec les réseaux de neurones. Enfin, un système autonome de démonstration a été réalisé en utilisant l'ensemble des optimisations mis en évidence dans cette dernière partie. Des prédictions en conditions réelles ont montré de bonnes corrélations avec les mesures effectuées par des analyseurs classiques de gaz.

Ce travail de thèse sur le dioxyde d'étain a permis de mettre en évidence les liens qui peuvent exister entre les défauts du matériau (défauts intrinsèques ou de surface) et la conductivité électrique. Pour cela, nous avons tout d'abord étudié l'évolution de la texture et de la morphologie en fonction de la température de calcination. Puis, pour différentes températures de frittage des échantillons de SnO₂, nous avons étudié les variations de conductivité électrique en fonction de la température de mesure, sous différentes atmosphères gazeuses. Cette étude est poursuivie par des mesures de conductivité, dans des conditions isothermes, et sous pressions de gaz rigoureusement controlées (O₂, H₂O,) à l'aide d'un système de mesure développé spécialement. Ceci nous permet, apres l'étude expérimentale des espèces adsorbées en surface et des propriétés catalytiques du SnO₂ envers l'éthanol, le monoxyde de carbone et le méthane, d'aborder les défauts de ce matériau et la modélisation des phénomènes observés. Nous avons proposé deux types de modélisation pour interpréter les variations de conductivité observées (lois de pression). Le premier modèle tient compte des défauts intrinsèques du SnO₂. Le second modèle, développé par un aspect cinétique, intègre les défauts de surface (espèces adsorbées). Ces modèles sont ensuite moyennés par la prise en compte de la texture du dioxyde d'étain.

Le travail présenté dans cette thèse porte d’une part sur le développement et la caractérisation d’une nouvelle génération de détecteurs Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) pour l’expérience COMPASS au Cern, et d’autre part sur l’estimation de la contribution de canaux diffractifs à la production de pions et de kaons, dans le cadre de l’étude des fonctions de fragmentation de quarks en hadrons à COMPASS. De nouveaux détecteurs Micromegas d’une surface active de 40 x 40 cm² sont en cours de développement pour le futur de l’expérience COMPASS, à partir de 2015. Ces détecteurs devront fonctionner dans des flux de muons et hadrons approchant 8 MHz/cm². Pour cela, une zone centrale d’environ 5 cm de diamètre, traversée par le faisceau, sera constituée de 1280 pixels, et des technologies permettant de fortement réduire l’impact des décharges seront adoptées. Quatre prototypes de géométrie finale utilisant deux types de technologies de réduction des décharges différentes ont été produits au Cern et testés en conditions réelles à COMPASS entre 2010 et 2012. Trois d’entre eux sont des détecteurs hybrides utilisant une feuille GEM (Gas Electron Multiplier) en tant qu’étage de préamplification pour réduire la probabilité de décharge. Le dernier détecteur est équipé d’une structure résistive à « résistances enterrées », permettant la réduction de l’amplitude des décharges. Leurs performances sont présentées dans cette thèse. L’impact de ces résultats sur la production et la mise en œuvre de la série finale de détecteurs est également discuté. Les fonctions de fragmentation de quarks en hadrons l’hadronisation d’un quark de saveur q en un hadron h. Ces fonctions universelles interviennent dans l’expression de la section efficace de nombreux processus. Elles sont accessibles à COMPASS via la réaction de diffusion profondément inélastique semi-inclusive de muons sur des nucléons. Les observables permettant leur extraction dans ce cadre sont les multiplicités de hadrons, soit le nombre moyen de hadrons produits par événement de diffusion profondément inélastique. Les mésons vecteurs issus de processus diffractifs produisent également des pions et kaons par leur désintégration. Ces processus n’impliquant pas l’hadronisation d’un quark, il semble justifié de ne pas les comptabiliser dans la mesure des multiplicités. Ce travail propose une étude Monte-Carlo des contributions de la production diffractive de mésons vecteurs rho et phi à la production de hadrons léger et aux événements inclusifs. Des facteurs de correction des multiplicités sont finalement établis. Enfin, l’effet de cette correction sur l’extraction des fonctions de fragmentation en pions est présenté. / This thesis is dedicated to the development and characterisation of a new generation of Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) detectors for the COMPASS experiment at Cern, and the estimation of the diffractive processes’ contribution to the production of pions and kaons, concerning the study of the quark fragmentation functions into hadrons at COMPASS. New Micromegas detectors with a 40 x 40 cm² active area are being developed for the future physics program of the COMPASS experiment starting in 2015. These detectors will have to work in high muon and hadron flux (close to 8 MHz/cm²). In this context, a central area of about 5 cm diameter, crossed by the beam, will be composed of 1280 pixels, and discharge-reduction technologies will be used. Four prototypes with a final read-out geometry, using two different discharge-reduction technologies have been produced at Cern and studied in nominal conditions at COMPASS between 2010 and 2012. Three are hybrid detectors using a GEM (Gas Electron Multiplier) foil as a preamplification stage to reduce the discharge probability. The other is equipped with a so called “buried resistors” resistive structure allowing to strongly reduce the discharge amplitude. Their performances are presented in this thesis. The impact of these results on the production and implementation of the final series of detectors is also discussed. Quark fragmentation functions into hadrons describe the hadronisation of a quark of flavor q into a hadron h. These universal functions take part in the cross-section expression of several processes. They can be accessed at COMPASS via semi-inclusive deep inelastic scattering of muons off nucleons. The relevant observables for fragmentation function extraction are hadron multiplicities, corresponding to the mean number of hadrons produced per deep inelastic scattering event. Vector mesons produced by a diffractive process can decay into pions and kaons. As such processes do not involve quark hadronisation, they should a priori be excluded from multiplicity measurements. This work presents a Monte-Carlo study of the impact of diffractive rho and phi production on light hadrons and inclusive events yields. Multiplicity correction factors are finally established. The effect of this correction on the extraction of pion fragmentation functions is also discussed.