Depuis leurs découvertes dans les années 60 par Dewar, les composés BN-hétérocycliques ont subi un développement croissant, s’accentuant pendant la dernière décennie. Ce travail de thèse mené en collaboration avec le Pr S-Y LIU de Boston Collège (États-Unis) et le Pr L. WEBER de l’Université de Bielefeld (Allemagne), a permis la synthèse, ainsi que la caractérisation par spectroscopie photoélectronique à rayonnement UV de nouveaux systèmes. Dans une première partie représentée par les chapitres II, III et IV, nous abordons l’étude de la structure électronique des composés suivants : 1,2-dihydro-1,2-azaborine (1), N-Me-1,2-BN-toluene (2), N-Me-1,3-BN-toluene (3), 1,2-dihydro-1-aza-2-boranaphtalene (4), 1,2-dihydro-1-aza-2-boranthracene (5), 1,2-dihydro-1-aza-2-boranthracene (6), 1,2-dihydro-1-aza-2-boraphenanthrene (7), 1,3,2-benzodiazaborole (8), 1,9,8-benzodiazaborole (9), N-tert-butyl[1,3,2]diazaborolo[1,5-a]-pyridine (10), 1,3,2-trihydro[1,3,2]diazaborolo[1,5-a]-pyridine (11). Afin de compléter les propriétés physico-chimiques de ces nouveaux systèmes et d’aider à l’interprétation des spectres photoélectroniques, l’utilisation de calculs quantiques tels que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la théorie fonctionnelle de la densité en fonction du temps (TD-DFT), la fonction de Green (OVGF), la méthode du troisième ordre partiel (P3), ou encore l’interaction de configuration (SAC-CI) ont été utilisées. Dans le Chapitre V, nous présentons une étude comparative entre les énergies ionisations théoriques et expérimentales. / Since the Dewar’s discovering in 60 years, the BN-heterocycles has experienced an important development during the last decade. This thesis presents our work on the synthesis and on the electronic structure characterization by Ultra-Violet photoelectron spectroscopy (UV-PES), followed in collaboration with the Pr SY LIU from the Boston College (USA) and the Pr L. WEBER from the University of Bielefeld (Germany). The first part corresponding to the chapter II, III and IV, describe the electronic structure analysis of: 1,2-dihydro-1,2-azaborine (1), N-Me-1,2-BN-toluene (2), N-Me-1,3-BN-toluene (3), 1,2-dihydro-1-aza-2-boranaphtalene (4), 1,2-dihydro-1-aza-2-boranthracene (5), 1,2-dihydro-1-aza-2-boranthracene (6), 1,2-dihydro-1-aza-2-boraphenanthrene (7), 1,3,2-benzodiazaborole (8), 1,9,8-benzodiazaborole (9), N-tert-butyl[1,3,2]diazaborolo[1,5-a]-pyridine (10), 1,3,2-trihydro[1,3,2]diazaborolo[1,5-a]-pyridine (11). In order to provide more information on the physical chemistry properties and to interpret the photoelectron spectra, the quantum chemical calculations of ionization energies have been followed using the Density Functional Theory (DFT), the Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT), the Outer Valence Green’s Function (OVGF), the Partial third order (P3), the Symmetry Adapted Cluster-Configuration Interaction (SAC-CI). Moreover, the comparative analysis of theoretical and the experimental ionization energies are presented.

L’utilisation de plasmas, qu’ils soient thermiques ou basse pression, dans le domaine biomédical remonte aux années 1970. Au cours de ces dernières années, les développements concernant des jets de plasma froid à pression atmosphérique, ont permis un élargissement des domaines d’applications biomédicales des plasmas. Au sein du GREMI, un type de jet de plasma a été développé : le Plasma Gun. Le plasma généré par le Plasma Gun se propage sur de longues distances à l’intérieur de capillaires. L’optimisation des traitements visés nécessite une étude approfondie des décharges créées par le Plasma Gun. La caractérisation du Plasma Gun a mis en évidence la génération de Pulsed Atmospheric pressure Plasma Streams ou PAPS, ces derniers se propageant du réacteur jusque dans l’air ambiant où ils génèrent une plume plasma. Ces PAPS présentent deux modes de propagation, au cours desquels une connexion entre le front d’ionisation et le réacteur est présente en permanence. Ces deux modes nommés respectivement Wall-hugging et Homogène, diffèrent principalement par la morphologie et la vitesse de propagation des PAPS qui leur sont associés. Chacun de ces modes présentent donc des caractéristiques qui leur sont propres mais certaines propriétés de propagation leur sont communes, telles que la possibilité de division ou de réunion de PAPS, ainsi que du transfert de PAPS à travers une barrière diélectrique ou via un capillaire métallique creux. L’étude de la plume plasma, propagation des PAPS dans l’air ambiant, a souligné l’importance de la longueur des capillaires sur la longueur du jet plasma. De plus, la génération du plasma a une très forte influence sur l’écoulement du gaz et la structuration du jet lors de son expansion dans l’air. / The use of plasmas, thermic or low pressure, in biomedical goes back up to 1970s. During these last years, atmospheric pressure cold plasma jets have been developed, allowed an increase of biomedical applications of plasmas. In GREMI, a plasma jet was developed : the Plasma Gun (PG). The plasma generated by the PG propagates on long distances inside capillaries. The optimization of the aimed treatments requires a detailed study of the discharges created by the PG. The characterization of the PG highlights the generation of Pulsed Atmospheric pressure Plasma Streams or PAPS, these last ones propagating from the reactor to the capillary outlet (ambient air) where they generate a plasma plume. These PAPS present two propagation modes, during which a connection between the ionization front and the reactor is present permanently. These two modes named respectively Wall-hugging and Homogeneous, differ mainly by the morphology and their propagation velocity. These modes have common characteristics, such as the possibility of division or meeting of PAPS, as well as the transfer of PAPS through a dielectric barrier or via a hollow metal capillary. The study of the plasma plume underlined the importance of the length of capillaries on the length of the plasma jet. Furthermore, the generation of the plasma has a very strong influence on the gas flow and the jet structuration during air expansion.

Durant cette thèse, nous avons étudié les décroissances β des noyaux de gallium autour de N=50 et préparé une source d'ionisation laser à ALTO. Le besoin d’accéder à des régions de plus en plus exotiques pour la production de faisceaux radioactifs requiert l’élimination des contaminants polluant le faisceau d’intérêt. Afin de résoudre ce problème, une source d’ionisation laser a été développée à ALTO. Le cuivre a été choisi comme premier élément à ioniser pour ses intérêts physiques et pour comparer le fonctionnement de la source laser avec celles des autres installations de recherche. Des lasers ont été ainsi installés et optimisés pour ioniser sélectivement ce type d’atome produits pour les expériences. Ce montage laser nous a permis de tester l’ionisation du cuivre stable avec succès.L'étude de la région des noyaux riches en neutrons autour de N=50 est encore à approfondir. Les connaissances des noyaux de cette région sont clairsemées ce qui ne permet pas de clore les différents débats dont ils sont le sujet. Nous avons donc étudié les noyaux 79,80,82,83,84,85Ga produits à ALTO. Pour cela, un faisceau d’électrons (50MeV et 10µA) délivré par l’accélérateur linéaire est envoyé sur une cible de carbure d’uranium portée à 2000°C. Les électrons y émettent un rayonnement de freinage qui entraine la fission des noyaux d’uranium. Les produits de fission diffusent jusqu’à une source d'ionisation de surface qui est installée en sortie de cible pour ioniser les atomes de gallium et produire le faisceaux d’ions. Ce système nous permet d'étudier les décroissance β- et β--n des isotopes 79,80,82,83,84,85Ga.L’analyse de cette expérience a produit de nouveaux résultats sur les décroissances de 80Ga, 84Ga et 84Ge. Pour 80Ga, l’étude des données a confirmé l’existence d’un état isomérique et a permis de mesurer les durées de vie de l’état fondamental et de l’isomère. De plus, l’analyse de la décroissance de 84Ge a permis de confirmer deux états et de proposer un troisième pour 84As. Enfin la comparaison des résultats expérimentaux avec des calculs théoriques a confirmé l’assignation de spin-parité des premiers états 2+ et 4+ mais aussi du caractère triaxial de 84Ge proposés antérieurement à cette thèse. Le deuxième état 2+ de cet isotope a aussi été identifié. Pour les états de 84As, l’assignation des spins et des parités de quatre états a été proposée et interprétée en terme de mélange de configurations. / During this thesis, we have studied β decays of gallium’s nuclei around N=50 and prepared a laser ionization source at ALTO.The production of exotic isotopes has brought new beam production challenges. The one addressed here relates to the elimination of isobar contaminants that create background for experiments. To address this issue a laser ionization source has been developed at ALTO. Copper has been chosen to be the first element to be ionized for physical interests and to compare the results of the laser ionization source with the ones at others facilities. A laser setup has been installed and optimized in order to ionize selectively the atoms of copper produced for experiments. After the optimization, a test of ionization of stable-copper was performed. This test has shown us that the laser system is able to successfully ionize atoms of copper.The studies of the region of the neutron-rich nuclei around N=50 are still to complete. The knowledge of this region is low what does not allow to close off the debates which they are the subject. 79,80,82,83,84,85Ga has been produced using photo-nuclear reactions at the experimental area of the on-line PARRNe mass-separator operating with the ALTO facility. The fission fragments are produced at the interaction of the 50 MeV electron beam delivered by the ALTO linear accelerator with a thick target of uranium in a standard UCx form. The oven is connected to a W ionizer heated up to 2000°C that selectively ionizes alkalies but also elements with low ionization potentials such as Ga. The ions are accelerated through 30 kV and magnetically mass-separated before being implanted on a mylar tape close to the detection setup, so that this system allows us to study β- and β- -n decays of 79,80,82,83,84,85Ga.The data analysis have produced new results concerning the decays of 80Ga, 84Ga and 84Ge. For 80Ga, the existence of an isomeric state has been confirmed and two different half-lives were measured for the ground state and the isomer. Furthermore, the analysis of 84Ga decay confirmed two states and allowed us to propose an other state in the decay of 84Ge. Finally, the comparison between experimental results and theoretical calculations has confirmed the assignment of spin-parity of the first states 2+ and 4+ but also the triaxial property of 84Ge that has been proposed previously. The second state 2+ of this isotope has also been identified. For the states of 84As, the assignment of spins and parities of four states have been proposed and interpreted in terms of configuration mixing.

Les produits de la pyrolyse de la biomasse lignocellulosique présentent un potentiel important dans le cadre des ressources renouvelables. Cependant, leur utilisation directe est réduite en raison de leur importante complexité et de leur teneur élevée en oxygène. Il est nécessaire de leur faire subir des traitements de désoxygénation et/ou de craquage. Afin de déterminer quels sont les traitements les mieux adaptés, il est indispensable de connaitre aussi précisément que possible leur composition. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse portent sur la mise en place de méthodologies d’analyse robustes pour obtenir la description la plus exhaustive possible des bio-huiles. Pour cela, la spectrométrie de masse à résonance cyclotronique d’ions à transformée de Fourier (FT-ICR MS) a été employée en couplage avec différentes sources d’ionisation. L’électronébulisation (ESI), dans des conditions contrôlées d’ionisation, permet d’observer plus particulièrement les composés dérivés de la cellulose et de l’hémicellulose ainsi que des lipides et des dérivés de la lignine. La photoionisation à pression atmosphérique (APPI) et la désorption-ionisation par laser (LDI) sont plus spécifiques des espèces relatives à la lignine. Celles qui sont alors observées sont plus insaturées qu’en ESI. La complémentarité des différentes techniques d’analyse a été établie et a permis la description détaillée de bio-huiles. Cette méthodologie a été appliquée à des bio-huiles avant et après traitement de désoxygénation/cracking sur zéolithes. L’analyse par ESI FT-ICR MS a mis en évidence la sélectivité de ces catalyseurs envers les dérivés cellulosiques alors que l’étude par APPI et LDI a permis de déterminer la nature des composés obtenus après traitement catalytique. Ceux-ci présentent une diminution de la teneur en oxygène et résultent, pour une partie d’entre eux, du craquage catalytique sur les composés de la bio-huile originelle / The products of lignocellulosic biomass pyrolysis are potential sources of renewable materials such as bio-fuels, biochars, and chemicals. However, their ready-to-use capacity is limited by their high chemical complexity and their high oxygen content. Therefore, they have to be upgraded by different treatments such as deoxygenation and/or cracking. In order to assess the most suited upgrading process, it is necessary to obtain an extensive composition description of the raw pyrolysis products. The works carried out during this PhD thesis are dealing with the development of though analytical methods to reach the most detailed composition description of bio-oils. This study was performed by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) using different ionization sources. The electrospray ionization (ESI), in controlled-conditions, ensures to ionize the cellulose and the hemicellulose derived compounds as well as the lipids and the lignin derivatives. The atmospheric pressure photoionisation (APPI) and the laser desorption/ionization (LDI) allow specifically to detect more unsaturated pyrolytic lignin species. The combination of the different results ensures to obtain an extensive bio-oil description. The established methodology was applied to raw and upgraded (catalytic deoxygenation/cracking treatment on different zeolites) bio-oils. The ESI FT-ICR MS measurements evidenced the selectivity of the used catalysts on sugaric compounds whereas the APPI and LDI highlighted the nature of the resulting compounds which are less oxygenated and produced, for a part of them, by catalytic cracking

Dans l’état actuel des techniques utilisées pour l’isolation gazeuse des systèmes d’énergie électrique à haute tension, l’hexafluorure de soufre (SF6) tient une place prépondérante en raison de ses performances diélectriques et chimiques (bonne tenue diélectrique, point d'ébullition bas, stabilité chimique, non toxicité, etc.) ; il est l’un des meilleurs isolants gazeux connus à ce jour. Il est principalement utilisé dans les appareils de coupure pour l’extinction de l’arc électrique, les lignes de transmission à isolation gazeuse et autres équipements de puissance. Cependant, de par sa taille excessive, sa durée de vie trop importante et son grand effet radiatif, la molécule de SF6 constitue un agent aggravant de l’effet de serre avec un potentiel de réchauffement global (PRG ou GWP en anglais) très élevé (23900 fois supérieur à celui du CO2). Ainsi, les recommandations internationales (COP3) et européennes (règlement (UE) n°517/2014) tendent à restreindre très fortement, voire interdire son utilisation pour préserver l’environnement. Depuis, une tâche importante a été engagée par les industriels pour trouver d’autres gaz ou mélanges de substitution avec moins d’impact sur l’environnement et des exigences diélectriques comparables ou supérieures à celles du SF6. Les candidats les plus prometteurs appartiennent tous au groupe des molécules poly-fluorées (CF3I, Perfluorinated Ketones, Octafluorotetra-hydrofuran, Hydrofluoroolefin (HFOs) ou heptafluoro-iso-butyronitrile(Fluoronitriles)), Ils offrent tous une tenue diélectrique entre 1.2 et 2.71 par rapport au SF6. Ces molécules candidates ouvrent des perspectives intéressantes pour la substitution de SF6 dans l’appareillage sous enveloppe métallique destiné pour le réseau T&D haute tension. Leur principal inconvénient réside dans leur masse moléculaire élevée, ce qui implique une température de fonctionnement plus élevée par rapport au SF6. Ce travail porte sur l’étude expérimentale des performances diélectriques des mélanges de Fluoronitriles-CO2. Les paramètres intrinsèques de l’avalanche électronique sont identifiés à partir des courants de la décharge stationnaire de Townsend. L’évaluation de ces courants a permis d’extraire le coefficient d’ionisation effectif pour différents mélanges de Fluoronitriles. Une comparaison du potentiel d’isolation de ces mélanges avec celui du SF6 pur, dans différentes géométries électrodes (sphère-plan, pointe-plan, sphère-sphère, système avec le profil de Bruce), sur une large gamme de pression et pour toutes les formes d'ondes de tension normalisées pour d'isolation est présentée. Les résultats de mesures de tensions de claquage de ces mélanges et du CO2 pur, pour comparaison, dans un système coaxial cylindrique de taille réelle, similaire à celui utilisé dans les postes à enveloppe métallique (GIS - Gas Insulated Switchgear), sont également présentés ; une étude de l’influence de la surface et de l’état de surface des électrodes sur la tenue diélectrique en fonction de différents paramètres (pression, rugosité, surface effective, forme de tension et polarité, température de gaz …) est faite. / SULPHUR hexafluoride, SF6, is the most common compressed gas used in high voltage power equipment since the 1950s and in HV transmissions and substations applications (GIS, GCB, GIL …), SF6 holds a prominent place because of its dielectric and chemical performance (high dielectric strength, non-toxicity, low condensation temperature, thermal stability, non-flammability, chemical inactivity with the other constituent materials of the apparatus, availability and moderate cost). It is one of the best insulators gas known today. Despite its excellent properties in both electrical insulation and current interruption performance, the excessive size, the radiative effect and atmospheric lifetime of SF6 molecule makes this gas an aggravating agent for the greenhouse gas effect, with a very high global warming potential (GWP) (23900 times higher than CO2). Thus, the international and European recommendations (COP 3) and (Regulation (EU) No 517/2014) respectively tend to strongly restrict or prohibit its use to preserve the environment. Since then, an important task was undertaken by manufacturers to find other gases or mixtures of substitution with less impact on the environment and dielectric performances comparable or superior to those of SF6. Naturally, the investigations were oriented towards halogenated products that have reduced GWP such as CF3I, Perfluorinated Ketones, Octafluorotetra-hydrofuran, Hydrofluoroolefin (HFOs) or heptafluoro-iso-butyronitrile (Fluoronitriles)), all offer a dielectric strength between 1.2 and 2.71 relative to SF6. These candidates open interesting perspectives for the substitution of SF6 in the GIS applications designed for high voltage T & D network. Their main disadvantage is their high molecular weight, which implies a higher operating temperature compared to SF6. This work deals with the experimental study of dielectric performance of Fluoronitriles CO2 mixtures. Intrinsic parameters of the measured steady state Townsend swarm currents are identified. The evaluation of the currents produce the effective ionization rate constant in different Fluoronitriles-CO2 mixtures. In addition, this work provides a conventional assessing of insulating performance with typical breakdown experiments, conducted for different field configurations over a wide pressure range and for all standard voltage waveforms. The experiments are conducted with different electrodes geometries namely plane-to-plane (Bruce profile), sphere-to-sphere, sphere-to-plane and rod-to-plane. AC and LI breakdown characteristics of CO2 and different Fluoronitriles /CO2 mixtures gas were experimentally analyzed in a real scale GIS coaxial test system. The main investigated parameters are the effect of roughness and effective surface area HV inner conductor on insulation performance, depending on various parameters (pressure, form and voltage polarity, gas temperature…).

En l’espace d’une dizaine d’années, les jets de plasma froid à pression atmosphérique ont su s’imposer comme un outil pertinent pour les applications biomédicales. La simplicité de conception et d’utilisation de ces dispositifs, combinée à leurs facultés de produire des espèces réactives (NO, OH, O …), ont significativement contribué au développement rapide du domaine. Beaucoup d’efforts ont été entrepris dans le développement de diagnostics quantitatifs, pour mesurer la production des espèces réactives dans la plume plasma d’un jet donné. Toutefois, la diversité des géométries de décharge, des sources d’alimentations électriques ou des conditions d’utilisation, rendent les comparaisons d’un jet à l’autre, difficiles. Cette thèse a porté sur l’étude du jet de plasma froid à pression atmosphérique développé au GREMI, le Plasma Gun (hélium, impulsion de tension microseconde). Nous avons étudié les mécanismes de décharge susceptibles de considérablement affecter la production d’espèces réactives, dans des conditions approchantes d’applications biomédicales. La thèse s’articule en trois chapitres principaux : l’étude de la modification de l’écoulement de l’hélium par plasma (par strioscopie) ; l’étude de la propagation du plasma dans le capillaire diélectrique (étude expérimentale et numérique de la dynamique de propagation rapide du plasma et de l’évolution du champ électrique en mélange hélium-azote) ; l’étude de l’interaction du plasma avec une cible conductrice (mesures dans le capillaire et dans la plume de l’évolution spatiale et temporelle de la concentration des métastables de l’hélium, corrélées à des mesures du champ électrique). Ce dernier point est en particulier représentatif de tout jet plasma en condition traitement biomédical in vivo et tend à faire une distinction fondamentale avec les mécanismes de décharge du jet plasma dit « libre », sans obstacle entravant la plume plasma. / Over the past ten years, the cold atmospheric pressure plasma jets (CAPPJ) became useful devices for biomedical applications. Their relatively simple design and use, combine with their ability to produce reactive species (NO, OH, O, …), led to a rapid research growth in this field. A lot of studies have been devoted to quantitative diagnostics development for the reactive species production measurements in the plasma plume. However, it is difficult to compare one jet with another because of the huge variety of discharge geometries, electric power supplies or operating conditions. This thesis deals with the study of the CAPPJ developed in GREMI, the Plasma Gun (helium feeded, microsecond voltage pulse). We have studied discharge mechanisms which strongly impact the reactive species production in near target biomedical application conditions. This study is divided in three parts : the study of helium flow modifications induced by the plasma (strioscopy visualization); the study of plasma propagation inside dielectric capillary (experimental and numerical study of fast plasma propagation dynamic and electric field evolution for helium-nitrogen mixtures); the study of conductive target-plasma interaction (space and time resolved measurements inside the capillary and the plasma plume of helium metastable production, correlated with electric field evolution). The conductive target contact concerns any in vivo biomedical treatments. CAPPJ in front of such a conductive target leads to fundamentally different discharge mechanisms compare to the free jet case.

La scintillation organique correspond au phénomène d’émission de lumière par un matériau moléculaire à la suite de l’excitation de celui-ci par un rayonnement externe d’énergie donnée. Lors de l’interaction, le dépôt d’énergie induit des transitions électroniques peuplant des états dont la plupart se désexcite de manière non radiative, à l’exception d’une, entre le premier état électronique singulet et l’état fondamental de la molécule. Lors de cette relaxation, un photon de fluorescence est émis. Cette émission a deux origines : i) l’excitation directe par le rayonnement primaire et les électrons secondaires ; elle donne lieu à une émission dite rapide ou prompte ; ii) l’ionisation par le rayonnement primaire et les électrons secondaires ; elle donne lieu à une émission dite lente ou différée. Ce travail de recherche fondamentale, à la fois théorique et expérimental, fait l’analyse de toutes les étapes du processus, de l’interaction primaire à l’émission de fluorescence, de manière à relier la dose déposée à la quantité de lumière émise, à des fins d’applications en dosimétrie médicale. Il repose sur la mesure des déclins de fluorescence de deux molécules modèles, l’anthracène et le paraterphényle, excitées par un flux continu de rayons X, et la séparation des contributions rapide et lente de la lumière émise, aux énergies médicales. Une modélisation analytique des processus physiques conduisant à l’émission de lumière, au regard de la dose déposée, a ensuite été effectuée, faisant apparaître de nombreux résultats originaux. Dans un premier temps, un dispositif expérimental original a été développé, basé sur la technique TCSPC (Time-Correlated Single Photon Counting), afin de pouvoir mesurer des déclins temporels de fluorescence en résolution nanoseconde et sous flux d’irradiation continu. Dans un second temps, nous avons développé une nouvelle approche mathématique permettant d’extraire finement les composantes rapides et lentes du signal. L’analyse des résultats a montré, pour la première fois, l’existence d’un rapport R constant et uniquement fonction du matériau, entre les rendements d’excitation et d’ionisation. Le caractère constant de ce rapport ne peut être attribué qu’à un mécanisme d’autoionisation moléculaire au sein d’un matériau se comportant intrinsèquement comme une chambre d’ionisation proportionnelle pour l’ionisation secondaire de basse énergie. Ceci est en accord total avec la linéarité observée entre l’intensité totale de lumière différée (ionisation) et la dose mesurée par une chambre d’ionisation proportionnelle. Une étude plus approfondie des mécanismes d’excitation, au regard du rapport R, a également permis de montrer, pour la première fois, une proportionnalité directe entre l’intensité totale de la lumière prompte et le dépôt d’une dose que nous avons baptisé dose d’excitation. Cette dose a été observée comme étant de 4 à 14 fois supérieure à celle mesurée par une chambre d’ionisation. Ce résultat original majeur devra impérativement conduire à des études futures afin de mieux comprendre les dégâts infligés à la matière organique et biologique par les excitations. / Organic scintillation is the emission of light by an organic scintillator when irradiated by an external source of radiation depositing enough energy to excite the molecule. Electronic states are populated by the electronic transitions generated by the deposited energy. The states de-excite through radiationless transitions, except for one, the transition between the first electronic state and the ground state where a photon of fluorescence is emitted. This light has two different origins: i) direct excitation caused by primary radiation or secondary electrons which leads to an emission knows as prompt; ii) ionization caused by primary radiation or secondary electrons generate what is known as the delayed component. This fundamental research was based on both theoretical and experimental work. We studied all the different processes in organic scintillation, from the interaction between the incident radiation and matter to the emission of light in order to find the relationship between fluorescence and the deposited dose, to the application to medical dosimetry. Two well known organic scintillators, anthracene and p-terphenyl, were excited using an X-ray source set at typical medical imaging parameters. The light emitted was acquired and an analytical model was used to describe the different processes that led to light emission revealing interesting new results.An experimental setup, based on the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique, was developed to acquire fluorescence decay curves with nanosecond resolution using a continuous X-ray source. Afterwards, these curves were analyzed using an innovative mathematical approach in order to determine the prompt and delayed components.Results showed the ratio, defined as R, between the prompt and delayed components of fluorescence was constant and independent of the energy of the incident X-rays and that the response of the delayed component of fluorescence was linear to an ionization chamber. These observations were explained by considering that the only process taking place within the molecule after excitation was autoionization. Hence, the response of organic scintillator was the same as the one of an ionization chamber. Furthermore, due to the constant ration R, the response of prompt component of fluorescence was linear to the ionization chamber as well. This was the first time this behavior was observed and we referred to it as excitation dose. This dose was between 4 and 14 times bigger than the one measured with the ionization chamber. These original results suggested that energy is deposited mainly through excitation processes, suggesting the need for further studies to better understand the damage caused by excitation to the living.

Les régions d’interface du Soleil de la photosphère à la chromosphère et au delà de la basse couronne ont été étudiées à partir des spectres éclairs. Les éclipses sont les plus adaptées à ce type d’observation, car l’occultation a lieu en dehors de l’atmosphère terrestre et sont exemptes de lumière parasite. Les images Extrême-UV des régions du limbe obtenues récemment dans l’espace sont analysés avec des modèles hydrostatiques à une dimension, comme les modèles VAL, mais cette méthode ne tient pas compte du phénomène d’émergence du champ magnétique, associé au réseau chromosphérique qui est responsable de: i) les spicules et le milieu interspiculaire, ii) les jets coronaux et macrospicules. Un saut de température de 0.01 à 1 MK est observé autour de 2 Mm d’altitude plus loin, et produit plus loin le flot du vent solaire permanent. Le processus de chauffage responsable du saut de température et la source du vent solaire ne sont pas encore compris. Dans cette thèse, nous traitons ces problèmes à partir de spectres éclairs récents réalisés avec les technologies actuelles de détecteurs CCD rapides, images d’éclipse en lumière blanche et des images EUV obtenues avec des instruments de missions spatiales. Nous illustrons les mécanismes des émissions des raies à faible potentiel de première ionisation (FIP) présents dans les basses couches de l’atmosphère solaire. Nous identifions plus précisément les raies à bas FIP à la fois dans les interfaces, à l’intérieur et en dehors des protubérances. Nous caractérisons en détail les enveloppes d’hélium et la région de l’interface solaire. Nous discutons de l'enrichissement de la couronne en éléments low FIP. / The solar interface region from the photosphere to the chromosphere and to the lower corona has been studied using flash spectra obtained during solar total eclipses. Eclipses are very favourable for this type of observation as the occultation takes place outside the Earth atmosphere and are free of parasitic scattered light. Independently, EUV filtergrams of the limb region obtained in space were analyzed using one dimensional hydrostatic models like the VAL models but this method ignores the ubiquitous magnetic field emergence phenomenon associated with the chromospheric network and responsible for: i) spicules and interspicular regions, ii) coronal jets and macrospicules. The components of the solar interface region are dynamical and different type of waves and magnetic reconnections are suggested to be at work. A jump of temperature from 0.01 to 1 MK is observed near the 2 Mm heights and higher, further producing a permanent solar wind flow. The heating processes responsible for this temperature jump and for the flow are not yet fully understood. In this thesis, we reconsider these problems on the basis of original, superior flash spectra which benefit from present technology such as CCD detectors, white light (W-L) eclipse images and new EUV images obtained with space-borne instruments. We illustrate the mechanisms of low First Ionisation Potential (FIP) emission lines present in the low layers of the solar atmosphere and interfaces. We identify more precisely low FIP lines both inside and nearby prominences. We characterize in detail the He shells and the solar interface region. We discuss the enrichment of low FIP elements in the corona.

SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) est une expérience de détection directe de la matière sombre qui utilise des détecteurs cryogéniques au silicium et au germanium capables de mesurer des dépôts d'énergie aussi petits que quelques eV. L'un des défis les plus importants de la recherche de la matière sombre est de réussir à bloquer les nombreux bruits de fond. Une de ces sources de bruit de fond est la production de plasmons par la diffusion Compton, un phénomène ne déposant généralement qu'une dizaine d’eV et affectant surtout les détecteurs à semi-conducteurs. Dans cet ouvrage, nous allons estimer le taux de production de ces plasmons et démontrer qu'il est primordial de tenir compte de ce bruit de fond avant de pouvoir affirmer avoir trouvé la matière sombre. Un autre enjeu majeur de SuperCDMS est l'étalonnage de ses détecteurs à très faible énergie. En effet, la matière sombre est supposée interagir avec le noyau des atomes. Toutefois, il n'existe présentement aucune donnée sur le degré d'ionisation pour des reculs nucléaires de moins de 0,7 keVnr dans le silicium, où keVnr représente l'énergie déposée en keV lors d'une collision nucléaire (nr). Dans la deuxième partie de cet ouvrage, nous allons montrer comment l'expérience IMPACT (Ionization Yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), une sous-expérience de SuperCDMS composée de membres de SuperCDMS, compte mesurer ce degré d'ionisation pour des reculs nucléaires entre 0,1 et 4 keVnr dans le silicium. Connaître ce degré d'ionisation est d'une grande importance pour SuperCDMS car il permet de reconstruire l'énergie déposée par une particule de matière sombre lorsqu'elle effectue une collision nucléaire dans ses détecteurs de matière sombre. / SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) is an experiment for the direct detection of dark matter that uses cryogenic silicon and germanium detectors which can measure energy deposition as low as a few eV. One of the biggest challenges in the search for dark matter is to block the various background events. One of those background source is the excitation of plasmons by Compton scattering, a phenomenon that generally deposits about ten eV and which affects mainly semiconductor detectors. In this work, we will estimate the production rate of plasmons and argue that we must understand this background in order to claim evidence of dark matter. One of SuperCDMS's other challenges is the calibration of its detectors at very low energy. Indeed, dark matter is known to interact with the atom's nucleus, but unfortunately, there is no data at the moment about the ionization yield of nuclear recoils below 0,7 keVnr in silicon, where keVnr is the energy deposited in keV in a nuclear recoil (nr). In the second part of this work, we will show how the IMPACT experiment (Ionization yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), a sub-experiment of SuperCDMS composed of members of SuperCDMS, aims to measure the ionization yield for nuclear recoils between 0,1 and 4 keVnr in silicon. It is important for SuperCDMS to know this ionization yield to reconstruct the energy deposited in their detectors by a nuclear recoil from a dark matter particle.

La radiothérapie guidée par résonance magnétique promet une administration de dose plus précise que les techniques conventionnelles puisqu’elle permet une visualisation en temps réel des structures internes avant et pendant le traitement. Cependant, la dosimétrie doit être réalisée en présence de champs magnétiques. Alors que le champ magnétique n’affecte pas le transport des particules neutres, il affecte le transport des particules chargées secondaires en raison de la force de Lorentz, qui modifie le champ de rayonnement et la réponse de dose du détecteur. Cette thèse vise à comprendre l’effet du champ magnétique sur la réponse de dose du détecteur, à la caractériser et à fournir des facteurs de correction de qualité prenant en compte l’impact du champ magnétique. Dans le premier article, quatre chambres d’ionisation à petite cavité ont été caractérisées via des simulations de Monte Carlo et des mesures expérimentales. Il a été constaté que le champ magnétique accentuait tous les détails géométriques. Une description précise du volume sensible effectif est cruciale dans les simulations. De plus, la géométrie modélisée doit être aussi proche que possible de la géométrie réelle, y compris les couches d’air internes. Des facteurs de correction de qualité tenant compte du champ magnétique et de son incertitude du budget d’incertitude sont présentés pour différentes configurations. Le deuxième article a évalué l’effet du champ magnétique sur les facteurs de perturbation de cinq détecteurs à petite cavité, dont trois détecteurs à petite cavité et deux détecteurs à semi-conducteurs. Les facteurs de perturbation des composants structurels, les facteurs de moyenne de densité et de volume ont été déterminés pour différentes tailles de champ et orientations. De plus, des facteurs de correction de qualité ont été calculés dans les mêmes conditions. Les résultats montrent que le champ magnétique a un impact significatif sur le facteur de perturbation de la densité dans les chambres d’ionisation. En revanche, son impact est plus prononcé dans les composants structurels des détecteurs semi-conducteurs. L’objectif du troisième article était de fournir plus d’informations sur la compréhension de la relation dose-réponse des détecteurs dans les champs magnétiques via des calculs de spectres de fluence électronique. La fluence des électrons différentiel en énergie dans la cavité du détecteur peut être fortement modifiée dans les champs magnétiques, et les perturbations de fluence sont généralement plus évidentes pour les électrons de faible énergie. Ces calculs ont montré l’interaction entre plusieurs facteurs qui rendent les effets de perturbation imprévisibles dans le faisceau de photons couplé aux champs magnétiques : 1) orientation du détecteur et du champ magnétique, 2) taille et forme de la cavité, 3) composants structurels, 4) couche d’air entre le détecteur et le milieu et leur asymétrie, et 5) l’énergie. / Magnetic resonance-guided radiation therapy promises more accurate dose delivery than conventional techniques by allowing real-time visualization of internal structures before and during treatment. However, the dosimetry must be performed in the presence of magnetic fields. While the magnetic field does not affect the transport of uncharged particles, it affects the transport of secondary charged particles due to the Lorentz force, which modifies the radiation field and the detector dose-response. This thesis aims to understand the effect of the magnetic field on detector dose-response, characterize it, and provide quality correction factors accounting for the impact of the magnetic field. In the first article, four small-cavity ionization chambers were characterized via Monte Carlo simulations and experimental measurements. It was found that the magnetic field emphasized all the geometrical details. An accurate description of the effective sensitive volume is crucial in the simulations. Also, the modelled geometry must be as close as possible to the actual geometry, including the internal air layers. Quality correction factors accounting for the magnetic field and its uncertainty budget uncertainty are presented for different configurations. The second article evaluated the magnetic field effect on perturbation factors of five small volume detectors, including three ionization chambers and two solid-state detectors. The perturbation factors from extracameral components, density and volume averaging factors were determined for different field sizes and orientation setups. Additionally, quality correction factors were calculated in the same conditions. Results show that the magnetic field significantly impacts the density perturbation factor in the ionization chambers. In contrast, its impact is more pronounced in the extracameral components in the solid-state detectors. The purpose of the third article was to provide more insight into the understanding of detector dose-response in magnetic fields via calculations of electron fluence spectra. The electron fluence differential in energy in the detector cavity can be severely modified in magnetic fields, and fluence perturbations are generally more evident for low-energy electrons. These calculations showed the interplay between multiple factors that make the perturbation effects unpredictable in photon beams coupled to magnetic fields: 1) detector and magnetic field orientation, 2) cavity size and shape, 3) extracameral components, 4) air gaps and their asymmetry, and 5) energy.