Résumé : En tomographie d'émission par positrons (TEP), les données sont enregistrées par la détection de paires de photons de haute énergie (511~keV) en coïncidence. Or, dans un système de détection pixélisé, comme celui des scanners LabPET, la diffusion Compton dans les cristaux voisins entraîne la détection fréquente d'événements multiples, présentement rejetés dans le processus de reconstruction des images. Ces événements multiples peuvent augmenter l'efficacité de détection du scanner de façon significative, mais il reste à démontrer que l'inclusion de ces coïncidences peut améliorer la sensibilité sans affecter les critères de qualité des images, tels que la résolution spatiale et le contraste. Le but du projet est de démontrer l'influence de l'inclusion de ces événements dans le processus de reconstruction d'images. Les méthodes à critères fixes seront utilisées pour sélectionner les coïncidences triple obtenues à partir de données simulées à l’aide du logiciel de simulation GATE (« Geant4 Application for Tomographic Emission ») et de mesures réelles effectuées sur les scanners LabPET. // Abstract : In positron emission tomography, data are acquired by detecting pairs of high energy photons (511 keV) in coincidence. Thus, in a highly pixelated system such as the LabPET scanner, Compton diffusion in neighboring crystals can trigger the detection of multiple events (multiple coincidences) which are currently rejected from the reconstruction process. These multiple events can increase significantly the scanner’s detection efficiency, but it remains to be demonstrated that they can be used to increase sensitivity in the images without decreasing image quality criteria, such as the spatial resolution and contrast. The goal of this work is to demonstrate the influence of including these events in the image reconstruction process. Fixed criteria methods were used to select triple coincidences obtained from simulated data from the GATE (Geant4 Application for Tomography Emission) software and real measurements from the LabPET scanner.

En Tomographie d'Émission par Positrons (TEP), la course à la résolution spatiale nécessite des détecteurs de plus en plus petits, produisant plus de diffusion Compton avec un impact négatif sur l’efficacité de détection du scanner. Plusieurs phénomènes physiques liés à cette diffusion Compton entachent tout traitement des coïncidences multiples d'une erreur difficile à borner et à compenser, tandis que le nombre élevé de combinaisons de détecteurs complexifie exponentiellement le problème. Cette thèse évalue si les réseaux de neurones constituent une alternative aux solutions existantes, problématiques parce que statistiquement incertaines ou complexes à mettre en œuvre. La thèse réalise une preuve de concept pour traiter les coïncidences triples et les inclure dans le processus de reconstruction, augmentant l'efficacité avec un minimum d'impact sur la qualité des images. L'atteinte des objectifs est validée via différents critères de performance comme le gain d'efficacité, la qualité de l'image et le taux de succès du calcul de la ligne de réponse (LOR), mesurés en priorité sur des données réelles. Des études paramétriques montrent le comportement général de la solution : un réseau entraîné avec une source générique démontre pour le taux d'identification de la LOR une bonne indépendance à la résolution en énergie ainsi qu'à la géométrie des détecteurs, du scanner et de la source, pourvu que l'on ait prétraité au maximum les données pour simplifier la tâche du réseau. Cette indépendance, qui n'existe en général pas dans les solutions existantes, laisse présager d'un meilleur potentiel de généralisation à d'autres scanners. Pour les données réelles du scanner LabPET[indice supérieur TM], la méthode atteint un gain d'efficacité aux alentours de 50%, présente une dégradation de résolution acceptable et réussit à recouvrer le contraste de manière similaire aux images de référence, en plus de fonctionner en temps réel. Enfin, plusieurs améliorations sont anticipées.

En Tomographie d'Émission par Positrons (TEP), la course à la résolution spatiale nécessite des détecteurs de plus en plus petits, produisant plus de diffusion Compton avec un impact négatif sur l’efficacité de détection du scanner. Plusieurs phénomènes physiques liés à cette diffusion Compton entachent tout traitement des coïncidences multiples d'une erreur difficile à borner et à compenser, tandis que le nombre élevé de combinaisons de détecteurs complexifie exponentiellement le problème. Cette thèse évalue si les réseaux de neurones constituent une alternative aux solutions existantes, problématiques parce que statistiquement incertaines ou complexes à mettre en œuvre. La thèse réalise une preuve de concept pour traiter les coïncidences triples et les inclure dans le processus de reconstruction, augmentant l'efficacité avec un minimum d'impact sur la qualité des images. L'atteinte des objectifs est validée via différents critères de performance comme le gain d'efficacité, la qualité de l'image et le taux de succès du calcul de la ligne de réponse (LOR), mesurés en priorité sur des données réelles. Des études paramétriques montrent le comportement général de la solution : un réseau entraîné avec une source générique démontre pour le taux d'identification de la LOR une bonne indépendance à la résolution en énergie ainsi qu'à la géométrie des détecteurs, du scanner et de la source, pourvu que l'on ait prétraité au maximum les données pour simplifier la tâche du réseau. Cette indépendance, qui n'existe en général pas dans les solutions existantes, laisse présager d'un meilleur potentiel de généralisation à d'autres scanners. Pour les données réelles du scanner LabPET[indice supérieur TM], la méthode atteint un gain d'efficacité aux alentours de 50%, présente une dégradation de résolution acceptable et réussit à recouvrer le contraste de manière similaire aux images de référence, en plus de fonctionner en temps réel. Enfin, plusieurs améliorations sont anticipées.

L'objectif principal de l'expérience Borexino est "la détection en temps réel" des neutrinos solaires de la raie du béryllium à 862keV. Outre cette mesure pionnière dans le domaine des neutrinos de basse énergie, Borexino pourra mesurer les neutrinos solaires au-dessus du MeV (neutrinos du 8B et neutrinos pep), les neutrinos de réacteurs nucléaires (d'énergie moyenne d'environ 3 MeV) et les neutrinos de supernovae (dont le spectre en énergie s'étend jusqu'à quelques dizaines de MeV). Le présent travail est consacré principalement à l'étude des neutrinos de réacteurs nucléaires. Ce domaine a été récemment enrichi par les résultats de KamLAND, qui ont grandement amélioré la détermination des paramètres d'oscillations des neutrinos. Dans l'objectif de mesurer ces événements au dessus du MeV, la collaboration Borexino a confié au groupe du PCC, Collège de France, le développement d'un système de numérisation rapide fonctionnant à 400 MHz: les cartes FADC. Elles ont été conçues au laboratoire et nous les avons finalisées au début de l'année 2002. Les premières cartes implantées dans l'électronique d'acquisition de Borexino nous ont permis de contrôler leurs fonctionnements et celui du programme d'acquisition. Elles ont été également installées sur le prototype de Borexino, CTF. Les données correspondantes sont analysées en vue de mettre une limite sur le bruit de fond attendu dans Borexino pour la mesure des neutrinos de réacteurs nucléaires.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la métrologie des rayonnements ionisants. Plus particulièrement dans la mesure par spectrométrie gamma des actinides contenus dans les colis et fûts de déchets. Le travail mené consiste à modéliser le coefficient d’étalonnage de la scène de mesure, élément indispensable à la quantification de l’activité (ou à la masse de radionucléides recherchée) de l’objet mesuré. La thèse comporte deux parties. La première partie traite de la modélisation de la réponse numérique spatiale et énergétique équivalente à la réponse réelle du détecteur, étape indispensable pour remonter à l’activité de l’objet. La seconde partie traite de la quantification du coefficient d’étalonnage de la scène de mesure sans hypothèse de l’opérateur. Le premier travail de thèse est la mise au point d’une méthodologie quasi automatisée d’obtention d’une réponse numérique équivalente à la réponse réelle du détecteur à un critère de convergence fixé. La réponse numérique est obtenue, sans expert, en conditions de terrain avec un critère de convergence inférieur à 5%. Le second travail est une étude de faisabilité sur la quantification de l’activité pour des colis complexes sans hypothèse de l’opérateur grâce à l’utilisation de métamodèles. Les métamodèles permettent de générer rapidement un ensemble de configurations du coefficient d’étalonnage par rapport aux données d’entrée. Les configurations sont ensuite triées pour sélectionner le coefficient d'étalonnage correspondant à la scène de mesure. / This thesis deals with radiation measurement. More particularly it concerns gamma ray spectroscopy for low level wastes. It consists in modeling the full efficiency calibration coefficient of the measured scene. It is essential to quantify the activity/mass of the measured object. This thesis is split in two parts. The first part consists in HPGE detector characterization. The HPGe characterization is available in space and energy range. The second part consists in determining the full efficiency calibration coefficient of the measured scene without operator hypothesis. First work is the development of an automated methodology to obtain detector characterization. HPGe detector characterization has similar performance to the real detector with a control of the discrepancy between them. HPGe detector characterization is achieved without expert, on field condition with a convergence criterion lower than 5%. Second work is a feasibility study for activity quantification of complex waste package without operator hypothesis. It will be possible by using metamodeling. Metamodeling generate quickly a set of configurations of the calibration coefficient with regard to input data. Configurations are sorted out according some criterions.

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement. / The sixteen detectors forming the ATLAS-MPX network have been placed in different positions inside the ATLAS detector and its cavern at CERN in order to measure, in real time, the radiation fields produced by primary particles (beam protons) and secondary particles (kaons, pions, photons, protons) resulting from the proton-proton collisions. Films of polyethylene (PE) and lithium fluoride (6LiF) cover the detectors so as to increase their sensitivity to neutrons produced by the primary and secondary particles interacting with the materials present in the ATLAS environment. The tracks identification in an ATLAS-MPX detector is obtained with the algorithms of the MAFalda software (Medipix Analysis Framework) based on the libraries and data-analysis software ROOT. A study on the mistag rate and blob overlap was made by reconstructing the activities of 106Ru and 137Cs sources. The fast neutron detection efficiency was measured with the help of 252C f and 241AmBe sources (neutrons with an average energy of 2.13 and 4.08 MeV, respectively). The detection efficiency measured for neutrons produced by 252Cf et 241AmBe sources was calculated for the 6LiF and PE converters. It averaged at low and high energy respectively (0.8580 ± 0.1490)% and (0.0254 ± 0.0031)% for LiF and (0.0510 ± 0.0061)% and (0.0591 ± 0.0063)% for PE. A simulation of the neutron detection efficiency calculation in the MPX detector was carried out with the GEANT4 software. MPX data corresponding to the proton-proton collisions at 2.4 TeV and 7 TeV at the center of mass were analyzed. The detected flux of electrons and photons are particularly high in the MPX01 and MPX14 detectors because they are closer to the point of collision. Fluxes of neutrons were estimated using the measured detection efficiencies. A correlation with the luminosity of the LHC was established. We predict that for 14 TeV collisions at the center of mass, with a luminosity of 1034 cm^2*s^1, the number of particle detected by MPX01 and MPX14 respectively will be about 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 and 1.6x10^9 ± 6.3x10^7.

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement. / The sixteen detectors forming the ATLAS-MPX network have been placed in different positions inside the ATLAS detector and its cavern at CERN in order to measure, in real time, the radiation fields produced by primary particles (beam protons) and secondary particles (kaons, pions, photons, protons) resulting from the proton-proton collisions. Films of polyethylene (PE) and lithium fluoride (6LiF) cover the detectors so as to increase their sensitivity to neutrons produced by the primary and secondary particles interacting with the materials present in the ATLAS environment. The tracks identification in an ATLAS-MPX detector is obtained with the algorithms of the MAFalda software (Medipix Analysis Framework) based on the libraries and data-analysis software ROOT. A study on the mistag rate and blob overlap was made by reconstructing the activities of 106Ru and 137Cs sources. The fast neutron detection efficiency was measured with the help of 252C f and 241AmBe sources (neutrons with an average energy of 2.13 and 4.08 MeV, respectively). The detection efficiency measured for neutrons produced by 252Cf et 241AmBe sources was calculated for the 6LiF and PE converters. It averaged at low and high energy respectively (0.8580 ± 0.1490)% and (0.0254 ± 0.0031)% for LiF and (0.0510 ± 0.0061)% and (0.0591 ± 0.0063)% for PE. A simulation of the neutron detection efficiency calculation in the MPX detector was carried out with the GEANT4 software. MPX data corresponding to the proton-proton collisions at 2.4 TeV and 7 TeV at the center of mass were analyzed. The detected flux of electrons and photons are particularly high in the MPX01 and MPX14 detectors because they are closer to the point of collision. Fluxes of neutrons were estimated using the measured detection efficiencies. A correlation with the luminosity of the LHC was established. We predict that for 14 TeV collisions at the center of mass, with a luminosity of 1034 cm^2*s^1, the number of particle detected by MPX01 and MPX14 respectively will be about 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 and 1.6x10^9 ± 6.3x10^7.

L'étude de l'irradiation dans le système moléculaire à l'échelle du nanomètre est un domaine d'investigation innovant des sciences des radiations. Le Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires (DIAM) est conçu en vue les conséquences de l'irradiation dans des petits systèmes moléculaires modèles comme les agrégats d'eau protonés. L'irradiation provoque la fragmentation en plusieurs fragments neutres ou chargés. La technique de spectrométrie de masse COINTOF (Correlated Ion and Neutral Time of Flight) permet la détection corrélées des fragments neutres et chargés issus de la dissociation d'un système moléculaire préalablement sélectionné en masse et en vitesse. Les données collectées sont traitées et structurées pour permettre l'analyse statistique des corrélations sur un grand nombre d'événements de fragmentation. Parallèlement à l'identification des canaux de fragmentation, la technique COINTOF permet la mesure de leur rapport de branchement et de leur section efficace. La méthode est présentée pour la dissociation induite par collision sur un atome d'argon, d'agrégats d'eau protonés H+(H2O)n:[2;7], accélérés à 8keV. L'efficacité de détection, information déterminante pour la production de données quantitatives, est mesurée à partir des données et étudiée en fonction de la distribution l'amplitude des signaux de détection. Enfin, un nouveau système de cible constituée de nanogouttes de gaz rares a été développé

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant. / The LHC proton-proton collisions create a hard radiation environment in the ATLAS detector. In order to quantify the effects of this environment on the detector performance and human safety, several Monte Carlo simulations have been performed. However, direct measurement is indispensable to monitor radiation levels in ATLAS and also to verify the simulation predictions. For this purpose, sixteen ATLAS-MPX devices have been installed at various positions in the ATLAS experimental and technical areas. They are composed of a pixelated silicon detector called MPX whose active surface is partially covered with converter layers for the detection of thermal, slow and fast neutrons. The ATLAS-MPX devices perform real-time measurement of radiation fields by recording the detected particle tracks as raster images. The analysis of the acquired images allows the identification of the detected particle types by the shapes of their tracks. For this aim, a pattern recognition software called MAFalda has been conceived. Since the tracks of strongly ionizing particles are influenced by charge sharing between adjacent pixels, a semi-empirical model describing this effect has been developed. Using this model, the energy of strongly ionizing particles can be estimated from the size of their tracks. The converter layers covering each ATLAS-MPX device form six different regions. The efficiency of each region to detect thermal, slow and fast neutrons has been determined by calibration measurements with known sources. The study of the ATLAS-MPX devices response to the radiation produced by proton-proton collisions at a center of mass energy of 7TeV has demonstrated that the number of recorded tracks is proportional to the LHC luminosity. This result allows the ATLAS-MPX devices to be employed as luminosity monitors. To perform an absolute luminosity measurement and calibration with these devices, the van der Meer method based on the LHC beam parameters has been proposed. Since the ATLAS-MPX devices response and the luminosity are correlated, the results of measuring radiation levels are expressed in terms of particle fluences per unit integrated luminosity. A significant deviation has been obtained when comparing these fluences with those predicted by GCALOR, which is one of the ATLAS detector simulations. In addition, radiation measurements performed at the end of proton-proton collisions have demonstrated that the decay of radionuclides produced during collisions can be observed with the ATLAS-MPX devices. The residual activation of ATLAS components can be measured with these devices by means of ambient dose equivalent calibration.

Les lasers de puissance permettent depuis une dizaine d'années de produire des faisceaux de particules accélérées dans lesquels quelques 1012 électrons, protons sont accélérés en quelques ps. Nous avons simulé et développé des diagnostiques, utilisant l'activation nucléaire, pour qualifier les distributions angulaire et en énergie des faisceaux de particules générés. Les techniques de caractérisation sont présentées et illustrées à l'aide des résultats obtenus dans différentes expériences réalisées auprès des lasers de puissance. Nous envisageons d'utiliser ces faisceaux pour exciter des états nucléaires dans des environnements plasma. Celui-ci peut en effet influencer des caractéristiques intrinsèques du noyau comme la durée de vie de certains états isomériques. Dans le cadre de la préparation de telles expériences, nous avons mesuré la section efficace de la réaction (g,n) permettant de produire l'état isomérique du 84Rb à 463 keV d'énergie d'excitation, à l'aide de l'accélérateur ELSA du CEA/DIF de Bruyères-le-Châtel.