PIXE, Particle Induced X-ray Emission, est une méthode d'analyse multiélémentaire, rapide, non destructive, basée sur la détection des rayons X caractéristiques émis suite à l'interaction de particules chargées avec la matière. Cette méthode est usuellement utilisée avec des protons accélérés à une énergie de l'ordre de quelques MeV dans des domaines d'applications variés, atteignant une limite de détection de l'ordre de quelques μg/g (ppm). Cependant, la profondeur d'analyse est relativement limitée. Grâce au cyclotron ARRONAX, nous pouvons utiliser des protons ou des particules alpha jusqu'à une énergie de 70 MeV pour mettre en œuvre la technique PIXE à haute énergie. Avec de telles énergies, nous excitons préférentiellement les raies X K, plus énergétiques que les raies L utilisées dans la PIXE classique pour l'analyse des éléments lourds. L'analyse d'échantillons épais, en profondeur, est ainsi accessible. Pour l'analyse des éléments légers, nous pouvons utiliser la détection de rayons gamma émis pas les noyaux excités en combinant les méthodes PIGE et PIXE. Nous allons tout d'abord présenter les caractéristiques et les principes d'analyse de la méthode PIXE à haute énergie que nous avons développée à ARRONAX. Nous détaillerons ensuite les performances atteintes, notamment en termes de limite de détection dans différentes conditions expérimentales. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus pour l'analyse d'échantillons multicouches et la quantification d'éléments traces dans des échantillons épais.

Les mesures de la luminosité intégrée pour les expériences auprés de collisionneur ont un intérêt majeur. Ces mesures participent à la détermination des sections efficaces de production des processus étudiés, elles quantifient également les performances de l'accélérateur et des expériences. Deux méthodes ont été utilisées par l'expérience LHCb pour déterminer la mesure de la luminosité absolue enregistrée durant la campagne 2010 de prise de données des collisions proton-proton à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse: outre la méthode classique applelée "Van der Meer scan" une nouvelle technique est développée permettant une détermination directe des paramètres de chaque faisceau en localisant les interactions faisceau-faisceau et les interactions faisceau-gaz résiduel. Cette méthode n'est possible que grace à la résolution du détecteur de vertex de LHCb et sa proximité avec la zone des faisceaux de protons et les paramètres tels la position, les angles et les largeurs des faisceaux peuvent être mesurés. Les deux methodes sont décrites et leurs résultats discutés. De plus les techniques utilisées pour étendre les mesures de luminosité absolue à l'ensemble de la prise de données 2010 sont décrites.

L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège.

Le travail effectué au cours de cette thèse a porté sur le développement et la mise en œuvre de nouvelles stratégies en microscopie non linéaire permettant d'augmenter le nombre de signaux non linéaires simultanément observables d'une part, et la vitesse d'acquisition d'autre part. Dans un premier temps, nous avons exploré la possibilité de produire des signaux multiples au moyen de deux trains d'impulsions synchronisés de longueur d'onde centrale distincte. Nous avons montré que cette approche permet d'exciter de façon optimale et simultanée trois protéines fluorescentes respectivement bleue, jaune, et rouge. Une application de cette méthode consiste à imager de grands volumes de tissus marqués avec des transgènes Brainbow dans le but d'étudier la connectivité ou le lignage cellulaire. Plus généralement, nous avons montré que cette approche permet de combiner plusieurs signaux non linéaires tels que la fluorescence, la génération de seconde (SHG) et de troisième (THG) harmoniques, ainsi que le mélange à quatre ondes (FWM). Dans un deuxième temps, nous avons étudié la possibilité d'augmenter la vitesse d'imagerie. Pour cela, nous avons mis en œuvre plusieurs manières de produire des faisceaux de Bessel focalisés afin d'augmenter la profondeur de champ d'un microscope à balayage. Enfin, en vue d'augmenter la vitesse d'acquisition tout en préservant le sectionnement optique, nous avons construit un microscope biphotonique à nappe de lumière de profil spatial programmable. Dans cette géométrie nous avons comparé les propriétés d'imagerie de profils d'excitation de type gaussien et de Bessel pour des applications en biologie du développement.

Les procédés de fabrication additive ont connus un fort essor dans les dernières décennies et entament aujourd'hui leur phase d'industrialisation pérenne. L'industrie, dans un souci d'améliorer sans cesse le ratio masse/rigidité des systèmes qu'elle produit (notamment l'industrie aéronautique), a pris conscience du potentiel de ces technologies à produire des structures plus complexes que les procédés classiques. Elle cherche aujourd'hui à tirer profit de ce potentiel pour alléger encore plus les pièces produites en utilisant notamment des géométries de type réseaux ou alvéolaires (Lattice en anglais). Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour but de proposer une méthodologie, des modèles et des outils permettant la conception, le dimensionnement et l'optimisation de telles structures en vue de leur fabrication par procédés additifs. Le framework proposé peut être résumé par les huit étapes ci-dessous:- Importation de l'espace de conception, comprenant également les cas de chargement.- Optimisation topologique sur l'espace de conception.- Reconstruction de la géométrie, appelée primitive, qui servira de support à l'insertion du réseau.- Calcul par éléments finis qui peut être réalisé pour s'assurer de la bonne tenue mécanique.- Définition de la topologie du réseau, par l'intermédiaire d'un graphe 3D.- Déformation du réseau et optimisation mécanique du réseau.- Reconstruction des volumes.- Préparation des fichiers de données et impression 3D. / Additive manufacturing processes have been quickly growing those past decades and are now getting to their sustainable industrial. Industry has been caring about the mass to rigidity ratio of the structures it produces (especially in aeronautics), and is now acknowledging the potential of additive processes to produce more complex shapes than classical processes. Industry is now trying to take advantage of this potential by designing highly complex structures like lattices or metal foams. The work that is presented in this document propose a methodology, models and numerical tools allowing the conception, dimensioning and optimization of such structures through additive manufacturing. The proposed framework can be describe through the height following steps:- Importing the design space and the technical requirement (load cases).- Topology optimization of the design space- Geometry reconstruction to create a primitive which will be the lattice insertion area.- Finite elements computation to ensure that the structure meets the requirements.- Lattice topology definition using 3D graphs.- Lattice deformation and optimization.- Creation of the volumes around the lattice.- Printing file creation and 3D printing.

OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) est une expérience sur faisceau de neutrino située dans le Hall C du laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), en Italie, à une profondeur équivalente à 3.8 km d'eau (correspondant à une coupure en énergie à 1.5 TeV pour les muons à la surface). L'objectif premier d'OPERA est l'observation directe de l'oscillation νμ ➝ ντ dans le secteur des neutrinos atmosphériques par apparition d'événements ντ à 730km de la cible, dans un faisceau (CNGS) quasiment pur en νμ. OPERA est un détecteur hybride contenant une partie cible (~125 000 briques composées d'une succession de feuilles d'émulsion et de plomb) instrumentée et d'un spectromètre. La prise de données a commencé en 2006 et 55 000 événements neutrinos ont été enregistrés à ce jour. Le premier candidat ντ a été observé cette année. Le travail produit pendant cette thèse est axé suivant trois sujets principaux : la définition de règles de déclenchement du système d'acquisition du trajectographe pour les événements neutrinos du faisceau, la synchronisation des éléments du trajectographe et des plans de RPC ainsi que l'implémentation des résultats dans la simulation et l'étude de la faisabilité d'une analyse des oscillations des neutrinos atmosphériques dans les données hors-faisceau. La modification des règles de déclenchement du trajectographe a permis d'atteindre les valeurs proposées dans le proposal d'OPERA, ie une efficacité de déclenchement supérieure à 99%. Cette évolution a été rendu possible par la mise en place de fenêtres en temps en coïncidence avec le faisceau CNGS pendant lesquelles les coupures sont abaissées, permettant de récupérer les événements de basse multiplicité. Une étude poussée de l'intercalibration des détecteurs électroniques a permis la synchronisation de l'ensemble des informations venant des éléments du trajectographe et des RPC. Les résultats de cette analyse sont maintenant inclus dans la simulation du détecteur. Le travail de calibration a permis de produire une étude sur l'oscillation des neutrinos atmosphériques "hors-faisceau" grace à la détection de particules montantes. Les analyses présentées dans cette thèse ont permis une meilleure compréhension du détecteur d'OPERA et démontré sa capacité à observer des phénomènes ne dépendant pas du faiseau CNGS. Des analyses sur la détection des neutrinos atmosphériques et la caractérisation du flux de muons cosmiques (variations saisonnières entre autres) sont désormais possibles grace à la statistique accumulée et la compréhension plus fine des systèmes d'acquisition. Les corrections sur la propagation des signaux dans les détecteurs électroniques sont aujourd'hui utilisées pour la mesure de la vélocité des neutrinos du faisceau / OPERA (" Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus ") is a neutrino beam experiment located in hall C of the Gran Sasso underground laboratory (LNGS), in Italia, under a equivalent of 3.8 km water (corresponding to a cut at 1.5 TeV for the muons). The first purpose of OPERA is the direct observation of the νμ ➝ ντ oscillation in the atmospheric sector observing an ντ appearance 730 km away from the target in a quasi pure νμ beam (CNGS). OPERA is an hybrid detector with an instrumented target part (~125 000 bricks made with emulsion and lead sheets) and a spectrometer. The data taking have started in 2006 and 55 000 events have been registred. The first ντ candidate have been observed this year. The work done during this thesis is oriented around three main topics : Define the trigger rules of the target tracker acquisition system for beam neutrino events, synchronise target tracker and RPC elements, implement the results inside the simulation and the study of the feasibility of an atmospheric neutrino analysis using off-beam data. The new trigger rules succeeds to reach the values of OPERA proposal, ie a trigger efficiency greater than 99%. This improvement have been done thanks to coincidence time windows with the CNGS beam during which lower cut are applied, allowing low multiplicity events to be kept. A deep study of electronic detectors intercalibration makes possible the target tracker and RPC data synchronisation. The analysis results are now included in the official simulation. This calibration work have been then used for a study of " off-beam " atmospheric neutrino oscillation thanks to the selection of up-going particles. The analysis showed in the thesis have improved the OPERA detector understanding and demonstrate the feasability of an observation of phenomenoms independant from the CNGS beam. Analysis on atmospherics neutrino detection and muons flux caracterisation (seasonal variations for example) are now possible thanks to the accumulated statistics and the deeper understanding of the acquisition systems. Correction on signal propagation inside the electronic detectors are now used for a neutrino velocity measurement

Les hallucinations auditives (HA) sont présentes chez 70% à 80% des patients atteints de schizophrénie et sont résistantes aux traitements pharmacologiques dans environs 25% cas. Ces symptômes induisent une détresse importante chez les sujets et grèvent le pronostic. Dans ce travail, nous avons mis en avant des altérations cérébrales spécifiques aux HA chez des patients atteints de schizophrénie. Dans une première étude, en utilisant la méthode de DTI, nous avons montré que les patients atteints de schizophrénie avec HA ont une intégrité du faisceau arqué, supérieure à celle mesurée chez des patients atteints de schizophrénie sans HA. Dans une seconde étude, en utilisant la méthode de SRM, nous avons montré une augmentation de NAA, reflet du métabolisme neuronal, dans le cortex préfrontal dorsolatéral de l'hémisphère droit chez les patients atteints de schizophrénie avec HA comparé au CPFDL gauche et à des patients atteints de schizophrénie sans HA. Dans ces deux études, le taux de NAA du CPFDL droit et l'intégrité du faisceau arqué ont été associés à la sévérité des HA présentes chez les patients. Dans notre dernière étude, nous avons montré une association entre le taux de BDNF périphérique, marqueur de la plasticité neuronale, et le taux de NAA mesuré dans le CPFDL droit, chez les patients atteints de schizophrénie résistante. Ces résultats montrent qu'il existe une pathophysiologie spécifique des HA chez les patients atteints de schizophrénie et mettent en avant l'importance de stratifier les patients sur la base de leurs symptômes prédominants dans les futures études pathophysiologiques de la schizophrénie / Auditory hallucinations (AH) are present in 70% to 80% of patients with schizophrenia and are resistant to pharmacological treatments in 25% of cases. These symptoms induce significant distress in patients and predict a bad prognosis. In this work we have highlighted cerebral alterations specific to AH in patients suffer from schizophrenia. In a first study, using DTI method, we showed that patients with schizophrenia and AH have an arcuate fasciculus integrity, reflected by the measurement of fractional anisotropy (FA) greater than the one measured in patients with schizophrenia without AH. In a second study, using MRS method, we showed an increase of NAA level measured in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) in the right hemisphere in patients with schizophrenia and AH compared to the DLPFC in the left hemisphere and compared to patients with schizophrenia and without AH. Moreover, in these two studies we showed an association between AH severity and the arcuate fasciculus integrity in the left hemisphere and an association between AH severity and NAA levels in the right DLPFC. Finally, in our last study, we quantified BDNF levels using ELISA method and showed an association between peripheral BDNF level, a marker of neuronal plasticity, and NAA levels in the right DLPFC, marker of neuronal metabolism, in patients with treatment-resistant schizophrenia. These results show that there is a specific pathophysiology of AH in patients with schizophrenia and highlight the importance of stratifying patients on the basis of their predominant symptoms in future pathophysiological studies of schizophrenia

Quand un faisceau d'ions énergétiques traverse un plasma magnétisé plus rapidement que la vitesse d'Alfvén, il peut déstabiliser des ondes électromagnétiques. Cela résulte en une augmentation des fluctuations magnétiques, un ralentissement du faisceau et un chauffage du plasma. Cette instabilité faisceau-plasma magnétisée est commune dans des environnements comme les rayons cosmiques dans le milieu interstellaire ou les ions réfléchis au choc d'étrave terrestre, ou dans des plasmas de laboratoire. Sous certaines conditions, les collisions coulombiennes entre les ions peuvent avoir une influence et même supprimer le développement de l'instabilité. Ce travail fournit les premières recherches sur le sujet. Nous étudions l'instabilité numériquement avec un code hybride-PIC intégrant un module de collision Monte-Carlo nouvellement développé. Nos résultats pour le régime sans collision confirment les études précédentes sur la présence de modes résonants et non-résonant, et fournit une base de comparaison pour le cas collisionel. Nous trouvons que les collisions diminuent l'amplitude des fluctuations magnétiques, et identifions plusieurs régimes caractérisés par la compétition entre l'accroissement de l'instabilité et les collisions. Même dans des plasmas faiblement collisionnels, le ralentissement peut induire une augmentation rapide des échanges d'énergie collisionels, ce qui laisse moins d'énergie libre pour l'amplification des fluctuations magnétiques et cause un chauffage plus efficace du plasma. Pour le mode résonant, l'augmentation du chauffage du faisceau réduit le nombre de particules résonant avec les ondes et mène à une réduction de son taux d'accroissement. / When a beam of energetic ions streams in a magnetized plasma background with a bulk velocity higher than the local Alfvén speed, it can drive electromagnetic waves unstable. The result is enhanced magnetic field fluctuations, the slowing down of the beam and plasma heating. This so-called magnetic streaming instability is commonly present in space plasma, such as streaming cosmic rays in the interstellar medium or reflected ions at shocks, as well as in laboratory plasmas. Under certain physical conditions, Coulomb collisions between ions can influence and even suppress the development of the instability. This work provides the first investigation of such effects. We study the magnetic streaming instability numerically with a hybrid-PIC code with a newly developed Monte Carlo ion-ion Coulomb collision module. Our results for the collisionless regime confirm previous studies related to the existence of resonant and non-resonant modes, and provide the groundwork for the comparison with the collisional cases. We find that collisions generally lower the amplitude of the magnetic field fluctuations, and we identify several regimes which are characterized by the competition between the growth of the instability and collisions. Even in weakly-collisional plasmas, the slowing down of the beam can actually induce a rapid increase of collisional energy exchanges, which leave less free energy for the non-linear growth of the magnetic field fluctuations and cause a more efficient heating of the plasma. For the resonant mode the enhanced heating of the beam reduces the number of particles resonating with the waves and leads to a reduction of its growth rate.

L'imagerie par tenseur de diffusion (DTI) est une technique qui permet d'étudier l'organisation et l'état structurel des faisceaux de substance blanche. L'étude de l'intégrité des faisceaux peut aider à comprendre et à déterminer la sévérité du pronostic des patients après un accident ischémique cérébral (AIC). Dans cette thèse, je présente deux études ; dans la première nous avons comparé les résultats obtenus à partir d'un template du faisceau Corticospinal (FCS) à ceux obtenus par la tractographie chez des sujets sains et des patients post-AIC. Dans les deux groupes, les valeurs de la fraction d'anisotropie (FA) obtenues avec la tractographie étaient plus élevées que celles du template. Cependant, chez les patients, les deux méthodes ont détecté une diminution des valeurs de FA du FCS ipsilésionnel, qui était corrélée aux scores moteurs, mais les valeurs de FA obtenues avec le template étaient mieux corrélées avec le signal BOLD généré par la main parétique. La deuxième étude cherchait à savoir si la sévérité de l'aphasie post-AIC pouvait être corrélée à l'atteinte de certaines régions de la substance blanche. L'analyse voxel à voxel a permis d'identifier une zone située à l'intersection des voies dorsale et ventrale du langage, au-dessous de la jonction temporo-pariétale (JTP) gauche. La gravité des dommages dans cette région, évaluée par les valeurs de la FA, était mieux corrélée aux déficits phasiques que le volume de l'infarctus. Dans cette thèse, nous avons trouvé que, après un AIC, l'atteinte du FCS est un bon prédicteur de la sévérité du déficit moteur et celle d'une région localisée au-dessous de la JTP gauche, est un bon prédicteur de la sévérité de l'aphasie. / The diffusion tensor imaging (DTI) is a technique used to study the organization and the structural state of white matter tracts. The study of the tracts integrity may help to understand and determine the severity of the patients? prognosis after an ischemic stroke. In this thesis, I present two studies: in the first we compared the results obtained from a template of the Corticospinal tract (CST) to those obtained by a tractography in healthy subjects and stroke patients. In both groups, the fractional anisotropy (FA) values obtained with the tractography were higher than those obtained by the template. However, in patients, both methods detected a decrease in FA values of the ipsilesional CST, which was correlated with motor scores, but the FA values obtained with the template were better correlated with the BOLD signal generated by the paretic hand. The second study investigated whether the severity of aphasia could be correlated to the damage of certain areas of the white matter. The voxel-based analysis identified an area at the intersection of the dorsal and ventral pathways of language, below the left temporo-parietal junction (JTP). The severity of the damage in this area, assessed by the FA values, was better correlated with the phasic deficits than the infarct volume. In this thesis, we found that after a stroke, the damage of the CST is a good predictor of the motor deficit severity and that of the region located below the left JTP is a good predictor of the aphasia severity.

La physique à la drip-line offre l'opportunité d'étudier les noyaux à la limite du paysage couvert par la physique nucléaire, où l'addition de nouveaux protons et neutrons ne peut plus être supportée. A l'approche de la drip-line, la structure même des noyaux se trouve modifiée par rapport aux plus stables. Les fermetures de couches classiques disparaissent et de nouveaux phénomènes surgissent, tels que la clusterisation et les halos. Dans ce travail, nous avons revisité la spectroscopie du noyau non-lié 10He par l'intermédiaire d'une réaction de transfert d'un proton 11Li(d,3He) à 50 AMeV étudiée par la méthode de masse manquante. Pour ce faire, nous avons utilisé le détecteur MUST2 sur la ligne RIPS du RIKEN Nishina center. La partie expérimentale de ce travail repose sur un dispositif novateur utilisant des détecteurs de silicium très fins. Pour la première fois, la mise en oeuvre de ces derniers en conjonction avec des détecteurs sensibles en position de haute granularité a été démontrée. L'approche par réaction de transfert conduit à des résultats très clairs sur la position du premier état résonant du 10He, trouvé dans ce travail à 1.4(3) MeV, en accord avec la plupart des précédents travaux expérimentaux. L'obtention pour la première fois d'un facteur spectroscopique permet de nous renseigner sur la nature du recouvrement <10He|11Li>, trouvé égale à 0.13(6). / Physics at the drip-line offer the opportunity to study nuclei at the limits of the nuclear landscape, where additional protons or neutrons can no longer be kept in the nucleus. In the vicinity of the drip-lines, the structural features of the nuclei change with respect to the more stable nuclei, the normal shell closure of particles disappear and new phenomena appear, such as clusterization and halo. In this work we have revisited the spectroscopy of the unbound 10He by means of the 11 Li(d,3 He) reaction at 50 AMeV studied in missing mass method with the MUST2 array at the RIPS beam line of RIKEN. The experimental part of this study rely on new detection set-up using very thin silicon detectors. For the first time, the effective operability of these detectors, in conjunction with high granularity position sensitive detectors, was proved. The transfer reaction approach led to clear results on the 10He first resonant state position, found in this work at 1.4(3) MeV, in agreement with most of the previous experimental works. The extraction of a spectroscopic factor for the first time shed light on the <10He|11Li> overlap, found to be 0.13(6).