Cette thèse a essentiellement été motivée par la montée en puissance de la thématique des échauffements nucléaires en réacteurs. Elle avait pour objectif la mise en place de méthodes permettant la simulation de l'émission des gammas prompts de fission. Pour répondre à cette attente, différents algorithmes de désexcitation d'un noyau ont été implémentés. Ils ont été testés avec succès via plusieurs calculs d'application (rapport d'embranchement isomérique, largeur radiative totale, etc). Ces méthodes ont ensuite été mises en oeuvre dans le cadre du code de fission FIFRELIN. L'outil qui en résulte, permet la détermination d'un grand nombre d'observables de fission, dans le cadre d'un modèle unique. Une étude de sensibilité des résultats à différents éléments du calcul a été réalisée. Enfin, des simulations de la fission spontanée du 252Cf, et des fissions induites par neutrons thermiques sur l' 235U et le 239Pu ont été menées. Les spectres des gammas prompts pour ces trois systèmes fissionnants ont pu être déterminés. Les résultats obtenus sont en très bon accord avec les données expérimentales disponibles, dont certaines ont été publiées récemment (2012 et 2013). / This PhD thesis has essentially been motivated by the nuclear heating problematic in reactors. The main goal of this work was the production of methods capable of simulating the prompt gamma emission from fission. First of all, several algorithms for the treatment of the nucleus deexcitation were implemented. They have been succesfully tested through various calculations (isomeric branching ratio, total radiative width, etc). These methods were then incorporated in the frame of the fission code FIFRELIN. The tool which results from this work, enables the determination of numerous fission observables in the frame of a single consistent model. A sensitivity study of the results to several numerical and nuclear models has been realized. At last, calculation have been lead for the 252Cf spontaneous fission and the thermal neutron induced fission of 235U and 239Pu. The prompt gamma spectra obtained for those three fissionning systems have been determined. The results are in good agreement with available experimental data, including recent measurements published in 2012 and 2013.

Une technique d'imagerie innovante reposant sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (bêta, gamma) à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide a été proposée au laboratoire SUBATECH en 2003. Cette technique, appelée imagerie 3 gammas, repose sur l'association d'une caméra à tomographie d'émission de positons pour la reconstruction des deux photons d'annihilation et d'une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la reconstruction du troisième photon. L'interaction de ce dernier avec le xénon liquide induit un signal de scintillation, lu avec un tube photomultiplicateur, qui permet de déclencher l'acquisition du signal d'ionisation, lu avec un MICROMEGAS (MICRO MEsh Gaseous Structure), donnant accès à la mesure de l'énergie et de la position de chaque interaction. Dans le cadre de ce développement, nous proposons une alternative à la lecture du signal de scintillation avec des tubes photomultiplicateurs classiques : un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface. Ce photodétecteur est doté d'une photocathode réflective solide d'iodure de césium pour la photoconversion des photons UV et de microstructures amplificatrices telles que le THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), le MICROMEGAS et le PIM (Parallel Ionization Multiplier). Il devrait permettre une segmentation virtuelle du volume de xénon liquide afin de réduire l'occupation du télescope. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un premier prototype de petite surface à la température du xénon liquide (173 K) sont présentés.

L'hadronthérapie joue un rôle de plus en plus important au sein des techniques de radiothérapie grâce aux propriétés balistiques des ions et, dans le cas de ceux plus lourds que les protons, à une augmentation de l'efficacité biologique dans la région tumorale. Ces caractéristiques permettent une meilleure conformation de la dose délivrée au volume tumoral et elles permettent en particulier de traiter des tumeurs radio-résistantes. Elles conduisent cependant à une grande sensibilité du parcours des ions aux incertitudes du traitement. C'est dans ce contexte qu'a été proposée la détection de radiations secondaires émises lors des interactions nucléaires induites par les ions incidents dans le patient. La tomographie par émission de positons et la détection des rayons gamma prompts ont notamment fait l'objet d'une recherche intense ces dernières années. Le réseau de formation européen ENTERVISION, soutenu par la communauté ENLIGHT, a été crée fin 2009 pour développer ce type d'imagerie et, plus généralement, traiter les incertitudes de traitement en hadronthérapie. Le travail présenté dans ce manuscrit et intitulé ≪ Modélisation et simulation des processus physiques pour l'imagerie en ligne de l'hadronthérapie ≫ est l'un des nombreux travaux issus de ce projet. Bien que le sujet soit particulièrement large, le fil conducteur de ce travail a été une étude systématique visant in fine une implémentation d'un dispositif d'imagerie ≪ gamma prompts ≫ utilisable à la fois en faisceau de protons et d'ions carbone / Hadrontherapy is taking an increasingly important role in radiotherapy thanks to the ballistic properties of ions and, for those heavier than protons, an enhancement in the relative biological effectiveness in the tumour region. These features allow for a higher tumour conformality possible and gives the opportunity to tackle the problem of radioresistant tumours. However, they may lead to a great sensitivity of ion range to treatment uncertainties, namely to morphological changes along their path. In view of this, the detection of secondary radiations emitted after nuclear interactions between the incoming ions and the patient have been long proposed as ion range probes and, in this regard, positron emitters and prompt gammas have been the matter of intensive research. The European training network ENTERVISION, supported by the ENLIGHT community, was created in the end of 2009 in order to develop such imaging techniques and more generally to address treatment uncertainties during hadrontherapy. The present work is one of the many resulting from this project, under the subject “Modelling and simulation of physics processes for in-beam imaging in hadrontherapy”. Despite the extensive range of the topic, the purpose was always to make a systematic study towards the clinical implementation of a prompt-gamma imaging device to be used for both proton and carbon ion treatments

La protonthérapie est une technique prometteuse pour le traitement du cancer, qui se répend de plus en plus. Le pic prononcé de son profil de dose ainsi que la longueur finie du parcours des particules rendent possible un traitement plus ciblé et permettent de mieux éviter d’endommager des tissus sains. Cependant, la précision de l’irradiation s’avère également être le risque principal lors de l’utilisation de cette technique. En effet, une erreur dans la profondeur de pénétration des particules pourrait engendrer des dégâts considérables. A l’heure actuelle, aucune méthode de contrôle n’est systématiquement utilisée pour s’assurer de la qualité du traitement. Dans ce manuscrit, une méthode indirecte de mesure de la distribution de dose, basé sur la détection de gammas prompts émis le long du parcours du faisceau, est étudiée. Deux concepts de caméra collimatée uni-dimensionnelle sont comparés à l’aune de leur utilisation potentielle : une caméra à fentes parallèles et une caméra “knife-edge”. Les deux systèmes sont optimisés par simulations de Monte Carlo et des mesures sont présentés pour valider ces simulations. La comparaison se base sur la précision avec laquelle un décalage dans la chute du profil prompt gamma peut être détecté, la résolution spatiale, le coût et la taille du système. Des recommandations sont émises pour le choix de la meilleure configuration, selon différentes exigeances. Des résultats similaires sont obtenus pour les deux concepts, atteignant une précision de environ 2 mm pour un seul point de “pencil beam” correspondant à 5e7 protons. L’étude se conclue par un tour d’horizon des pistes de recherche futures qui permettraient d’utiliser un système de détection de gammas prompts dans un contexte clinique futur. / Protontherapy is a promising technique for tumor treatment that is becoming more and more widespread. The sharply peaked profile of the dose and the finite particle range allow for very conformal treatment and better sparing of healthy tissue beyond the tumor, but he precise delivery also proves to be the biggest challenge of the technique. Errors in range are a considerable risk in proton therapy and no range monitoring method is currently systematically used for quality control. In this manuscript, an indirect method of measuring the dose distribution, via the detection of secondary prompt gamma radiation emitted along the beam path, is explored. Two different one-dimensional collimated camera concepts, a multi-parallel-slit camera and a knife-edge slit camera are compared with regards to their potential use. Both systems are optimized via Monte Carlo simulation and measurements are presented for validation. The comparison is made on the basis of the precision with which a shift in the prompt gamma profile falloff edge can be retrieved by comparison with a reference profile as well as the spatial resolution, the cost, weight and bulkiness of the system and guidelines are given for choosing the best configuration for different requirements. Similar values can be obtained for both concepts, reaching a precision for the retrieval of the falloff edge of around 2 mm for a single pencil beam spot of 5×107 protons. This study concludes with an outlook on future developments and areas of investigation with the goal of reaching clinical applicability of a prompt gamma detection system.

Depuis plus d’un siècle, les rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (RCUHE), ayant une énergie supérieure à 1018 eV, continuent d’entretenir le mystère : Quelle est leur composition ? D’où viennent-ils ? Comment atteignent-ils de telles énergies ? Ces particules chargées, suffisamment énergétiques pour atteindre la Terre, forment des gerbes de particules secondaires via leurs interactions avec l’atmosphère dont le développement est caractéristique de la nature de la particule primaire. L’observatoire Pierre Auger, avec sa structure hybride et son gigantesque réseau de détecteurs peuvent apporter des réponses. L’étude de la composition des RCUHEs a été étudiée avec le réseau de surface de l’observatoire Pierre Auger. Cette dernière est cruciale à la fois pour comprendre les interactions hadroniques, qui constituent le développement des gerbes, et pour identifier leurs sources. Cela peut également aider à comprendre l’origine de la coupure spectrale aux plus hautes énergies : s’agit-il de la coupure GZK ou à l’extinction des sources. Toutes ces raisons motivent la première partie de la thèse, à savoir la mise en place d’une méthode permettant d’extraire la composante muonique des gerbes atmosphériques et d’en déduire la composition. Les résultats de cette méthode montrent une dépendance de la composition avec la distance à l’axe de la gerbe, qui pourrait aider à améliorer les modèles hadroniques. Dans les conditions actuelles du réseau de surface, l’identification de la composante muonique présente des limites.La seconde partie est consacrée au nouvel observatoire en Chine, LHAASO. Ce projet s’intéresse à l’étude des gammas supérieurs à 30 TeV, qui signeraient l’accélération de proton dans la galaxie, donnant ainsi des informations indirectes sur les rayons cosmiques. D’autre part, l’observatoire vise à étudier les rayons cosmiques entre 10 TeV et 1 EeV, région où le spectre en énergie présente une rupture. Cette région nécessite de pouvoir discriminer les gammas des rayons cosmiques. A ce titre, l’un des détecteurs de LHAASO, le KM2A, a été simulé et son pouvoir de discrimination gamma/hadron évalué. / During the past century, ultra-high-energy cosmic rays (UHECR), those with an energy larger than 1018 eV, remain as a mystery: What are cosmic rays? Where do they come from? How do they attain their huge energy? When these charged particles strike the earth's atmosphere, they dissipate their energy by generating a shower of secondary particles whose development is significantly different depending on the nature of the primaries. The Pierre Auger observatory, with its hybrid structure and huge size network of ground detectors, can shed some light into these questions.The study of the composition of UHECR was performed with the Pierre Auger apparatus. This is crucial both to understand the hadronic interactions, which govern the evolution of showers, and to identify their sources. It can help to understand the origin of the energy spectrum cut-off: is it the GZK cut-off or the exhaustion of sources? These reasons motivate the first part of this thesis: the development of a method to extract the muonic component of air showers and deduce the implications on the composition of UHECR at the Pierre Auger observatory. The results of this method show a dependence of the composition with the distance to the axis of the shower, which could help to improve the hadronic models. The determination of the muon component is limited by the surface detector setup.The second part is devoted to the new observatory in China, LHAASO. This project focuses on the study of gamma rays with an energy higher than 30 TeV, which probe the acceleration of protons in the galaxy, providing indirect information on cosmic rays. Moreover, the observatory studies cosmic rays between 10 TeV and 1 EeV, one of the regions where the energy spectrum presents a break. This region requires the ability to discriminate gamma rays and cosmic rays. For this reason, one of the detectors of LHAASO, the KM2A, was simulated and its power of discrimination gamma/hadron evaluated.

Des modèles spécifiques de gravitation quantique suggèrent l’existence d’une Violation de l’Invariance de Lorentz (LIV en anglais) à l’échelle de Planck. Une des signatures de cette violation est la modification de la propagation des photons dans le vide, induisant des décalages temporels dépendant de l’énergie des photons observés sur Terre. De tels décalages dans le temps d’arrivée de rayons γ sont recherchés avec l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), grâce aux émissions de très hautes énergies en provenance de sources lointaines telles que les blazars. Néanmoins, l’origine du décalage temporel doit être comprise en détails. En effet, un décalage intrinsèque à la source pourrait venir biaiser les contraintes sur les modèles de gravitation quantique. Cette thèse propose dans un premier temps de s’intéresser à la modélisation temporelle des éruptions de blazars, pour étudier les possibles décalages intrinsèques liés aux processus d’émissions de ces éruptions. Grâce à l’élaboration d’un modèle simple, cette étude met en relief les différentes caractéristiques de ces décalages intrinsèques sur les scénarios d’éruptions de blazar afin d’essayer de les distinguer des décalages potentiellement dus à un effet de LIV et aussi de proposer de nouvelles contraintes basées sur ces décalages temporels. Dans un deuxième temps, la méthode de recherche de décalages temporels dépendant de l’énergie avec H.E.S.S. est présentée ainsi qu’une application sur l’éruption du blazar Markarian 501 ayant eu lieu en juillet 2014. Cette analyse a permis d’établir la meilleure limite obtenue sur le terme quadratique de la signature de la LIV avec l’utilisation d’éruption de blazars. / Specific models of quantum gravity suggest the existence of a Lorentz Invariance Violation (LIV) at the Planck scale. One signature of that violation is a modification the propagation of photons in vacuum which induces energy dependent delays in the arrival time of photons on Earth. The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) experiment can search for such delays in the arrival time of gamma rays, thanks to the very high energy emission coming from distant blazars. However, the time delay origin have to be fully understood. Indeed, an intrinsic time delay coming from the source can bias the constraints made on quantum gravity models. In the first part of this thesis, a time dependent blazar flare model is considered to search for the presence of intrinsic time delays related to the emission mechanisms of flares. With the elaboration of a simple scenario, this study highlights the different characteristics of intrinsic time delays in order to investigate how to disentangle them from delays due to LIV as well as to provide new constraints on blazar modeling. In the second part of this thesis, the method used to search for LIV signatures in blazar light curves at very high energy is presented as well as an application to the flare of Markarian 501 which occurred in July 2014. This analysis provides in particular the best upper limit on the quadratic term of LIV signature.

Deux nouvelles familles de complexes de cuivre(I) cationiques, de formules [Cu(NHC)(N^N)][X] et [Cu(P^P)(N^N)][PF6], ont été synthétisées avec des ligands 2,2’ bis pyridyl pontés, chélates à six chaînons, facilement modulables. Ces complexes présentent des émissions à l’état solide centrées entre 455 et 520 nm (bleu à vert), avec de larges décalages de Stokes et des rendements quantiques pouvant atteindre 0,86. De plus, l’émission via un phénomène de fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) a été prouvée pour les complexes [Cu(NHC)(N^N)][X]. Les premiers scintillateurs plastiques dopés avec des complexes de cuivre(I) détectant les radiations nucléaires de type gammas ont été obtenus avec des complexes de formule générale [Cu(P^P)(N^N)][PF6]. Les complexes de formule [Cu(NHC)(N^N)][X] ont permis l’obtention des premières Cellules Electrochimiques Luminescentes (LECs) émettant dans le bleu et incorporant des complexes de cuivre(I). Enfin, les complexes de formule [Cu(NHC)(N^N)][X] à ligand 2,2’ dipyridylamine présentent une activité cytotoxique envers différentes lignées de cellules cancéreuses et apportent la possibilité d’une action ciblée sur les cellules tumorales via l’ajout d’un vecteur. La polyvalence de ces complexes de cuivre(I) repose sur les ligands 2,2’-bis-pyridyl pontés, chélates à six chaînons, dont la synthèse est facile d’accès et les propriétés électroniques et structurales sont modulables. / New cationic copper(I) complexes of general formula [Cu(NHC)(N^N)][X] and [Cu(P^P)(N^N)][PF6] were developed with 6-membered-ring 2,2’-bis-pyridyl derivatives as ligand. These complexes exhibited blue (420 nm) to green (520 nm) emissions in solid state, with large Stokes shifts and photoluminescence quantum yields up to 0.86. Furthermore, the emission of the [Cu(NHC)(N^N)][X] complexes via a thermally activated delayed fluorescence (TADF) was demonstrated. The first plastic scintillators incorporating copper(I) complexes and detecting gamma radiations were obtained with [Cu(P^P)(N^N)][PF6] complexes. Application of the [Cu(NHC)(N^N)][X] complexes to the LEC technology led to the first copper(I)-based blue emitting device. In the last chapter, we also demonstrated that copper(I) complexes [Cu(NHC)(N^N)][X] bearing a 2,2’-dipyridylamine as N^N ligand exhibited high cytotoxycity against different cancer cells lines. These complexes paved the way for the design of a new type of copper(I) anti-cancer agents with the opportunity to increase the selectivity against cancer cells via a vectorization of the N^N ligand. The versatility of these copper(I) complexes demonstrated in this work relied on the easy to handle and highly modular 2,2’-bis-pyridyl ligands.