Au cours des 20 dernières années, de nombreux modèles animaux ont émergé, permettant le développement de nouvelles approches pour l'étude préclinique du cerveau sain et pathologique. Les rongeurs sont ainsi devenus des acteurs incontournables des avancées thérapeutiques. Dans ce contexte, l'imagerie radioisotopique, qui permet de quantifier des traceurs radioactifs avec une sensibilité excellente, constitue un outil de choix l'étude des processus cérébraux in vivo. Mais, jusqu'à présent, les techniques de radioimagerie les plus courantes imposent l'anesthésie ou l'immobilisation de l'animal. Or, les anesthésiants affectent les processus biologiques étudiés. De plus, il existe un vif intérêt pour l'étude simultanée du comportement de l'animal. L'acquisition d'une image dynamique des processus cérébraux concomitante à la mesure du comportement de l'animal éveillé et libre de ses mouvements est une information précieuse pour l'étude de l'addiction, de la mémoire, etc.À IMNC, nous avons abordé la neuroimagerie comportementale par une approche originale basée sur des sondes intracérébrales qui mesurent la concentration du traceur radioactif par détection directe des positons in situ. La sonde PIXSIC, basée sur un capteur pixelisé à diodes de silicium, a démontré leur pertinence dans le cadre d'études pharmacologiques chez l'animal totalement libre de ses mouvements. Toutefois, PIXSIC a montré quelques limitations pour son utilisation longitudinale : un niveau de bruit élevé dû aux perturbations électromagnétiques, une forte sensibilité au rayonnement gamma d'annihilation et une grande fragilité mécanique de l'implant aminci à 200 micromètres. En nous appuyant sur l'avènement des technologies CMOS pour la détection des particules chargées en physique des hautes énergies, nous avons pour ambition de concevoir MAPSSIC, une sonde qui réponde aux difficultés mises en avant par PIXSIC. Les capteurs CMOS permettent d'inclure l'amplification au niveau des pixels, limitant ainsi le bruit d'origine électromagnétique. Le volume sensible peut être réduit à une épaisseur de quelques dizaines de micromètres, réduisant ainsi fortement la sensibilité aux gammas et autorisant l'augmentation de son épaisseur totale pour assurer sa robustesse mécanique. Enfin, les capteurs CMOS nous permettent de concevoir un détecteur fortement pixelisé pour accéder à de nouvelles capacités d'imagerie. Cette thèse a eu pour objectif de développer une version optimisé de la sonde. Pour cela, nous avons imaginé un premier prototype de capteur CMOS et nous avons développé un modèle Monte Carlo pour estimer ses propriétés de détection. Nous avons pu démontrer que ses performances le qualifiait pour l'usage prévu. Notamment en terme de sensibilité, de volume d’isoefficacité et d’énergie déposée. Nous avons également pu explorer plusieurs paramètres d’optimisation, les dimensions des pixels et l’épaisseur de la zone sensible, qui nous permettent de considérer MAPSSIC au delà du premier prototype. Fort de ces bases théoriques nous avons conçu plusieurs exemplaires du capteur. Les développements qui ont été établis durant la thèse se sont ensuite focalisés sur un ensemble d'outils méthodologiques, logiciels et matériels afin de permettre la caractérisation physique du capteur à l'aide de sources radioactives. Nous avons pu établir l'uniformité de la réponse des pixels et la plage de taux d’évènements assurant la linéarité du taux de comptage. Ces éléments nous ont permis de conclure sur la pertinence de ce capteur pour la conception d'un dispositif autonome d'imagerie. Celui-ci est constitué d'un implant fait de deux capteurs dos-à-dos, d'un système électronique assurant le contrôle des capteurs, la lecture du signal et la communication sans fil et d'une station d'acquisition. Dans le cadre de la thèse, nous avons montré son adéquation pour l'évaluation des variations de l'activité d'une source radioactive bêta+ liquide dans laquelle l'implant a été plongé. / Over the last 20 years, many animal models have emerged, allowing the development of new approaches for the preclinical study of the healthy and pathological brain. Rodents have become key players in therapeutic advances. In this context, radioisotope imaging, which quantifies radioactive tracers with excellent sensitivity, is a prime tool for the study of brain processes in vivo. But so far, the most common radioimaging techniques require anesthesia or immobilization of the animal. However, anesthetics affect the biological processes studied. In addition, there is a keen interest in the simultaneous study of the behavior of the animal. The acquisition of a dynamic image of brain processes concomitant with the behavior of the awake and freely moving animal is valuable information for the study of addiction, memory, etc.At IMNC lab, we have approached behavioral neuroimaging with an original method based on intracerebral probes that measure the concentration of the radioactive tracer by direct detection of positrons in situ. The PIXSIC probe, based on a pixelized sensor with silicon diodes, demonstrated their relevance in the context of pharmacological studies with completely freely moving animals. However, PIXSIC has shown some limitations for its longitudinal use: a high level of noise due to electromagnetic perturbations, a high sensitivity to annihilation gamma radiation and a high mechanical fragility of the implant thinned to 200 microns.Based on the advent of CMOS technologies for the detection of charged particles in high energy physics, our ambition is to design MAPSSIC, a probe that responds to the difficulties highlighted by PIXSIC. CMOS sensors allows amplification at the pixel level, thus limiting electromagnetic noise. The sensitive volume can be reduced to a thickness of a few tens of microns, thus greatly reducing the sensitivity to gammas and allowing the increase of its total thickness to ensure its mechanical robustness. Finally, CMOS sensors allows us to design a highly pixelated detector to reach new imaging capabilities. This thesis aims to develop an optimized version of the probe. We imagined a first prototype CMOS sensor and we developed a Monte Carlo model to estimate its detection properties. We were able to show that his performances qualified it for the intended use, in terms of sensitivity, isoefficiency volume and deposited energy. We have also been able to explore several optimization parameters, the pixel dimensions and the thickness of the sensitive area, which allow us to consider MAPSSIC beyond the first prototype. With these theoretical bases we have produced several copies of the sensor. The developments that were established during the thesis then focused on a set of methodological tools, software and hardware to allow the physical characterization of the sensor using radioactive sources. We have been able to establish the uniformity of the pixel response and the event rate range ensuring the linearity of the count rate.These elements allowed us to conclude on the relevance of this sensor for the design of an autonomous imaging device. This consists of an implant made of two back-to-back sensors, an electronic system providing sensor control, signal reading and wireless communication and an acquisition station. In the context of the thesis, we have shown its suitability for the evaluation of the variations of the activity of a liquid beta+ radioactive source in which the implant has been immersed.

Dans l’analyse des émetteurs alpha et beta dans l’eau par scintillation liquide, la problématique de la discrimination des rayonnements se pose afin d’atteindre les limites de détection souhaitées. Dans le cas rare ou les énergies permettent une discrimination, nous avons mis en place un protocole d’analyse simultanée tritium/alpha sur des frottis. A l’aide d’une méthode a trois fenêtres il permet d’atteindre les limites de détection de 0,4 Bq/cm2 en tritium et de 0,04 Bq/cm2 en alpha.De façon générale, aucune distinction entre les spectres n’est possible et un ajustement du fond sous le pic alpha ne permet pas d’atteindre les limites de détection définies par les normes. Cependant le processus physique de scintillation permet une distinction des rayonnements, phénomène utilise par certains appareils, ceux-ci proposent donc le réglage par l’utilisateur d’un paramètre discriminant seuil. Nous avons développé un protocole de réglage permettant de reconstituer les spectres alpha et beta discrimines au mieux, rendant accessible une limite de détection de 0,03 Bq/L en alpha.Nous avons par ailleurs développé une approche innovante utilisant un détecteur en coïncidence dont les photomultiplicateurs sont connectes directement a une carte numérique d’acquisition. Chaque impulsion numérisée est ensuite traitée selon plusieurs critères simultanément, à la place des deux habituels. Aucun ne permet a lui seul d’obtenir une discrimination selon un seuil unique, mais la distribution des évènements dans chaque spectre est différente : un fenêtrage des évènements alpha permet d’atteindre une limite de détection de 0,2 Bq/L, quatre fois moindre que par une discrimination en énergie seule. / Analysis of water for alpha and beta emitters by liquid scintillation suffers from poor discrimination between the emissions and prevents reaching the lowest detection limits. In the rare cases where well separated energies permit discrimination, we can use a three-window protocol for simultaneous analysis of tritium and alphas of swipes that yields detection limits of 0.4 Bq/cm2 for tritium and 0.04 Bq/cm2 for alphas. In the general case, no distinction between the two radiations is possible. An adjustment of the background under the alpha peak does not allow reaching detection limits defined by the norms. However the physical process of scintillation offers users of certain models of apparatus to adjust a discrimination threshold that will separate the emissions. We have developed a protocol that reconstitutes spectra using independent settings that gives a detection limit for alphas of 0.03 Bq/L. We have also developed an innovative approach using a scintillation counter with its photomultipliers plugged directly into a fast analog-to-digital acquisition converter. Then each digitized pulse is simultaneously processed according to several criteria, instead of the usual two. No impulsion can be discriminated on the basis of a single threshold but the distribution of events in each spectrum is different: a window setting on the alphas permits attaining a detection limit of 0.2 Bq/L for alphas, four times lower than with a selection on energy alone.

La spectrométrie gamma à haute résolution offre un outil d’analyse performant pour effectuer des mesurages environnementaux. Dans le cadre de la caractérisation radiologique d’un site (naturelle ou artificielle) ainsi que pour le démantèlement d’installations nucléaires, la cartographie des radionucléides est un atout important. Le principe consiste à déplacer un spectromètre HPGe sur le site à étudier et, à partir des données nucléaires et de positionnements, d’identifier, de localiser et de quantifier les radionucléides présents dans le sol. Le développement de cet outil fait suite à une intercomparaison où un exercice orienté intervention a montré les limites des outils actuels. Une partie de ce travail s’est portée sur la représentation cartographique des données nucléaires. La connaissance des paramètres d’un spectre in situ a permis la création d’un simulateur modélisant la réponse d’un spectromètre se déplaçant au-dessus d’un sol contaminé. Ce simulateur a lui-même permis de développer les algorithmes de cartographie et de les tester dans des situations extrêmes et non réalisables. Ainsi, ce travail ouvre sur la réalisation d’un prototype viable donnant en temps réel les informations nécessaires sur l’identité et la position possible des radionucléides. La recherche réalisée sur la déconvolution des données permet de rendre en post traitement une carte de l’activité du sol par radionucléide mais également une indication sur la profondeur de la source. Le prototype nommé OSCAR (Outil Spectrométrique de Cartographie de Radionucléides) a ainsi été testé sur des sites contaminés (Suisse et Japon) et les résultats obtenus sont en accord avec des mesures de référence. / The high-resolution gamma spectrometry currently provides a powerful analytical tool for performing environmental measurements. In the context of radiological characterization of a site (natural or artificial radioactivity) and for the dismantling of nuclear installations, mapping of radionuclides is an important asset. The idea is to move a HPGe spectrometer to study the site and from nuclear and position data, to identify, to locate and to quantify the radionuclides present in the soil. The development of this tool follows an intercomparaison (ISIS 2007) where an intervention / crisis exercise showed the limits of current tools. The main part of this research project has focused on mapping of nuclear data. Knowledge of the parameters of an in situ spectrum helped to create a simulator modeling the response of a spectrometer moving over contaminated soil. The simulator itself helped to develop algorithms for mapping and to test them in extreme situations and not realizable. A large part of this research leads to the creation of a viable prototype providing real-time information concerning the identity and locality as possible radionuclides. The work performed on the deconvolution of data can make in post processing a map of the activity of radionuclide soil but also an indication of the depth distribution of the source. The prototype named OSCAR was tested on contaminated sites (Switzerland and Japan) and the results are in agreement with reference measurements.

Les travaux réalisés durant cette thèse rentrent dans cette problématique. Ils concernent d’une part le développement d’un schéma de calculs et d’évaluation des échauffements nucléaires générés dans le réacteur MARIA en utilisant les codes français de transport neutronique TRIPOLI-4 © et APOLLO-2. Les travaux dans ce volet ont concerné principalement les calculs des échauffements photoniques induits par les rayonnements gammas essentiellement. D’autre part des travaux expérimentaux ont été conduits durant cette thèse. Ils ont concerné la mesure des échauffements nucléaires dans des emplacements spécifiques du réacteur MARIA. Cela a permis une première validation des schémas de calcul adoptés. Des comparaisons C/E ont été effectuées. Elles sont présentées et discutées dans cette thèse. Cela a permis d’émettre des recommandations quant aux techniques de mesure des échauffements nucléaires dans le réacteur MARIA et les moyens de modélisation qui peuvent être associés. Les comparaisons calculs-expérience font l’objet du cinquième. Les écarts relevés entre les résultats des modélisations et les mesures des échauffements nucléaires pour différentes configurations de mesures (au moyen de GT et de calorimètre mono cellule KAROLINA) permettent de dégager grâce à ces premiers travaux de thèse des recommandations pertinentes pour les travaux futurs. / This thesis work presents a calculation scheme which enables evaluation of heat generation from nuclear reactions in the MARIA nuclear reactor by use French computational codes TRIPOLI-4 © (TRIPOLI-4 is a registered trademark of CEA) and Apollo-2. Particular attention was devoted to the heat induced by gamma radiation. The thesis also presents measurements of nuclear heating in selected locations inside MARIA MTR reactor. This allows reaching first steps of validation and qualification of computer calculations. Research and analysis presented in the thesis allow one to compare the results obtained by using proposed calculation scheme with the experimental measurement methods. Finally, further works and perspectives were proposed on the development of the calculations and experimental measurements of nuclear heating in nuclear reactors.Qualifying the calculations was possible by performing especially dedicated 7-day core measurement campaigns. Nuclear heating measurements were performed with gamma thermometers and specially designed KAROLINA calorimeter. All measurement devices used were mounted in a dedicated probe, designed and built for this purpose, which allowed for the adjustment of instruments position inside the MARIA core. The main scientific hypothesis of this work is that currently available Monte Carlo simulations of neutron and gamma transport can be used to correct and accurate calculations of prompt nuclear heating in nuclear reactor, whereas delayed component of nuclear heating can be determined experimentally. For this purpose new calculation scheme and improvements in nuclear heating measurements were implemented.