L’objectif du projet, dont le travail présenté dans cette thèse est une partie, était de développer une caméra à rayons X ultra-rapide utilisant des pixels hybrides pour l’imagerie biomédicale et la science des matériaux. La technologie à pixels hybrides permet de répondre aux besoins des ces deux champs de recherche, en particulier en apportant la possibilité de sélectionner l’énergie des rayons X détectés et de les imager à faible dose. Dans cette thèse, nous présentons une caméra ultra-rapide basée sur l’utilisation de circuits intégrés XPAD3-S développés pour le comptage de rayons X. En collaboration avec l’ESRF et SOLEIL, le CPPM a construit trois caméras XPAD3. Deux d’entre elles sont utilisée sur les lignes de faisceau des synchrotrons SOLEIL et ESRF, et le troisième est installé dans le dispositif d’irradiation PIXSCAN II du CPPM. La caméra XPAD3 est un détecteur de rayons X de grande surface composé de huit modules de détection comprenant chacun sept circuits XPAD3-S équipés d’un système d’acquisition de données ultra-rapide. Le système de lecture de la caméra est basé sur l’interface PCI Express et sur l’utilisation de circuits programmables FPGA. La caméra permet d’obtenir jusqu’à 240 images/s, le nombre maximum d’images étant limité par la taille de la mémoire RAM du PC d’acquisition. Les performances de ce dispositif ont été caractérisées grâce à plusieurs expériences à haut débit de lecture réalisées dans le système d’irradiation PIXSCAN II. Celles-ci sont décrites dans le dernier chapitre de cette thèse. / The aim of the project, of which the work described in this thesis is part, was to design a high-speed X-ray camera using hybrid pixels applied to biomedical imaging and for material science. As a matter of fact the hybrid pixel technology meets the requirements of these two research fields, particularly by providing energy selection and low dose imaging capabilities. In this thesis, high frame rate X-ray imaging based on the XPAD3-S photons counting chip is presented. Within a collaboration between CPPM, ESRF and SOLEIL, three XPAD3 cameras were built. Two of them are being operated at the beamline of the ESRF and SOLEIL synchrotron facilities and the third one is embedded in the PIXSCAN II irradiation setup of CPPM. The XPAD3 camera is a large surface X-ray detector composed of eight detection modules of seven XPAD3-S chips each with a high-speed data acquisition system. The readout architecture of the camera is based on the PCI Express interface and on programmable FPGA chips. The camera achieves a readout speed of 240 images/s, with maximum number of images limited by the RAM memory of the acquisition PC. The performance of the device was characterize by carrying out several high speed imaging experiments using the PIXSCAN II irradiation setup described in the last chapter of this thesis.

L'ajustement des differentes mesures electrofaibles dans le cadre du Modele Standard privilegie un boson de Higgs de faible masse egale a mH = 90 +36 -27 GeV, proche de la limite d'exclusion obtenue au LEP. La d´ecouverte du boson de Higgs a faible masse au LHC est difficile et nécessite la combinaison de plusieurs canaux. La production associ´ee du boson de Higgs avec une paire de quarks top, le boson de Higgs se désintegrant en une paire de quarks b (dominants pour mH <135 GeV), est l'une des signatures considérées. Ce canal permet d'accéder au couplage du Yukawa du top et du quark beau. Le potentiel de découverte du boson de Higgs dans ce canal est étudié avec l'expérience ATLAS. Plusieurs ingrédients sont cruciaux pour cette analyse: la reconstruction du systeme top anti-top avec une grande pureté, un excellent étiquetage des jets b et la connaissance du bruit de fond t ¯t+jets. Le d´etecteur a pixels est le sous-détecteur le plus important d'ATLAS pour l'étiquetage des jets b. En automne 2008, le d´etecteur ATLAS a été mis en service et étudie avec des muons cosmiques. La détermination des canaux morts, des constantes de calibrations et la prise en compte des données de contrôle du d´etecteur a pixels sont d´etaillées pour cette periode. Une ´etude pour d´eterminer puis masquer les pixels bruyants est ´egalement présentée. Finalement, l'efficacité de détection des pixels a été mesurée avec les muons cosmiques.

L'approche qui a été développée dans l'équipe imXgam du CPPM est de combiner sur un unique support rotatif les modules de détection de la caméra pour petit animal ClearPET avec un détecteur de rayons X à comptage de photons dans le but d'acquérir simultanément des images anatomiques (TDM) et fonctionnelles (TEP) du même champ de vue. L'étude préliminaire du système hybride ClearPET/XPAD3 menée en simulation avec Gate a permis d'implémenter une nouvelle géométrie de détection TEP à 21 détecteurs phoswich, de fixer les grandes lignes de l'assemblage TEP/TDM, ainsi que d'étudier et de solutionner les difficultés liées au régime de fonctionnement bimodal. Pour finir, l'outil de simulation a également permis d'imaginer comment un tel système pourrait judicieusement exploiter la corrélation spatiale et temporelle des informations anatomo-fonctionnelles. Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a vu la mise en oeuvre du système hybride simultané ClearPET/XPAD3. Une fois les deux systèmes TEP et TDM opérationnels individuellement, il a été démontré, d'une part que le ClearPET est parfaitement capable d'opérer en régime de fonctionnement simultané moyennant un blindage approprié de ses modules de détection, et d'autre part que la nouvelle génération de caméra à pixels hybrides XPAD3-S/Si s'avère très prometteuse compte tenu de la bonne qualité des premières images reconstruites. Finalement, la preuve de concept d'une acquisition TEP/TDM simultanée avec une source de positons scellée et un tube à rayons X a pu être concrètement démontrée.

Depuis sa création le laboratoire PICM a toujours cherché à développer de nouvelles applications pour le silicium amorphe hydrogéné, a-Si:H. Les recherches effectuées ont mis en évidence que le a-Si:H est un matériau parfaitement adapté pour la détection des particules tout en étant résistant aux radiations. Il a en outre un faible coût de fabrication, il est compatible avec les technologies déjà existantes et il peut être déposé sur de grandes surfaces. Ainsi, malgré la faible mobilité locale des charges (30 cm2 V-1 s -1 ), le silicium a-Si:H est un matériau particulièrement intéressant pour la réalisation de pixels de détection de particules de haute énergie. Il nous a donc paru logique de nous intéresser, en collaboration avec le laboratoire LLR1 et dans le cadre de cette thèse, à la conception et à la réalisation expérimentale d'une structure empilée de pixels à base de silicium a-Si:H, comme élément de base d'un détecteur d'un calorimètre électromagnétique. Ainsi, les composants qui constituent la structure d'un tel pixel sont tout d'abord une diode PIN en silicium a-Si :H puis en superposition une résistance de polarisation et un condensateur de découplage. Avant de réaliser à proprement parler une telle structure et afin d'optimiser au mieux sa conception, il est indispensable de posséder des modèles comportementaux performants des différents composants. Ainsi, notre objectif primordial a été de concevoir un modèle physique bidimensionnel de la diode PIN à l'aide du progiciel SILVACO de calcul par éléments finis. Ce modèle physique bidimensionnel de la diode PIN en a-Si:H nous a permis d'étudier le problème de diaphonie entre pixels dans une structure matricielle de détecteurs. Nous avons ici plus particulièrement mis en évidence le courant de fuite ainsi que le courant généré dans le volume entre pixels voisins. La transposition de cette modélisation dans une approche comportementale de type SPICE, que nous avons réalisé ensuite, nous permet de garantir la portabilité du modèle vers d'autres simulateurs professionnels et surtout son intégration dans une structure électronique complète (diode PIN, résistance de polarisation, capacité de découplage et amplificateur bas bruit). Grâces à ces outils de modélisation, nous avons pu simuler des structures de diodes PIN en a-Si:H de différentes épaisseurs et de différentes dimensions. Ces simulations nous ont permis de prédire que les structures épaisses sont pertinentes pour la conception de détecteurs pixels pour la physique de haute énergie. Nous pouvons aussi envisagé des applications en astronomie, dans le domaine de l'imagerie médicale, dans l'analyse de la défaillance des circuits intégrés en silicium, etc. D'un point de vue technologique, nous nous sommes attachés à maîtriser l'ensemble de la chaîne de fabrication (tel que le bon choix des matériaux métalliques pour les électrodes, l'enchaînement des dépôts, la conception des masques et la lithographie en salle blanche). Ainsi, nous pouvons citer comme exemple, que le matériau optimal que nous proposons pour les électrodes des résistances et des capacités est le Titane, mais à cause de sa fonction de travail de sortie ce dernier est déconseillé pour la réalisation de diodes PIN.

Le LHC, ATLAS, le détecteur à pixels et l’IBL sont décrits dans la première partie de ce mémoire. La mise en oeuvre du détecteur à pixels muni de sa nouvelle couche grâce à l’acquisition de rayons cosmiques juste avant le démarrage du Run 2 du LHC est ensuite présentée. L’analyse comprend l’étude des propriétés des amas de pixels allumés par le passage des rayons cosmiques, ainsi que la comparaison entre les deux technologies de compteurs présentes dans la nouvelle couche, les compteurs planaires et les compteurs 3D utilisés pour la première fois auprès d’un collisionneur. Ces études ont permis de valider les logiciels de reconstruction et d’améliorer la simulation de la nouvelle couche. Les produits d’ionisation créés dans les compteurs par le passage de particules chargées sont déviés de leurs trajectoires naturelles le long du champ électrique des jonctions, par le champ magnétique uniforme dans lequel est plongé le trajectographe d’ATLAS. L’angle de la déviation est appelé angle de Lorentz. La mesure de cet angle est essentielle car il affecte la position mesurée. Cette mesure a été réalisée pour toutes les couches, ainsi que la variation de l’angle de Lorentz en fonction de la température. A la fin du Run 1, aucun excès n’a été observé par-dessus les prédictions du Modèle Standard, et des limites inférieures sur les masses de particules supersymétriques en ont été déduites. Ces limites ont été étendues avec l’analyse montrée ici. Le gluino est ainsi plus lourd que 1.87TeV, tandis que la masse du squark b devrait être plus grande que 700 GeV, sous des hypothèses simplificatrices. Ces résultats constituent des contraintes supplémentaires pour la supersymétrie. / In the first part of this thesis, the LHC, ATLAS, the Pixel Detector and the IBL are all reviewed. Afterwards, the analysis of first cosmic data collected by the ATLAS Detector after the IBL insertion is presented, as part of the Pixel and IBL commissioning before Run 2 started. The analysis included the study of the Pixel clusters properties, and making comparisons between the two different technologies used in the IBL sensors: the Planar type, and the 3D type which has been used for the first time in a collider experiment. Analyzing the Pixel clusters properties is important to study the detector response after the IBL insertion, in order to insure utilizing the ultimate capabilities of the detector, and to achieve better resolutions for the measurements. The Standard Model (SM) of particle physics describes physical phenomena in the fundamental level with great success. However, it suffers from several shortcomings; for instance, it has no candidate for the dark matter, and it has no solution for the gauge hierarchy problem, motivating the search for new physics beyond the SM theories. On of those theories is Supersymmetry(SUSY), which occupies a primer place in the LHC physics program. At the end of Run-1, no significant excess in data over the SM prediction is observed and limits on the supersymmetric particle masses are set. With this analysis, which is basically an extension of the Run 1 analysis, those exclusion limits are extended and the gluino masses are excluded up to 1.87 TeV, while the sbottom mass should be above 700 GeV when using simplified assumptions. These results provide new constraints on natural SUSY models.

The Diploma thesis deals with reconstruction of Missing data of an Image. It is done by the use of appropriate Mathematical theory and numerical algorithm to reconstruct missing information. The result of this implementation is the reconstruction of missing image information. The thesis also compares different numerical methods, and see which one of them perform best in terms of efficiency and accuracy of the given problem, hence it is used for the reconstruction of missing data.

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Ma thèse de doctorat s’inscrit à l’interface entre la physique expérimentale et la biologie. Ce travail a été développé au sein de l’équipe imXgam du CPPM, qui a construit un prototype de micro-tomographie pour le suivi non-invasif du petit animal, équipé d’une caméra à pixels hybrides XPAD3 fonctionnant en mode comptage de rayons X. Le comptage de rayons X rendu possible par la technologie des pixels hybrides, permet de s’affranchir du bruit électronique et d’augmenter ainsi la détectabilité des tissus faiblement contrastés. Elle présente de plus la capacité d'appliquer à chaque pixel un seuil de détection en énergie permettant d’accéder à l’information spectrale des rayons X détectés et ouvre la voie au développement d’une méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge, qui permet de différencier des agents de contraste particuliers. La caméra XPAD3 développée avec un capteur en Si présente une efficacité de détection qui limite son utilisation pour l’imagerie du vivant. Une caméra XPAD3 avec une meilleure efficacité au delà de 25 keV a été assemblée avec des capteurs en CdTe. Dans un premier temps, nous avons effectué une comparaison des caméras XPAD3/Si et XPAD3/CdTe en imagerie d’absorption standard et en imagerie au K-edge. Nous avons ensuite, en collaboration avec des biologistes de l’IBDM, assuré le suivi quantitatif et in vivo sur plusieurs mois, du développement de tumeurs hépatiques chez un modèle spécifique de souris et de l’efficacité d’un traitement ciblant les cellules tumorales. Enfin, nous avons développé un protocole d’acquisition spectrale à faible dose pour réaliser une tomographie spectrale in vivo d’un foie de souris en exploitant le K-edge du baryum. / My PhD thesis is at the interface between experimental physics and biology. This work has been developed within the imXgam team at CPPM, which has built a micro-computed tomography prototype for the non-invasive longitudinal monitoring of small animal, equipped with the XPAD3 hybrid pixel camera that operates in X-ray photon counting mode. X-ray photon counting that has been made possible by hybrid pixels, allows to free images from the electronic noise and thus to increase detectability of weakly contrasted tissues. Moreover, it provides the possibility to set an energy threshold for each pixel that allows to accessing spectral information on the detected X-rays and paving the way to the development of a spectral imaging modality also named K-edge imaging, which allows to differentiate selected contrast agents. Actually, the XPAD3 camera developed with a Si sensor presents a low detective efficiency that limits its use for biomedical imaging. A XPAD3 camera with a better efficiency above 25 keV has been assembled with high-Z CdTe sensors. Firstly, we have performed a comparison of XPAD3/Si and XPAD3/CdTe cameras for standard absorption CT and K-edge imaging. Then, in collaboration with a team of biologists from IBDM, we have carried out the quantitative and in vivo follow-up of hepatic tumour development in a specific mouse model over several months, and of the effectiveness of a treatment targeting these tumour cells. Finally, we have developed a protocol for low dose acquisition of spectral data to realize an in vivo spectral tomography of a mouse liver using the barium spectral signature.

The automatic recognition of individuals through the iris characteristics is an e±cient biometric technique that is widely studied and applied around the world. Many image processing stages are necessary to make possible the representation and the interpretation of the iris information. This work presents the state of the art in iris recognition systems where the most re- markable works and the di®erent techniques applied to perform each process- ing stage are quoted. The implementations of each processing stage using traditional techniques are presented and, afterwards, two innovator methods are proposed with the common objective of bringing bene¯t to the system. The ¯rst processing stage should be the localization of the iris region in an eye image. The ¯rst method proposed in this work presents an algorithm to achieve the iris localization through the utilization of the called Memetic Algorithms. The new method is compared to a classical method and the obtained results show advantages concerning e±ciency and processing time. In another processing stage there must be a pixels sampling from the iris region, from where the information used to di®erentiate the individuals is extracted. Traditionally, this sampling process is accomplished in an uni- form way along the whole iris region. It is proposed a pre-processing method which suggests a non uniform pixels sampling from the iris region with the objective of selecting the group of pixels which carry more information about the iris structure. The search for this group of pixels is done through Ge- netic Algorithms. The application of the new method improves the e±ciency of the system and also, allows the generation of smaller templates. In this work, a study on the called Active Shape Models is also accomplished and its application to perform the iris region segmentation is evaluated. To execute the simulations and the evaluation of the methods, it was used two public and free iris images database: UBIRIS database and MMU database. / O reconhecimento automático de pessoas utilizando-se características da íris é uma eficiente técnica biométrica que está sendo largamente estudada e aplicada em todo o mundo. Diversas etapas de processamento são necessárias para tornar possível a representação e a interpretação da informação contida na íris. Neste trabalho é apresentado o estado da arte de sistemas de reconhecimento de íris onde são citados os trabalhos de maior destaque e as diferentes técnicas empregadas em cada etapa de processamento. São apresentadas implementações de cada etapa de processamento utilizando técnicas tradicionais e, posteriormente, são propostos dois métodos inovadores que têm o objetivo comum de trazer benefícios ao sistema. A primeira etapa de processamento é a localização da região da íris na imagem. O primeiro método proposto neste trabalho apresenta um algoritmo para realizar a localização da íris utilizando os chamados Algoritmos Meméticos. O novo método é comparado a um método clássico e os resultadosnobtidos demonstram vantagens no que diz respeito à eficiência e ao tempo de processamento. Em uma outra etapa de processamento deve haver uma amostragem de pixels na região da íris, de onde são retiradas as informações utilizadas para diferenciar os indivíduos. Tradicionalmente, esta amostragem é realizada de maneira uniforme ao longo de toda a região da íris. É proposto um método de pré-processamento que sugere uma amostragem não uniforme de pixels na região da íris com o objetivo de selecionar o conjunto de pixels que carregam mais informações da estrutura da íris. A busca por esse conjunto de pixels é realizada utilizando-se Algoritmos Genéticos. A aplicação deste novo método aumenta a eficiência do sistema e ainda possibilita a geração de templates binários menores. Neste trabalho é realizado, ainda, um estudos dos chamados Active Shape Models e a sua aplicação para segmentar a região da íris é avaliada. Para a simulação e avaliação dos métodos, foram utilizados dois bancos de imagens de íris públicos e gratuitos: o banco de imagens UBIRIS e o banco de imagens MMU. / Doutor em Ciências

L’expérience ALICE au LHC étudie le plasma de quarks gluons (PQG), état de la matière où quarks et gluons existent à l’état déconfinés. Une des sondes utilisée pour explorer cet état est l’étude de plusieurs résonances (ρ, ω, ф, J/ψ et Ƴ) via leur canal de désintégration dimuonique, à l’aide d’un spectromètre à muons couvrant les pseudo-rapidités -4 < η < -2.5. La première partie de la thèse se focalise sur les mésons vecteurs de basses masses (ρ, ω et ф) . Elle concerne l’analyse des données récoltées en 2010 en collisions pp à √s = 7 TeV et Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV. Les mésons vecteurs de basses masses sont des outils intéressants pour sonder le PQG grâce à leurs faibles durées de vie et leur canal de désintégration dimuonique non affecté par les interactions dans l’état final. Les taux de production et fonctions spectrales de ces mésons sont modifiées par le milieu hadronique chaud et le PQG. En collisions pp, les distributions du ф, du (ρ+ω) en fonction de l’impulsion transverse ainsi que les sections efficaces et sections efficaces différentielles de production des différents mésons ont été extraites. L’analyse en collisions Pb-Pb ainsi que ses perspectives sont également présentées. La seconde partie de la thèse concerne le futur de l’expérience ALICE et les plans d’amélioration des détecteurs pour l’horizon 2017. Une étude de faisabilité pour l’ajout d’un trajectographe en pixels de Silicium (MFT) à l’avant de l’absorbeur hadronique dans l’acceptance du spectromètre à muons est présentée. Les performances et améliorations apportées par le MFT dans différents canaux de physique ont été étudiées en simulation / ALICE experiment at LHC studies the Quark Gluon Plasma (QGP), a particular state of matter where quarks and gluons are deconfined. A probe to explore this state is the study of several resonances (ρ, ω, ф, J/ψ and Ƴ) through their dimuon decay channel, with a muon spectrometer covering pseudo-rapidity -4 < η < -2.5. In the first part of this thesis, the focus is on light vector mesons (ρ, ω and ф) and their analysis in the 2010 data, in pp collisions at √s = 7 TeV and Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV. Light vector mesons are powerful tools to probe the QGP due to their short lifetime and their dimuon decay channel. Indeed, leptons have negligible final state interactions. Production rates and spectral functions of those mesons are modified by the hot hadronic and QGP medium. In pp collisions, pT distributions, production cross sections and pT-differential cross sections of the different mesons have been extracted. The Pb-Pb analysis and its prospects are also presented. The second part of the thesis concerns ALICE upgrades plans of year 2017. A feasibility study for a Muon Forward Tracker (MFT) in Silicon pixels located upstream of the hadronic absorber, in the spectrometer acceptance, was performed. Performances and improvements brought by the MFT on several physics cases were in simulations