Ce travail présente les avancées en instrumentation nucléaire pour les domaines liées à l'industrie du cycle du combustible, à l'industrie des systèmes électrogènes nucléaires et aux domaines de la sécurité du travailleur (dosimétrie) mais aussi de la sécurité dans le cadre du "homeland security act"1. Dans une première partie, les aspects r'eacteurs sont abord'es, plus particuli'erement l'instrumentation dite in-core, à base de chambre à fission. Le mode de fonctionnement dit "fluctuation" ou Campbell est largement abordé. Les progrès concernant la maintenance prédictive des systèmes de mesure neutronique, sont également présentés. Dans une seconde partie, l'instrumentation pour le contrˆole nucl'eaire procédé, la radioprotection et la sécurité est introduite. Les aspects capteurs sont exposés au travers des compteurs proportionnels Hélium-3 et des scintillateurs plastiques notamment pour la discrimination neutron/gamma à bas coût. Les nouvelles plateformes électroniques multi-capteurs adaptées à ces technologies sont également pr'esent'ees. Elles sont con¸cues dans le cadre du développement des systèmes de mesures pérennes pour l'industrie de l'aval du cycle du combustible. La thématique capteur dosimétrique pour le travailleur est abordée. Enfin, la conclusion dressera les grandes tendances qui se dessinent dans ces secteurs d'activités en termes de recherche et d'eveloppement à conduire dans les prochaines années.

L'amélioration de la résolution en énergie des calorimètres hadroniques est adressée dans cette thèse. L'approche envisagée se base sur la technique du dual-readout qui consiste à détecter simultanément les radiations Cherenkov et la scintillation. La comparaison de ces deux signaux permet en effet de compenser les fluctuations observées dans la détection de gerbes hadroniques. Les grenats d'Aluminium et de Lutetium (LuAG), qui sont d'efficaces es scintillateurs une fois activés avec des terres rares, peuvent aussi jouer le rôle de radiateur Cherenkov sous leur forme non-dopée. Les deux types de matériaux peuvent alors être assemblés pour former un calorimètre dual-readout performant. Dans l'objectif d'étudier la faisabilité de ce concept, les effets de la concentration en dopant et de l'addition de divers co-dopants sur le rendement lumineux et les propriétés temporelles ont été étudiés. Nous avons montré le rôle important de la technique de croissance choisie sur la nature et la concentration des défauts structuraux. La géométrie optimale, qui se base sur des monocristaux en forme de fibres, donne l'avantage à la technique de micro-pulling down. Cette technologie ne montre pas de meilleurs résultats que les techniques de Bridgman et de Czochralski mais a été retenue pour des raisons de coût et d'adaptabilité pour une production à grande échelle. L'optimisation des paramètres de croissance a permis la production de fibres monocristallines de LuAG dopées avec du Cérium présentant un rendement lumineux de 8000 photons par MeV et un bon comportement en tant que guide de lumière grâce à une qualité optique bien maîtrisée. Des tests avec des faisceaux d'électrons et de pions, en conditions de calorimétrie à haute énergie, permettent désormais d'envisager la production d'un prototype à plus grande échelle.

SuperNEMO est un projet de détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. La technique expérimental déployée est dans la lignée du son prédécesseur NEMO3, combinant un trajectographe et un calorimètre, afin d’identifier non seulement les électrons des décroissances double bêta, mais également pour mesurer l’ensemble des composantes de bruit de fond du détecteur. Le projet vise ainsi une sensibilité de 10^26 ans sur la période du 82Se, ce qui permettrait de sonder une masse effective du neutrino de 50 meV. Pour atteindre cette sensibilité, le projet prévoit notamment de mettre en place un calorimètre composé d’un millier de compteur à scintillation de basse radioactivité, dont la résolution en énergie serait meilleure que 8 % FWHM pour des électrons de 1 MeV.Ce travail de thèse apporte une contribution importante dans les travaux de Recherche et Développements pour améliorer les performances des scintillateurs et photomultiplicateurs, et pour réduire leur radioactivité, avec notamment la conception d’un nouveau photomultiplicateur en collaboration avec Photonis. / SuperNEMO is a next generation double beta decay experiment which will extend the successful “tracko-calo” technique employed in NEMO 3. The main characteristic of this type of detector is to identify not only double beta decays, but also to mesure its own background components. The projet aims to reach a sensitivity up to 1026 years on the half-life of 82Se. One of the main challenge of the Research and Development is to achieve an unprecedented energy resolution for the electron calorimeter, better than 8 % FWHM at 1 MeV.This thesis contributes to improve scintillators and photomultiplicators performances and reduce their radioactivity, including in particular the development of a new photomultiplier in collaboration with Photonis.

Cette thèse porte sur le développement du DosiMap, un nouvel instrument de dosimétrie pour le contrôle des faisceaux de radiothérapie. Ce dispositif est basé sur l'utilisation d'un scintillateur plastique plan placé au sein d'un fantôme de polystyrène. La distribution lumineuse produite par le DosiMap sous irradiation, composée de scintillation et de rayonnement Čerenkov, est mesurée par une caméra CCD, puis analysée afin d'en déduire la distribution de dose déposée dans le scintillateur.<br />Ce dispositif possède un certain nombre d'avantages. Il est équivalent tissus, présente une bonne résolution spatiale et une réponse linéaire en énergie. Il permet également d'effectuer des mesures de dose immédiates, ce qui rend son utilisation adaptée à une utilisation clinique.<br />Après une introduction des notions de base de la radiothérapie, les différentes étapes du développement de cet instrument sont exposées dans ce mémoire. Différents scintillateurs plastiques ont, dans un premier temps, été testés afin de déterminer le mieux adapté à cette application. Seule la scintillation étant proportionnelle à la dose, la déconvolution de la scintillation et du rayonnement Čerenkov a ensuite été réalisée. Enfin, la caméra se trouvant en salle d'irradiation, il a été nécessaire de mettre au point un blindage afin de la protéger. La calibration en dose du dispositif ainsi que sa réponse dosimétrique sont alors exposées.<br />Ce travail a permis de mesurer des distributions de dose avec une incertitude inférieure à 2 % pour des faisceaux de photons homogènes. D'excellents résultats ont également été obtenus dans le cas de faisceaux modulés en intensité.

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée. / Abstract : The performance of scintillation detectors, made up of a scintillating crystal coupled to a photodetector, critically depends on the collection and extraction efficiency of scintillation photons from the crystal by the sensor. In highly pixelated imaging systems (e.g. PET, CT), scintillators must be arranged in compact arrays with form factors detrimental to light transport, deteriorating the detector performance. The goal of the study was to optimize the pixelated detectors performance by identifying the light loss sources related to the spectral, spatial and angular characteristics of the scintillation photons impinging on scintillators faces. Such information acquired by Monte Carlo simulations enables adequate weighting for the evaluation of achievable gains through structuring of the scintillators for enhanced light extraction to the photodetector. The magnitude of parameters affecting the light collection in arrays, such as adhesive materials absorption and reflector opacity that both have high impact on light output, was evaluated through a factorial design. A frequently used reflector because of its outstanding optical performance was characterized in more realistic conditions compared to air immersion in which its reflectivity is always reported. An important reflectivity quenching of the reflector in optically bonded scintillator arrays was discovered by simulation and confirmed experimentally. This explains the high light crosstalk measured in pixelated arrays as well as paving the way to assembling methods limiting or taking advantage, depending on the application, of this unsuspected transparency.

L'imagerie médicale remonte à la fin du XIXe siècle avec la découverte des rayons X par Röntgen. Depuis, de nombreuses modalités d'imagerie ont été développées, et sont aujourd'hui utilisées dans une large gamme d'indications cliniques. L'imagerie TEP (Tomographie par Émission de Positron) est une modalité fonctionnelle, quantitative et ayant une haute sensibilité, ce qui en fait une modalité de choix, notamment en cancérologie. Hélas, sa diffusion est freinée en comparaison avec le scanner ou l'imagerie par résonance magnétique, en raison de son coût notamment. C'est dans ce contexte que s'insère cette thèse, qui a pour objectif de montrer la faisabilité d'un imageur TEP ambulatoire dédié au suivi thérapeutique en cancérologie. À partir de développements instrumentaux originaux (localisation des gammas par division de lumière dans des barreaux scintillateurs, lecture à l'aide de Silicon PhotoMultiplier, géométrie compacte), ces travaux s'efforcent de baisser les coûts tout en restant compétitif en terme de performances. Dans un premier temps, une étude extensive de la division de lumière à travers toute une série de paramètres (longueur des barreaux scintillateurs, revêtement optique, matériau scintillateur, traitement des données) a été menée. Une résolution spatiale inférieure à 5 mm pour un barreau de 75 mm de LYSO emballé dans du teflon a notamment été obtenue. À partir de cette configuration, une première image a été reconstruite, à partir de deux modules en coïncidence, offrant une résolution spatiale de 5 mm pour un tel imageur. Enfin, toute une série de simulations a été menée, à partir des données expérimentales et avec une géométrie originale. En particulier, les performances ont été mesurées à partir du protocole NEMA, un standard permettant de comparer les performances à travers la littérature. Une résolution spatiale intrinsèque de l'ordre de 4 mm a été obtenue, soit meilleure que le marché actuel. La sensibilité de l'ordre de 2.5 cps/kBq est revanche relativement basse par rapport à l'existant, mais s'explique par un champ de vue axial restreint. Enfin, le potentiel en terme de quantification a été adressé, et est comparable au marché actuel. / Medical imaging first began at the end of the XIXth century with the discover of X-rays by Röntgen. Then, numerous imaging modalities have been developed and are used now for a wide range of cases. Positron Emission Tomography (PET) has a high sensitivity, is functional and quantitative, thus being of high interest in cancer monitoring. Nevertheless, PET is not as much spread in hospitals as magnetic resonance imaging and scanner. In this context, this work aims to prove the faisability of PET dedicated for cancer monitoring. Thanks to instrumental developments such as light sharing in scintillating crystals, use of Silicon Photomultipliers, and an original geometry, cost is expected to be reduced while having same performances as commercial devices. An extensive study of light sharing within scintillating barrels has been made, through many parameters (crystal length, coating, data analysis...). An intrinsic spatial resolution of 4 mm has been measured over a 75 mm long crystal of LYSO, coated with teflon. From such a configuration, a first image has been reconstructed using two modules in coincidence. A spatial resolution of 5 mm has been measured in the image. Finally, Monte Carlo simulations has been made with experimental data as input, in order to measure the performances of the final PET device. Thanks to NEMA standard protocol, performances has been measured and compared to other systems. A spatial resolution of 4 mm has been reached, for a sensitivity of 2.5 cps/kBq. Quantification problem has been assessed, providing results similar to existing devices.

Ce travail de thèse décrit la mise en place d'un dispositif expérimental basé sur la digitalisation des signaux et dédié à l'étude des neutrons prompts de fission émis en coincidence avec les fragments de fission lors de la fission spontanée du 252Cf. Ce dispositif comprend une chambre à ionisation utilisée pour la détection des fragments de fission ainsi qu'un scintillateur liquide de type NE213 pour la détection des neutrons prompts. Nous montrons comment l'analyse délicate des signaux digitalisés nous a permis de déterminer à la fois les distributions en masse et en énergie cinétique des fragments de fission ainsi que le spectre en énergie et la multiplicité des neutrons de fission

L'expérience Borexino (BX), collaboration impliquant neuf pays, est implantée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie. Elle vise la mesure du flux de neutrinos solaires de la raie du béryllium à 862 keV, première mesure en temps réel à si basse énergie. Cette expérience impose des contraintes très fortes en radiopureté. Sa faisabilité technique est testée dans le prototype Counting Test Facility (CTF).<br> Le groupe du Collège de France est chargé du système de numérisation rapide (FADC) sur BX. Ces FADC ont été conçus au laboratoire et nous les avons finalisés début 2002. Les cartes prototypes et les premiers modèles industriels ont été implantés sur CTF à titre de test, numérisant les signaux issus des photomultiplicateurs.<br> Nous avons développé les logiciels d'acquisition des FADC sur CTF et BX. Pour BX, nous utilisons un algorithme interne de réduction des données basé sur l'élimination en temps réel des événements à trop basse énergie tout en conservant les événements en coïncidence. Sur CTF, nous produisons des données depuis l'été 2000 et sur BX les premiers tests ont eu lieu sans scintillateur.<br> L'analyse de CTF porte sur les données issues des FADC seuls et des donnés conjointes entre les FADC et l'électronique standard mise en place par l'équipe italienne. Nous montrons que les FADC permettent de reconstruire l'énergie des événements et les coïncidences avec des précisions comparables à celles de l'électronique standard. La comparaison des données issues des deux systèmes montre l'apport du FADC, sans temps mort, pour la mesure de contaminations dans le détecteur, l'analyse des signaux tardifs issus des photomultiplicateurs et la discrimination entre événements de type alpha et bêta. Plusieurs méthodes de discrimination sont également étudiées par simulations pour BX.

Cette thèse étudie la détection de matière nucléaire avec la technique de la particule associée pour l’inspection de bagages abandonnés ou de conteneurs maritimes dans le domaine de la sécurité. Le principe consiste à mesurer, avec des scintillateurs plastique, les coïncidences entre particules de fissions induites par des neutrons de 14 MeV produits par un générateur basé sur la réaction 2H(3H,n)4He et équipé d’un détecteur alpha à localisation pour déterminer le temps d’émission et la direction du neutron opposé. La détection d’au moins trois particules de fission en coïncidence avec la particule qui permet de discriminer les matières nucléaires des matériaux bénins. Le système d’acquisition et les outils de simulation ont été qualifiés en passif avec des sources radioactives puis en actif avec le générateur et diverses cibles, validant les estimations de performances de systèmesd’inspection de bagages abandonnés ou de conteneurs maritimes réalisées par simulation numérique avec le code MCNP-PoliMi. Il est ainsi possible de détecter en quelques minutes, quelques kg d’uranium au centre d’un container rempli d’une matrice fer mêmesi l’échantillon est masqué par du plomb, à l’aide du signal des neutrons prompts de fission. La détection est plus difficile dans les matrices organiques en raison de la diffusion des neutrons interrogateurs et de fission sur les noyaux d’hydrogène. Par ailleurs, l’utilisation de scintillateurs plastiques à la place des compteurs gazeux à 3He a été évaluée pour caractériser le plutonium dans les colis de déchets radioactifs par mesure passive des coïncidences. La détection des neutrons de fission est beaucoup plus rapide,ce qui permet de minimiser le bruit accidentel dû aux réactions (,n). Les scintillateurs sont cependant plus sensibles aux rayonnements gamma et à la diaphonie entre détecteurs voisins, ce qui nécessite d’exploiter les coïncidences de multiplicité 3 avec un traitement des données spécifique pour limiter la diaphonie. / This thesis investigates the detection of Special Nuclear Materials (SNM) by neutroninterrogation with the Associated Particle Technique (APT). 14 MeV neutrons areproduced from the 3H(2H,n)α fusion reaction in a sealed tube neutron generatorembedding a position-sensitive alpha detector. The alpha detector determines thedirection of the nearly opposite neutron and its time of flight. The detection of at leastthree prompt fission particles in coincidence with the tagged neutron signs the presenceof SNM. The acquisition system and simulation tools have been qualified in passive modewith radioactive sources and active mode with the generator and various targets,validating the simulation of inspection systems with MCNP-PoliMi. Calculations showthat the detection of a few kilograms of shielded SNM with the ATP is possible in ironcargo container, with the prompt fission neutrons signal. Detection is more difficult inorganic matrices due to tagged- and prompt fission neutrons scattering on hydrogennuclei. Furthermore, the use of plastic scintillators instead of 3He counters was studied tocharacterize the plutonium in the radioactive waste by passive coincidences measurement.Measurements at fast time scales of fast-neutrons instead of the long time scales ofthermal-neutrons reduce random coincidences that can occur with high (,n) reactionrate. The scintillators are however sensitive to gamma rays and cross-talk betweenadjacent detectors. Therefore, we used data-analysis algorithms to minimize cross-talkcontribution to measured three-fold coincidences.

L'intérêt des matériaux scintillateurs est la conversion de rayonnements de hautes énergies (particule γ, particules α, électrons,...) en photons de basse énergie détectables par les photo-détecteurs habituels. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications : recherche en physique des hautes énergies, spectrométrie gamma pour la recherche ou la radio-protection, imagerie médicale ou technique, ainsi que pour la sécurité intérieure. Les propriétés de scintillation de ce type de matériau sont dépendantes de l'historique d'irradiation. Ce comportement, appelé effets mémoire, influe directement sur les performances des instruments utilisant ces matériaux. Trois effets mémoire différents peuvent être distingués : le vieillissement qui est une diminution du rendement de scintillation après une absorption de rayonnements ionisants, la rémanence qui est la persistance de l'émission lumineuse après la fin de l'excitation, et enfin la radio-sensibilisation qui est une augmentation, temporaire ou non, du rendement de scintillation en fonction de la dose absorbée par le scintillateur. Ce travail s'attache principalement à la compréhension du phénomène de radio-sensibilisation et à la rémanence dans les scintillateurs. Un matériau modèle, YP O4 : Ce, N d, a été utilisé afin de mettre en évidence la corrélation entre les pièges électroniques présents dans le matériau et les effets mémoire. Une fois ce lien mis en évidence, une étude sur un matériau commercial largement utilisé dans de nombreuses applications, l'iodure de césium dopé thallium, a été menéee. Sur la base de mesures de thermoluminescence, un modèle numérique a été développé afin de simuler les effets mémoire dans ces matériaux, puis de prédire leurs comportements en cas de modification des pièges électroniques. Par ailleurs, des méthodes de réduction des effets mémoire ont été étudiées via l'introduction de nouveaux pièges aux caractéristiques précises ou via la stimulation optique du matériau en parallèle de son irradiation / The interest of scintillating materials is the conversion of high energy radiations (γ or α particles, electrons, ...) in low energy photons detectable by usual photo-detectors. They are used in many applications : research in high energy physics, gamma spectrometry for research or radiation protection, medical and technical X-ray imaging, as well as for homeland security. The scintillation properties of this materials is dependent on the history of irradiation. This behavior, called memory effect, directly affects the performance of instruments using these materials. Three different memory effects can be distinguished : aging is a decrease in the scintillation yield after an absorption of ionizing radiation, the afterglow is the persistence of light emission after excitation, and finally radio-sensitization which is an increase of scintillation yield depending on the dose absorbed by the scintillator. This work mainly focus on the understanding of radio-sensitization phenomenon and afterglow in the scintillators. A model material, Y PO4 : Ce,Nd, was used to highlight the correlation between charges carrier traps present in the material and memory effects. Once this link is highlighted, a study of a commercial material widely used in many applications, thallium doped cesium iodide, was lead. Based on thermoluminescence measures, a numerical model was developed to simulate the memory effects in these materials and to predict their behavior in case of modification of charge carrier traps. Furthermore, several methods to reduce memory effects were investigated through the introduction of new traps with specific characteristics or through optical stimulation of the material in parallel to its irradiation. Finally, the role of radiosensitization in the scintillation efficiency under gamma excitation was highlighted on BaAl4O7 : Eu2+ ceramics. These results suggest a way to improve performance of some scintillating performance by the exaltation via prior irradiation