Dans le domaine de la cristallisation des fibres monocristallines par la technique de la micro-pulling down (µ-PD), les résultats récents sur les performances des fibres monocristallines (optique, laser, scintillateur) ont montré l’étendue des champs d’applications ouverts aux fibres cristallines. La course à la croissance cristalline, la fabrication de fibres cristallines performantes et la maitrise des procédés sont des enjeux de recherche dans un nombre important de laboratoires à travers le monde. Les fibres monocristallines de saphir et du YAG dopées Cérium (Ce3+) sont des formats à forte valeur ajoutée. Elles sont susceptibles d’être utilisées dans un large domaine d’applications, d’où la nécessité de contrôler et de maitriser la technologie de fabrication. En fonction des conditions de tirage (gradient de température, orientations cristallographiques des germes, vitesses de tirage), nous nous sommes intéressés à l’étude des bulles et des contraintes résiduelles dans le saphir tiré par µ-PD. La ségrégation du Cérium et la propagation de la lumière ainsi que l’atténuation dans les fibres YAG-dopées Cérium (Ce3+) ont été étudiées en fonction des vitesses de tirage. Nous avons étudié tous ces phénomènes ainsi que les mécanismes mis en jeu. La variation de la vitesse de tirage est en corrélation avec la distribution des bulles, la ségrégation du Ce et l’atténuation. A travers ce travail, on est en mesure de dire que les phénomènes à l’origine de la présence, de la répartition des bulles dans les fibres saphir et la ségrégation du Cérium dans le YAG ont été significativement éclaircis et que, à partir de ces résultats, des améliorations peuvent être apportées aux procédés technologiques de tirage par µ-PD / In the field of crystallization of single crystal fibers by micro-pulling down (µ-PD) technique, the recent results on the performance of single crystal fibers (optical, laser, scintillator) have shown the wide range of applications open to crystalline fibers. The race for crystal growth, the manufacture of high-performance crystal fibres and process control are research challenges in a large number of laboratories around the world. Cerium-doped monocrystalline sapphire and YAG fibres (Ce3+) are high value-added formats. They are likely to be used in a wide range of applications, hence the need to control and master manufacturing technology. Depending on the growth conditions (temperature gradient, crystallographic orientations of the germs, growth speeds), we were interested in studying the bubbles and residual stresses in the sapphire pulled by µ-PD. The segregation of Cerium and the propagation of light as well as the attenuation in YAG-doped Cerium fibres (Ce3+) were studied as a function of growth speeds. We have studied all these phenomena and the mechanisms involved. The variation in the growth rate is correlated with the distribution of bubbles, the segregation of Ce and the attenuation. Through this work, it can be said that the phenomena at the origin of the presence, distribution of bubbles in sapphire fibres and the segregation of Cerium in the YAG have been significantly clarified and that, from these results, improvements can be made to the technological processes of pulling by µ-PD

La désexcitation des fragments de fission reste mal comprise et les modèles théoriques ne permettent pas de prédire et d’expliquer toutes les corrélations observées dans le processus de fission. Il y a un besoin important de données simultanées sur les émissions de neutrons et de rayonnements gamma et sur l’énergie cinétique des fragments de fission. Dans ce contexte, l’utilisation d’un détecteur de fragments de fission avec le détecteur CARMEN permettrait de fournir des données contraignantes pour les modèles grâce à la mesure simultanée de la multiplicité neutronique, de l’énergie totale gamma rayonnée, de l’énergie cinétique totale des fragments et potentiellement de l’énergie totale neutron. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à développer un détecteur de fragments de fission et à l’utiliser en association avec CARMEN pour réaliser des mesures calorimétriques de la fission. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau détecteur pour l’étude de la fission dont le principe est de mettre un actinide en solution dans un scintillateur organique. Des simulations Monte Carlo et différentes expériences sous faisceau de neutrons ont permis de caractériser et d’optimiser les performances de ce détecteur qui peut être utilisé comme trigger fission pour différentes mesures de sections efficaces de fission, de taux de fission spontanée ou encore comme veto fission. Dans un second temps, nous avons étudié les possibilités de mesure de l’énergie totale gamma et neutron rayonnée dans la fission avec CARMEN grâce à la caractérisation expérimentale de ses performances et à la simulation Monte Carlo et l’analyse de sa réponse « prompte » aux neutrons et aux rayonnements gamma / Still, the nuclear fission process and the de-excitation of the fission fragments is not fully understood. Current theoretical models can not predict and explain correctly every experimentally observed correlations, and new correlated data upon neutron emission, gamma-ray emission and kinetic energy of the fission fragments are needed. In this context, coincident use of a fission fragment detector and the CARMEN detector would provide compelling data for these models by measuring both neutron multiplicity, total gamma-ray energy, total kinetic energy and possibly total neutron energy. The work presented here consists in developing a fission fragment detector and using it together with CARMEN in order to perform fission calorimetry measurements. Initially, we developed a new detector for fission studies whose principle is dissolving the actinide of choice into an organic liquid scintillator. Monte Carlo simulations and neutron induced experiments were used to fully characterize its performances and shown it can be used as a fission trigger for various measurements, such as fission cross section or spontaneous fission rate measurements, and used as a fission veto. The second part of this work was dedicated to the study of CARMEN’s ability to measure the total gamma-ray energy and total neutron energy released in fission. For this purpose, lab characterization of the detector’s performances and Monte Carlo simulation and analysis of its “prompt” response to neutrons and gamma-rays were performed

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.

La fusion thermonucléaire peut être obtenue sur les installations laser de classe mégajoule (NIF, LMJ) par l'implosion d'un mélange de Deutérium-Tritium confiné dans un microballon. Afin d'apporter les corrections adéquates sur les conditions expérimentales en vue de la réussite de ces expériences de fusion, il est nécessaire, entre autre, de qualifier la symétrie d'implosion. C'est le rôle dévolu à des chaînes de mesure spécifiques appelées diagnostics d'imagerie X. Aucun imageur X conçu à ce jour ne permet de réaliser cette mesure sans être perturbé par l'ambiance radiative engendrée par les produits des réactions nucléaires. L'imageur X développé dans cette thèse devra donc réaliser une image à haute résolution et à haute énergie tout en considérant les contraintes liées à cette ambiance nucléaire. La démarche a consisté tout d'abord à concevoir un système d'imagerie X permettant de réaliser l'image du microballon avec une résolution de 5 µm dans la bande 10-95 keV et à garantir sa survie face à l'agression nucléaire. Cette image X a été convertie en lumière visible par un scintillateur afin de permettre son transport vers une zone radio protégée où le système d'enregistrement est localisé. Cet analyseur optique constitué d'un amplificateur de luminance et d'un détecteur pixélisé a également été étudié et une nouvelle méthode permettant de réduire les perturbations transitoires induites par les rayonnements ionisants a été mise au point. La fonction de transport d'image est assurée au moyen d'un relai optique, conçu spécialement pour supporter les perturbations induites par les rayonnements ionisants. Ce dimensionnement par parties associé à des simulations Monte-Carlo (GEANT4) et des campagnes expérimentales (sur l'installation OMEGA du LLE) ont permis d'aboutir à une architecture cohérente de diagnostic permettant de supporter des niveaux de perturbations encore jamais atteints.

Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection directe de matière noire sousforme de WIMPs, par l'étude de leur diffusion élastique sur les noyaux de germanium des détecteurs bolomètriques. Le plus problématique des bruits de fond provient des neutrons pouvant mimer l'interaction d'un WIMP dans un détecteur. Ces neutrons sont notamment produits par les rares muons cosmiques de haute énergie qui atteignent le laboratoire souterrain malgré les 4800 m w.e. de roche. Les muons résiduels sont détectés par un système veto de 46 modules de scintillateur plastique entourant l'expérience, qui permet de rejeter la plupart du bruit de fond associé. La détermination précise du bruit de fond neutron résiduel induit par ces muons dans EDELWEISS-III, essentielle pour l'identification des WIMPs, est le but de cette thèse. Le taux de bruit de fond dépend de la géométrie de l'expérience ainsi que des matériaux utilisés, qui ont subi d'importantes modifications depuis EDELWEISS-II. Des simulations GEANT4 du passage des muons dans la nouvelle géométrie ont été réalisées afin d'extraire le taux d'événements induits par les muons dans les bolomètres. Ce taux est en bon accord avec le taux mesuré extrait des données du Run308. En parallèle, une limite inférieure sur l'efficacité du veto muon a été extraite à partir des données bolomètres. Une nouvelle méthode basée sur l'utilisation d'une source d'AmBe a été développée afin d'extraire l'efficacité de chaque module de la simulation. À partir de ces résultats, il a été montré que le bruit de fond attendu est négligeable pour la recherche de WIMPs avec les données du Run308 et ne limitera pas la sensibilité future d'EDELWEISS-III / The aim of the EDELWEISS-III experiment is to detect the elastic scattering of WIMPs from the galactic dark matter halo on germanium bolometers. The most problematic background arises from neutrons, which can mimic a WIMP interaction in a detector. Neutrons are notably induced by high energy cosmic ray muons reaching the underground laboratory despite the 4800 m w.e. of rock overburdened. Remaining muons are tagged using an active muon-veto system of 46 plastic scintillator modules surrounding the experiment, which allows to reject most of the associated background. The goal of this thesis was to give a precise estimation of the irreducible muon-induced neutron background, needed to identify a potential WIMP signal. The expected background depends on the geometry of the experiment as well as on the used materials, both strongly modified since EDELWEISS-II. Geant4-based simulations of muons through the modified geometry were performed to derive the rate of events induced by muons in the bolometer array. This rate has been shown to be in good agreement with the measured one extracted from the Run308 data. In parallel, a lower limit on the muon-veto efficiency was derived using bolometer data only. A new method based on an AmBe source was developed to extract precisely the detection efficiency of individual modules from the simulation. From these results, it was shown that the expected background is negligible for the WIMP search analyses performed with the Run308 data and won't limit the future sensitivity of the EDELWEISS-III experiment

La mesure récente de l'angle de mélange theta-13, à laquelle l'expérience Double Chooz contribue, a ouvert la voie aux futures expériences de la physique des neutrinos. Dans ce manuscrit, la caractérisation de certains bruits de l'expérience sont décrits. Les muons cosmiques qui s'arrêtent et se désintègrent dans le détecteur sont mal reconstruits, résultant en distorsion de la distribution temporelle des signaux laquelle peut être utilisée pour identifier ce type de fond. Les neutrons rapides créés par spallation par les muons cosmiques produisent de nombreux protons de recul qui peuvent entraîner un décalage dans la distribution temporelle des signaux et ainsi être identifiés. Ces distributions temporelles ont aussi été utilisées pour identifier la formation de l'état d'orthopositronium en observant et en mesurant un délai entre l'ionisation du positron et l'annihilation de celui-ci, pouvant permettre une séparation positron-électron. / The measurement of the theta-13 mixing angle, to which the Double Chooz experiment contributed, paves the way to future findings in neutrino physics. In this manuscript, we describe the characterization of some Double Chooz backgrounds. Cosmic muons that stop and decay in the detector are characterized by anisotropic emission of the scintillation light, causing the vertex to be poorly reconstructed. The resulting pulse shape distortion can be used to tag and remove such background. Fast spallation neutrons producing multiple recoil protons may produce a similar distortion in the pulse shape and can also be tagged. Pulse shapes are also used to identify the formation of ortho-positronium. The tagging of such electron-positron bound state is made possible by the induced distortion in the pulse shape due to the delay in the positron annihilation, and can be used for an electron-positron separation.

Le détecteur MINOS a été développé jusqu'à mi-2013 pour la spectroscopie γ prompte de noyaux très exotiques à partir de réactions d’arrachage de protons. Il est composé d'une cible épaisse d'hydrogène liquide pour augmenter la luminosité et d’une chambre à projection temporelle (TPC) pour reconstruire la position du vertex de réaction et de compenser l'effet de la cible épaisse sur la correction Doppler.La chambre à projection temporelle a été développée avec l'expertise du CEA-Irfu sur les détecteurs gazeux de type Micromegas. Dans un premier temps, différentes solutions pour la TPC ont été testées dans une chambre d'essai avec une source α et des mesures de rayons cosmiques. Des muons cosmiques ont été détectés pour la première fois en utilisant la chambre d'essai en début 2013 et ont validé l'utilisation d'un plan de détection Micromegas. Le premier prototype de TPC a été achevé en mai 2013 et nous avons utilisé un banc de rayons cosmiques pour estimer l’efficacité de la TPC.MINOS a ensuite été expédié au Japon et un test de performance sous faisceau a été réalisée à l'installation médicale HIMAC (Chiba, Japon) avec deux cibles minces au lieu de la cible épaisse d'hydrogène pour valider l'algorithme de reconstruction et la résolution de la position du vertex. Un algorithme de reconstruction de traces basé sur la transformée de Hough a été mis au point pour l'analyse des données, testé avec ces données, et comparé à des simulations.La première campagne de physique avec MINOS a eu lieu en mai 2014, avec SEASTAR. Elle s’est concentrée sur la première spectroscopie des ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe et ⁷⁸Ni. L'analyse de la spectroscopie du ⁶ ⁶Cr a révélé deux transitions, assignées aux deux premiers états excités. Une interprétation avec des calculs de modèle en couches montre que le maximum de collectivité quadripolaire se produit à N = 40 le long de la chaîne isotopique de chrome.Le ⁶ ⁶Cr est toujours placé dans la région de l’Îlot d’Inversion à N = 40 et les calculs de modèle en couches ainsi que la comparaison avec des calculs basés sur HFB suggèrent une extension de cet Îlot d’Inversion vers N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. L'analyse des ⁷⁰,⁷²Fe effectuée par C. Louchart (TU Darmstadt, Allemagne) révèle la même tendance que pour les isotopes de chrome. Les données et notre interprétation par le modèle en couches suggère une grande collectivité les Cr et Fe riches en neutrons, éventuellement jusqu'à N = 50, ce qui remettrait en cause la solidité de la fermeture de couche N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. / The MINOS device has been developed until mid-2013 for in-beam γ spectroscopy of very exotic nuclei from proton knockout reactions. It is composed of a thick liquid hydrogen target to achieve higher luminosities and a Time Projection Chamber (TPC) to reconstruct the vertex position and compensate for the thick target effect on the Doppler correction.The Time Projection Chamber has been developed with the expertise of CEA-IRFU in gas detectors and Micromegas detectors. At first, different solutions for the TPC were tested in a test chamber with an α source and cosmic-ray measurements. Cosmic rays were detected for the first time using the test chamber in early 2013 and validated the use of a Micromegas detection plane. The first TPC prototype was finished in May 2013, and we used a cosmic-ray bench to estimate the effiiciency of the TPC. The MINOS device was then shipped to Japan and an in-beam performance test was performed at the HIMAC medical facility (Chiba, Japan) with two thin targets instead of the thick hydrogen target to validate the tracking algorithm and the vertex position resolution. A tracking algorithm for the offline analysis based on the Hough transform has been developed, tested with the data, and compared with simulations.The first physics campaign using MINOS took place in May 2014 with SEASTAR. It focused on the first spectroscopy of ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe, and ⁷⁸Ni. The analysis of the ⁶⁶Cr spectroscopy revealed two transitions, assigned to the two first excited states. An interpretation with shell model calculations shows that the maximum of quadrupole collectivity occurs at N=40 along the Cr isotopic chain.⁶⁶Cr is still placed in the Island of Inversion region of N=40 and the shell model calculations as well as comparison with HFB-based calculations suggest an extension of this Island of Inversion towards N=50 below ⁷⁸Ni. The analysis of ⁷⁰,⁷²Fe performed by C. Louchart (TU Darmstadt, Germany) reveals the same trend as for Cr isotopes, with a maximum of deformation at N=42. The full data set and our shell-model interpretation suggests a large collectivity for neutron-rich Cr and Fe, possibly up to N=50, questioning the robustness of the N=50 shell closure below ⁷⁸Ni.

Dans le cadre d'une recherche de cristaux scintillateurs détecteurs de rayonnements X ou une étude de la luminescence du cérium et du praséodyme dans des composés fluorés denses à été effectuée. L'émission de Ce3+ dans les fluorures BaThF6 et Ba4y3F1-7 présenté pour une excitation directe dans ses niveaux 5d une probabilité radiative élevée, même à forte concentration. L'utilisation du rayonnement synchrotron a permis de déterminer les différents mécanismes d'excitation de l'ion Ce3+. Ce dernier peut-être en particulier excité par une émission intrinsèque au réseau de type cross-luminescence à déclin ultra-rapide (1 ns) mise en évidence dans les deux réseaux. La croissance cristalline de BaThF6:Ce et la caractérisation des propriétés de scintillation ont été entreprises. Une luminescence de l'ion CeS3+ jusqu'à température ambiante a été observée pour la première fois dans des composés fluorés à base d'ion à doublet 6S2. Le rendement est cependant affecté par une forte extinction thermique, conséquence de la proximité des niveaux émetteurs 5D et de la bande de conduction. Dans certains fluorés à champ cristallin fort (elpasolites et Ba4Y3F1-7), la luminescence à déclin rapide 5d 4F de Pr3+ a été mise en évidence. Les mécanismes de scintillation de cet ion dans les elpasolites ont été étudiés.