Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K. / A solution to the dark matter problem in astrophysics could be found by the detection of WIMPs, particles predicted by supersymmetry. Its direct detection requires a large mass of detectors, able to identify WIMPs in the background of natural radioactivity and cosmic rays. This thesis takes place within the framework of the EDELWEISS and the future EURECA experiments. These experiments use a technology based on two channel cryogenic detectors (bolometers), working at a few tens of mK. They are made of crystals in which the energy deposited by particle interactions will produce a temperature increase (phonon signal), and where the ionization of the crystals results in either a charge or photon signal, depending on their nature. In order to broaden the range of targets for scintillating bolometers, we have built a setup to study the scintillation of crystals cooled down to 3 K. It is based on a cryostat with a compact optical geometry allowing enhanced light collection. Thanks to an individual photon counting technique and a statistical treatment of data, it allows us to measure the evolution of the the light yields and the decay time components between room temperature and 3 K. Thus this thesis presents the results obtained at 3 K on two well known room temperature crystals: BGO (Bi4Ge3O12) and BaF2. We also study the luminescence properties of titanium sapphire (Ti:Al2O3), under VUV excitation cooled down to 8 K.

Scintillation of Global Positioning Systems (GPS) signals have been extensively studied at low and high latitude regions of the Earth. It has been shown in past studies that amplitude scintillation is severe at low latitudes and phase scintillation is severe at high latitudes. Unlike low and high latitude regions, mid-latitude scintillation has not been extensively studied. Further, it has been suggested that mid-latitude scintillation is negligible. The purpose of this research is to challenge this belief. A multi-constellation and multi-frequency receiver, that tracks American, Russian, and European satellites, was used to monitor scintillation activity at the Virginia Tech Space Center. Analysis was performed on collected data from various days and compared to past research done at high, mid, and low latitudes. The results are discussed in this thesis. / Master of Science / Earth’s atmosphere disrupts signals transmitted by Global Navigation Satellite Systems (GNSS). In certain regions of the Earth, these signals can be severely degraded. Not much research has been done on what could potentially happen to GNSS signals at mid-latitude regions of the Earth. It is important to gain a better understanding of the impacts mid-latitude regions can have on GNSS signals, in preparation for potential future outages across the system. The United States and Russia have had Global Positioning Systems (GPS) technology for decades. Today, China and Europe are expanding their global positioning systems. In the future there may be up to one hundred or more satellites available for public usage. This study was done to determine if outages could potentially occur at mid-latitudes, and to gain more knowledge on which of these satellite constellations have the best service.

Le déploiement des futurs réacteurs à neutrons rapides, dits de Génération IV, est porteur d'améliorations prometteuses sur le plan de l'utilisation des matières premières et de la gestion des déchets. Elles s'accompagneront d'une transformation majeure du cycle et du développement de nouveaux procédés de recyclage, plus simples et plus efficaces. Une des conséquences de cette évolution est l’augmentation de la quantité de radionucléides à vie longue (RNVL) le carbone 14, l’iode 129 et le chlore 36 dans le combustible irradié, rejets du cycle nucléaire. La maîtrise et la réduction de ces rejets passe d’abord par une meilleure connaissance de la quantité de ces radionucléides dans le combustible, formés pendant son irradiation en réacteur. Ce travail de thèse s’inscrit dans l’objectif d’améliorer la mesure des radionucléides carbone 14, iode 129 et chlore 36 dans l’oxyde irradié, non seulement sur les performances analytiques mais aussi sur la minimisation des volumes de rejets liquides et solides engendrés. Une étude bibliographique a été menée afin d’établir le bilan des méthodes existantes pour la mesure de ces RNVL dans l’oxyde irradié. Les conclusions de cette étude ont orienté ce travail selon trois axes principaux : l’utilisation de l’ozone pour oxyder et désorber le carbone 14 de l’oxyde irradié après sa mise en solution ; la proposition d’une méthode d’extraction sélective du chlore 36 contenu dans l’oxyde irradié ; le développement d’une nouvelle méthode d’analyse alliant une séparation par chromatographie ionique couplée à une détection des émetteurs R par scintillation solide pour les trois RNVL / The deployment of future fast neutron reactors, called Generation IV, carries promising improvements in the use of raw materials and waste management. They will lead to a major transformation of the cycle and the development of new recycling processes which will be simplified and more effective. One consequence of this development is the increase of the amount of long-lived radionuclides in spent fuel nuclear waste: 14 carbon, 129 iodine and 36 chlorine. The control and reduction of these radionuclides begins with a better understanding of the amount of these radionuclides in the spent fuel, generated during irradiation in a reactor. The objective of this work consist in improving the measurement of 14 carbon , 129 iodine and 36 chlorine radionuclides in the irradiated oxide, all in reducing the liquid and solid waste generated. A bibliography study was conducted to evaluate the existing methods for measuring these radionuclides in irradiated oxide. The conclusions of this study have oriented the work in three main ways: the use of ozone to oxidize and desorb 14 carbon of the irradiated oxide after solution treatment; the proposal of a selective extraction method for 36 chlorine contained in the irradiated oxide; the development of a new analytical method combining a separation by ion chromatography coupled with detection of R solid scintillation for the three radionuclides

Les systèmes de communication FSO sont des candidats potentiels pour de solutions de transmission spatiale à large bande. C’est pourquoi la présente thèse s’inscrit dans une contribution d’une nouvelle architecture de réseau FSO dans le cas d’une liaison de communication entre un satellite géostationnaire et une station terrienne. Elle traite aussi de l’influence de l’angle zénithal sur la qualité de la liaison optique en raison de la variation de la scintillation due à la complexité de l’atmosphère. Nous avons établi un nouveau canal de communication tenant compte de la subdivision de l’atmosphère en deux grandes zones de turbulence. Pour améliorer la performance de la liaison, nous avons d’abord placé un relais AF optiques ente le satellite et la station terrienne, ensuite nous avons introduit un paramètre construit `a partir de valeurs : p et 1-p. Le paramètre p correspond au ratio de la distance entre la station terrienne et le relais sur la distance de 36 000 Km correspondant a` l’orbite GEO. Dans notre cas, le relais est placé a 1000 Km a l’exosphère, le paramètre p = 1/36 et enfin la technique de diversité spatiale est appliquée en réception. Les résultats de simulation ont confirmé que les architectures des systèmes proposés sont meilleures que les performances de liaisons optiques directes. / Free space optical systems are potential candidates of large band spatial transmission solutions. In this thesis, FSO network architecture in the case of geo- stationary satellite to earth communication link is investigated and the influence of zenith angle on the quality of the link has been evaluated. Because of the variation of scintillation due to the complexity of the atmosphere, the optical space to earth communication link channel model has been developped. In order to overcome the main limitations of the prop- agation, optical relays with low earth orbit satellites and spatial diversity on earth could improve the link performance. To improve the link performance, an aggregated simulation model turbulence has been built based on parameters ”p” and ”1-p” introduced in the combined model a↵ecting the considered channels. The parameter ” p ” corresponds to the ratio of the distance from the earth to the relay over the total distance of 36 000Km. In the case of 1000 Km for a relay in the exosphere, p = 1/36. Simulation results show that the proposed network system architecture has outperformed the direct link performance

Les fibres monocristallines d'oxyde de lutécium et aluminium (Lu3Al5O12 - LuAG), non dopées ou intentionnellement dopées au cérium, élaborées par la technique de micro-pulling down sont de sérieuses candidates pour le développement de nouvelles générations de calorimètres à scintillation. Cependant, cette technique de croissance est complexe et nécessite une étude approfondie pour améliorer les propriétés optiques de ces fibres. Après avoir ajusté la température de croissance, les paramètres principaux étudiés furent la concentration en Cerium, la vitesse de croissance et l'orientation du cristal (fixé par le germe). Les meilleurs résultats ont été obtenus en combinant une vitesse de croissance relativement lente (0,25 mm/min), une teneur en Ce assez faible (~0.01 at.%) et une orientation <111> du cristal de LuAG. Ces fibres optimisées, de diamètre 1 ou 2 mm et de longueur atteignant 22 cm, présentaient une surface plus lisse et une densité de défauts et/ou cracks réduite. Dans les meilleurs cas, les mesures d'atténuation lumineuse ont montré une longueur d'atténuation pouvant dépasser 30 cm. Ces fibres se sont montrées également plus résistantes aux radiations / Single crystalline Cerium doped and undoped lutetium aluminum garnet fibers (Lu3Al5O12 - LuAG) grown by the micro-pulling-down technique show promising results for the development of future calorimeters due to its high scintillation properties. But this growth technique is complex and requires deep investigation for improving further the light properties of the grown fiber. After adjusting the growth temperature, the three main parameters studied were the cerium concentration, the growth rate, and the crystal orientation (fixed by the see). Best results were obtained by a combination of relatively low pulling speed (0.25mm/min), diluted cerium content of ~0.01 at.% and <111> oriented LuAG seed. These optimized fibers, which could be of 1 or 2 mm diameter and up to 22 cm long, showed a much smoother surface and reduced cracks and/or defects. In the best cases, light attenuation measurements indicated enhanced attenuation length which could be higher than 30 cm. Moreover, these fibers were found to display improved radiation hardness

Cancer is the leading cause of death in Canada. Many cancer treatments are using chemotherapy, surgery and radiotherapy. In radiotherapy, photons are the most used ionizing radiation, however alpha particles have higher radiobiological impact which increases the efficiency of patient treatment delivery. Alpha Tau Medical Ltd. (Tel Aviv, Israël) has developed a new brachytherapy method using radioactive seeds. The seeds called DaRT, for Diffusing alpha emitters Radiation Therapy, are composed of 224-Ra atoms which come from 228-Th generator. Currently, these seeds are characterized by an alpha-spectrometer and Geiger-Muller counter or well chamber for quality control. This project offers a new characterization of DaRT seeds using liquid scintillation. Liquid scintillation allows alpha and beta particles detection with the help of liquid cocktail and employing a scintillation counter. The characterization with liquid scintillation allows establishing and quantifying 228-Th trace contamination on the DaRT seeds. Also, it provides a method for seed quality control before they are used on patients by estimating their activity from spectrums established with the liquid scintillation counter. The spectrums obtained also give the possibility of dose estimation using either mass or mass stopping power in water. The results of the dose are compared to expected values from the literature and to simulations. / Le cancer est la première cause de mortalité au Canada. De nombreuses techniques de traitement du cancer existent utilisant la chimiothérapie, la chirurgie et la radiothérapie. En radiothérapie, les photons sont les rayonnements ionisants les plus fréquemment utilisés, cependant les particules alpha présentent des propriétés radiobiologiques intéressantes augmentant l'efficacité des résultats du traitement prodigué au patient. Une nouvelle technique de curiethérapie ayant recourt à des grains a été développée par Alpha Tau Medical Ltd.(Tel Aviv, Israël). Pour ce faire les grains appelés DaRT, pour Radiothérapie par émetteurs-alpha diffusant, sont constitués d'atomes 224-Ra issu d'un processus de fabrication à l'aide d'un générateur de 228-Th. Ces grains sont actuellement caractérisés par spectromètre-alpha et compteur Geiger-Muller ou chambre à puit dans le cas du contrôle de qualité. Ce projet vise à proposer une nouvelle caractérisation des grains DaRT en recourant à la scintillation liquide. La scintillation liquide permet la détection des particules alpha et beta à l'aide de liquide scintillant et d'un compteur de scintillation. La caractérisation des grains avec la scintillation liquide permet d'établir et de quantifier la présence de trace de contamination de 228-Th. Cette technique de mesure de la radioactivité donne aussi la possibilité de réaliser le contrôle de qualité des grains avant son utilisation sur les patients en évaluant l'activité de ces derniers à partir des spectres obtenus par le compteur de scintillation liquide. Les spectres obtenus offrent la réalisation d'une estimation de la dose soit par la masse soit par le pouvoir d'arrêt massique des alpha dans l'eau. Les résultats de la dose sont comparés à des valeurs attendues de la littérature et de simulation.

Les gels de polymère sont des dosimètres chimiques à l'intérieur desquels une réaction de polymérisation est induite par les radiations en fonction de la dose. Ces dosimètres ont la particularité de pouvoir donner des distributions de doses en trois dimensions. Ce type de mesure pourrait être particulièrement utile dans le contexte où, en radiothérapie moderne, les distributions de doses incluent souvent de forts gradients et deviennent de plus en plus complexes. Cependant, les gels de polymères ne s'avèrent toujours pas une méthode de mesure exacte, puisque divers facteurs, parfois difficilement contrôlables, peuvent influencer la polymérisation. Le but principal des expérimentations décrites dans ce mémoire est de trouver une méthode de calibration pouvant améliorer l'exactitude des gels de polymère. L'approche préconisée ici consiste à mesurer des points de dose de référence à l'intérieur des gels durant les irradiations et à les utiliser comme points de calibration. Pour ce faire, les détecteurs plastiques à scintillation (PSD) s'avèrent un choix judicieux, puisqu'ils sont petits, équivalents à l'eau et assez précis et exacts pour être une référence fiable. Dans un premier temps, un montage de détecteurs plastiques à scintillation a été fabriqué et caractérisé. Le montage et les logiciels d'analyse ont ensuite été validés par des mesures de rendement en profondeur faites avec un appareil au cobalt-60 en utilisant la déconvolution chromatique comme méthode de calibration. Des PSD ont ensuite été insérées dans des dosimètres à gel de polyacrylamide (PAG) qui sont ensuite irradiés à l'aide de champs radiatifs filtrés. Des fioles de calibrations contenant du gel provenant de la même recette ont également été irradiées pour obtenir une courbe de calibration dite standard. La distribution des valeurs de vitesses de relaxation nucléaire transverse (R[indice inférieur 2]) a été déterminée à partir d'une séquence multi-échos et multicouches faite à l'Imagerie par résonnance magnétique. D'autres points de calibrations furent obtenus en assignant la valeur de R[indice inférieur 2] autour des PSD à la valeur de la dose qu'elles ont mesurée. Un point de calibration provenant d'une fibre située dans une région à faible gradient de dose fut utilisé pour corriger la courbe calibration standard, générant trois nouvelles courbes de calibration.Les mesures de dose obtenues avec toutes les courbes de calibration ont ensuite été comparées à des simulations du logiciel de planification de traitement Pinnacle[indice supérieur 3] et à des mesures prises avec des films radiochromiques (GAFCHROMIC[indice supérieur TM] EBT2) dans les mêmes conditions que le gel.

Positron emission tomography (PET) is a non-invasive imaging technique which utilizes positron-emitting radiopharmaceuticals (PERs) to characterize biological processes in tissues of interest. A PET scanner is usually composed of multiple scintillation crystal detectors placed in a ring so as to capture coincident photons from a position annihilation. These detectors require a crystal lookup table (CLUT) to map the detector response to the crystal of interaction. These CLUTs must be accurate, lest events get mapped to the wrong crystal of interaction degrading the final image quality. This work describes an automated algorithm, for CLUT generation, focused around Gaussian Mixture Models (GMM) with Thin Plate Splines (TPS). The algorithm was tested with flood image data collected from 16 detectors. The method maintained at least 99.8% accuracy across all tests. This method is considerably faster than manual techniques and can be adapted to different detector configurations. / February 2016

Published online: 26 April 2013

Während eines Experimentes an der Forschungsstation Melpitz des IfT (Institut für Tropossphärenforschung) im September 1997 wurden erstmalig zwei verschiedene Meßmethoden gleichzeitig eingesetzt, die flächengemittelte Lufttemperaturen (Akustische Tomographie - Leipziger Institut für Meteorologie (LIM)) sowie liniengemittelte fühlbare Wärmeflüsse (Scintillometertechnik - IfT) lieferten. Es konnte gezeigt werden, daß teilweise erhebliche Temperaturdifferenzen an einem Strahlungstag auf dieser oberflächlich betrachteten horizontal homogenen Wiese existieren. Die geringe Datenbasis, größtenteils bedingt durch die ungünstige Anströmrichtung während dieses Zeitraums, läßt noch keinen sicheren Schluß zu, ob diese horizontalen Temperaturdifferenzen für die ebenfalls beobachteten horizontalen Unterschiede der vertikalen fühlbaren Wärmeflüsse und damit für die manchmal in Melpitz beobachtete Nicht-Schließung der Energiebilanz verantwortlich sind. / During an experiment at the Iff field research station Melpitz in September 1997 for the first time two different techniques were used to determine simultaneously area averaged air temperatures (Acoustic Tomography -LIM) and line averaged sensible heat fluxes (Scintillation technique - IfT). lt could be shown that on a \'golden\' day appreciably large temperature differences occurred on this superficially considered horizontal homogeneous meadow. Because of the weak data base mostly due to difficult fetch conditions it could not be proven that these temperature differences led to the horizontal differences of vertical sensible heat fluxes and therefore to the sometimes observed non-closure of the energy balance in Melpitz.