Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Physics and Astronomy. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Ce travail de thèse porte sur le développement de techniques de spectroscopie neutronique dans les champs de rayonnement mixte pour des applications liées aux réacteurs de recherche à neutrons rapides, en particulier l’installation MASURCA.La première partie est consacrée à l'étude des configurations expérimentales spéciales de MASURCA dans lesquelles un canal radial est construit pour extraire un faisceau continu de neutrons d'énergie intermédiaires et rapides, adaptable à différents besoins. Exploiter MASURCA en tant qu'installation de faisceau de neutrons ouvrirait de nouvelles possibilités d'expériences telles que des expériences de protection et de transport de neutrons rapides, la production de champs neutroniques standards (de référence), le développement et étalonnage de systèmes de détection des neutrons rapides, etc.La deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d’une capacité de spectrométrie neutronique rapide pour la caractérisation en ligne de la distribution d'énergie neutronique. Différents types de détecteurs sont comparés. Le meilleur compromis pour ce spectromètre est un système combinant des compteurs proportionnels et des scintillateurs organiques. Ce système est capable de couvrir le domaine énergétique entre 10 keV et 10 MeV. Le scintillateur organique sélectionné est un monocristal de stilbène obtenu par un procédé “solution-grown” développé récemment. Au bilan, on conclut qu'un spectromètre à neutrons basé sur le stilbène de type “solution-grown” serait adapté à une utilisation dans MASURCA et dans d'autres champs de rayonnement mixte et qu'il serait plus performant que les systèmes de détection traditionnels. / This doctoral thesis work is focused on the development of neutron spectroscopy techniques in mixed radiations fields for fast research reactor applications, especially for the MASURCA facility.The first part of the thesis is dedicated to the study of special MASURCA configurations in which a radial channel is built to extract a continuous beam of intermediate-to-fast energy neutrons, tailorable to meet different needs. Operating MASURCA as a neutron beam facility would open up new possibilities of experiments, such as fast neutron attenuation and shielding experiments; measurements in standard (reference) fast neutron fields, development and calibration of fast neutron detection systems etc.The second part of the thesis is dedicated to the development of fast neutron spectrometric capabilities for the on-line characterization of the neutron energy distribution. Different candidate detector systems are compared. A “best compromise” spectrometer is shown to be a system combining proportional counters and organic scintillators. Such a system would be able to cover the neutron energy domain between 10 keV and 10 MeV. The selected organic scintillator is a stilbene single crystal obtained by a recently developed solution-grown process. Overall, it is concluded that a neutron spectrometer based on a solution-grown stilbene detector would be suitable for use in MASURCA and in other mixed radiations fields, and would perform better than traditional detector systems.

Le sujet principal de cette thèse porte sur la recherche d’un boson de Higgs additionnel de plus haute masse à travers sa désintégration en une paire de bosons de jauge Z (H → ZZ(*)) en utilisant les données enregistrées avec l’expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Quatre analyses distinctes sont présentées en fonction du mode de désintégration du boson Z soit une paire de leptons chargés (électrons ou muons), soit une paire de neutrinos soit une paire de quarks ; ces analyses sont appelés ZZ → 4l, 2l2ν, 2l2q et 2ν2q. L’étude utilise 20.3 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton enregistrées au cours de la première phase du LHC (Run-1) à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La stratégie de recherche segmente les données en supposant que les mécanismes de production de bosons de Higgs additionnel sont les mêmes que dans le Modèle Standard (SM), et modélise le signal avec une largeur qui est faible par rapport à la résolution de la masse invariante. La région de masse du boson de Higgs considéré s’étend de 140 GeV jusqu’à 1 TeV. Aucun nouveau boson de Higgs n’a été trouvé. La combinaison de résultats de quatre modes de désintégration donne des limites supérieures sur la section efficace σ de ce boson de Higgs additionnel (σ × H → ZZ(*)) qui s’étend de 359 fb à mH = 200 GeV à 11 fb à mH = 1TeV. Les résultats sont également interprétés dans le contexte des modèles au-delà du SM, à savoir les modèles à deux doublets. L’analyse H → ZZ(*) → 4l est également réalisée au cours de la deuxième phase du LHC (Run-2) en utilisant 3.2 fb⁻¹ de données de collisions de proton-proton enregistrées en 2015 à une énergie à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Aucun excès significatif d’évènements sur la prédiction du MS n’est trouvé. Les limites supérieures sur la section efficace (σ × H → ZZ(*) → 4l) sont de 4.5 fb à mH = 200 GeV et 1 fb à mH = 1 TeV. La dernière partie de la thèse porte sur la caractérisation des détecteurs à scintillation d’ATLAS pour le déclenchement d’un biais minimal dans la région avant (le Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS)) en utilisant les rayons cosmiques. En raison de la dégradation des matériaux provoquée par des dommages dus à l’irradiation dans la première phase de fonctionnement du LHC, les MBTS devaient être remplacés lors de l’arrêt du LHC qui a eu lieu en 2014. Avant leur installation dans ATLAS, ces détecteurs ont été caractérisés en laboratoire en utilisant les rayons cosmiques. / The main subject of this thesis is the search for an additional heavy Higgs boson through its decay into a pair of Z bosons (H → ZZ(*)) using data recorded with the ATLAS experiment installed at the Large Hadron Collider (LHC). Four distinct analyses are presented, which are distinguished by the decay mode of the Z boson into either a pair of charged leptons (electrons or muons), into a pair of neutrinos or into a pair of quarks, denoted according to final-state, i.e. as 4l, 2l2ν, 2l2q and 2ν2q. The study is performed using 20.3 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the first phase of LHC operation (Run-1) at centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. A search strategy is employed which segments the data according to the Higgs boson production mechanism, assuming that these are the same as in the Standard Model (SM). Furthermore, the signal is modelled with a width that is small compared to the experimental mass resolution. The Higgs boson mass range considered extends up to 1 TeV for all four decay modes and down to as low as 140 GeV, depending on the decay mode. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. A simultaneous fit to the four decay modes yields upper limits on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ branching ratio ranging from 359 fb at mH = 200 GeV to 11 fb at mH = 1 TeV for the gluon-fusion production mechanism, and from 214 fb at mH = 200 GeV to 13 fb at mH = 1 TeV for the vector-boson fusion production mechanism. The results from these four searches are also interpreted in the context of models beyond the SM, namely the Type-1 and Type-2 2 Higgs Doublet Model. The heavy Higgs boson search is also performed with the H → ZZ(*) → 4l decay mode alone using 3.2 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the second phase of LHC operation (Run-2) at an increased centre-of- mass energy of √s = 13 TeV. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. Upper limits are set on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ(*) → 4l branching ratio of 4.5 fb at mH = 200 GeV and 1 fb at mH = 1 TeV. Lastly, a project of a more technical character is presented. In this study, the scintillation detectors employed by ATLAS for triggering with minimal bias in the forward region, the Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS), are characterised. Due to material degradation caused by radiation damage in the early phases of LHC operation, the MBTS had to be replaced during the LHC shutdown taking place in 2014. Before installation in ATLAS, these detectors were characterised in appropriate laboratory facilities using cosmic radiation.

The recent development of extreme ultraviolet (EUV) sources has increased the need for diagnostic tools, and has opened up a previously limited portion of the spectrum. With ultrafast laser systems and spectroscopy moving into shorter timescales and wavelengths, the need for nanosecond scale imaging of EUV is increasing. EUV’s high absorption has limited the number of imaging options due to the many atomic resonances in this spectrum. Currently EUV is imaged with photodiodes and X-ray CCDs. However photodiodes are limited in that they can only resolve intensity with respect to time and X-ray CCDs are limited to temporal resolution in the microsecond range. This work shows a novel approach to imaging EUV light over a nanosecond time scale, by using an EUV scintillator to convert EUV to visible light imaged by a conventional streak camera. A laser produced plasma, using a mass-limited tin based target, provided EUV light which was imaged by a grazing incidence flat field spectrometer onto a Ce:YAG scintillator. The EUV spectrum (5 nm-20 nm) provided by the spectrometer is filter by a zirconium filter and then converted by the scintillator to visible light (550 nm) which can then be imaged with conventional optics. Visible light was imaged by an electron image tube based streak camera. The streak camera converts the visible light image to an electron image using a photocathode, and sweeps the image across a recording medium. The streak camera also provides amplification and gating of the image by the means of a micro channel plate, within the image tube, to compensate for low EUV intensities. The system provides 42 ns streaked images of light with a iii temporal resolution of 440 ps at a repetition rate of 1 Hz. Upon calibration the EUV streak camera developed in this work will be used in future EUV development.

In dieser Arbeit wird die Signalanalyse eines Ortsdosisleistungsmessgerät mit organischem Szintillatoren der Arbeitsgruppe Strahlungsphysik optimiert, damit die Signalanalyse die Anforderungen der PTB im Hinblick auf eine Baumusterprüfung erfüllt. Dafür wird der Mittellungszeitraum der Dosisleistung dynamisch an die Zählrate angepasst, um einen Kompromiss zwischen schneller Ansprechzeit und geringer statistischer Messunsicherheit der gemessenen Dosisleistungen zu erreichen. Bei hohen Zählraten wird die Datenmenge begrenzt, damit die CPU nicht mit der Auswertung der Einzelereignisse überlastet wird. Weiterhin wird für 2 Prototypen des Dosimeters eine Energiekalibrierung und Wichtung gefunden. Als zusätzliches Feature ist eine Fourier-Transformation implementiert, mit der die Frequenz von gepulster Strahlung bestimmt wird.:Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 1 2 Physikalischer Hintergrund 3 2.1 Dosis 3 2.2 Kernreaktionen 3 2.3 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie 4 2.4 Detektoren 6 3 Material und Methoden 9 3.1 Aufbau und Funktionsweise 9 3.2 Funktionsprüfung 13 3.3 Kalibrierung 15 3.4 Anforderungen der PTB 18 3.5 Überlastungsschutz 19 3.6 Fourier-Transformation 20 4 Messungen 23 4.1 Messung mit dem Pulsgenerator 23 4.2 Messungen mit dem NaI-Szintillator 25 4.3 Messungen mit organischem Szintillator 27 5 Zusammenfassung 41 6 Anhang 43 6.1 Beobachtete Röntgen und γ-Linien 43 6.2 Pulsladungshistogramme 44 Abbildungsverzeichnis 53 Tabellenverzeichnis 55 Literatur 57 / In this thesis, the signal analysis of a local dose rate measurement device is improved for a type examination at the PTB. For this the averaging time of the dose rate measurement is dynamically optimized to archive a trade-off between a short reaction time and low statistical uncertainty of the measured dose rate in order to fulfil the expectations of the PTB and an overload protection is added to ensure a swift analysis of the incoming events even at high count rates. Furthermore, an energy calibration and weight is determined for two prototypes of the dose rate measurement device. As an additional feature a Fourier transformation is implemented to determine the frequency of pulsed radiation fields.:Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 1 2 Physikalischer Hintergrund 3 2.1 Dosis 3 2.2 Kernreaktionen 3 2.3 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie 4 2.4 Detektoren 6 3 Material und Methoden 9 3.1 Aufbau und Funktionsweise 9 3.2 Funktionsprüfung 13 3.3 Kalibrierung 15 3.4 Anforderungen der PTB 18 3.5 Überlastungsschutz 19 3.6 Fourier-Transformation 20 4 Messungen 23 4.1 Messung mit dem Pulsgenerator 23 4.2 Messungen mit dem NaI-Szintillator 25 4.3 Messungen mit organischem Szintillator 27 5 Zusammenfassung 41 6 Anhang 43 6.1 Beobachtete Röntgen und γ-Linien 43 6.2 Pulsladungshistogramme 44 Abbildungsverzeichnis 53 Tabellenverzeichnis 55 Literatur 57

Mon travail pendant cette thèse a d’abord été le développement d’une source de génération d’harmoniques d’ordre élevé basée sur une chaîne laser femtoseconde amplifiée (Saphir-Titane) fonctionnant à une cadence de 1 kHz (AURORE). Une ligne de lumière construite au CELIA permet de fournir un faisceau focalisé VUV-XUV femtoseconde, monochromatique dans une région spectrale comprise entre 10 nm et 73 nm environ (17 eV à 120 eV). Cette installation expérimentale est en fonctionnement et est parmi les toutes premières lignes à être mise en service pour la communauté scientifique française et étrangère. J’ai également mis en place une installation d'étude des cinétiques de luminescence avec résolution temporelle sub-picoseconde (450 fs) par mélange de fréquences. Le thème général de ce travail est l’étude des processus de relaxation et d'interaction entre les excitations électroniques créées par des impulsions ultra brèves femtosecondes de photons IR, UV et VUV-XUV dans les solides diélectriques massifs et des nano particules. L’observable principale utilisée est la luminescence émise par ces systèmes, résolue spectralement et en temps sur des échelles allant de la µs à des temps sub picosecondes. Ce travail a abouti à une avancée sensible de la description des processus principaux de formation et d’évolution des excitations électroniques. La comparaison et l’interprétation des données expérimentales obtenues pour des nano particules et des cristaux ont permis d’élucider certaines propriétés spécifiques de ces systèmes. / The work during this Ph.D. was a development of a source of high order harmonics generation based on amplified Ti:Sapphire femtosecond laser with repetition rate 1kHz (AURORE). The beam line constructed in CELIA has on its exit a VUV-XUV focalized beam; it may has wide spectrum or monochromatic in spectral range from 10nm up to 73nm (17-120eV). This beam line is in operation and is using for experiments for solid state VUV spectroscopy, photoelectron spectroscopy etc. Also it was installed a system for detection of luminescence with sub-picosecond time resolution (450fs) based on the nonlinear effect – generation of sum of two light frequencies. The main subject of this work was the study of processes of relaxation and interaction of electronic excitations, created by ultra-short pulse of IR, UV or XUV in dielectric crystals and nanoparticles. Out method is based on observation of luminescence with spectral and time resolution up to sub-picosecond temporal resolution. This study has given new experimental results for description of fundamental processes of creation and evolution of electronic excitations. Comparison and interpretation of experimental data of semiconductor nano-particles and monocrystals gave some interpretations of extra-fast luminescence of these systems.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In the present work the potential of ceramic scintillator production of bismuth germanate by hot pressing was investigated. The microstructure and the scintillation yield were studied as function of the hot pressing parameters, such as time sintering plateau (4 and 10 hours), temperature (840 e 875 °C), and pressure (0.10, 0.14, and 0.18 MPa). Values of relative densities were obtained through Archimedes method showing that for the ceramic bodies produced the densities were higher than 94%. X-ray diffraction showed that the ceramics and the precursor powder exhibited two different Bi-Ge-O stoichiometries, the majority one Bi4Ge3O12 and the spurious one Bi12GeO20. Analyzes by scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate the microstructure of the grains with the changes of hot pressing parameters. The optical characterization was done by radioluminescence (RL), in which it was verified that the sample sintered by hot pressing have better efficiency in the characteristic emission of BGO. The influence of sintering condition in scintillation efficiency of the ceramic bodies was also investigated. / Neste trabalho verificou-se o potencial da prensagem a quente na produção de cintiladores cerâmicos de germanato de bismuto (Bi4Ge3O12 - BGO). Foi realizado um estudo dos parâmetros de prensagem a quente tais como: tempo de patamar de sinterização (4 e 10 horas), temperatura (840 e 875 °C) e carga aplicada (0.10, 0.14 e 0.18 MPa) nos quais, os dados de densidade relativa obtidos através de método de Arquimedes mostraram que as cerâmicas produzidas apresentam densidades relativas superiores a 94%. Para a caracterização das amostras foram realizadass análises de difração de raios X (DRX), as quais mostraram que as cerâmicas de BGO apresentam fases cristalinas em duas estequiometrias, a fase principal e majoritária Bi4Ge3O12 e a fase minoritária Bi12GeO20. Análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas para investigar a formação da microestrutura dos grãos com a mudança dos parâmetros de prensagem a quente. A caracterização óptica foi realizada via radioluminescência (RL), em que foi verificado que as amostras sinterizadas via prensagem a quente apresentam melhor eficiência na emissão característica do BGO. A influência das condições de sinterização na eficiência de cintilação das cerâmicas também foi investigada. / São Cristóvão, SE

Interagissant très peu avec leur environnement, les neutrinos peuvent aujourd'hui être clairement détectés à l'aide d'une technologie largement éprouvée reposant sur l'utilisation de liquide scintillant et de photo-multiplicateurs. Les progrès réalisés ces dernières années permettent de réduire la taille et la complexité des détecteurs et laissent ainsi entrevoir les premières applications à ces particules. Première expérience placée à 7,2 m d'un coeur de réacteur nucléaire, le détecteur Nucifer démontre la possibilité de compter les antineutrinos venant du combustible à cette faible distance induisant un environnement très défavorable en terme de bruits de fond. Dans cette thèse, nous présentons l'analyse ayant permis de rejeter les différents bruits de fond venant du réacteur et de son circuit de désactivation mais aussi des muons atmosphériques. Une prédiction du taux d'antineutrinos avec différentes simulations Monte-Carlo a également été réalisée et se trouve en accord avec le taux mesuré dans la limite des incertitudes statistiques et systématiques. Sur près d'un an de prise de données, nous avons pu suivre l'évolution en puissance du réacteur Osiris. Une étude de sensibilité a montré que la présence de plutonium dans le coeur d'Osiris était détectable à 95 % CL dès que cet isotope contribue à hauteur de 10 % de la masse fissile (1,5 kg dans Osiris). En outre, le détecteur a montré une grande stabilité tout au long de la prise de données prouvant que le contrôle à distance des réacteurs nucléaires est possible. Cette expérience ouvre donc la voie à de nouveaux modes de contrôle des réacteurs nucléaires pour les autorités de sûreté. Dans le cadre des travaux sur les spectres d'antineutrinos émis par les réacteurs nucléaires, un déficit a récemment été mis en évidence dans le taux des antineutrinos mesurés pour les expériences à courte distance des réacteurs. Ce déficit, appelé anomalie réacteur, pourrait trouver son origine dans une nouvelle oscillation à travers un état stérile du neutrino à l'électronvolt. L'expérience Stéréo a pour but de trancher sur l'existence ou non de cette oscillation en se plaçant à 10 m du réacteur nucléaire de l'ILL. En observant une distorsion à la fois en énergie et en distance, le détecteur permettra en effet d'apporter une conclusion solide sur ce phénomène. Nous revenons ici sur le développement du projet et sur les différents choix technologiques réalisés pour améliorer la sensibilité de l'expérience. Une attention particulière est portée sur l'estimation des bruits de fond provenant du réacteur nucléaire ainsi que des expériences voisines utilisant des faisceaux de neutrons. Des mesures expérimentales alliées à des simulations ont permis de quantifier les flux de rayons gammas et de neutrons ainsi que leur direction afin de prévoir les blindages nécessaires. Enfin, nous présentons les performances du prototype correspondant à une cellule du détecteur final. / In spite of a faint interaction with their environment, neutrinos can be now clearly detected thanks to a proven technology based on liquid scintillators and photomultiplier tubes. The advances made these last years allow to reduce the size and the complexity of the detectors and therefore naturally lead to the first applications with these particles. As the first experiment to be placed at 7.2 m of a nuclear core, the Nucifer detector demonstrates the possibility of counting antineutrinos coming from the nuclear fuel at such a short baseline despite the very unfavourable environment in term of the background noises. In this thesis, we present an analysis which rejects the various background noises coming from the reactor and its deactivation circuit but also from the atmospheric muons. A prediction of the antineutrino rate with several Monte-Carlo simulations was also performed and is in good agreement with the measured rate, within statistical and systematic uncertainties. After nearly one year of data taking, we were able to follow the power evolution of the reactor Osiris. A sensibility study showed that the presence of plutonium in the Osiris core was detectable at 95 % CL as soon as this isotope contributes at the level of 10 % of the fissile mass (1,5 kg in Osiris). Besides, the detector was very stable throughout the data taking proving that the remote control of nuclear reactor with a neutrino detector is possible. Thus, this experiment opens the way to new control modes of nuclear reactors by the nuclear safety authorities. As part of the work on the antineutrino spectra emitted by nuclear reactors, a deficit was recently highlighted in the observed antineutrino rate for the experiments at short baseline. This deficit, called the reactor anomaly, could be explain by a new oscillation into a sterile state of the neutrino at the electronvolt scale. The Stereo experiment aims to test the existence of this oscillation by performing measurements 10 m away from the ILL nuclear reactor. By observing a distortion pattern of the energy and distance dependence of the neutrino spectrum, the detector will be able to provide a solid proof of this phenomenon. We present here the project development and the various technological choices that we have done to improve the experiment sensibility. The estimation of the background noise coming from the nuclear reactor as well as the nearby experiments using neutron beams has been performed with on-site measurements and simulations to design the shielding of the detector. Eventually we present the performances of the prototype which corresponds to one cell of the final detector.

This dissertation investigates CsI(Tl) pulse shape discrimination (PSD) as a novel experimental technique to improve challenging areas of particle identification at high energy $e^+ e^-$ colliders using CsI(Tl) calorimeters. In this work CsI(Tl) PSD is implemented and studied at the Belle II experiment operating at the SuperKEKB $e^+ e^-$ collider, representing the first application of CsI(Tl) PSD at a $B$ factory experiment. Results are presented from Belle II as well as a testbeam completed at the TRIUMF proton and neutron irradiation facility. From the analysis of the testbeam data, energy deposits from highly ionizing particles are shown to produce a CsI(Tl) scintillation component with decay time of $630\pm10$ ns, referred to as the hadron scintillation component, and not present in energy deposits from electromagnetic showers or minimum ionizing particles. By measuring the fraction of hadron scintillation emission relative to the total scintillation emission, a new method for CsI(Tl) pulse shape characterization is developed and implemented at the Belle II experiment's electromagnetic calorimeter, constructed from 8736 CsI(Tl) crystals. A theoretical model is formulated to allow for simulations of the particle dependent CsI(Tl) scintillation response. This model is incorporated into GEANT4 simulations of the testbeam apparatus and the Belle II detector, allowing for accurate simulations of the observed particle dependent scintillation response of CsI(Tl). With $e^\pm$, $\mu^\pm$, $\pi^\pm$, $K^\pm$ and $p/\bar{p}$ control samples selected from Belle II collision data the performance of this new simulation technique is evaluated. In addition the performance of hadronic interaction modelling by GEANT4 particle interactions in matter simulation libraries is studied and using PSD potential sources of data vs. simulation disagreement are identified. A PSD-based multivariate classifier trained for $K_L^0$ vs. photon identification is also presented. With $K_L^0$ and photon control samples selected from Belle II collision data, pulse shape discrimination is shown to allow for high efficiency $K_L^0$ identification with low photon backgrounds as well as improved $\pi^0$ identification compared to shower-shape based methods. / Graduate

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:28:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:56:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP