Current positron emission mammography (PEM) depth of interaction (DOI) enabling detectors have low scintillator to photodetector encoding ratios, RE causing high system complexity and cost. The modularized dual-ended readout block (DERB) detector combines the Anger logic block detector with dual-ended readout to increase RE while measuring DOI. To investigate the trade-off between RE and spatial resolution, scalable DERB detectors with varying RE and light guide thickness were modelled with Monte- Carlo. Simulation showed RE can increase up to six-fold compared to the dual-ended readout design without significantly degrading spatial resolution. Experimental characterization of a RE = 9 : 8 DERB detector was found to achieve super-resolution <0.5 mm for resolving crystal indices, DOI resolution of ~5 mm FWHM, and mean energy resolution of 20% without recovering photons lost to neighbouring detector modules. The model was validated by agreement of simulation results adjusted for detector quantum efficiency with experimental results.

Thesis (Ph.D.); Submitted to Univ. of California, Berkeley, CA (US); 1 Jun 2003. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LBNL--54350" Scielzo, Nicholas David. USDOE Director. Office of Science. Nuclear Physics (US) 06/01/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

The aim of the present thesis is to evaluate fast scintillator materials, in both single-crystal and powder form, for possible usage in dedicated gamma ray imaging applications as well as in X-ray imaging techniques, requiring high frame rates. Powder scintillators are traditionally used in conventional X-ray imaging due to their property to produce high resolution images. This is because laterally directed optical photons, originating from the point of X-ray interaction, are strongly attenuated by light scattering effects on powder grains. This property however is their principal drawback for routine Nuclear Medicine applications. In these applications, photon counting accuracy rather than spatial resolution is required and to this aim high transparency crystals are used. In the present study we have tried to estimate whether the use of powder phosphors can improve the image quality in a dedicated gamma-ray system where spatial resolution than sensitivity is of primary significance. Evaluation was performed in thin and thick phosphor layers easily produced in the laboratory. In addition we present a low cost solution – consisting of a thick continuous powder scintillator screen – for use in dedicated high resolution small gamma imager. The advantages and disadvantages of proposed powder detector performance were compared to two standard 3 x 3 x 5mm3 and 2 x 2 x 3mm3 pixellated CsI:Tl scintillator detector configurations. System performance in terms of system sensitivity, system spatial resolution, energy resolution and linear energy response were measured at energy of 140 keV for close-proximity nuclear emission imaging. All measurements were carried out in photon counting mode in planar imaging configuration. The investigation was divided into two parts: Fast powder scintillators: In this part, powder scintillator screens of LSO:Ce, YAG:Ce and GOS:Pr were prepared in various coating thicknesses. Measurements concerning determination of emission spectra and absolute luminescence efficiency were carried out under X-ray excitation from 22 to 140 kV. Related parameters giving informations on luminescence and intrinsic properties of the phosphors such as X-ray luminescence efficiency, quantum detection efficiency, energy absorption efficiency and intrinsic conversion efficiency were also examined. Low cost and high resolution detector module: The goal of this part was to propose and evaluate a low cost solution for detector module – consisting of a thick continuous powder scintillator screen – for use in dedicated high resolution small gamma imagers. For the latter purpose, we examined the performance of the aforementioned fast powder scintillators in the form of thick screens easily produced in the laboratory. System performance in terms of system sensitivity, system spatial resolution, energy resolution and linear energy response were measured and compared for two standard 3 x 3 x 5mm3 and 2 x 2 x 3mm3 pixellated CsI:Tl. / Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η αποτίμηση φθοριζόντων υλικών υψηλής απόκρισης, τόσο σε κρυσταλλική όσο και σε κοκκώδη μορφή για πιθανή χρησιμοποίησή τους σε συγκεκριμένους τύπους ανιχνευτικών συστημάτων Πυρηνικής Ιατρικής όπως επίσης σε συστήματα απεικόνισης με ακτίνες Χ που απαιτούν πολύ γρήγορες λήψεις ιατρικής εικόνας. Τα φθορίζοντα υλικά κοκκώδους μορφής χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην απεικόνιση με ακτίνες-Χ λόγω της υψηλής διακριτικής ικανότητας που μπορεί να επιτευχθεί. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε κατά πόσο η χρήση νέων, γρήγορων φθοριζόντων υλικών κοκκώδους μορφής μπορεί να βελτιώσει την απόδοση συγκεκριμένων τύπων ανιχνευτικών συστημάτων Πυρηνικής Ιατρικής (π.χ. dedicated small nuclear imagers), στα οποία η διακριτική ικανότητα του συστήματος είναι πιο σημαντική από την ευαισθησία. Η αποτίμηση έγινε σε φθορίζοντα μεγάλου πάχους που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Επιπρόσθετα στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η εφαρμογή ενός χαμηλού κόστους συμπαγούς ανιχνευτικού υλικού κοκκώδους μορφής σε ένα εξειδικευμένο σύστημα Πυρηνικής Ιατρικής. Γίνεται συστηματική μελέτη και εκτενής αναφορά στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτού του συστήματος. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα που ελήφθησαν με χρήση διακριτοποιημένων σπινθηριστών τύπου CsI:Tl, μεγέθους 3 x 3 x 5mm3 και 2 x 2 x 3 mm3. Η απόδοση του συστήματος ως προς την ευαισθησία (sensitivity), τη χωρική διακριτική ικανότητα (spatial resolution) και την ενεργειακή διακριτική ικανότητα (energy resolution) αποτιμήθηκε για ενέργεια 140 keV, που αντιστοιχεί στην ενέργεια του ισοτόπου 99mTc που χρησιμοποιείται ευρύτατα σε εξετάσεις Πυρηνικής Ιατρικής. Η πειραματική μελέτη χωρίστηκε σε δύο μέρη: Φθορίζοντα υλικά κοκκώδους μορφής: Στο πρώτο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τα φθορίζοντα υλικά κοκκώδους μορφής LSO:Ce, YAG:Ce και GOS:Pr σε διάφορα πάχη και για μεγάλη κλίμακα ενεργειών (Υψηλή τάση λυχνίας ακτίνων-Χ από 22 kV έως 140 kV). Ανιχνευτής χαμηλού κόστους και υψηλής διακριτικής ικανότητας: Ο τελικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η κατασκευή ενός ενιαίου ανιχνευτή, βασισμένου σε σπινθηριστή κοκκώδους μορφής, χαμηλού κόστους και υψηλής διακριτικής ικανότητας, κατάλληλου για χρήση σε εξειδικευμένα συστήματα Πυρηνικής Ιατρικής. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε η συμπεριφορά των υλικών κοκκώδους μορφής LSO:Ce, YAG:Ce και GOS:Pr υπό διέγερση ακτίνων γάμμα με ισότοπο Τεχνητίου (99mTc), ενέργειας 140 keV, που χρησιμοποιείται ευρύτατα στην Πυρηνική Ιατρική. Τα υλικά αυτά υπό την μορφή ενιαίου, μεγάλου πάχους ( ≥2mm) και διαμέτρου (9 cm), συμπαγούς ανιχνευτή αξιολογήθηκαν με τεχνικές απεικόνισης μονού φωτονίου (single photon counting mode).

Submitted by Maria Eneide de Souza Araujo (mearaujo@ipen.br) on 2017-03-10T16:38:03Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-03-10T16:38:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho foi padronizada uma solução de 14C emissor beta puro com energia máxima de 156 keV, por meio de três diferentes métodos: CIEMAT/NIST e TDCR (triple-to-double coincidence ratio) em sistemas de cintilação líquida e pelo método do traçador, em sistema de coincidências 4&pi;&beta;-&gamma;. O sistema de cintilação líquida TRICARB, equipado com dois tubos fotomultiplicadores, foi usado para aplicação do método CIEMAT/NIST, usando um padrão de 3H emissor beta puro com energia máxima de 18,7 keV como traçador de eficiência. O sistema de cintilação líquida HIDEX 300SL, equipado com três tubos fotomultiplicadores, foi utilizado para as medidas pelo método TDCR. As amostras de 14C e 3H, medidas nos sistemas de cintilação foram preparadas usando-se três coquetéis cintiladores comerciais Ultima Gold, Optiphase Hisafe3 e InstaGel-Plus a fim de comparar seu desempenho nas medidas.Todas as amostras foram preparadas com 15 mL de coquetel cintilador, em frascos de vidro com baixa concentração de potássio. Alíquotas conhecidas de solução radioativa foram depositadas nos coquetéis cintiladores. Para a variação do parâmetro indicador de quenching, foram utilizados: um carregador de nitro metano e 1 mL de água destilada. Para a padronização pelo método do traçador no sistema de coincidências 4&pi;&beta;-&gamma;, foi utilizado 60Co como emissor beta gama. As medidas foram feitas no sistema de coincidências por software SCS, usando discriminação eletrônica para alterar a eficiência beta. O comportamento da curva de extrapolação foi predito por meio do código Esquema, que utiliza a técnica de Monte Carlo. Os resultados da atividade da solução de 14C obtida pelos três métodos utilizados mostraram uma boa concordância dentro da incerteza experimental. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Les détecteurs de rayon-X utilisés pour l'imagerie à haute résolution (micromètrique ou submicronique) utilisés aux synchrotrons sont pour la plupart basés sur un système de détection indirecte. Les rayons X ne sont pas directement convertis en signal électrique. Ils sont absorbés par un scintillateur qui est un matériau émettant de la lumière à la suite de l'absorption d'un rayonnement ionisant. L'image émise sous forme de lumière visible est ensuite projetée par des optiques de microscopie sur une camera 2D de type CCD ou CMOS. De nos jours, il existe différents types des scintillateurs. On distingue entre autres des scintillateurs en poudre compactée, micro structurés, céramique poly-cristalline et monocristalline. L’obtention d’une image de très bonne qualité avec une résolution spatiale au-dessous du micromètre requiert le choix d’une couche mince (1-20 µm) monocristalline. Ces types des scintillateurs peuvent être déposes sur un substrat par épitaxie en phase liquide. La très faible efficacité d’absorption dans une couche mince en fait sa faiblesse, surtout pour des énergies au-dessus de 20 keV. A l’ESRF (le synchrotron européen) des énergies jusqu'à 120 keV peuvent être exploitées pour l’imagerie. Des nouveaux scintillateurs sont donc toujours recherchés pour pouvoir améliorer le compromis entre l’efficacité d’absorption et la résolution spatiale. Dans la première partie de cet travail, un model qui décrit les détecteurs indirects pour la haute résolution, est présenté. Cet model permet de calculer la MTF (fonction de transfert de modulation) du système et peut être utilisé pour trouver la combinaison optimal de scintillateur et d’optique selon l’énergie des rayons X. Les simulations ont guidées le choix des scintillateurs à développer par épitaxie.Dans la deuxième partie, deux nouveaux types de scintillateurs développés et caractérisés dans le cadre de ce projet de thèse sont introduits : les couches minces basées sur des monocristaux de gadolinium lutétium aluminium pérovskite (GdLuAP:Eu) et d’oxyde de lutétium (Lu2O3:Eu) / X-ray detectors for high spatial resolution imaging are mainly based on indirect detection. The detector consists of a converter screen (scintillator), light microscopy optics and a CCD or CMOS camera. The screen converts part of the absorbed X-rays into visible light image, which is projected onto the camera by means of the optics. The detective quantum efficiency of the detector is strongly influenced by the properties of the converter screen (X-ray absorption, spread of energy deposition, light yield and emission wavelength). To obtain detectors with micrometer and sub-micrometer spatial resolution, thin (1-20 µm) single crystal film scintillators are required. These scintillators are grown on a substrate by liquid phase epitaxy. The critical point for these layers is their weak absorption, especially at energies exceeding 20 keV. At the European Synchrotron radiation Facility (ESRF), X-ray imaging applications can exploit energies up to 120 keV. Therefore, the development of new scintillating materials is currently investigated. The aim is to improve the contradictory compromise between absorption and spatial resolution, to increase the detection efficiency while keeping a good image contrast even at high energies.The first part of this work presents a model describing high-resolution detectors which was developed to calculate the modulation transfer function (MTF) of the system as a function of the X-ray energy. The model can be used to find the optimal combination of scintillator and visible light optics for different energy ranges, and it guided the choice of the materials to be developed as SCF scintillators. In the second part, two new kinds of scintillators for high-resolution are presented: the gadolinium-lutetium aluminum perovskite (Gd0.5Lu0.5AlO3:Eu) and the lutetium oxide (Lu2O3:Eu) SCFs

La tomographie d'émission par positrons (TEP) se distingue des autres modalités d'imagerie par sa capacité à localiser et quantifier la présence de molécules marquées, appelées radiotraceurs, au sein d'un organisme. Cette capacité à mesurer l'activité biologique des différents tissus d'un sujet apporte des informations uniques et essentielles à l'étude de tumeurs cancéreuses, au fonctionnement du cerveau et de ses maladies neurodégénératives et de la pharmacodynamique de nouveaux médicaments. Depuis les tout débuts de la TEP, les scientifiques rêvent de pouvoir utiliser l'information de temps de vol des photons pour améliorer la qualité de l'image TEP. L'arrivée des photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP), rend maintenant ce rêve possible. Ces dispositifs détectent la faible émission de lumière des scintillateurs et présentent une réponse grandement amplifiée avec une faible incertitude temporelle. Mais le potentiel des PAMP n'est pas encore entièrement exploré. Plutôt que de faire la somme des courants d'une matrice de PAMP, il est possible d'utiliser leur nature intrinsèquement binaire afin de réaliser un photodétecteur numérique capable de déterminer avec précision le temps d'arrivée de chaque photon de scintillation. Toutefois, la conception de matrices de PAMP numériques en est encore à ses débuts, et les outils de conception se font rares. Ce projet de doctorat propose un simulateur facilitant la conception de matrices de PAMP, que celles-ci soient analogiques ou numériques. Avec cet outil, l'optimisation d'une matrice de PAMP numérique basée dans une technologie Teledyne DALSA HV CMOS \SI{0,8}{\micro\metre} est proposée. En plus de guider les choix de conception de l'équipe, cette optimisation permet de mieux comprendre quels paramètres influencent les performances du détecteur. De plus, puisque le photodétecteur n'est pas l'unique acteur des performances d'un détecteur TEP, une étude sur l'impact des scintillateurs est aussi présentée. Cette étude vérifie l'amélioration apportée par l'intégration de photons prompts dans des scintillateurs LYSO. Enfin, une approche novatrice pour discriminer l'énergie des évènements TEP basée sur l'information temporelle des photons de scintillation a été développée et vérifiée à l'aide du simulateur. Bien que ce simulateur et les études réalisées dans le cadre de cette thèse soient concentrés sur des détecteurs TEP, l'utilité des PAMP et du simulateur ne se limite pas à cette application. Les matrices de PAMP sont prisées pour le développement de détecteur en physique des particules, physique nucléaire, informatique quantique, LIDAR et bien d'autres. / Abstract : Positron emission tomography (PET) stands out among other imaging modalities by its ability to locate and quantify the presence of marked molecules, called radiotracers, within an organism. The capacity to measure biological activity of various organic tissues provides unique information, essential to the study of cancerous tumors, brain functions and the pharmacodynamics of new medications. Since the very beginings of PET, scientists dreamed of using the photon's time-of-flight information to improve PET images. With the recent progress of Single Photon Avalanche Diodes (SPAD), this dream is now possible. These photodetectors detect the scintillators' low light emission and offers a greatly amplified response with only a small time uncertainty. However the potential of SPAD has not yet been entirely explored. Instead of summing the currents of a SPAD array, it is possible to use their intrinsically binary operation to build a digital photodetector, able to establish with precision the time of arrival of each scintillation photon. With this information, the time-of-flight measurements will be much more precise. Yet the design of digital SPAD arrays is in its infancy and design tools for this purpose are rare. This project proposes a simulator to aid the design of SPAD arrays, both analog and digital. With this tool, we propose an optimised design for a digital SPAD array fabricated in Teledyne Dalsa HV CMOS \SI{0.8}{\micro\metre} technology. In addition to guiding the design choices of our team, this optimisation led to a better understanding which parameters influence the performance of a PET detector. In addition, since the photodetector is not the sole actor in the performance of a PET detector, a study on the effect of scintillators is also presented. This study evaluates the improvement brought by incorporating a prompt photon emission mechanism in LYSO crystals. Finally, we describe a novel approach to energy discrimination based on the timing information of scintillation photons was developped and tested using the simulator. While this simulator and the studies presented in this thesis focus on PET detectors, SPAD are not limited to this sole application. SPAD arrays are promising for a wide variety of fields, including particle physics, high energy physics, quantum computing, LIDAR and many more.

Deux nouvelles familles de complexes de cuivre(I) cationiques, de formules [Cu(NHC)(N^N)][X] et [Cu(P^P)(N^N)][PF6], ont été synthétisées avec des ligands 2,2’ bis pyridyl pontés, chélates à six chaînons, facilement modulables. Ces complexes présentent des émissions à l’état solide centrées entre 455 et 520 nm (bleu à vert), avec de larges décalages de Stokes et des rendements quantiques pouvant atteindre 0,86. De plus, l’émission via un phénomène de fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) a été prouvée pour les complexes [Cu(NHC)(N^N)][X]. Les premiers scintillateurs plastiques dopés avec des complexes de cuivre(I) détectant les radiations nucléaires de type gammas ont été obtenus avec des complexes de formule générale [Cu(P^P)(N^N)][PF6]. Les complexes de formule [Cu(NHC)(N^N)][X] ont permis l’obtention des premières Cellules Electrochimiques Luminescentes (LECs) émettant dans le bleu et incorporant des complexes de cuivre(I). Enfin, les complexes de formule [Cu(NHC)(N^N)][X] à ligand 2,2’ dipyridylamine présentent une activité cytotoxique envers différentes lignées de cellules cancéreuses et apportent la possibilité d’une action ciblée sur les cellules tumorales via l’ajout d’un vecteur. La polyvalence de ces complexes de cuivre(I) repose sur les ligands 2,2’-bis-pyridyl pontés, chélates à six chaînons, dont la synthèse est facile d’accès et les propriétés électroniques et structurales sont modulables. / New cationic copper(I) complexes of general formula [Cu(NHC)(N^N)][X] and [Cu(P^P)(N^N)][PF6] were developed with 6-membered-ring 2,2’-bis-pyridyl derivatives as ligand. These complexes exhibited blue (420 nm) to green (520 nm) emissions in solid state, with large Stokes shifts and photoluminescence quantum yields up to 0.86. Furthermore, the emission of the [Cu(NHC)(N^N)][X] complexes via a thermally activated delayed fluorescence (TADF) was demonstrated. The first plastic scintillators incorporating copper(I) complexes and detecting gamma radiations were obtained with [Cu(P^P)(N^N)][PF6] complexes. Application of the [Cu(NHC)(N^N)][X] complexes to the LEC technology led to the first copper(I)-based blue emitting device. In the last chapter, we also demonstrated that copper(I) complexes [Cu(NHC)(N^N)][X] bearing a 2,2’-dipyridylamine as N^N ligand exhibited high cytotoxycity against different cancer cells lines. These complexes paved the way for the design of a new type of copper(I) anti-cancer agents with the opportunity to increase the selectivity against cancer cells via a vectorization of the N^N ligand. The versatility of these copper(I) complexes demonstrated in this work relied on the easy to handle and highly modular 2,2’-bis-pyridyl ligands.

Die Grundlage vieler zukünftiger Flüssigszintillator-Neutrinoexperimente (SNO+, Daya Bay, LENA) ist das Lösungsmittel Lineare-Alkyl-Benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13). Zusammen mit dem weit verbreiteten Szintillator 2,5-Diphenyloxazole (PPO) ist es ein farb- und geruchsloses Detektormaterial mit hohem Flammpunkt. Im Vergleich zu toluol- oder xylolbasierten Szintillatoren ist LAB+PPO preiswert und nicht gesundheitsschädlich. Die Eigenschaften von LAB machen es ebenfalls interessant für die Anwendung an nELBE, die Neutronenfugzeitanlage im Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Lichtausbeute im niederenergetischen Bereich (bis 2 MeV) wird vorgestellt. Kombiniert wurden Messungen mit (quasi) monoenergetischen Gammastrahlungs-Prüfstrahlern und einem in dieser Arbeit aufgebauten Compton-Spektrometer. Letzteres ermöglicht die Bestimmung der Lichtausbeute bis zu 5 keVee. Der Birks-Parameter wurde für eine Lösung von LAB + 3 g/l PPO sowie für den Flüssigszintillator NE-213 bestimmt. Die relative Lichtausbeute in Bezug auf letzteren konnte mit diesen Messmethoden ebenfalls ermittelt werden. Zur spektralen Analyse des Lumineszenzlichtes wurden Messungen an Fluoreszenz- und UV/VIS- Spektrometern durchgeführt. Die Pulsformdiskriminationsfähigkeit auf LAB basierenden Szintillatoren wurde während eines Flugzeitexperiments in einem gemischten n-gamma-Feld eines Cf(252)-Prüfstrahlers ermittelt. Dabei kamen unterschiedliche Algorithmen der semi-analogen und digitalen Pulsformdiskrimination zum Einsatz. / Linear alkyl benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13) is the proposed solvent for the SNO+, the Daya Bay Neutrino and LENA experiment. In solution with the commonly used scintillator PPO it is a colourless, odourless and cheap liquid scintillator with a high fash point and low health hazard compared to toluene based ones. The properties of LAB make this scintillator interesting also for nELBE, the neutron time-of-fight facility at Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. A new approach to measure the light yield in the low-energy range using a combination of quasi-monoenergetic photon sources and a Compton-spectrometer is described. The latter allows the measurement of the light yield down to 5 keVee (electron equivalent). The Birks- Parameter was determined for a homemade solution (LAB + 3 g/l PPO) and for NE-213. The light yield (relative to this standard scintillator) was confrmed by measurements using a fuorescence spectrometer. The ability of pulse-shape-discrimination in a mixed n-gamma- field of a Cf(252) source was tested using different digital and semi-analogue techniques.

In the medical field, the applications of ultraviolet (UV) radiation are limited to skin or reachable sites due to its low penetration depth into biological tissue. Contrary to UV radiation, X-rays can penetrate the body with almost no attenuation, but they result in toxic side effects. Inorganic scintillators absorb X-rays and convert them into UV or visible photons and are usually used for medical imaging. We propose the use of high density inorganic nanoscale scintillators with the ability to absorb externally applied ionizing radiation directly at the site of application, e.g., inside a tumor, and to convert this ionizing radiation into UV photons in situ, enabling new biomedical applications inside the body. In this thesis, two specific new biomedical applications are discussed in detail: The first application is the use of UV-B emitting nanoscale scintillators for highly localized drugs released or activation of photoactivable therapeutics using only X-rays. The second novel approach is the use of UV-C emitting nanoscale scintillators as radiation sensitizers. However, size-reduction of inorganic scintillators, and most inorganic phosphors in general, usually result in quenching of the photoluminescence properties, defects on the surface of the particles, and a decrease of radiation hardness. Colloidal solutions of nearly monodisperse LaPO4:Gd nanocrystals (5nm) were shown to strongly emit UV radiation upon excitation with X-rays or vacuum UV radiation (160nm). The UV emission of the particles consisted mainly of a single line at 311nm. This UV-B emission of the particles was used to excite the fluorescence of laser dyes dissolved in the colloids. The emission of the dyes was also observed in the case of high dye concentrations, proving that the concept of using radiation with a high penetration depth (X-rays) to excite fluorescence emission with a low penetration depth (UV-B) wavelength is feasible. Pr-doped LuPO4 emits UV-C radiation between 225 and 280nm, where DNA shows strong absorption bands. Therefore, a systematic study of the luminescence of LuPO4:Pr was performed: Different doping concentrations, particle sizes, and excitation sources were compared. Furthermore, it was found that Pr and Nd co-doped LuPO4 results in increased UV-C emission independent of excitation source due to energy transfer. The highest UV-C emission intensity was observed for LuPO4:Pr,Nd(1%,2.5%) upon X-ray irradiation. Finally, LuPO4:Pr,Nd nanoparticles were synthesized, and the biological efficacy of the combined approach (X-rays and UV-C) was assessed using the colony formation assay. Cell culture experiments confirm increased cell death compared to X-rays alone due to the formation of UV-specific DNA damages, supporting the application of the herein synthesized particles as radiation sensitizers.

La thèse porte sur le développement d’un petit prototype de télescope Compton pour l'astronomie gamma spatiale dans la gamme d’énergie du MeV (0.1-100 MeV). Nous avons étudié de nouveaux modules de détection destinés à l'imagerie Compton. Nous avons assemblé et testé deux détecteurs à scintillation, l'un avec un cristal de bromure de lanthane dopé au cérium (LaBr₃:Ce) et l'autre avec un cristal de bromure de cérium (CeBr₃). Les deux cristaux sont couplés à des photomultiplicateurs multi-anodes 64 voies sensibles à la position. Notre objectif est d’optimiser la résolution en énergie en même temps que la résolution en position du premier impact d'un rayon gamma incident dans le détecteur. Les deux informations sont vitales pour la reconstruction d'une image avec le prototype de télescope à partir de l’effet Compton. Nous avons développé un banc de test pour étudier expérimentalement les deux modules, avec une électronique de lecture et un système d'acquisition de données dédiés. Nous avons entrepris un étalonnage précis du dispositif et effectué de nombreuses mesures avec différentes sources radioactives. En outre, nous avons réalisé une simulation numérique détaillée de l'expérience avec le logiciel GEANT4 et effectué une étude paramétrique extensive pour modéliser au mieux la propagation des photons ultraviolet de scintillation et les propriétés optiques des surfaces à l'intérieur du détecteur. Nous avons alors développé une méthode originale de reconstruction de la position d’impact en 3D, en utilisant un réseau de neurones artificiels entrainé avec des données simulées. Nous présentons dans ce travail tous les résultats expérimentaux obtenus avec les deux modules, les résultats de la simulation GEANT4, ainsi que l'algorithme basé sur le réseau de neurones. En plus, nous donnons les premiers résultats sur l'imagerie Compton obtenus avec le prototype de télescope et les comparons avec des performances simulées. Enfin, nous concluons en donnant un aperçu des perspectives d'avenir pour l'imagerie gamma Compton et considérons une application possible en discutant d’un concept de télescope spatial semblable à notre prototype. / The thesis aims to develop a small prototype of a Compton telescope for future space instrumentation for gamma-ray astronomy. Telescope’s main target is the MeV range (0.1-100MeV). We studied novel detector modules intended for Compton imaging. We assembled and tested 2 modules, one with a cerium-doped lanthanum(III) bromide (LaBr₃:Ce) crystal and the other with cerium(III) bromide (CeBr₃). Both modules are coupled to and read out by 64-channel multi-anode PMTs. Our goals are to obtain the best possible energy resolution and position resolution in 3D on the first impact of an incident gamma-ray within the detector. Both information are vital for successful reconstruction of a Compton image with the telescope prototype. We developed a test bench to experimentally study both modules and have utilized a customized readout electronics and data acquisition system. We conducted a precise calibration of the system and performed experimental runs utilizing different radioactive sources. Furthermore, we have written a detailed GEANT4 simulation of the experiment and performed an extensive parametric study on defining the surfaces and types of scintillation propagation within the scintillator. We utilized simulated data to train an Artificial Neural Network (ANN) algorithm to create a simplified 3D impact position reconstruction method and in addition developed an approximation routine to estimate the standard deviations for the method. We show all experimental results obtained by both modules, results from the GEANT4 simulation runs and from the ANN algorithm. In addition, we give the first results on Compton imaging with the telescope prototype and compare them with simulated performance. We analyzed and discussed the performance of the modules, specifically spectral and position reconstruction capabilities. We conclude by giving an overview of the future prospects for gamma-ray imaging and consider possible applications showing a concept of a space telescope based on our prototype.