Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions.

L'hadronthérapie consiste en l'utilisation des particules lourdes dans le but de soigner certains cancers inopérables et/ou résistants aux radiothérapies conventionnelles.. L'objectif est de déposer la dose nécessaire dans la tumeur afin de la stériliser, tout en limitant le dépôt de dose dans les tissus sains environnants. Le dépôt de dose est dû en grande partie à l'ionisation de la cible directement par le faisceau incident, mais aussi dans une moindre mesure aux fragments produits par les interactions nucléaires entre les noyaux des projectiles et les noyaux des atomes de la cible. Ces processus nucléaires et leur contribution à la délocalisation de la distribution volumique du dépôt de dose sont difficilement quantifiables du fait de la mauvaise connaissance de leurs sections efficaces aux énergies utilisées en hadronthérapie. Le sujet principal de la thèse est de développer une méthodologie pour la quantification des incertitudes sur la dose effectivement délivrée, étant données les conditions d'irradiation. Ce travail s'est articulé autour de deux axes : une approche phénoménologique et une approche expérimentale. L'approche phénoménologique a consisté en une étude bibliographique et une compilation des données expérimentales existantes, suite auxquelles le modèle empirique développé par Sihver et al. a été amélioré, permettant ainsi une meilleure description des sections efficaces de réaction totales et différentielles noyau-noyau pour un nombre de masse inférieur à 26. L'approche expérimentale a consisté en deux prises de données: tout d'abord la mesure du profil des émetteurs β+ dans une cible d'eau irradiée par des ions carbone en utilisant la technique de tomographie à émission de positons au GANIL , puis la mesure de profils transversaux et longitudinaux de dépôt de dose dans des cible de graphite et de PMMA irradiées par des protons au PSI. Une méthode d'analyse de données consistant à comparer les prédictions des simulations Monte Carlo aux mesures physiques a été ensuite développée.

Si les diagrammes de phase des alliages binaires massifs sont désormais bien connus, il en va tout autrement de ceux des nanoalliages, particules constituées de quelques centaines à quelques milliers d'atomes. Le développement des nanotechnologies est un puissant moteur pour développer la connaissance des diagrammes de phase des nanoparticules. Dans ce but, nous avons étudié le polyèdre de Wulff de 405 atomes (PW405) dans le système Cu-Ag caractérisé par une forte différence de rayons atomiques entre les constituants et une tendance à la démixtion, du moins dans sa forme massive. L'étude est réalisée par simulations Monte Carlo utilisant un potentiel interatomique à N-corps, en tirant parti de la richesse de deux ensembles thermodynamiques, à savoir les ensembles pseudo-grand canonique, i.e. à différence de potentiel chimique fixée, et canonique, i.e. à concentration nominale fixée. Nous montrons tout d'abord qu'un diagramme de phase de nanoalliage est constitué d'un ensemble de diagrammes de phase attachés à des classes de sites de surface ou des couches internes. Ainsi, pour le PW405, nous distinguons trois diagrammes de phase : ceux des facettes (100) et (111) et celui des couches de cœur. Chacun de ces trois diagrammes est attaché à des phénomènes physiques très différents. Ainsi, le diagramme de phase des facettes (100) est relatif à une transition structuro-chimique, alors que celui des facettes (111) caractérise une transition démixtion - désordre sans évolution structurale. Dans l'ensemble p-GC, cela se traduit par une bistabilité collective pour les facettes (100) et individuelle pour les facettes (111). Une conséquence de ce dernier point est la possibilité d'observer des facettes (111) pures en cuivre et d'autres pures en argent au sein d'un même agrégat !L'utilisation de la méthode de Widom pour déterminer dans l'ensemble canonique s'est révélée déterminante pour pouvoir séparer les régimes monophasés de ségrégation superficielle ou sub-superficielle des régimes biphasés. La différence de rayons atomiques joue un rôle important, tant dans la stabilisation dans l'état biphasé de la configuration Janus dissimulée par une coquille d'argent, que dans l'abaissement de la température critique par un facteur d'environ 2 par rapport au diagramme de phase massif.Une analyse des simulations Monte Carlo par une approche en champ moyen sur réseau effectif s'est révélée d'une richesse insoupçonnée pour déterminer les fores motrices de chaque type de transition, tant à la surface que dans les couches de cœur. Cela nous a permis de plus de montrer que les arêtes jouent le rôle d'une véritable nano-armature pour l'agrégat. Ce travail s'achève par ce qui constitue, à notre connaissance, la proposition du premier diagramme de phase de nanoalliage.

En raison des forts gradients de dose générés par les interactions des particules avec la matière, les traitements par hadronthérapie nécessitent un contrôle très précis de la dose délivrée au patient. Les codes Monte Carlo représentent des outils indispensables dans la validation des systèmes de planification de traitement utilisé en clinique. Nous nous intéressons dans cette thèse au calcul de la dose physique à l'aide des simulations Monte Carlo Geant4/Gate. Nous étudions l'ajustement de plusieurs paramètres qui peuvent influencer la précision du calcul de dose requise en clinique (2%, 2mm) pour un faisceau d'ions carbone de 300 MeV/u dans l'eau. Ces paramètres sont : le seuil de production des particules secondaires et la taille maximale d'un segment de la trace de particule. Les critères de tolérance sur la valeur et la localisation de la dose sont fixés de manière à avoir le meilleur compromis en termes de distribution spatiale et de temps de calcul. Nous proposons ici des paramètres permettant d'atteindre ces critères de précision. Dans la deuxième partie du travail, nous étudions la réponse des films radiochromiques MDv2-55 pour le contrôle qualité des faisceaux d'ions carbone et protons. Nous avons en particulier observé et étudié l'effet de saturation de ces films dosimétriques pour les irradiations à TEL élevés (≥ 20 KeV/µm) dans des milieux homogènes et hétérogènes. Cet effet est dû à la forte densité d'ionisation autour de la trace de particule. Nous avons proposé et développé un modèle appelé " RADIS RAdiochromic films Dosimetry for Ions using Simulations " qui permet de prédire la réponse de ces films avec la prise en compte de cet effet de saturation. Ce modèle est basé sur la réponse des films en photons et la saturation des films à des dépôts d'énergies linéïques élevés calculée par Monte Carlo. Plusieurs types de faisceaux ont été étudiés : ions carbone, protons et photons à différentes énergies. Ces expérimentations ont été menées au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), au Centre de protonthérapie d'Orsay (CPO), au Centre A. Lacassagne (CAL) et au Centre Léon Bérard (CLB). A l'aide du modèle, nous pouvons ainsi reproduire la densité optique des films le long du profil de Bragg pour tous les faisceaux avec une précision meilleure que 2%.

Ce travail porte sur l'étude de nanoparticules scintillatrices qui sont capables, par définition, de convertir un rayonnement ionisant en lumière visible ou proche UV. Si le processus de scintillation est actuellement bien connu dans le cas des matériaux macroscopiques, les perturbations susceptibles d'apparaître pour des nanomatériaux le sont moins. En effet, des modifications peuvent être induites par le confinement spatial et les spécificités de structure propres aux nanomatériaux. L'étude de ces perturbations constitue l'objet de cette thèse. Le manuscrit se divise en trois parties. La première vise à quantifier la fraction d'énergie qui se dépose dans une assemblée de nanoparticules après interaction avec un photon haute énergie (X ) ou en réalisant des simulations Monte Carlo basées sur le code de calcul Geant4. La deuxième partie présente un travail expérimental exploratoire qui consiste à comparer des mesures de spectroscopie résolue en temps pour des nanoparticules et un monocristal afin d'extraire des informations sur les étapes de thermalisation et de recombinaison radiative spécifiques aux nanoparticules. La dernière partie de ce manuscrit présente l'étude d'une application novatrice des nanoscintillateurs comme agents thérapeutiques. Ils sont alors utilisés pour activer sous excitation X l'effet photodynamique, base d'une thérapie anti-cancéreuse actuellement limitée au traitement de lésions superficielles / This work deals with scintillating nanoparticles, material able to convert ionizing radiations into visible or Ultra-Violet light. The scintillation process is currently well-known for bulk materials. However, for nanomaterials, several steps of the scintillation process are likely to be slightly modified mainly because of the spatial confinement of charges and the structure specificities in nanomaterials. The study of such perturbations is the aim of this thesis. The manuscript is divided into three parts. The first one aims to quantify the amount of deposited energy within a set of nanoparticles after the interaction with a high energy photon (X or –rays). We thus developed Monte Carlo simulations with the Geant4 toolkit to quantify this energy. The second part presents an exploratory experimental study that consists in comparing time resolved spectroscopy measurements for nanoparticles and a single crystal. The aim is to extract a few tendencies on the thermalization and on the radiative recombination processes specific to nanoscintillators. The last part of this thesis presents an application of nanoscintillators as therapeutic agents. In that case, they are used to activate the photodynamic effect under X-ray irradiation. This last effect is the basis of the photodynamic therapy, an anticancer treatment currently limited to superficial tumors

La formation et la morphologie des boîtes quantiques est un sujet d'un grand intérêt, ces structures ayant de nombreuses application potentielles, en particulier en microélectronique et optoélectronique. Cette thèse porte sur l'étude théorique et numérique de la croissance et de la morphologie d'ilots par épitaxie par jet moléculaire. Un premier modèle de croissance est une étude non-linéaire de l'instabilité de type Asaro-Tiller-Grinfeld, il convient pour les systèmes à faibles désaccords de maille, et est plus spécifiquement appliquée au cas où le désaccord de maille est anisotrope (voir le cas du GaN sur AlGaN). Le calcul de l'instabilité que nous avons effectué prend en compte les effets élastiques causés par le désaccord de maille, les effets de mouillage et les effets d'évaporation. La résolution numérique de l'instabilité nous permet de constater une croissance plus rapide dans le cas anisotrope comparé au cas isotrope, ainsi que la croissance d'ilots fortement anisotropes.Le deuxième modèle est basé sur des simulations Monte Carlo cinétiques, qui permettent de décrire la nucléation d'ilots 3D. Ces simulations sont utilisées pour les systèmes à fort désaccord de maille, comme Ge sur Si. Nos simulations prennent en compte la diffusion des adatomes, les effets élastiques, et un terme simulant la présence de facettes (105). Des ilots pyramidaux se formaent, conformément aux expériences et subissent un mûrissement interrompu. Les résultats obtenus ont été comparés au cas de la nucléation 2D, et on retrouve en particulier une densité d'ilots en loi de puissance par rapport au rapport D/F du coefficient de diffusion et du flux de déposition. / The growth and morphology of quantum dots is currently a popular subject as these structures have numerous potential uses, specifically in microelectronics and optoelectronics. Control of the size, shape and distribution of these dots is of critical importance for the uses that are being considered. This thesis presents a theoretical and numerical study of the growth of islands during molecular beam epitaxy. In order to study these dots, we used two models : a nonlinear study of an Asaro-Tiller-Grinfeld like instability, and kinetic Monte Carlo simulations. The first model is appropriate for low misfit systems, and is detailed in the case where misfit is anisotropic (this is the case when depositing GaN on AlGaN). In this case we took into account elastic effects, wetting effects and evaporation. Numerical calculations show faster growth, compared to the isotropic misfit case, and the growth of strongly anisotropic islands.The second model is based on kinetic Monte Carlo simulations that can describe 3D island nucleation. We use these simulations to study systems with high misfits, specifically Ge on Si. Adatom diffusion on a surface is considered and takes into account elastic effects, and surface energy anisotropy, that allows us to stabilize (105) facets. Simulation results show the growth of pyramid-shaped 3D islands, as observed in experiments, and their ripening is interrupted. The results of these simulations are then compared to the case of 2D nucleation, and we find that several of the known 2D properties also apply to 3D islands. Specifically, island density depends on a power law of D/F, the diffusion coefficient divided by the deposition flux.

Pour comprendre comment les propriétés mécaniques des cellules jouent au niveau d'un tissu et déterminent la morphogénèse, il a été proposé que les cellules se comportent comme les bulles de savon, ou comme des molécules dans un liquide. Nous testons numériquement ces analogies entre tissus et systèmes physiques, en collaboration avec des experimentateurs.<br /><br />Dans la rétine de la Drosophile, les cellules ont été comparées aux bulles de savon. On trouve que la ressemblance entre les cellules et bulles de savon n'est pas due à leur propriétés physiques, mais à leur structure collective: les cellules dans un tissu pavent l'espace, comme les bulles dans une mousse, donc elles influencent leur formes entre elles.<br /><br />Le tri spontané des cellules de types différents est souvent comparé à la démixion de liquides. Pour les liquides, ce comportement est produit par des différences d'attraction entre les molécules, alors qu'on trouve que pour les cellules embryonnaires du poisson zèbre la contraction différentielle du cortex des cellules est le facteur le plus important.<br /><br />La compression d'un agrégat de cellules a été analysé comme si c'était une goutte liquide, où les propriétés sont déterminées uniquement par la tension de surface. Mais, les cellules dans un agrégat peuvent se déformer et se réarranger, et des contraintes plutôt solides co-déterminent la forme et les forces de l'agrégat.<br /><br />Ces analogies physiques sont donc incomplètes, mais intéressantes. A partir d'elles, nous proposons ici une description propre aux cellules: un agrégat ou tissu est une collection de cellules vivantes qui peuvent changer leur forme et se réarranger. Cette approche nous permet d'étudier l'effet de l'adhésion cellulaire, la tension corticale, et les fluctuations des cellules sur le comportement collectif et la morphogénèse.

Le travail presente dans cette these a pour objet l'etude de certaines proprietes des systemes binaires pre-sequence principale: la proportion de ces systemes dans differentes populations, l'existence et les proprietes de disques de matiere en leur sein, et enfin l'interaction de ces disques avec les deux composantes stellaires du systeme. A ces fins, plusieurs techniques d'imagerie a haute resolution angulaire sont utilisees, ainsi que des simulations numeriques de type Monte-Carlo. La proportion de systemes binaires dans deux amas stellaires ages d'environ deux millions d'annees est determinee, puis une comparaison de ces resultats avec des etudes anterieures est presentee. L'ensemble de ces donnees est compare aux modeles de formation et d'evolution dynamique des amas d'etoiles, et semblent en accord avec l'hypothese selon laquelle le processus de formation aboutit a un proportion ``initiale'' de binaires proche de 100%, avant que les nombreuses interactions dans les amas ne detruisent une partie de ces systemes. La spectroscopie de systemes binaires T Tauri revele que les deux composantes d'un meme systeme possedent simultanement des disques circumstellaires, ce qui suggere que les environnements des deux composantes n'evoluent pas independamment durant le premier million d'annees. Des images directes de deux disques circumbinaires et deux disques circumstellaires au sein de systemes binaires ont egalement ete obtenues dans le visible, le proche infrarouge et le domaine millimetrique. En couplant ces resultats a l'utilisation d'un code numerique decrivant la diffusion multiple des photons, il est possible d'estimer les proprietes geometriques des disques, ainsi que celles des grains de poussiere qui y sont presents.

Le détecteur NEMO3 a été conçu pour l'étude de la double désintégration bêta et particulièrement pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino ($0\nu\beta\beta$). La sensibilité attendue pour la désintégration $0\nu\beta\beta$ est, en terme de la demi-vie de l'ordre de $10^(25)$~ans, en terme de masse effective du neutrino cela correspond à une sensibilité (0,3 -- 0,1)~eV. Le processus $0\nu\beta\beta$ représente aujourd'hui le test de la nature Majorana du neutrino le plus prometteur. Le détecteur a été construit au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) en France par la collaboration internationale (France, Russie, République Tchèque, États-Unis, Royaume-Uni, Finlande et Japon). La prise de donnée a commencé en mai 2002 et continue actuellement. La masse de $^(100)$Mo dans le détecteur (7~kg) permet une mise en évidence de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ($2\nu\beta\beta$) du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ (canal eeN$\gamma$). Les simulations Monte-Carlo de l'effet et de tous les types de bruit de fond ont été effectuées pour définir un ensemble des critères de sélection appropriés. D'autre part des runs avec des sources du $^(208)$Tl et du $^(214)$Bi ainsi que des simulations Monte-Carlo de ces données ont montré que le seul bruit de fond significatif dans le canal eeN$\gamma$ vient du radon qui avait pénétré à l'intérieur de la chambre à fils de NEMO3. Les données expérimentales acquises de mai 2002 à mai 2003 ont été analysées pour déterminer le signal dû à la désintégration $2\nu\beta\beta$ du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ et le niveau de bruit de fond correspondant. Le résultat est donné sous la forme d'un intervalle de valeurs de la demi-vie au niveau de 95\% de confiance. Cela correspond à une mise en évidence du processus au niveau de confience de quatre écarts standards.

Nous présentons une étude numérique des propriétés critiques du modèle de Potts bidimensionnel à q états perturbé par un désordre couplé à la densité d'énergie. Le système pur donne lieu à une transition du premier ordre lorsque q>4 alors qu'elle est continue dans le cas contraire. Nous montrons que sous l'effet d'un désordre corrélé dans une direction de l'espace, le régime du premier ordre disparait, laissant place à une transition continue dont la classe d'universalité est la meme pour toute valeur finie de q. Nous étendons l'étude à diverses modulations apériodiques des couplages d'échange permettant le controle de la divergence des fluctuations géométriques. La perturbation adoucit la transition du modèle de Potts q=8 et, pour certaines séquences apériodiques, la transition devient continue. Dans un second temps, nous nous intéressons au cas du désordre homogène. Nous confirmons l'hypothèse d'une transition continue pour toute valeur de q et montrons que le comportement critique est décrit par un point fixe désordonné dépendant du nombre d'états q. Nous observons la compatibilité de nos estimations numériques avec les expressions des profils et des fonctions de corrélation prédites par l'invariance conforme. Nous mettons à profit cette observation pour donner des estimations précises des exposants critiques associés aux quantités moyennes et à leurs moments. Les résultats sont indépendants de la distribution de désordre et sont compatibles avec les développements perturbatifs au voisinage de q=2. Ils excluent notamment la possibilité d'une brisure spontanée de la symétrie des répliques. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires concernant le modèle de Potts q=4 dilué en dimension d=3. Le système pur donne lieu à une transition du premier ordre fortement marquée. A fortes dilutions, nous présentons quelques arguments en faveur de l'existence d'un régime de second ordre et donc d'un point tricritique.