La photodétection est un sujet de recherche très actif encore de nos jours et l’industrie, particulièrement de la physique des hautes énergies et de l’imagerie médicale, est en quête de détecteurs avec une plus grande sensibilité, de meilleures résolutions temporelles et une plus grande densité d’intégration. Pour ces raisons, les photodiodes avalanche à photon unique (Single photon avalanche diode, ou SPAD) suscitent beaucoup d’intérêt depuis quelques années pour ses performances en temps et sa grande photosensibilité. Les SPAD sont des photodiodes avalanche opérées au-dessus de la tension de claquage et un photoporteur atteignant la région de multiplication peut à lui seul déclencher une avalanche soutenue de porteurs et entraîner le claquage de la jonction. Un circuit détecte le courant divergent et l’étouffe en abaissant la polarisation de la jonction sous la tension de claquage. Le circuit recharge ensuite la jonction en réappliquant la tension initiale permettant la détection d’un nouveau photon. Dans le but d’augmenter le nombre de photons simultanés détectables, les SPAD s’intègrent en matrice. Cependant, dans le cas où une matrice de SPAD et leurs circuits d’étouffement s’intègrent sur le même substrat, la surface photosensible devient limitée par l’espace qu’occupent les circuits d’étouffement. Dans le but d’augmenter leur région photosensible, les matrices de SPAD peuvent s’intégrer en trois dimensions (3D) avec leurs circuits d’étouffement. Ce projet porte sur le développement de matrices de SPAD en technologie CMOS HV 0,8 µm de Teledyne DALSA dédiées à une intégration 3D avec leurs circuits d’étouffement actifs. Les résultats de caractérisation montrent que les SPAD atteignent une résolution temporelle de 27 ps largeur à mi hauteur (LMH), possèdent un taux de comptage en obscurité (DCR, ou Dark Count Rate) de 3 s[indice supérieur -1]µm[indice supérieur -2] et ont une probabilité de photodétection (PDP) de 49 %. De plus, une méthode d’isolation utilisant un puits p a été développée. Les SPAD conçus avec cette méthode ont un facteur de remplissage pouvant atteindre 54 % et une probabilité de diaphonie de 6,6 % à une tension excédentaire à la tension de claquage (V[indice inférieur E]) de 4 V.

L'expérience Borexino (BX), collaboration impliquant neuf pays, est implantée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie. Elle vise la mesure du flux de neutrinos solaires de la raie du béryllium à 862 keV, première mesure en temps réel à si basse énergie. Cette expérience impose des contraintes très fortes en radiopureté. Sa faisabilité technique est testée dans le prototype Counting Test Facility (CTF).<br> Le groupe du Collège de France est chargé du système de numérisation rapide (FADC) sur BX. Ces FADC ont été conçus au laboratoire et nous les avons finalisés début 2002. Les cartes prototypes et les premiers modèles industriels ont été implantés sur CTF à titre de test, numérisant les signaux issus des photomultiplicateurs.<br> Nous avons développé les logiciels d'acquisition des FADC sur CTF et BX. Pour BX, nous utilisons un algorithme interne de réduction des données basé sur l'élimination en temps réel des événements à trop basse énergie tout en conservant les événements en coïncidence. Sur CTF, nous produisons des données depuis l'été 2000 et sur BX les premiers tests ont eu lieu sans scintillateur.<br> L'analyse de CTF porte sur les données issues des FADC seuls et des donnés conjointes entre les FADC et l'électronique standard mise en place par l'équipe italienne. Nous montrons que les FADC permettent de reconstruire l'énergie des événements et les coïncidences avec des précisions comparables à celles de l'électronique standard. La comparaison des données issues des deux systèmes montre l'apport du FADC, sans temps mort, pour la mesure de contaminations dans le détecteur, l'analyse des signaux tardifs issus des photomultiplicateurs et la discrimination entre événements de type alpha et bêta. Plusieurs méthodes de discrimination sont également étudiées par simulations pour BX.

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Après l’accident de la centrale de Tchernobyl, environ 800 tranchées peu profondes ont été creusées dans la zone d’exclusion afin d’y enfouir des déchets radioactifs. Cependant, ces tranchées, construites dans des sables éoliens, ne constituent pas une barrière efficace contre la migration des radionucléides dans l’aquifère superficiel. La tranchée T22 sert de support pour étudier des questions générales : quelles sont les incertitudes sur le volume et l’activité des déchets contaminés, et sur la qualité des eaux en aval ?Les estimations antérieures de l’inventaire de la tranchée supposent linéaire la corrélation entre l’activité spécifique mesurée sur des échantillons de sol et le taux de comptage gamma in situ. Des simulations géostatistiques sont utilisées pour étudier cette corrélation, et sa sensibilité à la variabilité spatiale de l'activité ainsi qu'au milieu environnant. Si la corrélation peut effectivement être supposée linéaire, l'étude des données d’une campagne de terrain menée en septembre 2015 montre qu'il est préférable de cokriger l'activité par le comptage radiométrique plutôt que de transformer les données de comptage.L’inventaire en 137Cs présent dans la tranchée en 1999 est révisé ici puis comparé à une estimation antérieure. La profondeur de la tranchée est interpolée en utilisant conjointement les résultats de profils géoradar, et des données de sondages radiométriques forés dans la tranchée. Les résultats de cette nouvelle analyse géostatistique, complétée par des simulations, ont permis de quantifier l’incertitude sur le stock de 137Cs dans la tranchée.Enfin, un modèle hydrogéologique 2D non saturé est construit afin d’évaluer l’effet de la variabilité spatiale du terme source sur le panache de 90Sr généré par la tranchée T22. Ce modèle simule par ailleurs le battement de la nappe qui pourrait expliquer les différences observées entre les modèles antérieurs et les observations. Une analyse de sensibilité est conduite en dernier lieu afin d’évaluer l’influence des différents paramètres d’écoulement et de transport sur les chroniques de concentrations en 90Sr simulées au cours du temps. / Following the explosion at the Chernobyl nuclear power plant, about 800 shallow trenches were dug to bury radioactive waste in the exclusion zone. However, these trenches were built in permeable aeolian sand and do not prevent the migration of radionuclides in the superficial aquifer. Trench T22 allows us to explore general research problems such as the uncertainty linked to the volume and the activity of radioactive waste, and to the water quality in groundwater downstream the trench.Previous estimations of the trench inventory assume that the correlation between specific activity measured in soil samples and in situ count rate is linear. Geostatistical simulations are used to analyze this correlation and its sensitivity to the activity spatial variability and to its surrounding environment. If the correlation can be considered as linear, the study of field measurements undertaken in 2015 demonstrates that it is better to apply cokriging to estimate the activity by the count rate rather than transforming the count rate data.The inventory of 137Cs calculated for 1999 is then compared to a previous estimation. The trench boundaries are interpolated using the results of ground penetrating radar profiles and gamma logging carried on boreholes drilled into the trench. The new estimation is completed by geostatistical simulations and enables us to quantify the uncertainty of 137Cs trench inventory.Finally, the effect of the source term spatial variability is explored with the 90Sr migration modeling. The previous 90Sr transport model did not take into account the water table fluctuations which may cause some discrepancies between model predictions and field observations. They are thus reproduced in a 2D non saturated model. A sensitivity analysis on the flow and transport parameters as well as the source term variability is undertaken.

EUSO est un projet de détection spatiale des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Son principe consiste à observer les photons de fluorescence émis par les gerbes atmosphériques depuis un télescope embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale.<br />Au cours de cette thèse, un logiciel de simulation a été développé pour étudier les caractéristiques de ce nouveau concept de détection. Il modélise les différentes étapes de la détection : développement des gerbes atmosphériques, génération des photons de fluorescence et Cerenkov, et transfert des photons jusqu'à la lentille du télescope. Il inclut notamment un algorithme Monte-Carlo de propagation des photons dans l'atmosphère, traitant la diffusion multiple en conditions de ciel clair ainsi qu'en présence de nuages et d'aérosols.<br />Avec ce programme de simulation, l'impact des conditions atmosphériques sur les performances d'un détecteur spatial a été étudié. La modélisation précise de la propagation des photons dans l'atmosphère a permis de quantifier la contribution des photons diffusés au signal détecté.