Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) est conçu comme l’expérience de rayons cosmiques de prochaine génération pour observer les particules hautement énergétiques au-dessus de 10²⁰ eV. Le projet est mené par RIKEN et soutenu par une collaboration de plus de 200 membres provenant de 13 pays. Cet observatoire, sous la forme d'un télescope fluorescent, sera arrimé à la Station Spatiale internationale (ISS) pour un lancement prévu en 2017. En observant les gerbes atmosphériques produites dans la troposphère, à une altitude de 400 km, cet observatoire de rayons cosmique offrira une grande surface de détection, qui est au moins 100 fois supérieur que le plus grand détecteur de rayons cosmiques jamais construit. La surface focale de JEM-EUSO sera équipée d'environ 5000 unités de photomultiplicateur multianode 8x8 pixels (MAPMT). Un circuit intégré (ASIC), connu sous le nom SPACIROC, a été proposé pour la lecture du MAPMT. Cet ASIC de 64 voies propose des fonctionnalités comme le comptage de photons, la mesure des charges et le transfert de données à haute vitesse. Par-dessus tout, cet ASIC doit peu consommé afin de respecter la contrainte de puissance de JEM-EUSO. Réalisé en utilisant la technologie AMS Silicium-Germanium (SiGe) 0,35 µm, cet ASIC intègre 64 canaux de comptage de photons rapides (Photon Counting). La résolution de temps pour le comptage de photons est de 30 ns, ce qui permettra d’atteindre la valeur maximale comptage qui est de l'ordre de 10⁷ photons / s. Le système de mesure de charge est basé sur le Time-Over-Threshold qui offre 8 canaux de mesure. Chaque canal de mesure est une somme des 8 pixels du MAPMT et il est prévu que ce système est capable de mesurer jusqu'à 200 pC. La partie numérique fonctionne en continu et gère la conversion des données de chaque voie des blocs de Photon Counting et Time-Over-Threshold. Les données numériques sont transmises par l'intermédiaire de liaisons parallèles dédiées et ces opérations sont effectuées pendant une fenêtre de communication ou « Gate Time Unit » (GTU) de fréquence 400 kHz. Le taux de transfert des données d’ASIC avoisine les 200 Mbps ou 576 bits / GTU. La dissipation de puissance est strictement inférieure à 1 mW par canal ou 64 mW pour l'ASIC. Le premier prototype de SPACIROC a été envoyé pour fabrication en Mars 2010 au Centre Multi Projet (CMP). Des puces nues et packagés ont été reçues en Octobre 2010, ce qui a débuté la phase de caractérisation de cet ASIC. Après une phase de test réussie, des puces SPACIROC ont été intégrés dans l'électronique frontale d'un instrument pour détecter les sursauts gamma - Ultra Fast Flash Observatoire (UFFO) qui va être lancé en 2013. Vers la fin de l'année 2012, des cartes électroniques frontales conçues autour des puces SPACIROC ont été fabriqués pour le projet EUSO-Balloon. Ce projet de vol en ballon stratosphérique à une altitude de 40 km servira comme le démonstrateur technologique et l'ingénierie d'un instrument miniaturisé JEM-EUSO. La deuxième génération de cet ASIC a été envoyée à la fonderie en Décembre 2011. Ce second prototype, SPACIROC2, a été testé à partir de mai 2012. Les principales améliorations sont les suivantes: la consommation d'énergie a été revue à la baisse, ainsi que l'amélioration de la résolution temporelle de Photon Counting et l'extension de la gamme dynamique pour le module Time-Over-Threshold. Les mesures en cours ont montré que SPACIROC2 présente un bon comportement général et apporte des améliorations par rapport à son prédécesseur. / Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) is conceived as the next generation cosmic rays experiment for observing the highly energetic particles above 5.10¹⁹ eV. The project is lead by RIKEN and supported by an active collaboration of more than 200 members from 13 countries. This observatory, in the shape of a wide field-of-view UV telescope, will be attached to the International Space Station (ISS) for a planned launch in 2017. Observing the Air Showers generated in troposphere from an altitude of 400 km, this space based cosmic rays experiment will offer a very large instantaneous detection surface, which is at least 100 times bigger than the largest land based cosmic rays observatory. The detection surface of JEM-EUSO will be equipped with around 5000 units of 8x8 pixels Multianode Photomultiplier (MAPMT). A radiation hardened mixed signal application-specific integrated circuit (ASIC), known as SPACIROC, has been proposed for reading out the MAPMT. This ASIC features 64-channel analog inputs, fast photon counting capabilities, charge measurements and high-speed data transfer. Above all, the power dissipation of this ASIC is required to be very low in order to comply with the strict power budget of JEM-EUSO. By taking the advantages of high speed AMS 0.35 µm Silicon-Germanium (SiGe) process, this ASIC integrates 64 fast Photon Counting channels. The photon counting time resolution is 30 ns, which allows the theoretical counting rate in the order of 10⁷ photons/s. The charge measurement system is based on Time-Over-Threshold which offers 8 measurement channels. Each measurement channel is composed of 8 pixels of the MAPMT and it is expected that this system will measure up to 200 pC. The digital part is then required to operate continuously and handles data conversion of each Photon Counting and Time-Over-Threshold channel. For the first version of this ASIC, one channel measurement channel for the dynode is also available. The digital data are transmitted via dedicated parallel communication links and within the defined Gate Time Unit (GTU) of 400 kHz frequency. The ASIC data output rate is in the vicinity of 200 Mbps or 576 bits/GTU. The power dissipation is kept strictly below 1 mW per channel or 64 mW for the ASIC. The first prototype of SPACIROC was sent for tapeout in March 2010 through Centre Multi Projet (CMP) prototyping services. The packaged ASICs and bare dies have been received in October 2010 which marked the characterization phase of this chip. After successful testing phase, SPACIROC chips were integrated into the front-end electronics of an instrument pathfinder for detecting the gamma ray bursts – Ultra Fast Flash Observatory (UFFO) which is foreseen to be launched in 2013. Towards the end of 2012, front-end board designed around SPACIROC chips have been fabricated for the EUSO-Balloon project. This balloon borne project will serve as a technical and engineering demonstrator of a fully miniaturized JEM-EUSO instrument which will be flown to the stratosphere at the altitude of 40 km. The second tapeout of this ASIC was done in December 2011. This second prototype, SPACIROC2, was tested from May 2012. The main improvements are as follows: lower power consumption due to better power management, enhancement in Photon Counting time resolution and extension the Time-Over-Threshold maximum input rate. The ongoing tests have shown that SPACIROC2 exhibits a good overall behavior and improvement compared to its predecessor.

Les détecteurs à pixels Medipix ont été développés par la collaboration Medipix et permettent de faire de l'imagerie en temps réel. Leur surface active de près de $2\cm^2$ est divisée en 65536~pixels de $55\times 55\um^2$ chacun. Seize de ces détecteurs, les Medipix2, sont installés dans l'expérience ATLAS au CERN afin de mesurer en temps réel les champs de radiation produits par les collisions de hadrons au LHC. Ils seront prochainement remplacés par des Timepix, la plus récente version de ces détecteurs, qui permettent de mesurer directement l'énergie déposée dans chaque pixel en mode \textit{time-over-threshold} (TOT) lors du passage d'une particule dans le semi-conducteur. En vue d'améliorer l'analyse des données recueillies avec ces détecteurs Timepix dans ATLAS, un projet de simulation Geant4 a été amorcé par John Id\'rraga à l'Université de Montréal. Dans le cadre de l'expérience ATLAS, cette simulation pourra être utilisée conjointement avec Athena, le programme d'analyse d'ATLAS, et la simulation complète du détecteur ATLAS. Sous l'effet de leur propre répulsion, les porteurs de charge créés dans le semi-conducteur sont diffusés vers les pixels adjacents causant un dépôt d'énergie dans plusieurs pixels sous l'effet du partage de charges. Un modèle effectif de cette diffusion latérale a été développé pour reproduire ce phénomène sans résoudre d'équation différentielle de transport de charge. Ce modèle, ainsi que le mode TOT du Timepix, qui permet de mesurer l'énergie déposée dans le détecteur, ont été inclus dans la simulation afin de reproduire adéquatement les traces laissées par les particules dans le semi-conducteur. On a d'abord étalonné le détecteur pixel par pixel à l'aide d'une source de $\Am$ et de $\Ba$. Ensuite, on a validé la simulation à l'aide de mesures d'interactions de protons et de particules $\alpha$ produits au générateur Tandem van de Graaff du Laboratoire René-J.-A.-Lévesque de l'Université de Montréal. / The pixelated Medipix detectors have been developed by the Medipix Collaboration to perform real-time imaging. The semiconducting chip is divided into 65536 pixels of $55\times 55\um^2$ for a total active area of nearly $2\cm^2$. Because of their sensitivity to all kinds of particles, sixteen Medipix2 detectors (ATLAS-MPX) have been placed in the ATLAS detector and its cavern to measure for the radiation produced by the head-on proton collisions produced at the LHC. At the next ATLAS upgrade, the ATLAS-MPX network will be extended to include the Timepix detectors, the latest version that allows one to measure the total energy deposited in the semiconductor. To improve data analysis, a Geant4 simulation project of a Timepix detector was initiated by John Id\'arraga at the Université de Montréal. In the framework of the ATLAS experiment, this simulation could be used with Athena, the ATLAS analysis software, and the full ATLAS simulation. Due to their repulsivity, the charge carriers created by an incoming particle in the pixelated detector are spread over the surrounding pixels causing a charge sharing effect. An effective model has been developed to reproduce this effect without resolving the charge drift's differential equation. This model and the \textit{time-over-threshold} mode of the Timepix have been included in the simulation to reproduce the tracks left by the striking particles. First, one had to individually calibrate each pixel of the device with $\Am$ and $\Ba$ sources. The simulation's validation has been performed with low energy protons and $\alpha$ particles delivered by the van de Graaff Tandem at the Laboratoire René-J.-A.-Lévesque of the Université de Montréal.

Les détecteurs à pixels Medipix ont été développés par la collaboration Medipix et permettent de faire de l'imagerie en temps réel. Leur surface active de près de $2\cm^2$ est divisée en 65536~pixels de $55\times 55\um^2$ chacun. Seize de ces détecteurs, les Medipix2, sont installés dans l'expérience ATLAS au CERN afin de mesurer en temps réel les champs de radiation produits par les collisions de hadrons au LHC. Ils seront prochainement remplacés par des Timepix, la plus récente version de ces détecteurs, qui permettent de mesurer directement l'énergie déposée dans chaque pixel en mode \textit{time-over-threshold} (TOT) lors du passage d'une particule dans le semi-conducteur. En vue d'améliorer l'analyse des données recueillies avec ces détecteurs Timepix dans ATLAS, un projet de simulation Geant4 a été amorcé par John Id\'rraga à l'Université de Montréal. Dans le cadre de l'expérience ATLAS, cette simulation pourra être utilisée conjointement avec Athena, le programme d'analyse d'ATLAS, et la simulation complète du détecteur ATLAS. Sous l'effet de leur propre répulsion, les porteurs de charge créés dans le semi-conducteur sont diffusés vers les pixels adjacents causant un dépôt d'énergie dans plusieurs pixels sous l'effet du partage de charges. Un modèle effectif de cette diffusion latérale a été développé pour reproduire ce phénomène sans résoudre d'équation différentielle de transport de charge. Ce modèle, ainsi que le mode TOT du Timepix, qui permet de mesurer l'énergie déposée dans le détecteur, ont été inclus dans la simulation afin de reproduire adéquatement les traces laissées par les particules dans le semi-conducteur. On a d'abord étalonné le détecteur pixel par pixel à l'aide d'une source de $\Am$ et de $\Ba$. Ensuite, on a validé la simulation à l'aide de mesures d'interactions de protons et de particules $\alpha$ produits au générateur Tandem van de Graaff du Laboratoire René-J.-A.-Lévesque de l'Université de Montréal. / The pixelated Medipix detectors have been developed by the Medipix Collaboration to perform real-time imaging. The semiconducting chip is divided into 65536 pixels of $55\times 55\um^2$ for a total active area of nearly $2\cm^2$. Because of their sensitivity to all kinds of particles, sixteen Medipix2 detectors (ATLAS-MPX) have been placed in the ATLAS detector and its cavern to measure for the radiation produced by the head-on proton collisions produced at the LHC. At the next ATLAS upgrade, the ATLAS-MPX network will be extended to include the Timepix detectors, the latest version that allows one to measure the total energy deposited in the semiconductor. To improve data analysis, a Geant4 simulation project of a Timepix detector was initiated by John Id\'arraga at the Université de Montréal. In the framework of the ATLAS experiment, this simulation could be used with Athena, the ATLAS analysis software, and the full ATLAS simulation. Due to their repulsivity, the charge carriers created by an incoming particle in the pixelated detector are spread over the surrounding pixels causing a charge sharing effect. An effective model has been developed to reproduce this effect without resolving the charge drift's differential equation. This model and the \textit{time-over-threshold} mode of the Timepix have been included in the simulation to reproduce the tracks left by the striking particles. First, one had to individually calibrate each pixel of the device with $\Am$ and $\Ba$ sources. The simulation's validation has been performed with low energy protons and $\alpha$ particles delivered by the van de Graaff Tandem at the Laboratoire René-J.-A.-Lévesque of the Université de Montréal.

Hybrid pixel detectors have been demonstrated to provide excellent quality detection of ionising photon radiation, particularly in X-ray imaging. Recently, there has been interest in developing a hybrid pixel detector specifically for photon dosimetry. This thesis is on the design, implementation, and preliminary characterisation of the Dosepix readout chip. Dosepix has 256 square pixels of 220 mm side-length, constituting 12.4 mm2 of photo-sensitive area per detector. The combination of multiple pixels provides many parallel processors with limited input flux, resulting in a radiation dose monitor which can continuously record data and provide a real-time report on personal dose equivalent. Energy measurements are obtained by measuring the time over threshold of each photon and a state machine in the pixel sorts the detected photon event into appropriate energy bins. Each pixel contains 16 digital thresholds with 16 registers to store the associated energy bins. Preliminary measurements of Dosepix chips bump bonded to silicon sensors show very promising results. The pixel has a frontend noise of 120 e-. In low power mode, each chip consumes 15 mW, permitting its use in a portable, battery-powered system. Direct time over threshold output from the hybrid pixel detector assembly reveal distinctive photo-peaks correctly identifying the nature of incident photons, and verification measurements indicate that the pixel binning state machines accurately categorise charge spectra. Personal dose equivalent reconstruction using this data has a flat response for a large range of photon energies and personal dose equivalent rates.

Le Timepix3, successeur du Timepix, est un détecteur au silicium composé de deux couches sensibles installées en parallèle. Chaque couche est munie d’une matrice de 65 536 pixels (256x256) et d’une épaisseur de 500 μm. Une des améliorations du Timepix3 par rapport aux générations précédentes est qu’il est possible de récolter simultanément la quantité de charge déposée ainsi que le temps d’arrivée de cette charge. Pour la prise de données Run 3 du LHC qui a débuté en 2022, 16 détecteurs Timepix3 ont été installés dans la caverne du détecteur ATLAS. Les Timepix3 seront utilisés pour mesurer la luminosité du faisceau du LHC ainsi que pour caractériser et mesurer la radiation dans la caverne ATLAS, où beaucoup de composantes électroniques sont installés. L’objet de cette maitrise est de développer un algorithme d’identification des particules qui frappe le détecteur Timepix3. Dans un premier temps, l’information de la quantité d’énergie déposée et du temps d’arrivée sera utilisée pour caractériser un champ de particules incidentes au détecteur Timepix3 (électrons, photons, particules lourdes chargées). La nouvelle méthode consiste à utiliser les paramètres physiques des particules lors de leurs interactions avec le milieu, tels que la trajectoire, l’angle d’incidence, le dépôt d’énergie, la densité spatiale de l’amas, densité énergétique le long de la trajectoire de la particule incidente. Dans un second temps, comme les rayons delta sont des effets récurrents et indésirables qui perturbent l’analyse des données en physique des particules, ce mémoire traitera de la façon de les supprimer pour ne récolter que l’énergie déposée directement par la particule incidente. Il sera aussi question d’utiliser la statistique liée à la production des rayons delta lors du passage d’un flux de particules dans le détecteur pour en déterminer l’énergie cinétique. L’algorithme développé pour caractériser un champ de particules avec le Timepix3 a été confronté aux données obtenues avec un cyclotron de protons à Aahrus au Danemark. Nous avons obtenu des résultats satisfaisants, étant donné que la majorité des particules sont identifiées comme des protons et que nous avons réussi à déterminer l’énergie cinétique de ces protons qui se rapproche de l’énergie cinétique du faisceau de protons utilisé. / The Timepix3, successor to the Timepix, is a silicon detector composed of two sensitive layers mounted in parallel. Each layer has a matrix of 65 536 pixels (256x256) and a thickness of 500 μm. One of the improvements of the Timepix3 compared to previous generations is that it is possible to simultaneously collect the quantity of charge deposited as well as the time of arrival of this charge. For the LHC Run 3 data taking which started in 2022, 16 Timepix3 detectors were installed in the ATLAS detector cavern. The Timepix3 will be used to measure the luminosity of the LHC beam as well as to characterize and measure the radiation in the ATLAS cavern, where many electronic components are installed. The purpose of this master thesis is to develop an algorithm for identifying particles that strike the Timepix3 detector. Initially, information on the amount of energy deposited and the time of arrival will be used to characterize a field of particles incident at the Timepix3 detector (electrons, photons, heavy charged particles). The new method consists in using the physical parameters of the particles during their interactions with the medium, such as the trajectory, the angle of incidence, the energy deposition, the spatial density of the cluster, energy density along the trajectory of the incident particle. Secondly, as delta rays are recurring and undesirable effects which disturb the analysis of data in particle physics, this thesis will deal with how to suppress them in order to harvest only the energy deposited directly by the incident particle. It will also be a question of using the statistics linked to the production of delta rays when a flow of particles passes through the detector to determine their kinetic energy. The algorithm developed to characterize a particle field with the Timepix3 was confronted with data obtained with a proton cyclotron at Aahrus in Denmark. We have obtained satisfactory results, given that the majority of the particles are identified as protons and that we have succeeded in determining the kinetic energy of these protons which is close to the kinetic energy of the proton beam used.

Des développements technologiques récents concernant les photodiodes à effet avalanche (PDA) ont mené à la conception et la fabrication d'un tout nouveau module de détection de radiation TEP (tomographie d'émission par positrons) destiné à l'imagerie moléculaire préclinique. Il est basé sur une matrice de 8 par 8 scintillateurs LYSO (ortho-silicate de lutétium dopé au cérium, cerium-doped lutetium yttrium orthosilicate ) individuellement couplés aux pixels de deux matrices monolithiques de 4 par 8 PDA. Cette avancée, pouvant amener la résolution spatiale d'un scanner à passer sous la barrière du mm, exige la conception d'un tout nouveau système d'acquisition de données. En effet, il faut adapter le système de lecture individuelle de chacun des pixels du bloc de détection de façon à satisfaire la multiplication par ~8, relativement à une version antérieure (le LabPET[indice supérieur TM] I), de la densité de pixels du futur scanner LabPET[indice supérieur TM] II. Conséquemment, le traitement de signal numérique ne peut être exclusivement embarqué dans les matrices de portes logiques programmable (field-programmable gate array , FPGA) du système d'acquisition, en considérant les aspects monétaires, d'espace occupé et de puissance consommée de l'ensemble du projet LabPET[indice supérieur TM] II. De façon à s'adapter à cette nouvelle réalité, un nouveau circuit intégré à application spécifique (application specific integrated circuit, ASIC) à signaux mixtes avec 64 canaux d'acquisition, fabriqué avec la technologie TSMC CMOS 0,18 [micromètre], a été conçu. L'ASIC utilise la méthode de temps au-dessus d'un seuil (time over threshold , ToT), déjà implantée dans des applications de physique des hautes-énergies, de manière à extraire numériquement l'information relative à un rayonnement interagissant avec la matrice de détection (l'énergie, le temps et le numéro de pixel de l'événement). Dans le cadre de ce projet, une architecture complexe de machines à états-finis, cadencée par une horloge de 100 MHz, a été implantée et elle permet à l'ASIC d'identifier le taux anticipé de 3 000 événements par seconde par canal. Ceci est réalisé en calculant en temps réel le paramètre ToT tout en assurant la calibration adéquate de chacune des chaînes d'acquisition. Le circuit intégré peut caractériser jusqu'à 2 Mévénements/s malgré son unique lien différentiel à bas voltage (low-voltage differential signaling, LVDS) de transfert de données et consomme environ 600 mW. L'ASIC a été développé en suivant un processus de conception de circuits intégrés à signaux mixtes. Il permet notamment de minimiser et de vérifier l'impact des indésirables effets parasites sur la circuiterie analogique et numérique de l'ensemble avant que les dessins de masques ne soient envoyés vers la fonderie pour fabriquer le circuit désiré.