The international project KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino experiment) is a next- generation tritium beta decay experiment. It is designed to measure the electron antineutrino mass by means of a unique electron spectrometer with sensitivity of 0.2 eV/c2 . This is an improvement of one order of magnitude over the last results. Important part of the measurement will rest in continuous precise monitoring of high voltage of the KATRIN main spectrometer. The monitoring will be done by means of conversion electrons emitted from a solid source based on 83 Rb decay. Properties of several of these sources are studied in this thesis by means of the semiconductor gamma-ray spectroscopy. Firstly, measurement of precise energy of the 9.4 keV nuclear transition observed in 83 Rb decay, from which the energy of conversion electrons is derived, is reported. Secondly, measurement of activity distribution of the solid sources by means of the Timepix detector is described. Finally, a report on measurement of retention of 83 Rb decay product, the isomeric state 83m Kr, in the solid sources is given.

Les travaux de recherche documentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la Collaboration UA9 au CERN. L'objectif principal de la collaboration est l'étude de la collimation et de l'extraction de faisceaux de particules de haute énergie. La thèse est principalement consacrée au développement des détecteurs et aux installations expérimentales correspondantes qui ont été mises en œuvre au SPS et au LHC au CERN. En ce qui concerne la nature de l'interaction des particules chargées avec une structure monocristalline, un cristal courbé peut être utilisé pour orienter le faisceau de particules de haute énergie au moyen de la canalisation de particules entre les plans atomiques du cristal. Un tel phénomène est étudié de manière approfondie par la Collaboration UA9. Un des principaux objectifs de la recherche présentée dans cette thèse est de développer des dispositifs sensibles pour mesurer le flux et les caractéristiques de faisceau des particules déviées par le cristal au SPS et au LHC. Pour cette thèse nous avons étudié les détecteurs Cherenkov (CpFM) et les détecteurs à pixel (Timepix). Depuis 2015, le CpFM (détecteur de Cherenkov pour la mesure du flux de protons) a été souvent modifié afin d'améliorer la précision pour le comptage des particules. La plage de fonctionnement du dispositif varie de 1 à 1000 particules par faisceau de particules (~3 ns) avec une résolution inférieure à 20% par proton. Fonctionnant dans le vide primaire de l’accélérateur et à des doses de rayonnement élevées, le détecteur a montré une grande stabilité et ayant la possibilité d’effectuer des études de contamination par faisceau. À son tour, le détecteur Timepix a été étalonné sur la ligne de faisceaux d'extraction de l'accélérateur SPS, fonctionnant dans le vide secondaire (Roman Pot). Une partie importante de la thèse est consacrée à la caractérisation et à l'étalonnage de ces détecteurs avec les développements des logiciels pour l'acquisition et l'analyse de données. Dans cette thèse, nous proposons également la mesure du moment dipolaire magnétique (MDM) de baryons à courte durée de vie. Le MDM est une caractéristique importante de l'interaction des particules avec un champ magnétique externe. Pour cette thèse, nous nous concentrons sur la mesure le MDM du baryon LambdaC+, qui pourrait fournir des informations sur le facteur gyromagnétique (g) du quark charme. Une valeur différente de g=2 indiquera une structure composite possible du c-quark et clairement la présence de physique au-delà du Modèle Standard (SM). Jusqu'ici, aucune mesure expérimentale du moment dipolaire magnétique des baryons avec des quarks lourds n'a été effectuée en raison d'une courte durée de désintégration de ces particules (environ 60 um). La proposition faite dans cette thèse est de produire des baryons charmés par interaction forte entre les protons extraits (à l’aide d’un premier cristal courbé) et une cible. Après la cible, un deuxième cristal courbé à grand angle (de plusieurs mrad) est utilisé pour canaliser les baryons et induire une rotation du vecteur de polarisation des baryons charmés. Cette configuration s'appelle une configuration à double cristal et l'expérience est proposée au LHC. Dans cette thèse, je me suis concentré principalement sur tous les tests et la validation nécessaires au SPS avant la mise en œuvre au LHC. Une configuration expérimentale possible pour les mesures MDM au niveau du SPS est également proposée avec une estimation de l'erreur absolue de la valeur mesurée du facteur g pour le baryon LambdaC+. / The research work documented in this thesis is done in a frame of the UA9 Collaboration at CERN. The main goal of the collaboration is the investigation of the high-energy particle beam collimation and extraction. The thesis is mainly devoted to the developments of detectors and the consequent experimental setups implemented at the SPS or LHC circulating machines at CERN. Regarding the nature of the charged particle interaction with a monocrystalline structure, a curved crystal can be used for the steering of the high-energy particle beam by means of the particle channeling between atomic planes of the crystal. Such a phenomenon is intensively studied by the UA9 Collaboration. Therefore, one of the main goals of the presented research is to develop sensitive devices for measuring the flux and the beam characteristics of the particles deflected by the crystal at the circulating machines. The detectors studied for this thesis are Cherenkov (CpFM) and pixel (Timepix). Since 2015, the CpFM (Cherenkov detector for proton Flux Measurement) has undergone various modifications to improve the particle counting characteristics. The range of the device operation varies from 1 to 1000 particles per bunch (~3 ns) with the particle resolution of less than 20% per single proton. Working in the primary vacuum of the accelerator and at high radiation doses, the detector showed high stability with the possibility to perform beam contamination studies. In turn, the Timepix detector has been calibrated at the extraction beamline and SPS accelerator, working in the secondary vacuum of the Roman Pot. A significant part of the thesis is devoted to the characterization and calibration of these detectors with the software developments for data acquisition and analysis. In this thesis, we also make a proposal for the measurement of the magnetic dipole moment (MDM) of short-lived baryons. The MDM is an important characteristic of the particle interaction with an external magnetic field. For the thesis, we concentrate on the measurement of the LambdaC+ MDM, which could provide information on the gyromagnetic (g) factor of the charm quark. Any discrepancy from g=2 will indicate a possible composite structure of the c-quark and clearly physics beyond the Standard Model (SM). So far, no experimental measurements of this value of baryons with heavy flavoured quarks have been carried out due to a short decay length of these particles (about 60 um). The proposal made in this thesis is to produce charm baryons by a strong interaction of the extracted proton beam (using a first bent crystal) impinging onto a target followed by the second large angle bent crystal (of several mrad) to channel the baryons and to rotate their polarization vector. This configuration is called a double-crystal setup and the experiment is proposed to take place at the LHC. In this thesis, I concentrate mainly on all the tests and validation needed at the SPS prior to the implementation at the LHC. A possible experimental configuration for the MDM measurements at the SPS is also proposed with an estimation of the absolute error of the measured g-factor value for the LambdaC+ baryon.

Le réseau ATLAS-TPX est composé de 15 détecteurs Timepix répartis à diverses positions autour du point d’interaction IP1 (Point d’interaction 1) dans la caverne de l’expérience ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au LHC (Grand Collisionneur de Hadrons). Ce réseau de détecteurs permet de caractériser le champ de radiation et de mesurer la luminosité indépendamment de la chaîne d’acquisition de données d’ATLAS. Ses différents modes d’opération complémentent les mesures de luminosité de référence d’ATLAS, qui sont cruciales pour la détermination des mesures de sections efficaces de processus du modèle standard de la physique des particules. Ce mémoire évalue la capacité des détecteurs ATLAS-TPX à mesurer la luminosité avec la reconnaissance de traces. Cette méthode permet de filtrer certaines sources d’erreurs systématiques, telles que la radiation induite, qui affectent d’autres détecteurs de luminosité de l’expérience ATLAS. L’étude se concentre sur la détection des particules chargées à faible transfert d’énergie (LETCP) avec un détecteur ayant opéré dans de bonnes conditions de 2017 à 2018, le détecteur TPX14. Les traces laissées par les LETCP sont distinguées des autres particules par des algorithmes de classification, qui sont appliqués sur les images enregistrées par le détecteur. Lorsque des pics de luminosité ou des temps d’acquisition trop longs provoquent une superposition des traces dans les images, une technique de correction est utilisée. Le comptage de traces est converti en mesure de luminosité grâce aux périodes de collisions de référence de chaque année. Les résultats sont comparés à ceux provenant des autres détecteurs de luminosité, soit LUCID (Luminosity measurements Using Cherenkov Integration Detector), EMEC (ElectroMagnetic End Cap) et FCal (Forward Calorimeter) dans le but d’étudier la stabilité à long terme de ces luminomètres. L’entièreté des résultats obtenus diffère par moins de 3% par rapport à LUCID, le détecteur de luminosité de référence dans ATLAS. Cela prouve donc la validité de la méthode et ouvre la porte à des études de stabilité avancées. Les fluctuations statistiques observées pourront être réduites dans le futur en utilisant plus de détecteurs et en optimisant leur positionnement. / The ATLAS-TPX network is made of 15 Timepix detectors distributed at various positions around the interaction point IP1 (Interaction Point 1) in the ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) cavern at the LHC (Large Hadron Collider). This detector network allows the characterization of the radiation field as well as luminosity measurements that are completely independent of the ATLAS data acquisition chain. Its different modes of operation complement the reference luminosity measurements in ATLAS, which are crucial for the measurement of cross sections of the standard model process of particle physics. This master thesis evaluates the ability of ATLAS-TPX detectors to measure the luminosity using track recognition. This method makes it possible to filter certain sources of systematic uncertainties, such as activation, which affect other luminosity detectors of the ATLAS experiment. The studies focus on detection of low energy transfer charged particles (LETCP) with a detector that operated in good conditions throughout 2017 and 2018, the TPX14. The signature traces left by LETCP are distinguished from others by classification algorithms, which are applied on the detector’s frames. When luminosity is peaking or when the acquisition time is too long and cause overlapping of the traces in the frames, a correction is applied. The track counts are converted to luminosity measurements using the reference run of each year. The results are compared to those from other luminosity detectors, namely LUCID (Luminosity measurements Using Cherenkov Integration Detector), EMEC (ElectroMagnetic End Cap) and FCal (Forward Calorimeter) in order to do long term stability studies of those luminometers. All results differ by less than 3% from LUCID’s data, the luminosity of reference in ATLAS. Therefore, the method is valid, which opens the door to advanced stability studies. The observed statistical fluctuations could be reduced in the future by using more detectors and optimizing their positioning.

This thesis is about simulation of semiconductor X-ray and particledetectors. The simulation of a novel coating for solid state neutrondetectors is discussed as well as the implementation of a simulationframework for hybrid pixel detectors.Today’s most common thermal neutron detectors are proportionalcounters, that use 3He gas in large tubes or multi wire arrays. Globalnuclear disarmament and the increase in use for homeland securityapplications has created a shortage of the gas which poses a problemfor neutron spallation sources that require higher resolution and largersensors. In this thesis a novel material and clean room compatible pro-cess for neutron conversion are discussed. Simulations and fabricationhave been executed and analysed in measurements. It has been proventhat such a device can be fabricated and detect thermal neutrons.Spectral imaging hybrid pixel detectors like the Medipix chipare the most advanced imaging systems currently available. Thesechips are highly sophisticated with several hundreds of transistors perpixel to enable features like multiple thresholds for noise free photoncounting measurements, spectral imaging as well as time of arrivalmeasurements. To analyse and understand the behaviour of differentsensor materials bonded to the chip and to improve development offuture generations of the chip simulations are necessary. Generally, allparts of the detector system are simulated independently. However, itis favourable to have a simulation framework that is able to combineMonte Carlo particle transport, charge transport in the sensor as wellas analogue and digital response of the pixel read-out electronics. Thisthesis aims to develop such a system that has been developed withGeant4 and analytical semiconductor and electronics models. Further-more, it has been verified with data from measurements with severalMedipix and Timepix sensors as well as TCAD simulations.Results show that such a framework is feasible even for imagingsimulations. It shows great promise to be able to be extended withfuture pixel detector designs and semiconductor materials as well asneutron converters to aim for next generation imaging devices.

This thesis describes the design, implementation, and verification of a USB 3.0 readout system for Timepix3 detectors. Timepix3 is a hybrid pixel detector consisting of a 256x256 pixel matrix with a 55 μm pitch and a timing resolution of 1.56ns. It allows to measure energy and time simultaneously utilising an event-driven data stream with a maximum data rate of up to 5.12 Gb/s or up to 85 million hits per second. Our aim is to implement a readout system that allows to add processing algorithms into the firmware, reducing the amount of data and the post-processing time. USB 3.0 was selected as an interface, because it provides a sufficient data rate and is present on all modern computers. Furthermore, the selected Opal Kelly XEM6310 development board provides a framework handling the communication between the FPGA and the host computer, FPGA components, and an API. We implemented a hardware adapter board in collaboration with the University of Glasgow connecting the development board to the detector chip board converting the detector’s output signals from SLVS to LVDS signals. Moreover, we implemented FPGA firmware consisting of a detector interface, USB interface, and a core including a processing interface. A multi-platform desktop library was implemented in C/C++ using Qt, which is used to configure the readout system and handles high speed data streaming. Data analysis and verification is conducted using custom build Python scripts. Simulations of the firmware showed the expected behaviour. The firmware and library were verified by configuring the detector, reading back the configuration, and measurements with an Americium source. An equalisation and a global and per-pixel energy calibration have been done successfully. Moreover, the system has been used to create and correct an X-ray image. Furthermore, the USB 3.0 data streaming performance was evaluated and it could be shown that the system can sustain a stream of around 380 MB/s. The proposed readout system has been implemented and was verified in simulation and experiments with X-ray radiation. USB 3.0 data streaming performed better than anticipated reaching higher speeds as stated by Opal Kelly. Furthermore, the firmware and the library function as intended. The hardware adapter requires some changes to accommodate higher data speeds and the data chan- nels have to be moved to different pins to allow synchronisation to an external clock. / Denna avhandling beskriver utveckling och verifikation av ett USB 3.0 baserad utläsningssytem för Timepix3 detektorer. Timepix3 är en hybridpixeldetektor som består av en 256x256 pixelmatris med en pixelstorlek av 55μm2 och som klarar en tidsupplösning av 1.56ns. Detektorn tillåter att mäta energi och tidsinformation samtidigt och använder en händelsedriven dataström med en maximal datahastighet på 5,12 Gb/s som motsvarar ca. 85 miljoner träffar per sekund. Vårt mål är att detta systemet tillåter databehandling i FPGA:n alltså minskar datamängden och efterbehandlingstid. Vi valde USB 3.0 för att det ger en nytsad datahastighet och för att det finns på alla moderna datorer. Dessutom föll valet på ett XEM6310 kort från Opal Kelly som utvecklingsplatform. Opal Kelly erbjuder ett ramverk som hanterar kommunikationen mellan FPGA:n och datorn. Ramverket innehåller FPGA-komponenter och en API. Adapterkort utvecklades i samarbete med University of Glasgow som kopplar vårt utvecklingskort till detektorkortet där detektorutgångssignaler vandlas från SLVS till LVDS signaler. Dessutom implementerade vi FPGA-firmware som består av ett detektorgränssnitt, ett USB-gränssnitt, och en kärna med ett databehandlingsgränssnitt. Ett multi-platform bibliotek utvecklades och implementerades i C/C++ med användning av Qt. Bibliotektet används för att konfigurera utläsningssystemet, konfigurera detektorn, och hantera dataströmmning från och till detektorn. Dataanalys och verifiering utfördes med hjälp av självutvecklade Python-verktyg. Simuleringar av firmware visade det färväntade beteendet. Firmware och bibliote- ket verifierades genom att konfigurera detektorn, läsa tillbaka konfigurationen, och mätningar med en Americiumkälla. Ekvalisering, global energikalibration, och per-pixel-kalibration utfördes också. Dessutom har systemet använts för att ta röntenbilder. Analys av USB 3.0 dataströmming visade att biblioteket och utläsningssystemet kan upprätthålla en ström av upp till 380 MB/s från FPGA:n till datorn. Det beskrivna utläsningssystemet implementerades och verifierades i simulering och experimentellt med hjälp av strålkällar. Dataströmmning med USB 3.0 utförde sig bättre än förväntat och visade högre hastigheter som visas as Opal Kelly. Firmware och biblioteket fungerar som förväntat. Adapterkortet fungerar men kräver vissa ändringar för att tillåta högra datahastigheter. Dessutom måste datakanalerna flyttas till olika ingångar för att synkronisera datakanalerna till en extern klocka.

Le présent travail a pour but le développement d’une caméra gamma à masque codé permettant d’estimer la position tridimensionnelle (3D) des sources radioactives. Cela est d’un intérêt considérable dans le cadre d’un grand nombre d'applications, de la reconstruction de la forme 3D des objets radioactifs aux systèmes de réalité augmentée appliqués à la radioprotection. Les caméras gamma portables actuelles ne fournissent que la position angulaire relative des sources gamma à localiser, c'est-à-dire qu'aucune information métrique concernant les sources n’est disponible, comme par exemple leur distance par rapport à la caméra. Dans cette thèse, nous proposons principalement deux approches permettant d’estimer la position 3D des sources. La première approche consiste à étalonner la caméra gamma avec un capteur de profondeur à lumière structurée. La seconde approche permet d'estimer la distance source-détecteur par une méthode d’imagerie gamma stéréoscopique. Pour aligner géométriquement les images obtenues par la caméra gamma, le capteur de profondeur, et la caméra optique, une procédure d'étalonnage n’utilisant qu’une seule source ponctuelle radioactive a été conçue et mise en œuvre. Les résultats expérimentaux démontrent que les approches proposées permettent d'obtenir une précision inférieure au pixel, tant pour l’erreur de reprojection que pour la superposition des images gamma et optiques. Ces travaux présentent également une analyse quantitative de la précision et de la résolution relatives à l’estimation de la distance source-détecteur. De plus, les résultats obtenus ont validé le choix de la géométrie du modèle sténopé pour les caméras gamma à masque codé. / A coded aperture gamma camera for retrieving the three-dimensional (3-D) position of radioactive sources is presented. This is of considerable interest for a wide number of applications, ranging from the reconstruction of the 3-D shape of radioactive objects to augmented reality systems. Current portable γ-cameras only provide the relative angular position of the hotspots within their field of view. That is, they do not provide any metric information concerning the located sources. In this study, we propose two approaches to estimate the distance of the surrounding hotspots, and to autonomously determine if they are occluded by an object. The first consists in combining and accurately calibrating the gamma camera with a structured-light depth sensor. The second approach allows the estimation of the source-detector distance by means of stereo gamma imaging. To geometrically align the images obtained by the gamma, depth, and optical cameras used, a versatile calibration procedure has been designed and carried out. Such procedure uses a calibration phantom intentionally easy to build and inexpensive, allowing the procedure to be performed with only one radioactive point source. Experimental results showed that our calibration procedure yields to sub-pixel accuracy both in the re-projection error and the overlay of radiation and optical images. A quantitative analysis concerning the accuracy and resolution of the retrieved source-detector distance is also provided, along with an insight into the respective most influential factors. Moreover, the results obtained validated the choice of the geometry of the pinhole model for a coded aperture gamma camera.

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.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le réseau de détecteurs à pixels ATLAS-TPX, installé dans l’expérience ATLAS afin d’étudier l’environement radiatif en utilisant la tech- nologie Timepix. Les travaux sont rapportés en deux parties, d’une part l’analyse des données recueillies entre 2015 et 2018, d’autre part l’étude de nouveaux détecteurs pour une mise à niveau du réseau. Dans la première partie, une méthode pour extraire certaines propriétés des MIPs (Mini- mum Ionizing Particles) est développée, basée sur l’étude des traces laissées par ces particules lorsqu’elles traversent les matrices de pixels des détecteurs ATLAS-TPX. Il est montré que la direction des MIPs et leur perte d’énergie (dE/dX) peut être déterminée, permettant d’évaluer leur origine. De plus, la méthode pour mesurer les champs de neutrons thermiques et neutrons rapides avec ces détecteurs est expliquée, puis appliquée aux données. Les flux de neutrons thermiques mesurés aux différentes positions des détecteurs ATLAS-TPX sont présentés, alors que le signal des neutrons rapides ne se distingue pas du bruit de fond. Ces résultats sont décrits dans une publication, et la façon dont ils peuvent être utilisés pour valider les simulations de champs de radiation dans ATLAS est discutée. Dans la seconde partie, la thèse présente une étude de détecteurs Timepix utilisant l’arséniure de gallium (GaAs) et le tellurure de cadmium (CdTe) comme capteur de radia- tion. Ces semiconducteurs offrent des avantages par rapport au silicium et pourraient être utilisés dans les prochaines mises à niveau du réseau ATLAS-TPX. Comme ils sont connus pour des problèmes d’instabilité dans le temps et une efficacité de collection de charge incomplète, ils sont testés en utilisant divers types d’irradiation. Ceci est décrit dans deux articles, l’un portant sur un capteur au GaAs de 500 μm d’épaisseur, l’autre sur un capteur au CdTe de 1 mm d’épaisseur. Malgré l’apparition de pixels bruyants lors des mesures, les détecteurs montrent une bonne stabilité du signal dans le temps. Par contre, l’efficacité de iv collection de charge est inhomogène à travers la surface des détecteurs, avec des fluctuations de produits mobilité-temps de vie (μτ) importantes. Ces résultats montrent qu’il est nécessaire d’étudier l’influence de ces défauts sur les algorithmes de reconnaissance de traces avant l’utilisation du GaAs et CdTe dans les mises à niveau du réseau ATLAS-TPX. / The work presented in this thesis focuses on the ATLAS-TPX pixel detector network, in- stalled in the ATLAS experiment for studying the radiation environement using the Timepix technology. The achievements are presented in two parts, on one hand the analysis of data acquired between 2015 and 2018, on another hand the study of new detectors for an upgrade of the network. In the first part, a method to extract properties of MIPs (Minimum Ionizing Particles) is developed, based on the analysis of clusters left by the interaction of these particles in the pixel matrixes of the ATLAS-TPX detectors. It is shown that the direction of MIPs and their energy loss (dE/dX) can be determined, allowing the evaluation of their origin. Moreover, the method for mesuring the thermal and fast neutron fields is explained, and applied to the data. The thermal neutron fluxes at the different detector locations are reported, whereas the fast neutron signal cannot be distingished from the background. Thoses results are described in a publication, and their use for benchmarking simulations of the radiation field in ATLAS is discussed. In the second part, the thesis presents a study of Timepix detectors equipped with gallium arsenide (GaAs) and cadmium telluride (CdTe) sensors. These semiconductors offer some advantages over silicon and could be used for upgrades of the ATLAS- TPX network. Since they are known to suffer from time instabilities and incomplete charge collection efficiency, they are tested using several types of irradiation. This is described in two publications, one focusing on a 500μm thick GaAs sensor, another focusing on a 1mm thick CdTe sensor. Despite the appearance of noisy pixels during the measurements, the detectors are found to be reasonably stable in time. However, the charge collection efficiency is found to be inhomogeneous across the sensor surfaces, with significant fluctuations of mobility-lifetime (μτ) products. These results show that vi it is necessary to study the influence of these material defects on the pattern recog- nition algorithms before the integration of such sensors in the ATLAS-TPX upgrades.

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