Nous avons étudié les processus non linéaires d'ionisation du xénon lors d'interaction avec une impulsion laser ultra-brève et intense de 100fs. (1fs.=1.10-15s). La dépendance de ces processus sur la longueur d'onde du rayonnement laser est investiguée dans le but de mettre en évidence le régime d'ionisation multiphotonique et le régime d'ionisation par effet tunnel. Utilisant un système TOPAS ("Traveling-wave Optical Parametric Amplifier of Superfluorescence"), pompé par un système laser Titane-Saphir (800nm à 100 fs.), nous avons mesuré à l'aide d'une technique de spectroscopie à temps de vol, la production d'ions Xe+ et Xe2+ sur une plage de longueur d'onde s'étalant de 500nm à 2300nm dans un domaine d'intensité de 10TW/cm2 à 1PW/cm2 avec un faisceau laser linéairement polarisé. Les résultats permettent de distinguer les domaines d'ionisation séquentielle et non séquentielle du xénon doublement ionisé en fonction de la longueur d'onde. D'un autre côté, nous avons calculé numériquement les taux d'ionisation du xénon utilisant le modèle PPT (Perelomov et al. (1965)). Il est connu que ce modèle constitue une bonne approximation particulièrement pour les taux d'ionisation du xénon simplement ionisé comme une fonction de la fréquence du rayonnement d'interaction. Ainsi grâce à ce modèle, nous avons pu reconstruire les événements expérimentaux de sorte que nous pouvons directement comparer en fonction de la longueur d'onde et de l'intensité de rayonnement laser le schéma d'ionisation séquentielle prédit par le modèle PPT avec nos résultats expérimentaux. Les résultats nous permettent alors une visualisation directe de la structure du domaine d'ionisation non séquentielle du Xe2+. L'analyse du domaine non séquentiel à plusieurs longueurs d'ondes montre qu'un mécanisme de rediffusion joue un rôle important dans les processus non séquentiels d'ionisation double. Dans ce type de mécanisme, un électron est d'abord éjecté par le champ laser et revient interagir avec un second électron (en se redirigeant vers son ion parent dans l'axe de polarisation du laser) pour ensuite y partager son énergie et ainsi produire une ionisation non séquentielle. / We have studied the frequency dependence of single and double ionization of xenon in the multiphoton and tunneling regime by a short laser pulse of 100fs. (1fs.=1.10-15s). We have used a traveling-wave optical parametric amplifier of superfluorescence (TOPAS) pumped by an 800-nm, 100-fs Titane-Sapphire laser system and a time-of-flight spectrometer (TOF). We have measured the ionization yield of Xe+ and Xe2+ in the wavelength range between 500 and 2300nm for intensity between$10TW/cm2 and 1PW/cm2. These results allow us to visualize the non sequential part as well as the sequential part of the ionization process leading to Xe2+. Otherwise, we also have done calculations for the ionization rate of xenon using the PPT model (Perelomov et al. (1965)) which is known to be a good approximation for the ionization rate (which is frequency dependent) for the single ionization of noble gas. Using the fact that the Xe+ yield can be correctly predicted for the single ionization process, we have reconstructed the experimental events in such a way that it allows us to compare directly our measurements to the PPT prediction of a sequential scheme of ionization. Results show clearly the enhancement of the Xe2+ yield charge state (the so call "knee" structure on the ionization curve). The analysis of the non sequential in the wavelength regime show that a rescattering mechanism play an important role in non sequential double ionization. In this type of mechanism, one electron is first ejected by the laser field and come back to interact with a second electron (by redirecting itself toward his parent ion in the direction of the laser polarization) to share his energy and then product a non sequential ionization.

L'imagerie 3γ est une nouvelle technique d'imagerie médicale nucléaire qui a été proposée au laboratoire Subatech. Cette technique consiste à localiser tridimensionellement la position de la désintégration d'un radioisotope innovant émetteur (β+, γ), le 44Sc. Il s'agit pour cela d'associer la détection des deux photons gamma de 511 keV issus de la désintégration d'un positon, assurée par une couronne de détecteurs de tomogaphie à émission de positon, à la détection dutroisième photon par un télescope Compton au xénon liquide. La position de l'interaction entre le photon et le xénon, ainsi que l'énergie déposée, sont relevées grâce à la mesure du signal d'ionisation à l'aide d'un chambre MICROMEGAS (MICROMEsh GAseousStructure), tandis que le déclenchement de l'acquisition et la mesure du temps de l'interaction sont assurés parla détection du signal de scintillation. Le principe de la TPC est ainsi utilisé pour l'imagerie Compton.Afin de faire la preuve expérimentale de faisabilité de l'imagerie 3γ, un prototype de petite dimension, XEMIS (XEnon Medical Imaging System), a été développé.Cette thèse constitue une étape importante vers cette preuve de faisabilité. Les travaux qui y sont exposés portent sur la caractérisation de la réponse du détecteur pour un faisceau de gammas de 511 keV et sur l'analyse des données qui en sont issues. La mesure des résolutions en énergie et temporelle seront exposés, ainsi que celle de la pureté du xénon liquide.

L’imagerie 3γ est une nouvelle technique d’imagerie médicale nucléaire qui a été proposée au laboratoire Subatech. Cette technique consiste à localiser tridimensionellement la position de la désintégration d’un radioisotope innovant émetteur (β+, γ), le 44Sc. Il s’agit pour cela d’associer la détection des deux photons gamma de 511 keV issus de la désintégration d’un positon, assurée par une couronne de détecteurs de tomogaphie à émission de positon, à la détection dutroisième photon par un télescope Compton au xénon liquide. La position de l’interaction entre le photon et le xénon, ainsi que l’énergie déposée, sont relevées grâce à la mesure du signal d’ionisation à l’aide d’un chambre MICROMEGAS (MICROMEsh GAseousStructure), tandis que le déclenchement de l’acquisition et la mesure du temps de l’interaction sont assurés parla détection du signal de scintillation. Le principe de la TPC est ainsi utilisé pour l’imagerie Compton.Afin de faire la preuve expérimentale de faisabilité de l’imagerie 3γ, un prototype de petite dimension, XEMIS (XEnon Medical Imaging System), a été développé.Cette thèse constitue une étape importante vers cette preuve de faisabilité. Les travaux qui y sont exposés portent sur la caractérisation de la réponse du détecteur pour un faisceau de gammas de 511 keV et sur l’analyse des données qui en sont issues. La mesure des résolutions en énergie et temporelle seront exposés, ainsi que celle de la pureté du xénon liquide. / 3γ imaging is a new nuclear medical imaging technique which has been suggested by Subatech laboratory. This technique involves locating three-dimensional position of the decay of an innovative radioisotope (β+, γ) emitter the 44Sc. The principle consist in the detection of two photons of 511 keV gamma rays from the decay of the positron, provided by a PET ring detector, associated to the detection of the third photon by a Liquid xenon Compton telescope. The energy deposited in the interaction between the photon and xenon and its position are identified by measuring the ionization signal with a MICROMEGAS chamber (MicroMesh Gaseous Structure), while the trigger and time measurement of the interaction are provided by the detection of thescintillation signal. The principle of the TPC is thus usedto Compton imaging.In order to demonstrate experimentally the feasibility of imaging 3γ, a small prototype, XEMIS (Xenon MedicalImaging System) was developed. This thesis is an important step towards the proof of feasibility. In this work are exposed the characterization of the detector response for a beam of 511 keV gamma rays and the analysis of data derived from it. The measurement of energy and time resolutions will be presented, as well as the purity of the liquid xenon.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d’imagerie très utilisée de nos jours, notamment pour le diagnostic médical. L’utilisation d’agents de contraste lors d’un examen IRM permet d’obtenir des images de bonne qualité. Cependant, le manque de sensibilité de cette technique d’imagerie a conduit à l’utilisation d’espèces hyperpolarisées (3He, 13C, 129Xe) en IRM. Le xénon (Xe) apparait aujourd’hui comme un composé très prometteur pour de telles applications mais son manque de sélectivité rend l’imagerie moléculaire impossible. Le développement et l’utilisation de molécules cages capable d’encapsuler le xénon et de l’amener vers la cible à imager est donc indispensable. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse à l’élaboration de telles molécules, et plus précisément, à l’obtention de nouveaux cryptophanes qui présentent la plus forte affinité pour le xénon afin de pouvoir utiliser ces molécules en tant qu’outils pour l’IRM Xe. Une nouvelle voie de synthèse du cryptophane ayant la plus grande affinité pour le xénon a été mise au point ; ce composé a été fonctionnalisé pour la première fois au laboratoire et ceci dans le but d’obtenir les premières biosondes dérivées de composé. Le greffage d’antenne de reconnaissance sur ces biosondes permettrait alors de faire de l’imagerie ciblée. Une sonde pour la détection du peroxyde d’hydrogène (H2O2) a été synthétisée. Le peroxyde d’hydrogène est impliqué dans le développement de stress oxydant cellulaire et présent en ces de maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer). La sonde obtenue a permis d’imager H2O2 par IRM Xe pour la première fois. Un hybride composé de nanotube de carbone et de cryptophanes a aussi été synthétisé en vue de disposer d’outil présentant une forte concentration de cryptophanes et d’améliorer la sensibilité de la technique d’imagerie utilisant du xénon. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is widely used today for early medical diagnosis. During the MRI examination, the use of contrast agent allows the obtention of well resolved images. However the lack of sensibility of this technic lead to the utilization of hyperpolarized species (3He, 13C, 129Xe) in MRI. The xenon (Xe) is the more promising but due to its weak selectivity, it cannot be used in molecular imaging. So, the development and utilization of host molecules able to encapsulate the xenon and bring it to a targeted biological tissue or organ is necessary. In these conditions, during this thesis, we worked on the elaboration of such molecules, and particularly, in cryptophanes since these compounds have strong affinity for xenon and could be used as tools for MRI by hyperpolarized xenon (Hp Xe). A new route synthesis of cryptophane-111, that has the highest affinity for xenon, was developed; first functionalized derivatives of this compound have been also obtained in order to obtain the first biosensors based on cryptophane-111. The coating of specific ligand on these functionalized compounds could allow targeted MRI. A probe for hydrogen peroxide (H2O2) detection was synthesized. Hydrogen peroxide is implicated in cellular oxidative stress and present in case of neurodegeneratives diseases (Parkinson, Alzheimer). The probe obtained allowed the imaging of H2O2 by MRI Xe for the first time. Nanotubes functionalized with strong concentration of cryptophane have been synthesized in order to increase the sensitivity of the imaging technic that uses xenon.

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n’étant spécifique d’aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d’être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d’applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d’étudier et d’affiner les propriétés d’encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d’intérêt biologique. D’une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l’IRM xénon hyperpolarisé. D’autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d’imagerie médicale. / Today, Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful clinically used imaging method which provides three-dimensional images with excellent resolution. However, conventional molecular MRI techniques that rely on the observation of water protons still suffer from reduced sensitivity and often lack selectivity. The use of hyperpolarized xenon can improve both the selectivity and sensitivity of the MRI method. As xenon has no specificity for any biological receptor, it needs to be vectorized. For this purpose, authors have proposed to encapsulate xenon inside molecular cages functionalized to recognize specific biological targets. The best candidates so far as biosensors are cryptophanes.The aim of this work is to design and synthesize new cryptophanes that are better suited for 129Xe MRI applications and relevant biosensors for future in vivo applications. In a first part, new cages were developed in order to study the encapsulation properties of xenon inside different cryptophanes. Then, biosensors were synthesized by functionnalization of known water-soluble cryptophanes for different applications of biological interest. We have therefore assessed the possibility of detecting metal ions specifically in a very sensitive way thanks to 129Xe MRI. New bimodal sensors were also designed and tested.

Les réactions 136Xe + p et 136Xe + 12C à 1 GeV par nucléon d’énergie cinétique du projectile dans le centre de masse ont été étudiées en cinématique inverse à l’aide du dispositif expérimental SPALADIN, installé auprès de l’accélérateur d’ions lourds de GSI. Ma thèse décrit l’analyse de ces collisions réalisées au printemps 2009. La détection en coïncidence des fragments de l’état final (résidu du projectile, neutrons et fragments légers chargés) avec une grande efficacité géométrique est obtenue par la combinaison de la cinématique inverse, d’un aimant dipolaire de grande ouverture physique et de l’utilisation de grands détecteurs. Ces coïncidences, mesurées événement par événement, nous ont permis de sélectionner, indépendamment du modèle de désexcitation, le pré-fragment, noyau excité issu de la cascade intranucléaire en fonction de son énergie d’excitation. Ainsi, nous avons pu étudier l’évolution du mécanisme de désexcitation (par exemple, l’évaporation de particules légères, la cassure binaire asymétrique ou la fragmentation multiple simultanée) en fonction de l’énergie d’excitation du pré-fragment. Les données de la réaction 136Xe + p sont comparées principalement à trois modèles de désexcitation (SMM, GEMINI++ et ABLA07) couplés au code de cascade intranucléaire INCL4. Si ces modèles semblent décrire globalement les observables de notre expérience, des désaccords significatifs sont apparus notamment en ce qui concerne la production des fragments de masse intermédiaire (IMF). La comparaison des données 136Xe + 12C avec celles de la réaction 136Xe + p fait apparaître une grande similitude dans la désexcitation des pré-fragments qui laisse entrevoir que la cascade intranucléaire mène, dans les deux cibles, aux mêmes types de pré-fragments sur la plage d’énergie d’excitation commune aux deux réactions (0 à 4 MeV par nucléon). Le régime d’excitation au-dessus de 4 MeV par nucléon, accessible uniquement pour la réaction 136Xe + 12C, montre une différence qualitative dans la désexcitation du pré-fragment, avec notamment une production beaucoup plus importante d’IMF, avec des multiplicités élevées par événement, qui croît avec l’énergie d’excitation. / The collision of 136Xe with the proton and with 12C at 1 GeV per nucleon of projectile kinetic energy in the centre of mass has been studied in inverse kinematics using the SPALADIN experimental setup at the GSI facility. This manuscript describes the analysis of these collisions realized in spring 2009. The detection in coincidence of the final state fragments (projectile residues, neutrons and light charged fragments) with a large geometrical efficiency is provided by the inverse kinematics combined with a large aperture dipole magnet and large detectors. Such a coincidence, measured on an event basis, allows selecting, in a model-independent way, the prefragment, the excited nuclear system formed after the intranuclear cascade as a function of its excitation energy. Hence, we were able to study the evolution of the prefragment deexcitation mechanism (evaporation of light particles, asymmetric binary decay, multiple fragmentation…) as a function of its excitation energy. The data of the 136Xe + p reaction have been compared mainly to three deexcitation models (SMM, GEMINI++ and ABLA07) coupled to the intranuclear cascade code INCL4. Despite the relatively good and global agreement between these models and our data, significant discrepancies appeared concerning in particular the production of intermediate mass fragments (IMF). Comparison between the 136Xe + 12C and the 136Xe + p data exhibits an important similarity in the deexcitation of the pre-fragments. This suggests that the nuclear cascade leads, for both targets, to similar prefragment types in the range of excitation energy (0 to 4 MeV per nucleon) common to both reactions. Higher excitation energies, reached only in the 136Xe + 12C reaction, show a qualitative difference in the deexcitation of the pre-fragment, with much higher multiplicities of IMF per event, increasing with the excitation energy.

Dans les milieux liquides où la polarisation et la densité de spins nucléaires sont importantes, la dynamique de l'aimantation, analysée par RMN (résonance magnétique nucléaire), est perturbée par les couplages internes induits par les champs magnétiques dipolaires locaux. Le présent mémoire décrit certaines conséquences associées à la présence dans l'échantillon d'une forte concentration de 129Xe hyperpolarisé par pompage optique (polarisation jusqu'à 20%), notamment les modifications des spectres RMN du proton et du xénon en présence. Puis nous présentons les résultats de l'expérience SPIDER, ayant pour but de transférer de façon cohérente la polarisation du xénon aux protons d'aimantation thermique afin d'accroître leur signal RMN. Ensuite, nous décrivons l'apparition d'émissions maser chaotiques répétées, dues au couplage inductif entre l'aimantation du xénon dans un état instable et la bobine d'analyse accordée à sa fréquence de Larmor (ici 138 MHz). Enfin, nous présentons dans la dernière partie une nouvelle méthode d'accord d'une sonde RMN permettant dans certaines conditions de réception un gain important en sensibilité et en forme de signaux, avant de conclure sur les limites de la théorie classique de la relaxation dans le cas des fortes aimantations en phase liquide.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l'IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont constitués de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes.

Les réactions 136Xe + p et 136Xe + 12C à 1 GeV par nucléon d'énergie cinétique du projectile dans le centre de masse ont été étudiées en cinématique inverse à l'aide du dispositif expérimental SPALADIN, installé auprès de l'accélérateur d'ions lourds de GSI. Ma thèse décrit l'analyse de ces collisions réalisées au printemps 2009. La détection en coïncidence des fragments de l'état final (résidu du projectile, neutrons et fragments légers chargés) avec une grande efficacité géométrique est obtenue par la combinaison de la cinématique inverse, d'un aimant dipolaire de grande ouverture physique et de l'utilisation de grands détecteurs. Ces coïncidences, mesurées événement par événement, nous ont permis de sélectionner, indépendamment du modèle de désexcitation, le pré-fragment, noyau excité issu de la cascade intranucléaire en fonction de son énergie d'excitation. Ainsi, nous avons pu étudier l'évolution du mécanisme de désexcitation (par exemple, l'évaporation de particules légères, la cassure binaire asymétrique ou la fragmentation multiple simultanée) en fonction de l'énergie d'excitation du pré-fragment. Les données de la réaction 136Xe + p sont comparées principalement à trois modèles de désexcitation (SMM, GEMINI++ et ABLA07) couplés au code de cascade intranucléaire INCL4. Si ces modèles semblent décrire globalement les observables de notre expérience, des désaccords significatifs sont apparus notamment en ce qui concerne la production des fragments de masse intermédiaire (IMF). La comparaison des données 136Xe + 12C avec celles de la réaction 136Xe + p fait apparaître une grande similitude dans la désexcitation des pré-fragments qui laisse entrevoir que la cascade intranucléaire mène, dans les deux cibles, aux mêmes types de pré-fragments sur la plage d'énergie d'excitation commune aux deux réactions (0 à 4 MeV par nucléon). Le régime d'excitation au-dessus de 4 MeV par nucléon, accessible uniquement pour la réaction 136Xe + 12C, montre une différence qualitative dans la désexcitation du pré-fragment, avec notamment une production beaucoup plus importante d'IMF, avec des multiplicités élevées par événement, qui croît avec l'énergie d'excitation.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n'étant spécifique d'aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d'être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d'applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d'étudier et d'affiner les propriétés d'encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d'intérêt biologique. D'une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l'IRM xénon hyperpolarisé. D'autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d'imagerie médicale.