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This thesis manuscript introduces the study and development of a diamond hodoscope demonstrator conceived for spatial and temporal beam tagging in hadrontherapy. This work deals with the issue of online ion range verification, and more specifically with the improvement of prompt-gamma imaging systems. Synthetic diamond samples were chosen for their radiation hardness and fast response, enabling 100 ps time resolution that is a key issue to optimize prompt-gamma detection devices. Several crystal qualities were tested and characterized to cope with the defined goals. Characterization was carried out first at lab with the development of test benches to evaluate the charge transport properties as well as the timing and spectroscopic performances of the tested samples. Then, diamond samples were assembled as detectors to be tested on various pulsed particle beams using both photons and light ions. The first developed double-sided stripped detectors, enabling spatial localization of the ions, were also tested. The results from the different beam tests emphasized diamond’s ability to perform single ion tagging with a 98% detection efficiency and a 100 ps time resolution. A precise counting of the number of protons within a bunch was then achieved. Finally, a study at high beam current highlighted individual ion bunches counting capabilities superior to 30 MHz. The manuscript eventually introduces the design and the development of a hodoscope demonstrator made of four diamond samples arranged in a mosaic pattern. They are double-sided stripped and readout with custom broadband preamplifiers and acquisition board developed at laboratory., Ce manuscrit de thèse présente l’étude et le développement d’un démonstrateur d’hodoscope faisceau conçu pour l’étiquetage spatial et temporel des faisceaux d’ions en hadronthérapie. Ce travail intervient dans la problématique du contrôle en ligne des traitements, et plus particulièrement, dans l’amélioration des systèmes de vérification du parcours basés sur la détection de photons gamma-prompts générés par l’ion incident dans la matière le long de sa trajectoire. Le diamant synthétique a été choisi pour sa résistance aux radiations et sa rapidité, permettant d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de 100 ps nécessaire pour l’optimisation des systèmes de détection. Diverses qualités cristallines de diamant synthétique ont été étudiées et caractérisées au cours de ce travail pour répondre aux objectifs fixés. Cette caractérisation a été effectuée en premier lieu en laboratoire avec la mise en place de différents bancs de tests permettant de mettre en évidence la capacité de collection de charges et les performances temporelles et spectroscopiques des échantillons. Les échantillons par la suite assemblés en détecteurs, ont été testés sur différents faisceaux pulsés de particules, aussi bien avec des photons que des ions légers. Les premiers détecteurs à pistes, permettant une localisation spatiale des ions, ont également été développés. Les résultats des différentes campagnes de mesures mettent en évidence la capacité de ces détecteurs diamant à réaliser un étiquetage temporel d’ions uniques avec une résolution de 100 ps et une efficacité de détection de 98%. Un dénombrement précis du nombre de protons contenu dans les paquets envoyés par l’accélérateur a été également réalisé. Enfin, une étude en fonction de l’intensité faisceau démontre la capacité des détecteurs diamant à détecter individuellement chaque paquet de particules à des fréquences supérieures à 30 MHz. Le manuscrit présente enfin le design et le développement d’un démonstrateur d’hodoscope fait de quatre diamant métallisés par pistes, assemblé en mosaïque, et associé à des préamplificateurs et carte d’acquisition dédiés développées au laboratoire.

The study of irradiation in molecular systems at the nanometer scale is an innovative field of research in radiation sciences. The DIAM set-up (Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires) is designed in order to observe and to characterize the consequences of radiation action on model molecular nanosystems such as protonated water clusters. Irradiation induces the fragmentation of the nanosystem in several neutral and charged fragments. The COINTOF (Correlated Ion and Neutral fragments Time of Flight) mass spectrometry techniques allows the correlated detection of the neutral and charged fragments resulting from the dissociation of a mass and velocity selected molecular system. The data processing is performed before the statistical analysis of the fragment production over a large number of fragmentation events. In parallel with the fragmentation channel identification, branching ratio and cross sections are measured with the COINTOF technique. The method is presented here for the collision induced dissociation on argon atoms of protonated water clusters H+(H2O)n, n=2-7, accelerated at 8keV. The detection efficiency, key parameter for the production of quantitative results, is measured from the set of data itself and studied as a function of the amplitude distribution of the detection signal. Finally, a new set-up for production of rare-gas nanodroplets target has been developed, L'étude de l'irradiation dans le système moléculaire à l'échelle du nanomètre est un domaine d'investigation innovant des sciences des radiations. Le Dispositif d'Irradiation d'Agrégats Moléculaires (DIAM) est conçu en vue les conséquences de l'irradiation dans des petits systèmes moléculaires modèles comme les agrégats d'eau protonés. L'irradiation provoque la fragmentation en plusieurs fragments neutres ou chargés. La technique de spectrométrie de masse COINTOF (Correlated Ion and Neutral Time of Flight) permet la détection corrélées des fragments neutres et chargés issus de la dissociation d'un système moléculaire préalablement sélectionné en masse et en vitesse. Les données collectées sont traitées et structurées pour permettre l'analyse statistique des corrélations sur un grand nombre d'événements de fragmentation. Parallèlement à l'identification des canaux de fragmentation, la technique COINTOF permet la mesure de leur rapport de branchement et de leur section efficace. La méthode est présentée pour la dissociation induite par collision sur un atome d'argon, d'agrégats d'eau protonés H+(H2O)n:[2;7], accélérés à 8keV. L'efficacité de détection, information déterminante pour la production de données quantitatives, est mesurée à partir des données et étudiée en fonction de la distribution l'amplitude des signaux de détection. Enfin, un nouveau système de cible constituée de nanogouttes de gaz rares a été développé

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement., The sixteen detectors forming the ATLAS-MPX network have been placed in different positions inside the ATLAS detector and its cavern at CERN in order to measure, in real time, the radiation fields produced by primary particles (beam protons) and secondary particles (kaons, pions, photons, protons) resulting from the proton-proton collisions. Films of polyethylene (PE) and lithium fluoride (6LiF) cover the detectors so as to increase their sensitivity to neutrons produced by the primary and secondary particles interacting with the materials present in the ATLAS environment. The tracks identification in an ATLAS-MPX detector is obtained with the algorithms of the MAFalda software (Medipix Analysis Framework) based on the libraries and data-analysis software ROOT. A study on the mistag rate and blob overlap was made by reconstructing the activities of 106Ru and 137Cs sources. The fast neutron detection efficiency was measured with the help of 252C f and 241AmBe sources (neutrons with an average energy of 2.13 and 4.08 MeV, respectively). The detection efficiency measured for neutrons produced by 252Cf et 241AmBe sources was calculated for the 6LiF and PE converters. It averaged at low and high energy respectively (0.8580 ± 0.1490)% and (0.0254 ± 0.0031)% for LiF and (0.0510 ± 0.0061)% and (0.0591 ± 0.0063)% for PE. A simulation of the neutron detection efficiency calculation in the MPX detector was carried out with the GEANT4 software. MPX data corresponding to the proton-proton collisions at 2.4 TeV and 7 TeV at the center of mass were analyzed. The detected flux of electrons and photons are particularly high in the MPX01 and MPX14 detectors because they are closer to the point of collision. Fluxes of neutrons were estimated using the measured detection efficiencies. A correlation with the luminosity of the LHC was established. We predict that for 14 TeV collisions at the center of mass, with a luminosity of 1034 cm^2*s^1, the number of particle detected by MPX01 and MPX14 respectively will be about 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 and 1.6x10^9 ± 6.3x10^7.

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC., ATLAS-MPX detectors are Medipix2-USB detectors covered with lithium fluoride and polyethylene converters in order to increase the detection efficiency of slow neutrons and fast neutrons respectively. A network of fifteen ATLAS-MPX detectors has been put in operation in the ATLAS detector at CERN-LHC. Two reference detectors ATLAS-MPX were exposed to two fast neutrons sources 252 Cf and 241 AmBe as well as fast neutrons produced by the reaction 7 Li( p, xn) for the study of the detector response to those neutrons. Fast neutrons are primarily detected by recoil protons from elastic collisions between neutrons and hydrogen in the polyethylene. In addition, α -particles are produced by nuclear reactions between neutrons and silicon. A study of the efficiency of proton and alpha particle track recognition of Medipix2-USB was done as a function of the initial kinetic energy and incidence angle. The detection efficiency of fast neutrons was evaluated for two energy thresholds (8 keV and 230 keV) of ATLAS-MPX detector. The fast neutron detection efficiency of the detector region covered in polyethylene increases with neutron energy: (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % and (0.1044 ± 0.0026) % for fast neutrons of 2.13 MeV, 4.08 MeV and 27 MeV respectively. The method for the measurement of neutron energy allows an estimate of the neutron flux when the ATLAS MPX detector is in an unknown radiation field as it is the case in the ATLAS detector at LHC.

Since the last ten years, the Ultra High Intensity Lasers o er the opportunity to produce accelerated particle beams which contain more than 1012 electrons, protons accelerated into a few ps. We have simulated and developed some diagnostics based on nuclear activation to characterize both the angular and the energy distributions of the particle beams produced with intense lasers. The characterization methods which are presented are illustrated by means of results obtained in di erent experiments. We would use the particle beams produced to excite nuclear state in a plasma environment. It can modify intrinsic characteristics of the nuclei such as the half-life of some isomeric states. To prepare this kind of experiments, we have measured the nuclear reaction cross section (°,n) to produce the isomeric state of the 84Rb, which has an excitation energy of 463 keV, with the electron accelerator ELSA of CEA/DIF in Bruyères-le-Châtel., Les lasers de puissance permettent depuis une dizaine d'années de produire des faisceaux de particules accélérées dans lesquels quelques 1012 électrons, protons sont accélérés en quelques ps. Nous avons simulé et développé des diagnostiques, utilisant l'activation nucléaire, pour qualifier les distributions angulaire et en énergie des faisceaux de particules générés. Les techniques de caractérisation sont présentées et illustrées à l'aide des résultats obtenus dans différentes expériences réalisées auprès des lasers de puissance. Nous envisageons d'utiliser ces faisceaux pour exciter des états nucléaires dans des environnements plasma. Celui-ci peut en effet influencer des caractéristiques intrinsèques du noyau comme la durée de vie de certains états isomériques. Dans le cadre de la préparation de telles expériences, nous avons mesuré la section efficace de la réaction (g,n) permettant de produire l'état isomérique du 84Rb à 463 keV d'énergie d'excitation, à l'aide de l'accélérateur ELSA du CEA/DIF de Bruyères-le-Châtel.