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Univ. Paris-Saclay

Pages scientifiques 2004

27 août 2004

Topic 1 : Effects of Extreme Conditions in Radiation Chemistry

In numerous real situations, radical reactions occur with extreme thermodynamic conditions like temperature over 300°C, with pressure over 100 MPa, or triggered by nuclear reactions which produce elevated Linear Energy Transfer (LET) ionizing particles[1]. These parameters can induce drastic changes in the production and in the reactivity of radical species in water. The most recent data bases[2]  show a lack of knowledge. Therefore the effect of the combinations of extreme values of these conditions has never been considered: high temperature water submitted to high LET particles for instance.

In the context of the generation 4 nuclear power plant systems in which temperatures of fluid transfer should increase in order to improve the thermal-cycle yield, one system expected to be developed will involve supercritical water (374°C, 22 MPa). Consequently many fundamental questions on water radiolysis in these conditions appeared since Arrhenius extrapolation could not be applied. How to predict water decomposition in these conditions? That was essentially the aim of Dimitri Saffré PhD (2008-2011) who has performed experiments and MC simulations in a large range of temperature and LET in order to determine radiolytic yields and rate constants through an extreme condition-resistant chemical system: HBr. In situ analysis of Br-, Br2- and Br3- species allowed the determination of HOŸ yields in various conditions of irradiation: X-rays at ESRF (FAME Line, J.L. Hazeman), ns-electron pulses from ALIENOR accelerator in LRAD, ps-electron pulses from ELYSE in LCP/Orsay (M. Mostafavi), pulsed heavy ions in GANIL (E. Balanzat), helion beam in ARRONAX at Nantes (M. Fattahi). During this study a novel high temperature/high pressure cell has been designed and used with high LET particles (figure 1). Only a part of the work was published[3]. Publications of valuable results (figure 2) are still on the way because they are waiting for the comparison with MC simulations performed in collaboration with B. Gervais (CIMAP Caen) and M. Beuve (IPN Lyon). In parallel implementation of water radiation chemistry has been performed in the open source program GEANT4 in the ANR named GEANT4-DNA (2009-2012) by collaborating with S. Incerti (CENBG Bordeaux)[4].

Another high pressure system has been designed recently to reach 400 MPa with a flow and optical windows for pulse radiolysis experiments[5]. This system is devoted to the analysis of protein such as myoglobine under pressure stress in order to probe their tertiary structure and their reactivity towards water radical. (see topic 2)

 

 

[1] Baldacchino, G. et Hickel, B.. In: Hors série « Radiation Chemistry » de l’Actualité Chimique Sciences, E. (Editor) EDP Sciences; 2008.

[2] Elliot, A.J. et Bartels, D.M. The Reaction Set, In: AECL; 2009

[3] Saffré, D. et al., (2011) Journal of Physics: Conference Series, 261, 012013

[4] Incerti, S. et al., (2010) Medical Physics, 37, 4692-4708.

[5] Nguyen Le, D.T., et al. (2013) NIMS B, 299, 1-7

[6] Rapport à 6 mois sur l’avancement du projet SIRMIO – compte rendu de la réunion d’avancement du 8 mars 2013, convention Plan Cancer PC201204.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.1: Picture of the optical cell designed for high LET particle irradiations.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.2: Transient signals at 357nm for various high temperatures of Br2- (formation) and Br- (bleaching) in a 10mM NaBr solution irradiated by 130µs pulses of C6+ of 975MeV.

 

We are currently developing a new approach to analyze the fundamental aspects of the energy Deposition of swift Heavy Ions in Liquid Water (SIRMIO project 2012-2014). It should induce application in real time microdosimetry during hadrontherapy. This project consists in using fluorescence of molecule produced during radiolysis and observed by optical microscopy and fast detection of fluorescence induced by laser excitation. We expect to get images of energy deposition of energetic ions at micrometer scale with high time resolution as well.

After 6 months of work[6] the 4 partners got strong knowledge of the molecules to use, in terms of toxic effect in living cells, of radiolytic mechanisms and also purity, radiolytic yields. During these investigations, new methods in radiation chemistry should be available such as pulse radiolysis method with fluorescence induced by laser, and also a method to obtain the fluorescence lifetime coupled to alpha ionization (developed at IPHC Strasbourg). We expect to use very soon the microscopy in line with Van de Graaf accelerator, microprobe at LEEL in Saclay to reach our objectives.

20 juillet 2004
Une vésicule est une bicouche lipidique de forme sphérique et d’une taille de quelques nanomètres en suspension dans un liquide, souvent de l'eau ou une solution aqueuse. Ces molécules contiennent une partie de petite taille qui est hydrophile et une chaîne hydrophobe plus longue. L'arrangement mésoscopique en vésicules est une des possibilités qui minimisent l'énergie libre de la solution. Dans cette exemple, des polymères ont été greffés sur la partie hydrophile de quelques molécules, ce qui a comme conséquence la formation de vésicules de taille légèrement différente et, surtout, beaucoup plus flexibles. En se déformant, ces vésicules artificielles peuvent traverser des pores de petites dimensions plus facilement que les vésicules rigides sans polymères à la surface.

15 décembre 2004
L'interaction d'un laser intense ou d'un ion multichargé avec une molécule ou un agrégat conduit généralement à leur explosion. Dans le cas des ions, les détails de la dynamique de dissociation de molécules multi-cargées sont étudiées grâce à une détection 4p multi-particules (ions et électrons). Les interactions laser-agrégat et la caractérisation des émissions X et UV permettent sur le plan fondamental d'élucider les mécanismes d'explosion et d'optimiser ces sources pour les applications (SPAM, CIRIL).
30 novembre 2004
D'après la célèbre Loi de Moore, le nombre de transistors dans un circuit intégré double tout les 18 mois. La miniaturisation des circuits permet d'augmenter la puissance des puces électroniques tout en réduisant leur coûts de fabrication: si en 1973, le prix de 1 million de transistors équivaut à celui d'une maison, en 2005 ils coûteront le prix d'un Post-It®.La puissante industrie des semi-conducteurs a basé son modèle de développement sur cette prévision, jamais prise en défaut depuis 1975. Quand on considère que "… en 30 ans, les circuits intégrés ont eu sur l’économie US un impact deux fois plus important que les premiers 60 ans d’exploitation des chemins de fer dans le XIX siècle" on comprend la portée des enjeux économiques. Les techniques de gravure des circuits intégrés d'aujourd'hui utilisent comme source de lumière le rayonnement à 193 nm (et prochainement à 157 nm) produit par des lasers à excimers. Les limites physiques de cette technique imposent, pour que la loi de Moore soit respectée, l'utilisation d'une nouvelle méthode pour descendre au-dessous du "node" de 50 nm comme taille caractéristique de gravure. Différents projets ont vu le jour dans le but de réaliser une machine lithographique industrielle à l'horizon 2008-2010. Intel, Motorola et AMD ont financé le programme EUV LLC aux Etats Unis en 1997, confiant aux trois grands laboratoires nationaux Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley et Sandia, la mission de produire une telle machine. D'autres "firms" de la microélectronique ont depuis rejoint ce panel (IBM, Infineon...). Vers la fin du 1998 démarrent les projets EUCLIDES (en Europe, sous la poussée d'ASML) et ASET EUVL (en Japon) avec, plus ou moins, les même objectives. Plusieurs candidats ont été proposés pour cette "Next Generation Lithography", mais une seule voie semble aujourd'hui capable de répondre au cahier de charge imposé par Sematech, le consortium qui regroupe les principales entreprises de semi-conducteurs dans le monde: la lithographie par extrême ultra-violet (EUVL). La réalisation d'une source avec de caractéristiques de puissance, stabilité et propretés bien déterminées est un des point clés pour que l'EUVL aboutisse. C'est à la réalisation d'une telle source par interaction laser-matiere que le GAP se consacre depuis la fin du 1999, à travers deux projets: PREUVE et EXULITE.

05 octobre 2004
W. Jarzeba* , R.A. Crowel l#, E. Shkrob#, A. Deflandre& , J. Rozot&, T. Gustavsson§, J.-C. Mialocq, S. Pommeret

Nombreuses sont nos études en femtochimie ayant fait l’objet de publications au cours de ces quatre dernières années. Elles ont portées essentiellement sur les transferts de proton/électron mais aussi sur les mécanismes de solvatation et de relaxation intramoléculaire. Dans le cadre de cette page web, nous avons souhaité mettre l’accent sur les mécanismes de relaxation de cations radicaux aromatiques. Ces cations, présents dans les nuages interstellaires, peuvent être stabilisés dans des verres d’acide borique. Nous avons entrepris cette étude car les connaissances de la littérature ne permettaient pas de dégager un comportement rationnel de ces espèces en fonction de leurs niveaux énergétiques et en fonction de la température. Une expérience de réseau transitoire nous a permis de mettre en évidence une composante ultrarapide (~200 fs) et une composante beaucoup plus longue (quelques picosecondes) dans le processus de relaxation.

04 octobre 2004
S. Bratos*, J.-C. Leicknam*, G. Gallot# , S. Pommeret

En employant des techniques issues de la spectroscopie laser, nous avons étudié les mouvements de la liaison hydrogène (OH…O). Le couplage entre les rotations du vibrateur OH et l’élongation de la liaison hydrogène a été étudié. Les forces induisant la rotation des molécules d’eau dépendent de leur distance, ce qui introduit une corrélation entre ces degrés de liberté. La dynamique du réseau de liaisons hydrogène génère des arrangements tétraédriques fluctuants qui déterminent la durée de vie de la liaison hydrogène. L’objet de cette étude théorique est d’interpréter dans un modèle basé sur la physique statistique non-linéaire des expériences qui ont permis de "filmer" les rotations de HOD dans un mélange HOD/D2O.

04 octobre 2004
R.A. Crowell*, E. Shkrob*, P.v.d. Meulen#, R. Naskrecki*&, J.-C. Mialocq, S. Pommeret
La compréhension de la propagation d’impulsions lumineuses ultrabrèves dans des échantillons denses est fondamentale pour pouvoir extraire une information sur la physico-chimie du système. En effet dans les milieux denses la dispersion des vitesses de groupe entraîne une déformation de la phase des impulsions qui peut induire en erreur l’expérimentateur. A partir des résultats de simulations, nous avons pu démontrer que ces effets indésirables sont d’autant plus importants que la longueur d’onde de l’impulsion pompe est proche de la longueur d’onde de sonde et que l’épaisseur des faces de la cellule est grande. Cette étude nous a permis d’établir de façon rationnelle les limites à l’intérieur desquelles une expérience femtoseconde est "exempte d’artefacts".
27 août 2004

Topic 1 : Effects of Extreme Conditions in Radiation Chemistry

In numerous real situations, radical reactions occur with extreme thermodynamic conditions like temperature over 300°C, with pressure over 100 MPa, or triggered by nuclear reactions which produce elevated Linear Energy Transfer (LET) ionizing particles[1]. These parameters can induce drastic changes in the production and in the reactivity of radical species in water. The most recent data bases[2]  show a lack of knowledge. Therefore the effect of the combinations of extreme values of these conditions has never been considered: high temperature water submitted to high LET particles for instance.

In the context of the generation 4 nuclear power plant systems in which temperatures of fluid transfer should increase in order to improve the thermal-cycle yield, one system expected to be developed will involve supercritical water (374°C, 22 MPa). Consequently many fundamental questions on water radiolysis in these conditions appeared since Arrhenius extrapolation could not be applied. How to predict water decomposition in these conditions? That was essentially the aim of Dimitri Saffré PhD (2008-2011) who has performed experiments and MC simulations in a large range of temperature and LET in order to determine radiolytic yields and rate constants through an extreme condition-resistant chemical system: HBr. In situ analysis of Br-, Br2- and Br3- species allowed the determination of HOŸ yields in various conditions of irradiation: X-rays at ESRF (FAME Line, J.L. Hazeman), ns-electron pulses from ALIENOR accelerator in LRAD, ps-electron pulses from ELYSE in LCP/Orsay (M. Mostafavi), pulsed heavy ions in GANIL (E. Balanzat), helion beam in ARRONAX at Nantes (M. Fattahi). During this study a novel high temperature/high pressure cell has been designed and used with high LET particles (figure 1). Only a part of the work was published[3]. Publications of valuable results (figure 2) are still on the way because they are waiting for the comparison with MC simulations performed in collaboration with B. Gervais (CIMAP Caen) and M. Beuve (IPN Lyon). In parallel implementation of water radiation chemistry has been performed in the open source program GEANT4 in the ANR named GEANT4-DNA (2009-2012) by collaborating with S. Incerti (CENBG Bordeaux)[4].

Another high pressure system has been designed recently to reach 400 MPa with a flow and optical windows for pulse radiolysis experiments[5]. This system is devoted to the analysis of protein such as myoglobine under pressure stress in order to probe their tertiary structure and their reactivity towards water radical. (see topic 2)

 

 

[1] Baldacchino, G. et Hickel, B.. In: Hors série « Radiation Chemistry » de l’Actualité Chimique Sciences, E. (Editor) EDP Sciences; 2008.

[2] Elliot, A.J. et Bartels, D.M. The Reaction Set, In: AECL; 2009

[3] Saffré, D. et al., (2011) Journal of Physics: Conference Series, 261, 012013

[4] Incerti, S. et al., (2010) Medical Physics, 37, 4692-4708.

[5] Nguyen Le, D.T., et al. (2013) NIMS B, 299, 1-7

[6] Rapport à 6 mois sur l’avancement du projet SIRMIO – compte rendu de la réunion d’avancement du 8 mars 2013, convention Plan Cancer PC201204.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.1: Picture of the optical cell designed for high LET particle irradiations.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.2: Transient signals at 357nm for various high temperatures of Br2- (formation) and Br- (bleaching) in a 10mM NaBr solution irradiated by 130µs pulses of C6+ of 975MeV.

 

We are currently developing a new approach to analyze the fundamental aspects of the energy Deposition of swift Heavy Ions in Liquid Water (SIRMIO project 2012-2014). It should induce application in real time microdosimetry during hadrontherapy. This project consists in using fluorescence of molecule produced during radiolysis and observed by optical microscopy and fast detection of fluorescence induced by laser excitation. We expect to get images of energy deposition of energetic ions at micrometer scale with high time resolution as well.

After 6 months of work[6] the 4 partners got strong knowledge of the molecules to use, in terms of toxic effect in living cells, of radiolytic mechanisms and also purity, radiolytic yields. During these investigations, new methods in radiation chemistry should be available such as pulse radiolysis method with fluorescence induced by laser, and also a method to obtain the fluorescence lifetime coupled to alpha ionization (developed at IPHC Strasbourg). We expect to use very soon the microscopy in line with Van de Graaf accelerator, microprobe at LEEL in Saclay to reach our objectives.

20 juillet 2004

Dans de nombreux matériaux, le passage d’un rayonnement ionisant conduit à la formation d’espèces ioniques et radicalaires qui réagissent entre elles et avec leur environnement. Des impulsions d’électrons ou de particules permettent de déclencher des réactions chimiques élémentaires dont les cinétiques peuvent être suivies en temps réel. ALIENOR, l’accélérateur linéaire d’électrons de 10 MeV pour la radiolyse est l’outil de choix pour ces études en milieu poreux et aux interfaces solide-liquide.

27 août 2004

Topic 1 : Effects of Extreme Conditions in Radiation Chemistry

In numerous real situations, radical reactions occur with extreme thermodynamic conditions like temperature over 300°C, with pressure over 100 MPa, or triggered by nuclear reactions which produce elevated Linear Energy Transfer (LET) ionizing particles[1]. These parameters can induce drastic changes in the production and in the reactivity of radical species in water. The most recent data bases[2]  show a lack of knowledge. Therefore the effect of the combinations of extreme values of these conditions has never been considered: high temperature water submitted to high LET particles for instance.

In the context of the generation 4 nuclear power plant systems in which temperatures of fluid transfer should increase in order to improve the thermal-cycle yield, one system expected to be developed will involve supercritical water (374°C, 22 MPa). Consequently many fundamental questions on water radiolysis in these conditions appeared since Arrhenius extrapolation could not be applied. How to predict water decomposition in these conditions? That was essentially the aim of Dimitri Saffré PhD (2008-2011) who has performed experiments and MC simulations in a large range of temperature and LET in order to determine radiolytic yields and rate constants through an extreme condition-resistant chemical system: HBr. In situ analysis of Br-, Br2- and Br3- species allowed the determination of HOŸ yields in various conditions of irradiation: X-rays at ESRF (FAME Line, J.L. Hazeman), ns-electron pulses from ALIENOR accelerator in LRAD, ps-electron pulses from ELYSE in LCP/Orsay (M. Mostafavi), pulsed heavy ions in GANIL (E. Balanzat), helion beam in ARRONAX at Nantes (M. Fattahi). During this study a novel high temperature/high pressure cell has been designed and used with high LET particles (figure 1). Only a part of the work was published[3]. Publications of valuable results (figure 2) are still on the way because they are waiting for the comparison with MC simulations performed in collaboration with B. Gervais (CIMAP Caen) and M. Beuve (IPN Lyon). In parallel implementation of water radiation chemistry has been performed in the open source program GEANT4 in the ANR named GEANT4-DNA (2009-2012) by collaborating with S. Incerti (CENBG Bordeaux)[4].

Another high pressure system has been designed recently to reach 400 MPa with a flow and optical windows for pulse radiolysis experiments[5]. This system is devoted to the analysis of protein such as myoglobine under pressure stress in order to probe their tertiary structure and their reactivity towards water radical. (see topic 2)

 

 

[1] Baldacchino, G. et Hickel, B.. In: Hors série « Radiation Chemistry » de l’Actualité Chimique Sciences, E. (Editor) EDP Sciences; 2008.

[2] Elliot, A.J. et Bartels, D.M. The Reaction Set, In: AECL; 2009

[3] Saffré, D. et al., (2011) Journal of Physics: Conference Series, 261, 012013

[4] Incerti, S. et al., (2010) Medical Physics, 37, 4692-4708.

[5] Nguyen Le, D.T., et al. (2013) NIMS B, 299, 1-7

[6] Rapport à 6 mois sur l’avancement du projet SIRMIO – compte rendu de la réunion d’avancement du 8 mars 2013, convention Plan Cancer PC201204.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.1: Picture of the optical cell designed for high LET particle irradiations.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.2: Transient signals at 357nm for various high temperatures of Br2- (formation) and Br- (bleaching) in a 10mM NaBr solution irradiated by 130µs pulses of C6+ of 975MeV.

 

We are currently developing a new approach to analyze the fundamental aspects of the energy Deposition of swift Heavy Ions in Liquid Water (SIRMIO project 2012-2014). It should induce application in real time microdosimetry during hadrontherapy. This project consists in using fluorescence of molecule produced during radiolysis and observed by optical microscopy and fast detection of fluorescence induced by laser excitation. We expect to get images of energy deposition of energetic ions at micrometer scale with high time resolution as well.

After 6 months of work[6] the 4 partners got strong knowledge of the molecules to use, in terms of toxic effect in living cells, of radiolytic mechanisms and also purity, radiolytic yields. During these investigations, new methods in radiation chemistry should be available such as pulse radiolysis method with fluorescence induced by laser, and also a method to obtain the fluorescence lifetime coupled to alpha ionization (developed at IPHC Strasbourg). We expect to use very soon the microscopy in line with Van de Graaf accelerator, microprobe at LEEL in Saclay to reach our objectives.

08 septembre 2004

Les séparations membranaires font appel à des matériaux polymères caractérisés par leur structure, le diamètre de leur porosité et leurs propriétés physiques ou chimiques. L’irradiation avec des ions lourds traversant le matériau, suivie d'une attaque chimique du polymère permet d'obtenir la formation de pores cylindriques parallèles les uns aux autres, orientés selon la trajectoire incidente des particules. Des films de poly(téréphtalate d'éthylène) ont été irradiés et attaqués, puis la polymérisation chimique du pyrrole sur les surfaces et les pores des films a été effectuée. L'épaisseur du film, le nombre d'ions par cm² et le diamètre des pores (paramètres de l'attaque chimique) définissent les caractéristiques de la membrane finale. On obtient une "membrane creuse ", dont la longueur des tubes atteint 100 micromètres tandis que le diamètre de ces derniers varie de 150 à 500 nanomètres (LSI, collaboration PROFILTRA).

 

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