Faible TEL vs TEL élevé : caractérisation

La figure I-5 montre la diversité des rayonnements quand il s’agit de les différencier sur le critère du TEL.

Rayonnement γ, électrons de haute énergie Rayons X de faible énergie, particules béta

Protons

Deutérons

Hélions

Ions lourds

Produits de fission des réactions nucléaires.

Figure I-5 : Classification des différents rayonnements ionisants en fonction de la

valeur du TEL.

Augmentation du TEL

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Les processus, s’achevant au bout d’une picoseconde, font partie des étapes physico- chimiques et sont censés être communs pour les ions lourds de haute énergie et les électrons. En effet, la majeure partie de l’énergie est communément déposée par les électrons secondaires. Cependant, la distribution spatiale de ces produits initiaux dépend fortement du type et de la vitesse de l’ion projectile, ce qui détermine la densité du dépôt d’énergie aussi bien que les angles et énergies d’éjection des électrons secondaires. Après l’étape physicochimique, les produits de la radiolyse de l’eau commencent à réagir entre eux après avoir diffusé depuis leur lieu de formation. De telles réactions sont appelées réactions intra- traces. Plus la distribution initiale est dense, plus les réactions intra-traces sont favorisées. Par conséquent, les rendements chimiques après ou pendant les réactions qui se produisent dans les traces dépendent fortement à la fois du type d’ion lourd mais aussi de son énergie. En général, les rendements des produits moléculaires (H2 et H2O2) sont plus importants au fur et à mesure que le TEL augmente, tandis que les rendements radicalaires (eaq-, H•, HO•) diminuent.

Un grand nombre d’expériences et d’études ont montré que les proportions des produits formés lors de la radiolyse de l’eau dépendent fortement des distances séparant les espèces primaires de la radiolyse entre elles le long de la trace d’ionisation. Cette distribution fait référence à la structure de la trace. La structure de la trace, combinée au schéma réactionnel et aux rendements des espèces primaires est à la base de la chimie sous rayonnement3.

 Irradiation à faible TEL et espèces présentes dans la trace

Dans les solvants, les premiers radicaux libres formés sont supposés être distribués dans les grappes, favorisant les réactions de recombinaison entre radicaux selon le mécanisme suggéré par Allen24. A faible TEL, il est convenu d’affirmer que les grappes sont séparées d’une grande distance entre elles par rapport à leur diamètre qui est de quelques nanomètres environ et que l’énergie déposée dans chaque grappe est d’une dizaine d’eV. Si on considère que l’énergie moyenne déposée dans chaque grappe est d’environ 50 eV25_{, cela signifie qu’en} moyenne les grappes sont séparées le long d’une trajectoire d’une distance de :

A faible TEL (typiquement 0,3 eV/nm, TEL moyen dans l’eau d’électrons accélérés à 1 MeV), les grappes sont donc séparées de plusieurs centaines de nanomètres26. Cela signifie donc que la trace entière doit être considérée comme une succession de grappes déposées

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aléatoirement le long d’une trajectoire à chaque fois qu’une collision se produit (description valable seulement dans le cas où l’on considère que les particules ionisantes n’interfèrent pas entre elles. A plus forte dose, cette description n’est plus valable). Ainsi, il est clair que les grappes formées lors d’une irradiation à faible TEL sont très éloignées les unes des autres le long de la trace lors de leur formation initiale. La probabilité d’un recouvrement de celles-ci est donc très faible lors des premières étapes clés de la radiolyse. Avec le temps, elles vont ensuite s’étendre et le recouvrement deviendra possible.

 Irradiation à TEL élevé et structure de la trace engendrée

Quand une particule chargée est accélérée, elle possède une grande quantité d’énergie. Elle dépose en grande partie son énergie lors d’interactions coulombiennes avec la matière. Pour les ions lourds de haute énergie et de TEL élevé, les interactions électroniques sont prédominantes, ce qui entraîne l’éjection d’électrons secondaires de haute énergie. Ces électrons secondaires déposent également leur énergie lors d’interactions coulombiennes et des électrons tertiaires sont ainsi obtenus. Il est à noter que les électrons de n’importe quelle génération produits lors de ces étapes sont en fait considérés comme étant tous des électrons secondaires.

En augmentant le TEL de la particule servant de projectile (typiquement 30 keV/μm, TEL moyen dans l’eau d’ions carbone de 1 GeV ou d’hélions de 70 MeV), la distance qui sépare les grappes formées lors de dépôts d’énergie est bien plus faible. En effet, les dépôts sont plus denses et la distribution de l’énergie est bien plus dense. La superposition est même fréquente. Les grappes sont donc très proches les unes des autres et forment une structure cylindrique le long de la trace (appelée cœur) dans laquelle la concentration en radicaux est élevée3, 26. La probabilité de recombinaison entre radicaux est donc plus grande que celle de la diffusion de ces espèces dans la solution irradiée. Par conséquent, les rendements radicalaires diminuent

alors que les rendements moléculaires augmentent. Autour de cette structure cylindrique

vont naître des traces secondaires à l’instar de celles observées à faible TEL mais celles-ci sont bien plus nombreuses et denses du fait que les électrons secondaires qui les engendrent sont très énergétiques.

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Figure I-6 : Illustration de différents segments de trace d’ions calculés (à 10-13s) pour (a) 1

H+ (0,15 MeV/u), (b) 4He2+ (1,75 MeV/u), (c) 12C6+ (25,5 MeV/u) et (d) 20Ne10+ (97,5 MeV/u). Les ions projectiles sont générés à l’origine (X = 0) et ont le même TEL le long de l’axe Y (70 keV/μm) 27

.

De plus comme le montre la figure I-7, on constate qu’à un TEL donné, la structure de la trace dépend fortement de la nature de l’ion incident. Cela a déjà été observé lors de nombreux précédents travaux28, 29.