Développement d'une méthode de type "velocity map imaging" pour la mesure de sections efficaces d’émission d'électrons par des molécules d'intérêt biologique en collision avec des ions

Development of a velocity map imaging method to measure cross sections for ion-induced electron emission from biologically relevant molecules

• Auteur / Autrice : Nicolas Sens
• Direction : Jean-Yves Chesnel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Liénard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Chesnel, Emily Lamour, Lionel Poisson, Patrick Moretto-Capelle, Violaine Vizcaino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emily Lamour, Lionel Poisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions ion-molécule

Émission électronique

Sections efficaces (physique nucléaire)

Rayonnements ionisants

Biomolécules

Mots clés libres

Sections efficaces absolues d'émission d'électrons

Velocity Map Imaging (VMI)

Absolute electron emission cross sections

Ion/molecule interactions

Biologically relevant molecules

Ionizing radiation

Résumé

Ces dernières décennies, l'étude des collisions entre des ions et des molécules d'intérêt biologique a reçu un intérêt croissant en raison des applications en radiobiologie. L'objet de cette thèse est le développement d'un dispositif expérimental en faisceaux croisés spécialement dédié à la mesure de sections efficaces absolues totales, simplement et doublement différentielles (en énergie et/ou en angle) d’émission d’électrons par des molécules d’intérêt biologique. Les électrons émis dans un angle solide de 4π stéradians, suite à la collision entre l’ion projectile et la molécule cible, sont extraits et analysés en énergie et en angle par un spectromètre de type Velocity Map Imaging (VMI). Les sections efficaces absolues d'émission d'électrons sont déduites de la mesure de la densité du faisceau cible, de l'intensité du faisceau projectile et du recouvrement géométrique des deux faisceaux à l'aide d'une microbalance à cristal de quartz et d'un profileur de faisceau d'ions. Dans ce manuscrit, la description du dispositif expérimental, la méthode de détermination des sections efficaces ainsi que la caractérisation complète du dispositif sont détaillées. Les premières valeurs de sections efficaces absolues d'émission d'électrons par des molécules d'adénine et d'uracile en collision avec des ions C4+ (11,76 MeV) et N4+ (60 keV) obtenues avec ce nouveau dispositif sont également présentées et interprétées. La bonne concordance entre ces valeurs et les données expérimentales et théoriques existantes confirme le bon fonctionnement du dispositif expérimental.

In the last decades, ion collision with biologically relevant molecules has received increasing interest due to applications in radiation biology. The aim of this PhD is the development of a new crossed-beam experimental set-up dedicated to the measurement of absolute total, single and double differential (in angle and/or in energy) cross sections for electron emission from biologically relevant molecules. The electrons emitted in the 4π steradian solid angle after the collision between the projectile ion and the target molecule are extracted and analyzed by a Velocity Map Imaging (VMI) spectrometer. The cross sections are derived from measurements of the target beam density, the projectile beam intensity, and the beam overlap by means of a quartz crystal microbalance and an ion profiler. In this thesis, the experimental set-up description, the method used to determine the absolute cross sections and the complete characterization of the set-up are detailed. The first absolute cross sections for electron emission from adenine and uracil molecules upon collision with C4+ and N4+ ions measured with this new set-up are also shown and discussed. The good agreement between these results and previous experimental and theoretical data confirms the correct functionning of the experimental set-up.