Dissertations / Theses on the topic 'Électrons secondaires de basse énergie'

Résumé: Ce mémoire de maîtrise est une étude des probabilités d’interactions (sections efficaces) des électrons de basse énergie avec une molécule d’intérêt biologique. Cette molécule est le tétrahydrofurane (THF) qui est un bon modèle de la molécule constituant la colonne vertébrale de l’ADN; le désoxyribose. Étant donné la grande quantité d’électrons secondaires libérés lors du passage des radiations à travers la matière biologique et sachant que ceux-ci déposent la majorité de l’énergie, l’étude de leurs interactions avec les molécules constituant l’ADN devient rapidement d’une grande importance. Les mesures de sections efficaces sont faites à l’aide d’un spectromètre à haute résolution de pertes d’énergie de l’électron. Les spectres de pertes d’énergie de l’électron obtenus de cet appareil permettent de calculer les valeurs de sections efficaces pour chaque vibration en fonction de l’énergie incidente de l’électron. L’article présenté dans ce mémoire traite de ces mesures et des résultats. En effet, il présente et explique en détail les conditions expérimentales, il décrit la méthode de déconvolution qui est utilisée pour obtenir les valeurs de sections efficaces et il présente et discute des 4 résonances observées dans la dépendance en énergie des sections efficaces. En effet, cette étude a permis de localiser en énergie 4 résonances et celles-ci ont toutes été confirmées par des recherches expérimentales et théoriques antérieures sur le sujet des collisions électrons lents-THF. En outre, jamais ces résonances n’avaient été observées simultanément dans une même étude et jamais la résonance trouvée à basse énergie n’avait été observée avec autant d’intensité que cette présente étude. Cette étude a donc permis de raffiner notre compréhension fondamentale des processus résonants impliqués lors de collisions d’électrons secondaires avec le THF. Les valeurs de sections efficaces sont, quant à elles, très prisées par les théoriciens et sont nécessaires pour les simulations Monte Carlo pour prédire, par exemple, le nombre d’ions formées après le passage des radiations. Ces valeurs pourront justement être utilisées dans les modèles de distribution et dépôt d’énergie au niveau nanoscopique dans les milieux biologiques et ceux-ci pourront éventuellement améliorer l’efficacité des modalités radiothérapeutiques.
Abstract: This master’s thesis is a study of interactions probabilities (cross sections) of low-energy electrons with an important biomolecule. The studied molecule is tetrahydrofuran (THF) which is a good model for the DNA backbone constituent deoxyribose. Knowing the important quantity of secondary electrons generated by the radiations passage through the biological matter and knowing that these low-energy electrons are responsible for the majority of the energy deposited, the study of their interactions with DNA constituents becomes rapidly important. Cross sections measurements are performed with a high-resolution electron energy loss spectrometer. The electron energy loss spectra obtained from this spectrometer allow cross sections calculations for each vibration mode as a function of electron incident energy. The article presented in this master thesis describes in details the experimental methods, it presents energy loss spectra and it shows and discusses results obtained in this project. The energy dependence of the cross sections allows the observation of multiple resonances in many vibration modes of THF. Effectively, this study allows the energy localisation of 4 resonances, which have all been confirmed by previous experimental and theoretical studies on the electron-THF collisions. Additionally, these resonances have never been observed simultaneously in the same study and the resonance found at low incident energy has never been observed with as much intensity as this present work. This study allowed a better understanding of the fundamental processes occurring in collisions of low-energy electrons with THF. The cross sections values are highly prized by theorists and they are essential for Monte Carlo simulations. These values will be used in models for energy distribution and deposition in biological matter at nanoscopic scales, thereby they will eventually improve the efficiency of radiotherapeutic modalities.

Dans la chimioradiothérapie concomitante, il y a un effort pour augmenter son efficacité et atténuer la toxicité pour les cellules saines. Cela peut être atteint par le biais du synergisme et de la délivrance ciblée de médicaments (DCM). La DCM est un transport sélectif des médicaments vers des sites d'intérêt, protégeant ainsi les tissus sains de la toxicité des agents chimiothérapeutiques. Le synergisme est l'effet maximal de la chimioradiothérapie résultant des interactions complexes entre les deux modalités de traitement, comme l'interaction d'un agent radiosensibilisant avec des électrons de basse énergie (EBE) générés dans les tissus irradiés. Dans ce contexte, la thèse se concentre sur le processus de radiosensibilisation afin d'étudier le potentiel et les mécanismes radiosensibilisants des molécules sélectionnées basés sur leur interaction avec les EBE ; l'objectif est d'obtenir de nouvelles informations permettant de concevoir des radiosensibilisateurs plus efficaces et moins toxiques. La partie théorique traite des radiosensibilisateurs existants et leurs composés modèles du point de vue de l'interaction avec les EBE. La partie expérimentale combine des expériences d'attachement électronique en phase gazeuse et des calculs ab initio des affinités électroniques des molécules étudiées, des expériences de radiolyse pulsée en solution, ainsi que l'irradiation par microtron avec évaluation par la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Sur la base de l'étude des interactions avec les EBE (secondaires), le potentiel radiosensibilisant a été confirmé pour l'agent antiviral favipiravir ; une interaction significative a été prouvée pour le radiosensibiliseur chimiothérapeutique RRx-001, ainsi qu'une forte interaction des électrons solvatés avec les fullerénols comme une plate-forme radiosensibilisante destinée à la DCM
In concomitant chemoradiotherapy (CCRT), there is an effort to increase its effectiveness and alleviate toxicity for healthy cells. It may be achieved via synergism and targeted drug delivery (TDD). TDD is the selective drug transport to sites of interest, protecting healthy tissue from chemotherapeutic toxicity. The synergism, the highest chemoradioterapeutic effect, results from complex interactions between both treatment modalities, as the interaction of the radiosensitizing chemo-drug with secondary low-energy electrons (LEEs) arising in irradiated tissue. In light of that work focuses on the radiosensitization process to investigate the radiosensitizing potential and mechanisms of selected molecules based on interaction with LEE; there is an aim to obtain new information to design more effective radiosensitizers with lower toxicity. The theoretical part deals with existing radiosensitizers and their model compounds from the point of view of interaction with LEEs. The experimental part combines electron attachment experiments in the gas phase and ab initio calculations of electron affinities of studied molecules, pulse radiolysis experiments in solution, and microtron irradiation with NMR spectroscopic evaluation. Based on the study of interaction with (secondary) LEEs, the radiosensitizing potential was confirmed for the antiviral agent favipiravir; significant interaction was proven for radiosensitizing chemotherapeutic RRx-001 as well, so as a strong interaction of solvated electrons with fullerenols as a radiosensitizing carrier drug for TGM in CCRT
Konkomitantní chemoradioterapie je jedna z důležitých metod léčby rakoviny. Stále existuje snaha zvýšit její účinnost a udržet toxicitu pro zdravé buňky na snesitelné úrovni. Její největší výhodou je synergický efekt plynoucí z mnoha komplexních interakcí mezi oběma léčebnými přístupy (tzn. chemoterapie a radioterapie). Bylo ukázáno, že jednou z příčin synergismu může být interakce chemosložky (tzv. radiosensitizéru) se sekundárními nízkoenergetickými elektrony vznikajícími v hojném počtu během radiolýzy v ozářené tkáni. V této práci se zaměřuji na proces radiosensitizace s cílem prozkoumat radiosensitizační potenciál molekul a odhalit radiosensitizační mechanismy na bázi jejich interakce s nízkoenergetickými elektrony. Motivací této práce bylo získat nové informace pro návrh nových a více účinných radiosensitizérů s menší toxicitou. Práce sestává z teoretické a experimentální části. Teoretická část je postavena na rešerši již existujících radiosensitizérů a jejich modelových sloučenin z pohledu interakce s nízkoenergetickými elektrony. Experimentální část kombinuje experimenty elektronového záchytu v plynné fázi na dvou experimentálních zařízeních, experimenty pulsní radiolýzy v roztoku, dále ozařování na mikrotronu s NMR spektroskopickým vyhodnocením a ab-initio výpočty elektronových afinit studovaných molekul a jejích fragmentů. V této práci bylo studováno antivirotikum favipiravir, pro který jsme na základě interakce s nízkoenergetickými elektrony potvrdili jeho radiosensitizační potenciál. Také byl zkoumán mechanismus radiosensitizace již potvrzeného radiosensitizéru a zároveň chemoterapeutika RRx-001 z pohledu jeho možné interakce se sekundárními nízkoenergetickými elektrony, která byla v této práci potvrzena. Nakonec byla odhalena silná interakce solvatovaných elektronů s fullerenoly studovanými pro použití v rámci platformy, která by prokazovala citlivost na nízkoenergetické elektrony a užívala by se pro dodávání léků v rámci konkomitantní chemoradiační terapii

Nous proposons une methode de nitruration superficielle a basse temperature de films minces de silice par silicium (100). La nitruration superficielle est realisee en irradiant la surface de la silice avec des electrons de basse energie (3 ev-300 ev) en presence d'une faible pression d'ammoniac (p#n#h#310###4 mbar). Grace aux differentes analyses physico-chimiques de surface et de volume: aes, erosion ionique, spectroscopie de masse d'ions secondaires, spectrometrie ir-ft, nous avons pu mettre en evidence la realite de la nitruration et suivre la distribution de concentration d'azote dependant de l'energie des electrons incidents utilises pour la reaction de la densite de courant et de la pression du gaz d'ammoniac. Les mesures electriques entreprises par la methode de sonde a mercure revelent l'effet benefique d'un recuit h#2 post-nitruration (450c), reduisant la concentration des pieges crees sous irradiation. Cette etape une fois franchie, nous avons pu decoupler l'influence des parametres temperature (700c950c) et irradiation d'electrons de 3 ev rencontres dans un plasma faiblement ionise du reacteur uranos-cnet meylan. Ces electrons engendrent un taux de nitruration superficielle non negligeable meme a la temperature ambiante. L'elevation de la temperature (<950c) de l'echantillon active la reaction superficielle de ces electrons de faible energie avec la surface de sio#2 et favorise la migration de l'azote vers l'interface. Ces resultats nous ont permis de comprendre le role joue par les electrons de faible energie dans la reaction de nitruration plasma et le mecanisme de nitruration sous faisceau d'electrons de basse energie

Ce projet doctoral consiste en l’étude de la dynamique de l’interaction entre des ions multichargés et des dimères de gaz rare dans des collisions à basse énergie. Après capture d’un ou plusieurs électrons de la cible par le projectile, plusieurs états moléculaires ioniques peuvent être produits. Ces états vont ensuite relaxer en fragments chargés via plusieurs processus de dissociation. Expérimentalement, cette étude est réalisée en utilisant la technique COLTRIMS, particulièrement efficace puisqu’elle permet la détection en multi-coïncidence des fragments moléculaires et du projectile. Théoriquement, la dynamique de la collision est interprétée à l’aide d’un calcul classique basé sur le modèle de la barrière coulombienne mais adapté au traitement de cibles moléculaires tels que les dimères de gaz rares. Ce modèle s’est montré en bon accord avec les résultats expérimentaux, que ce soit en termes de production relative des différents processus de dissociation, ou en termes de dépendance angulaire entre l’orientation de la molécule et la direction du projectile diffusé. L’ensemble de ce travail a finalement permis d’établir une cartographie des processus dans le repère de la molécule cible et de mettre en évidence un nouveau processus de relaxation de l’ion moléculaire. Ce processus de relaxation est émetteur d’électrons de très basse énergie et pourrait avoir un rôle non négligeable dans l’estimation des dommages causés par impact d’ion
Within this thesis, the dynamics of collisions between low energy multi-charged ions and Van-der-Waals dimers is investigated theoretically and experimentally. During the interaction ion/dimer, electrons from the target can be captured by the projectile and produce ionic states of the dimer. These states will then relax into charged fragments via multiple dissociation processes. Experimentally, this study is performed by means of Cold-Target Recoil-Ion Momentum Spectroscopy, a powerful technique which allows the multi-coincidence detection of target ionic fragments and the projectile. Theoretically, the collision dynamics is investigated using a classical calculation based on the Coulombic Over-Barrier Model and adapted to treat diatomic molecules such as dimers. This model has shown good agreement with the experimental results, both in terms of relative production of the different dissociation processes, and in terms of angular dependence of the molecular orientation in respect with the scattered projectile direction. All of this work has finally enabled to provide, for the different processes, the two-dimensional probability maps p(b) in the molecular frame and to highlight a new relaxation mechanism of the molecular ion named Interatomic Coulombic Decay. This relaxation process is electron emitter of very low energy and could have a significant role in the assessment of damage caused by ion impact

Ce mémoire de thèse porte sur l'étude de la réactivité induite par les électrons de basse énergie (0-20 eV) dans les systèmes condensés. Ces électrons induisent dans ces systèmes la formation de fragments réactifs pouvant ensuite initier des réactions soit avec le substrat : c'est la fonctionnalisation de la surface, soit au sein même du film, ce qui conduit à la synthèse de nouvelles molécules. La première partie traite de la caractérisation et de la fonctionnalisation par des groupements organiques de la surface de diamant hydrogéné polycristallin. Il est en particulier montré que les électrons peuvent induire la chimisorption de groupements (CH2CN) après l'irradiation de deux monocouches d'acétonitrile CH3CN condensées sur le diamant, suivant une réaction, résonante à 2 eV pour laquelle un mécanisme est proposé. Cette étude ouvre ainsi la voie à l'utilisation des électrons de basse énergie comme vecteur de la fonctionnalisation contrôlée des surfaces. La deuxième partie concerne l'étude de la synthèse induite dans les glaces à basse température. Il est montré la formation de CO2 à partir de différents acides carboxyliques, ainsi que la synthèse de molécules plus complexes, comme l'acide aminé glycine à partir du film mixte CH3COOH:NH3 ou l'acide carbamique à partir du mélange CO2:NH3. Dans ces deux cas, un mécanisme de réaction est proposé. Cette étude montre que les électrons de basse énergie, présents en grand nombre en tant qu'électrons secondaires dans tout système condensé sous rayonnement ionisant (glaces interstellaires ou stratosphériques) peuvent jouer un rôle dans la chimie de ces milieux, en particulier dans la chimie prébiotique du milieu interstellaire.

Résumé : Il est généralement admis que les cassures double-brin (CDB) de l’ADN sont parmi les lésions les plus toxiques induites par les radiations ionisantes (RI). Les CDBs non ou mal réparées peuvent conduire à une instabilité génomique et à la mort cellulaire. La chimioradiothérapie concomitante est l’une des modalités la plus efficace pour le traitement de certains cancers surtout en stade avancé. Le rendement des CDBs a augmenté quand l’ADN a été irradié en présence de cisplatine avec des électrons de basse énergie (EBEs). Notre étude a pour objectif de réévaluer la contribution des CDBs et d’autres lésions induites par les RI dans la létalité cellulaire. L'effet des RI sur la fonctionnalité de l’ADN plasmidique modifié ou non de façon covalente par le cisplatine a été étudié par mesure de l'efficacité de transformation du plasmide dans E. coli. Les complexes cisplatine-ADN ont été préparés de telle sorte qu’il y avait en moyenne deux adduits de cisplatine par plasmide tel que mesuré par ICP-MS. Nos échantillons ont été irradiés en solution avec des doses croissantes de rayonnements gamma (137Cs). La présence de cisplatine a augmenté la formation des CDBs par un facteur de 2.6 par comparaison avec l'ADN non modifié. Malgré cette augmentation, le rendement des CDBs reste très faible et ne peut pas expliquer la perte de fonctionnalité observée. Alors que, les dommages multiples localisés (LMDS) (non-DSB cluster damage) donnant naissance à des CDBs sous l’action des enzymes de réparation la formamidopyrimidine [fapy]-DNA glycosylase (Fpg) et l’endonuclease III (Nth) où leur rendement a été augmenté d’un facteur de 2.1 lorsque l’ADN a été irradié en présence de cisplatine, ont pu expliquer la perte de fonctionnalité observée. Ces résultats suggèrent que le cisplatine peut agir, non seulement comme un agent chimiothérapeutique, mais aussi comme un radiosensibilisateur efficace par addition d’autres lésions à l’ADN. Aussi, pour la première fois nous avons pu évaluer l’effet des EBEs sur la létalité cellulaire. Des films d'ADN ont été préparés en utilisant la méthode d’adsorption douce sur un substrat de graphite pyrolytique, en présence de 1,3- diaminopropane (Dap[indice supérieur]2+) et ont été irradiées avec des EBEs 10 eV. Nous avons pu conclure, qu’en plus des CSBs, CDBs et des dommages de base, les EBEs sont capables aussi d’induire des LMDS (non-DSB cluster damage) et induire la perte de fonctionnalité de l’ADN. Le rendement des CDBs est très faible d’où ils n’ont pas pu expliquer la perte de fonctionnalité de plasmide observée, après irradiation avec les EBEs. Le rendement très faible des LMDS (non-DSB cluster damage) ne peut pas expliquer la perte de fonctionnalité de l’ADN. Il semble que les EBEs sont capables d’induire des dommages très proches les uns des autres et qui ne peuvent pas être révélés par les enzymes de réparation Fpg et Nth. Plus les dommages sont proches les uns des autres, plus leur réparation est difficile, car une de ces lésions peut inhiber la réparation de l’autre la plus proche. // Abstract : It is generally accepted that DNA double-strand breaks (DSB) are among the most toxic lesions induced by ionizing radiation (IR). Unrepaired or misrepaired DSB can lead to genomic instability and cell death. It is known that concomitant chemoradiation therapy is one of the most preferred methods for the treatment of certain cancers especially in advanced stage. The yield of DSBs was increased when DNA was irradiated with low energy electron (LEEs). The aims of our study was to reassess the contribution of DSBs and other lesions induced by indirect and direct effect of IR in cell lethality. The effect of IR on the DNA functionality of the plasmid modified covalently with cisplatin was studied by measuring the transformation efficiency of the plasmid in E. coli. Cisplatin-DNA complexes were prepared such that there was an average of two cisplatin adducts per plasmid as measured by ICP-MS. Aqueous solutions of the samples were irradiated with 137Cs [gamma]-rays at various doses. Gel electrophoresis analysis shows that cisplatin enhances, by a factor of 2.6, the formation of DSB by [gamma]-rays relative to those in unmodified DNA. Despite this increase, the yield of DSBs is very low and cannot explain the loss of functionality observed after transformation with plasmids modified with cisplatin. While locally multiple damaged sites (LMDS) revealed by repair enzymes Fpg (Formamidopyrimidine [fapy]-DNA glycosylase) and Nth (Endonuclease III) as DSB (nonDSB cluster damage), where their yield was increased by a factor of 2.1 when DNA was irradiated in the presence of cisplatin were able to explain the observed loss of DNA functionality. These results suggest that cisplatin may act not only as a chemotherapeutic agent, but also as an effective radiosensitizer by addition of other DNA lesions. For the first time, we could also evaluate the effect of low energy electrons (LEEs) on DNA functionality. Highly ordered DNA films were prepared on pyrolytic graphite by molecular self-assembly using 1,3-diaminopropane ions (Dap[superscript]2+) to bind together the plasmids and irradiated with LEE (10 eV). We concluded that in addition to CSBs, DSBs and base damage, LEEs induced the formation of non-DSB cluster damage and also induced the loss of DNA functionality under LEE irradiation. The yields of DSBs and of non-DSB cluster damage are too low and so one unable to explain the loss of DNA functionality. It seems that LEEs are able to induce a high complex damage that cannot be revealed by repair enzymes Fpg and Nth. The high complex damage is difficult to repair possibly because the repair of one lesion, may inhibit the repair of another.

Il a été démontré que les électrons de basse énergie (EBE) peuvent induire des cassures simple brin (CSB) à l'ADN, via la formation d'anions transitoires qui décroissent par attachement dissociatif, ou dans d'autres états électroniques dissociatifs menant à la fragmentation. Afin d'effectuer une étude complète des effets des électrons de basse énergie sur la matière biologique, il est nécessaire de comprendre leur mécanisme d'interaction non seulement avec l'ADN, mais avec les constituants de son environnement. Les histones sont une composante importante de l'environnement moléculaire de l'ADN. Leur charge positive leur permet de s'associer aux groupements phosphate anionique de l'ADN. Le rôle principal de ces protéines basiques consiste à organiser l'ADN et l'empaqueter afin de former la chromatine. Les cations sont une autre composante importante de la cellule; ils jouent un rôle dans la stabilisation de la conformation B de l'ADN in vitro par leurs interactions avec les petits et grands sillons de l'ADN, ainsi qu'avec le groupement phosphate chargé négativement. Avec les histones, ils participent également à la compaction de l'ADN pour former la chromatine. Cette étude a pour but de comprendre comment la présence d'ions organiques (sous forme de Tris et d'EDTA) à proximité de l'ADN modifie le rendement de cassures simple brin induit par les électrons de basse énergie. Le Tris et l'EDTA ont été choisis comme objet d'étude, puisqu'en solution, ils forment le tampon standard pour solubiliser l'ADN dans les expériences in vitro (10mM Tris, 1mM EDTA). De plus, la molécule Tris possède un groupement amine alors que l'EDTA possède 4 groupements carboxyliques. Ensemble, ils peuvent se comporter comme un modèle simple pour les acides aminés. Le ratio molaire de 10 :1 de Tris par rapport à l'EDTA a pour but d'imiter le comportement des histones qui sont riches en arginine et lysine, acides aminés possédant un groupement amine chargé positivement additionnel. Des films d'ADN de différentes épaisseurs, possédant entre 0 et 32 ions organiques/ nucléotide, ont été irradiés avec des électrons de 10eV. Les dommages induits par les électrons, sous forme de cassures, ont été détectés par électrophorèse. Nous avons démontré que le rendement de cassure simple brin diminuait de façon dramatique en fonction du nombre d'ions organiques/ nucléotide. Aussi peu que 2 ions organiques/ nucléotide sont suffisant pour décroître le rendement de SSB de 70%. Cet effet radioprotecteur est en partie expliqué par l'augmentation de l'épaisseur des films, mais surtout par la modification du champ électrique à proximité de l'ADN, due à l'ajout de molécules chargées positivement. La modification du champ électrique près de l'ADN altère les paramètres de résonance comme le temps de vie de l'anion transitoire et la limite de dissociation, qui influent directement sur la section efficace d'attachement dissociatif. L'effet protecteur peut également être expliqué par la restauration des bases anioniques déshydrogénées induites par l'attachement dissociatif de l'électron sur une base (G(-H)[indice supérieur -]). Ce sont les molécules Tris qui, en transférant un atome d'hydrogène ou un proton, restaurent les bases déshydrogénées et inhibent par le fait même la formation de cassures simple brin. Ces résultats indiquent que les histones peuvent également participer à la réparation de dommages précoces induits à l'ADN avant qu'elles ne mènent à des dommages encore plus nocifs et difficiles à réparer, comme les cassures simples brins.

The major objective of our group is to understand the mechanism of DNA damage induced by secondary low-energy electrons (LEE) arising from ionizing radiation and its relationship to radiosensitization and radiotherapy. Prof. Sanche has developed a novel low-energy electron irradiation system in which a relatively large area of thin films of DNA constituents can be irradiated with mono-energetic electrons under ultra high vacuum. This permits the irradiation of target DNA and the formation of sufficient degraded material to allow for chemical analysis (HPLC, GC/MS, and LC/MS/MS) of products remaining on the target surface, so as to elucidate the mechanism of LEE-induced DNA damage. My project focuses on simple systems, in which small DNA components nucleosides (dThd), nucleotides (pT, Tp, pTp), oligonucleotides (TT and TTT) and modified oligonucleotides (T5BrUT) are exposed to low-energy electrons, and the subsequent reactions are studied by chemical analysis of the products. My studies revealed three mechanisms of LEE-induced fragmentation reactions in DNA: 1) the terminal phosphate group has a larger cross-section in LEE-induced DNA damage; 2) initial LEE capture and subsequent bond breaking within the intermediate anion depend on the sequence and electron affinity of the bases; and 3) at 10 eV, one electron might induce double events. This study provides a chemical basis for the formation of DNA strand breaks by the interaction of LEE with DNA.

Dans la premiere partie, nous presentons une methode originale permettant une determination precise de l'energie de non charge des isolants en microscopie electronique a balayage. Elle est basee sur l'etude de la variation du potentiel de la surface d'un isolant induite par un depot de charges. Elle utilise pour cela l'analyse des spectres energetiques des electrons secondaires reemis. De plus, elle permet un acces qualitatif au rendement de charge. Elle est appliquee avec succes a divers oxydes de silicium ainsi qu'a des resines lithographiques. Les resultats obtenus sont correles avec d'autres methodes utilisees en metrologie et une generalisation de theories existant dans la litterature. Dans la deuxieme partie, dans le cas de composants mos, nous caracterisons divers processus technologiques a partir des densites de charge d'oxyde de grille et d'etats d'interface induites par les irradiations aux electrons basse ou moyenne energie. Les composants sont issus de technologies a lithographie optique et a faisceau d'electrons, a un et deux niveaux de metal. Un comportement original est observe sur des transistors a canal p a un niveau de metal. Il s'agit d'une deformation de la caracteristique de transfert avec la dose d'electrons incidents et d'une augmentation de la transconductance. Ce phenomene est interprete et modelise comme la mise en serie, sous l'effet de l'irradiation electronique, de plusieurs transistors. Les simulations realisees a partir d'un modele a une dimension sont en excellent accord avec l'experience. Nous avons de plus, mis en evidence, sur des composants a deux niveaux de metal, les effets de sur-irradiation en cours de processus technologique

Un des principaux buts du domaine de la radiobiologie est de donner une description complète des effets de la radiation ionisante (RI) sur les cellules vivantes et sur l'organisme humain, en analysant la séquence des événements par lesquels les radiations modifient un système biologique. Ce sont tout d'abord les événements ultrarapides (10[indice supérieur -15] -10[indice supérieur -12]s) qui initient tout le processus de modification (dommage). Les études présentées dans ce mémoire portent sur ce type d'évènement durant l'irradiation de l'acide désoxyribonucléique (ADN). Ce choix est dicté par l'importance de l'ADN qui est la structure cible causant la létalité cellulaire. Les électrons de basse énergie (EBE) représentent un élément très important en sciences des radiations, surtout en ce qui concerne les phénomènes ultrarapides (de l'ordre de la femtoseconde (fs)) se produisant lors de l'impact de la radiation sur le milieu biologique. En effet, suite à l'impact du rayonnement ionisant (RI) sur l'ADN, des électrons appelés électrons secondaires (ES) sont arrachés de la cible. Il a été montré, lors d'études récentes, que l'énergie la plus probable de ces ES est de 9-10 eV et qu'ils portent en majorité une énergie inférieure à 25 eV (Pimblott et La Verne, 2007). En plus, dans une cellule irradiée, il y a environ 10 5 produits secondaires (PS) par 1 MeV d'énergie déposée (Pimblott et La Verne, 1995 ; Sanche, 2005), et parmi ces PS, il y a environ 4x10[indice supérieur 4] ES. Il est donc pertinent, voire nécessaire, d'étudier l'effet des ES de basse énergie sur l'ADN. Des études de ce genre ont été plusieurs fois réalisées auparavant. Cependant, les molécules neutres, qui pourtant ont un rôle très important dans le dommage à l'ADN, ne sont pas assez étudiées par rapport aux ions par exemple. L'effet sur des monocouches autoassemblées ("Self Assembled Monolayers" : SAM) d'oligonucléotides (ODN) simple brin chimisorbés sur un substrat d'or a été étudié par spectrométrie de masse des espèces neutres désorbées suite à l'impact électronique. Les SAM sont bombardées à haut courant (10[indice supérieur -6] Amp) et dans une chambre à hyper vide (10[indice supérieur -9] Torr) avec des électrons ayant une énergie de 3 à 25 eV, grâce à un canon collimé magnétiquement. Nos résultats montrent que les EBE ont des effets directs et indirects sur l'ADN. Ces effets semblent être principalement des cassures de brin. Il n'y a pas eu observation de molécules de sucre ou de fragments contenant du phosphore ou encore de bases d'ADN entières. Cependant, nous observons la formation de nouvelles (pour ce type d'expériences) molécules neutres. La section efficace absolue est obtenue à partir de la pression partielle absolue des molécules neutres. Nos résultats montrent qu'en plus des mécanismes résonnants tels que l'attachement dissociatif d'électron (ADE), des excitations non résonantes (dissociations directes) sont à l'origine du dommage à l'ADN. Et les courbes de section efficace obtenues pour la majorité des molécules neutres ont la même allure que les courbes de section efficace de cassure simple brin obtenues par Cai et al. (2006). D'autre part, avec la proximité de notre substrat d'or, les rendements de désorption de fragments neutres ont pu être réduits (Rowntree et al., 1996) et par conséquent les dommages pourraient s'avérer plus importants dans le milieu biologique. Nous avons aussi suggéré quelques mécanismes de formation des molécules neutres. Les EBE ont des effets importants sur l'ADN et ces effets dépendent de l'environnement et de la topologie moléculaire de l'ADN (Abdoul-Carime et al., 2000). L'importance de ces effets implique l'action des EBE en radiobiologie et en radiothérapie.

Ce travail de thèse nous a mené à apporter de nouveaux développements au code Monte-Carlo de simulation détaillée Geant4-DNA pour étudier les interactions des électrons de basse énergie dans l'eau liquide, principal constituant des organismes biologiques. La précision des résultats obtenus avec les codes Monte-Carlo repose sur le réalisme de leurs modèles physiques : les sections efficaces. CPA100 est un autre code Monte-Carlo de structure de trace. Il dispose de sections efficaces d'ionisation, d'excitation électronique et de diffusion élastique dont les méthodes de calculs sont indépendantes de celles utilisées pour les sections efficaces de Geant4-DNA (modèles physique " option 2 " et son amélioration " option 4 "). De plus, les sections efficaces de CPA100 sont en meilleur accord avec certaines données expérimentales. Nous avons implémenté les sections efficaces de CPA100 dans Geant4-DNA pour offrir aux utilisateurs l'opportunité d'utiliser des modèles physiques alternatifs désignés Geant4-DNA-CPA100. Ils sont disponibles en libre accès dans la plateforme Geant4 depuis juillet 2017. La vérification de l'implémentation correcte de ces modèles physiques dans Geant4-DNA a consisté à comparer la simulation de plusieurs grandeurs de base obtenues avec Geant4-DNA-CPA100 et CPA100 et des résultats très similaires ont été obtenus. Par exemple, un excellent accord entre les longueurs de trajectoire et les nombres d'interactions a été mis en évidence. Puis, nous avons évalué l'impact des sections efficaces en utilisant les modèles physiques originaux de Geant4-DNA (" option 2 " et " option 4 "), Geant4-DNA-CPA100 et le code PENELOPE, pour obtenir des grandeurs d'intérêt pour des calculs dosimétriques : les " dose-point kernels " (DPK, pour des électrons monoénergétiques) et les facteurs S (pour des électrons monoénergétiques et des émetteurs d'électrons Auger). Les calculs de DPK de Geant4-DNA avec les modèles physiques " option 2 " et " option 4 " sont similaires et une différence systématique a été mise en évidence avec Geant4-DNA-CPA100. Les DPK calculés par ce dernier ont montré un bon accord avec le code PENELOPE. Les facteurs S obtenus avec Geant4-DNA " option 2 " sont globalement proches de Geant4-DNA-CPA100. Enfin, nous avons cartographié les dépôts d'énergie dans un contexte de radioimmunothérapie. De telles simulations sont habituellement réalisées en considérant des tumeurs sphériques et des biodistributions uniformes d'anticorps monoclonaux. Nous avons extrait des données plus réalistes d'un modèle 3D innovant de lymphome folliculaire, incubé avec des anticorps. Les dépôts d'énergie ont été calculés pour différents émetteurs d'électrons Auger (111In et 125I) et de particules ß- (90Y, 131I et 177Lu). Ces calculs ont montré que les émetteurs de particules ß- délivrent plus d'énergie et irradient une plus grande fraction du volume que les émetteurs d'électrons Auger. L'émetteur de particule ß- le plus efficace dépend de la taille du modèle qui est utilisé
During this PhD thesis, new developments have been brought to Geant4-DNA step-by-step Monte Carlo code. They were used to study low-energy electron interactions in liquid water - the major component of living organisms. The accuracy of results obtained through Monte Carlo code is limited by the validity of their cross sections. CPA100 is another step-by-step Monte Carlo code. It is equipped with ionization, electronic excitation and elastic scattering cross sections. However, these cross sections are calculated according to methods independent of those used for Geant4-DNA cross section calculations, which consisted of two original physics models: "option 2" and its improvement, "option 4". Moreover, in some cases CPA100 cross sections are in better agreement with experimental data. Therefore, the first objective of this research was to implement CPA100 cross sections into Geant4-DNA in order to give users the choice of alternative physics models, known as Geant4-DNA-CPA100. They have been available to users since July 2017. The verification of the correct implementation of these physics models within Geant4-DNA involved a comparison of different basic quantities between Geant4-DNA-CPA100 and CPA100 and extremely similar results were obtained. For instance, a very good agreement was highlighted between the calculations of the track length and the number of interactions. Consequently, the impact of cross sections was assessed using the original Geant4-DNA physics models ("option 2" and "option 4"), the alternative Geant4-DNA-CPA100 physics models and PENELOPE code for calculations of useful quantities in nuclear medicine, such as dose-point kernels (DPKs for monoenergetic electrons) and S values (for monoenergetic electrons and Auger electron emitters). With regards to DPK calculations, Geant4-DNA with "option 2" and "option 4" physics models were in close agreement, showing a systematic difference with Geant4-DNA-CPA100, which in turn were close to those calculated with PENELOPE code. For S value calculations, however, Geant4-DNA results were in good agreement with Geant4-DNA-CPA100. Finally, in the context of radioimmunotherapy, energy depositions were mapped. Such simulations are usually performed assuming spherical tumor geometries and uniform monoclonal antibody distributions. Realistic data was extracted from an innovative 3D follicular lymphoma model incubated with antibodies. Energy depositions were calculated for Auger electron (111In and 125I) and ß- particle (90Y, 131I and 177Lu) emitters. It was demonstrated that ß- particle emitters delivered more energy and irradiated greater volume than Auger electron emitters. The most effective ß- particle emitter depends on the size of the model that is used

Utilisant des données Monte-Carlo ATLAS en simulation complète du canal ttH;H->WW(*), cette thèse prsésente une étude de la mesure du couplage de Yukawa du quark top pour une lumisosité intégrée de 30fb(-1) dans la gamme de masses du Higgs allant de 120 à 200GeV. Les effets du système de déclenchement, de l'empilement des événements, ainsi que de toutes les erreures systématiques possibles ont été étudiés. Pour une masses du Higgs de 160GeV, en incluant les erreures systématiques, la significance obtenue du signal est à 2 sigma en combinant les états finaux à deux et trois leptons. Le rapport d'embranchement combiné sigma_ttH*Br(H->WW(*) peut atteindre une précision de 47 %. Cette thèse comprend également une étude de la linéarité de la réponse à des électrons VLE avec des données de tests en faisceau combiné d'un secteur du détecteur ATLAS. Les résultats MC utilisant une graine multiple 5X5 permettent d'envisager une amélioration future de la linéarité de réponse à des électron VLE
Using ATLAS Computing System Commissioning Monte Carlo(MC) full simulation data, this thesis studies the feasibility of measuring top-quark Yukawa Coupling in 30fb(-1) integrated luminosity of the ttH;H->WW(*) channel, within the Higgs mass range from 120 to 200 GeV. The trigger, pileup effects and all possible systematic uncertainties are studied. For a Higgs mass of 160 GeV, with the detailed systematics uncertainties, the signal signifficance is shown to exceed 2 sigma by combining two leptons and three leptons final states together. The combined branching ratio of sigma_ttH*BR(H->WW(*)) can reach an accuracy of 47%. This thesis also presents a study of the linearity of VLE electron from 2004 ATLAS Combined Test Beam data, and MC study shows a possible improvement by using 5*5 multiple seed clustering

Les calculs théoriques prévoient que la dynamique d’excitation rotationnelle desmolécules CO et O2, induite par collision avec H2, est dominée par des résonancesquantiques aux très basses énergies. Leur mise en évidence expérimentale estrendue difficile par la nécessité d’obtenir des énergies de collision très faibles et unegrande résolution en énergie. Les expériences menées grâce à un montage defaisceaux moléculaires croisés à angle d’intersection variable, nous permettent ainsid’observer le seuil des transitions j = 0  1 de CO à 3,85 cm-1 et Nj = 10  11 de O2à 3,96 cm-1. Ces énergies correspondent à l’énergie cinétique moyenne d’un gaz àune température inférieure à 4 K. Les pics dans le tracé des sections efficacesintégrales en fonction de l’énergie de collision, constituent la première observationexpérimentale de résonances pour des processus inélastiques. Le bon accord avecles calculs théoriques permet de valider les potentiels d’interaction et ainsi dedéduire les constantes de vitesse pour la modélisation du milieu interstellaire. Nosrésultats expérimentaux mettent en relief la nature quantique des interactionsmoléculaires aux très basses énergies
Theoretical calculations predict that the dynamics of rotational excitation of CO or O2molecules, induced by collisions with H2, are dominated by quantum scatteringresonances at very low energies. However, experimental observation of these effectsis challenging: very low collision energies and high energy resolution are bothrequired. Experiments performed with a crossed molecular beam apparatus withvariable intersection angle allow us to observe the thresholds of the CO (j = 0  1)transition at 3.85 cm-1 and the O2 (Nj = 10  11) transition at 3.96 cm-1, whichcorrespond to the average kinetic energy of a gas below 4 K. The peaks in theintegral cross section’s collision energy dependence constitute the first experimentalobservation of resonances in an inelastic process. The good agreement betweentheory and experiment reinforces the confidence in the interaction potentials used todeduce rate coefficients for modeling the interstellar medium in the 1-20 K range. Ourexperimental results highlight the quantum nature of molecular interactions at verylow energies

Résumé : Lors de l’utilisation de la radiation pour le diagnostic et le traitement du cancer, l’ADN est une cible importante due à son rôle dans la division cellulaire. La radiation y dépose de l’énergie par production abondante (10[indice supérieur 5] e[indice supérieur −]/MeV) d’électrons de basse énergie (EBE) (<50 eV) menant à la production de radicaux et à la dissociation de molécules. Une meilleure compréhension de ces phénomènes physico-chimiques mènera au développement de nouvelles stratégies en radioprotection et en radiothérapie. Il est primordial d’identifier et de quantifier ces dommages initiaux. Suite à des résultats obtenus par des expériences récentes (Li et al., 2010) sur des couches minces d’ADN irradiées par des EBE dans le vide, nous suggérons que certains produits désorbent en quantité significative. Nous proposons une méthode pour mesurer cette perte de matière en utilisant une balance à quartz pour mesurer in situ les changements de masse totale. Ce mémoire présentera la conception et la construction de l’appareil ainsi que les résultats d’irradiation de la thymine et de la thymidine. À 25 ◦ C, le taux de perte de masse spontanée des échantillons joue un rôle important pour les petites molécules comme la thymine (126 uma). L’irradiation augmente d’abord ce taux qui diminue d’un facteur 5 à 15 après une exposition prolongée, signe de modifications notables de l’échantillon. Pour des molécules plus imposantes comme la thymidine (242 uma), il n’y a pas de désorption spontanée et le taux de désorption induite par des électrons de 50 eV est de 0,4 ± 0,1 uma/e[indice supérieur -]. Cette méthode, nécessaire à la calibration d’autres expériences réalisées par HPLC et spectrométrie de masse, permet de compléter la quantificationdes fragments, qui peuvent aussi être l’origine de lésions subséquentes.
Abstract : DNA is the principle target of radiotherapy (RT) due to its crucial role in cellular growth and function. Ionizing radiation (IR) delivers its energy into the cell and its nucleus via sequential ionization events that produce many low-energy electrons (LEE)(10[superscript 5]e[superscript −] per MeV) which drive subsequent molecular dissociations and the formation of radicals and other reactive species. Since a better understanding of these mechanisms is needed to develop new strategies for radioprotection and RT, it is essential to identify and to quantify the initial damage induced by IR. Recent chromatographic (HPLC) analysis of short oligonucleotide irradiated with LEE in vacuo (Li et al., 2010) revealed that only ∼30 % of the loss of intact molecules could be explained by the formation of identifiable radiation products. We hypothesize that electron stimulated desorption (ESD) may account for some of the unexplained loss of the missing molecules. Here we propose a new experimental method to quantify this loss using a quartz crystal microbalance to measure in situ the total mass change due to ESD. This thesis describes the design and the construction of the novel apparatus and presents results for LEE irradiated thymine (thy) and thymidine (dT). We find that at 25 ◦ C, the thermal-induced mass loss is important for small molecules such as thy (126 amu). Upon irradiation at 50 eV, the rate of mass loss initially increases, but then decreased by factors between 5 and 15 indicating structural changes occurring at the sample surface. For larger molecules such as dT (242 amu), there is no thermal evaporation at 25 ◦ C and the LEE induced rate of desorption at 50 eV is 0.4 ± 0.1 amu/e[superscript -]. This work is needed to calibrate HPLC and mass spectrometry experiments allowing us to quantify the fragment species produced by LEE that are expected to induce further and biologically significant damage.

L'interaction de la radiation ionisante avec la matière biologique implique la formation d'une très grande quantité d'électrons de basse énergie, pour la plupart en deçà de 20 eV, qui déposeront ultimement la plus grande partie de l'énergie transportée par cette radiation. Il est connu que ces électrons peuvent causer des dommages très importants à l'acide désoxyribonucléique (ADN) d'une cellule. Cependant, la connaissance des mécanismes par lesquels ces dommages sont créés demeure incomplète. Nous avons étudié l'effet des électrons de basse énergie (i.e., 1 - 18.5 eV) sur des films minces d'un analogue au désoxyribose de l'ADN, soit le tétrahydrofurane (THF), condensés sur un séparateur inerte de krypton. Nous avons observé à l'aide de spectres d'excitations vibrationnelle et électronique que l'exposition à ces électrons pouvait impliquer l'ouverture du cycle de la molécule de THF résultant en la formation d'un composé de type aldéhyde, identifié avec le plus de certitude comme étant du butyraldéhyde. [Résumé abrégé par UMI]

Ce travail de thèse a été motivé par la volonté de mesurer la transmission d’un faisceau électronique de basse énergie à travers un film. Ce type de mesures a été réalisé à l’aide du microscope électronique à projection MEP, dont l’utilisation est basée sur trois éléments clés : la pointe émettrice, l’objet, le système de détection. Les mesures effectuées permettent, sur un même objet, de déterminer la transmission en fonction de l’énergie cinétique des électrons incidents pour des énergies comprises entre quelques dizaines et plusieurs centaines d’électronvolts. Afin de mener à bien ces mesures, nous avons développé une procédure de fabrication de films ultra fins autosupportés. Leur caractérisation en MEB et MET a montré que cette procédure est fiable et qu’elle permet d’obtenir des films autosupportés de quelques nanomètres d’épaisseur sur des tailles latérales de quelques dizaines de micromètres. Nous nous sommes plus particulièrement penchés sur des films d’or nano poreux et sur des films continus de nickel. Cependant, des essais encourageants (Co, Au/Co/Au, oxyde d’aluminium, tétracontane) utilisant cette procédure indiquent que cette méthode de fabrication peut être étendue. Les mesures de transmission que nous avons réalisées sur l’or et le nickel ont permis d’accéder à des caractéristiques inhérentes au matériau. En effet, elles constituent une nouvelle méthode de détermination du potentiel interne U et du libre parcours moyen Λ. Nous démontrons donc à travers ce travail que la mesure de l’intensité transmise d’un faisceau cohérent d’électrons par un film ultra fin peut être réalisée à une échelle locale voire sur un cristallite unique. De plus, les films nano poreux constituent des objets agissant sur l’onde électronique aussi bien au niveau de l’amplitude que de la phase. Il nous est donc possible de moduler la fonction d’onde électronique par la maitrise de l’épaisseur et de la porosité du film
This work of thesis was motivated by the will to measure the transmission of an electronic beam of low energy through a film. These measures were realized with the electron projection microscope, the use of which is based on three key elements: the tip, the object, the system of detection. The made measures allow, on the same object, to determine the transmission according to the kinetic energy of the incidental electrons for energies included between some tens and several hundreds of électronvolts. To bring to a successful conclusion these measures, we developed a procedure to fabricate freestanding ultra thin films. Their characterization by electronic microscopy showed that this procedure is reliable and that it allows to obtain freestanding films of some nanometers of thickness about side sizes of some tens of micrometers. We more particularly bent over golden nano porous films and over continuous nickel films. However, encouraging attempts (Co, Au/Co/Au, aluminum oxide, tétracontane) using this procedure indicate that this fabrication method can be spread. Transmission measurements realized on gold and nickel allowed to reach characteristics inherent to the material. Indeed, they constitute a new method of determination of the inner potential U and of inelastic mean free path Λ. We thus demonstrate through this work that the measure of the transmitted intensity of a coherent electrons beam by an ultra thin film can be realized in a local scale even on a unique cristallite. Furthermore, nano porous films constitute objects acting on the amplitude and the phase of the electronic wave. It is thus possible to modulate the wave electronic function by the control of the thickness and the porosity of the film

Le passage de la radiation ionisante dans la matière libère un grand nombre d'électrons de basse énergie (0-50 eV). À ces énergies, l'étude des sections efficaces de diffusion des électrons sur les atomes et les molécules est importante étant donné la formation d'ions négatifs transitoires, c'est-à-dire de résonances d'électrons, qui entraînent des modulations considérables dans ces sections efficaces. De plus, les électrons de basse énergie interagissent efficacement avec le milieu irradié où ils provoquent des bris moléculaires et peuvent produire des espèces chimiques réactives. Nous avons premièrement étudié l'interaction des électrons de basse énergie avec des films minces de CO[indice inférieur 2] condensés sur un substrat d'argon solide. Deuxièmement, nous avons étudié les réactions induites par des électrons de basse énergie dans des films minces de cyclopropane."--Résumé abrégé par UMI.

Une approche thérapeutique innovante utilisant l'adjonction d'éléments de numéro atomique élevé à une radiothérapie de basse énergie semble offrir une voie prometteuse pour le traitement des tumeurs cérébrales résistantes. Une telle technique est notamment développée sur la ligne médicale de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) utilisant un rayonnement monochromatique allant de 25 à 90 keV [Adam 2003, Adam 2006]. Des résultats encourageants ont été obtenus en traitant des souris cancéreuses après injection de nanoparticules d'or (AuNP) [Hainfeld 2004]. Cependant, les processus physiques et l'impact biologique issus de la photoactivation de nanoparticules sont encore aujourd'hui mal compris et ne peuvent être expliqués par des calculs de doses macroscopiques [Cho 2005, Zhang 2009]. Le but de ce travail est d'évaluer par simulation Monte Carlo l'augmentation locale de dose en présence de nanoparticules ainsi que les caractéristiques des électrons secondaires produits. Dans un premier temps, des simulations ont été réalisées en utilisant une géométrie cellulaire, de manière à comparer les données simulées aux expérimentations menées à l'ESRF. Des tests de clonogénicité ont été réalisés pour mesurer le taux de radiosensibilité des cellules pour une irradiation de 4 Gy (SER4Gy) en présence de gadolinium, pour différentes énergies d'irradiation (25 keV à 1250 keV). Ces études, expérimentales et numériques, ont permis l'évaluation de l'influence de la localisation du gadolinium au sein de la cellule et la forme de ce dernier (nanoparticules ou agent de contraste). D'autre part, une étude comparative a été menée pour caractériser le comportement d'une nanoparticule sous irradiation à une échelle nanométrique, en fonction de l'énergie de faisceau, du rayon de la nanoparticule et de l'élément lourd (or et gadolinium).

Abstract : The major objective of our study is to investigate DNA damage induced by soft X-rays (1.5 keV) and low-energy electrons (˂ 30 eV) using a novel irradiation system created by Prof. Sanche’s group. Thin films of double-stranded DNA are deposited on either glass and tantalum substrates and irradiated under standard temperature and pressure surrounded by a N[subscript 2] environment. Base release (cytosine, thymine, adenine and guanine) and base modifications (8-oxo-7,8-dihydro -2’-deoxyguanosine, 5-hydroxymethyl-2’-deoxyuridine, 5-formyl-2’-deoxyuridine, 5,6-dihydrothymidine and 5,6-dihydro-2’-deoxy uridine) are analyzed and quantified by LC-MS/MS. Our results reveal larger damage yields in the sample deposited on tantalum than those on glass. This can be explained by an enhancement of damage due to low-energy electrons, which are emitted from the metal substrate. From a comparison of the yield of products, base release is the major type of damage especially for purine bases, which are 3-fold greater than base modifications. A proposed pathway leading to base release involves the formation of a transient negative ion (TNI) followed by dissociative electron attachment (DEA) at the N-g lycosidic bond. On the other hand, base modification products consist of two major types of chemical modifications, which include thymine methyl oxidation products that likely arises from DEA from the methyl group of thymine, and 5,6-dihydropyrimidine that can involve the initial addition of electrons, H atoms, or hydride ions to the 5,6-pyrimidine double bond.
Résumé: L'objectif majeur de ce projet étude est d'étudier les lésions d'ADN induites par les rayons X mous (1,5 keV) et des électrons de faible énergie (˂ 30 eV) à partir d'un nouveau système d'irradiation créé par le groupe du Pr. Sanche. De minces couches d'ADN double brin sont déposées soit sur du verre ou sur les substrats de tantale. Celles-ci sont irradiées sous une température et pression environnante, mais dans une atmosphère de N[indice inférieur 2]. Les bases relâchées (cytosine, la thymine, l'adénine et la guanine) et les produits de modification de base (8-oxo-7,8-dihydro-2'-désoxyguanosine, 5-hydroxyméthyl-2'-désoxyuridine, 5-formyl-2'-désoxyuridine, 5,6-dihydrothymine et 5,6-dihydrouridine) sont analysés et quantifiés par LC-MS/MS. Nos résultats révèlent un plus grand rendement de dommages dans les échantillons déposés sur le tantale que celles sur le verre. Cette différence peut être expliquée par l’interaction des électrons de faible énergie qui sont photo émis des substrats métalliques. D'après les résultats obtenus, la libération de bases est un produit majeur en comparaison avec la modification de bases. Ceci provient, en particulier, surtout des purines qui libèrent la base a un niveau trois fois plus grand que la modification de la base. Une voie proposée, conduisant à la libération de base, implique la formation d'ions négatifs transitoires (TNI), suivie par l'attachement d'électrons dissociatifs (DEA) à la liaison N-glycosidique. En outre, les produits de modification de base sont composés en deux grands types de modifications chimiques. L’un des produits est l’oxydation du groupe méthyle de la thymine, qui probablement consiste de en d'hydrure (-H[indice supérieur -]) par l'intermédiaire de DEA. Alors que l’autre modification chimique est la formation de 5,6-dihydropyrimidine qui implique l'addition d'hydrure à la double liaison du 5,6-pyrimidine.

Lorsqu'un ion projectile inertagit avec une surface, il dépose son énergie tout au long de son trajet. L'énergie déposée conduit à la création d'endommagements et à l'émission de particules secondaires, neutres et chargées. Dans cette thèse, nous avons étudié l'endommagement de surfaces cristallines induit par irradiation aux ions lents et rapides. Nous avons également étudié la pulvérisation d'ions secondaires durant l'irradiation aux ions rapides. Dans le cas d'irradiation aux ions lents multichargés, nous avons déterminé les sections efficaces d'endommagement par ion incident sur les surfaces cristallines de TiO2 et de graphite. Nous avons mis en évidence que l'énergie potentielle du projectile joue un rôle improtant dans l'endommagement de la surface. Par contre, l'étude d'endommagement surfacique du silicium cristallin s'est révelé insensible à l'irradiation aux ions (Xe, Ec = 0,92 MeV), où la perte d'énergie électronique est 12 keV/nm. L'efficacité maximale pour qu'un ion produise une modification à la surface est 0,3 %. Par irradiation aux ions rapides, l'émission d'ions de CaF+ par rapport à l'émission de Ca+ est plus grande dans le cas d'irradiation d'un cristal massif que dans le cas de couches minces de CaF2.

Lorsque la matière condensée est soumise à des rayonnements de haute énergie, des électrons secondaires de basse énergie (0-20 eV) sont produits en grande quantité. Ces électrons participent à part entière aux dommages induits dans la matière, incluant les processus d’érosion et de modifications chimiques. Les fragments produits au sein du milieu réagissent et de nouvelles espèces sont formées. Plusieurs domaines d’application sont concernés par ces processus, et plus particulièrement le design de dispositifs par lithographie ou par dépôts assistés par faisceaux focalisés et l’astrochimie. Les enjeux concernent l’identification des mécanismes induits par les électrons lents, le contrôle des fragments réactifs et espèces stables formés, ainsi que la détermination de grandeurs quantitatives permettant d’apprécier l’efficacité des processus impliqués. L’approche développée dans ce travail de thèse consiste à irradier des surfaces et interfaces directement avec des faisceaux d’électrons de basse énergie afin d’étudier les processus induits. Les réponses de films moléculaires supportés modèles (d’épaisseur variable) sont étudiées en fonction de l’énergie incidente des électrons et des doses délivrées. Dans les cas favorables, des méthodologies ont pu être proposées pour accéder à l’estimation de sections efficaces effectives. Pour ce faire, trois techniques expérimentales sont combinées. Les films déposés et les résidus formés sont analysés par spectroscopie de perte d'énergie d’électrons à haute résolution (HREELS) et désorption programmée en température (TPD). Les fragments neutres (et non pas ioniques comme le plus souvent) désorbant sous irradiation sont analysés en masse afin de mener une étude de désorption stimulée par impact d’électrons (ESD).Dans le contexte de la fonctionnalisation de surface, le greffage de centres carbonés hybridés sp2 sur un substrat de diamant poly-cristallin hydrogéné a été réalisé par irradiation électronique d’une couche mince de benzylamine. A 11 eV, le mécanisme dominant implique la dissociation en neutres du précurseur. La section efficace effective de greffage a pu être déterminée par HREELS suite à une unique irradiation, en tirant avantage du profil du faisceau d’irradiation. Dans le contexte de l’astrochimie, la réponse à l’irradiation par électrons lents de glaces d’ammoniac amorphes et cristallisées a été étudiée. La désorption de molécules d’ammoniac a été observée. Elle peut résulter de l’érosion directe du film et de mécanismes de désorption induite par excitation électronique (DIET). Différents processus de fragmentation/recombinaison ont été mis en évidence via la désorption des espèces neutres NHx (x = 1,2), H2 et N2. Une chimie particulièrement riche est induite par irradiation électronique à 13 eV. L’analyse temporelle des rendements ESD a permis la détermination de la section efficace de la désorption de NH3, et l’observation de la formation retardée de N2 et H2. L’analyse TPD des résidus a démontré la synthèse de diazène (N2H2) et d’hydrazine (N2H4) dans le film. Ces résultats peuvent aider à l’élucidation des écarts observés dans les abondances de NH3 et N2 dans les régions denses de l'espace. Enfin, les premiers travaux réalisés pour fonctionnaliser un substrat de façon résolue à l’échelle micrométrique sous irradiation d’électrons lents sont également présentés. La faisabilité de la procédure utilisant un microscope électronique à basse énergie (LEEM) a été démontré sur une monocouche de terphenylthiol (TPT). Des motifs de 5 μm de travaux de sortie différents ont été imprimés en travaillant à des énergies de 10-50 eV. Ensuite la réponse de films modèles de résines lithographiques (PMMA, polyméthacrylate de méthyle) à des irradiations électroniques a été étudiée, afin d’identifier les énergies favorables en vue d’une modification de surface résolue spatialement
High-energy irradiation of condensed matter leads to the production of copious amounts of low-energy (0-20 eV) secondary electrons. These electrons are known to trigger various dissociative processes leading to observed damages including erosion and chemical modifications. The resulting reactive species within the condensed media can also lead to the synthesis of new molecules. This has implications in several applications most especially in the design of lithographic methods, focused beam-assisted deposition, as well as in astrochemistry. In all these applications, it is important to identify the processes induced by low-energy electrons, study the reactive fragments and stable molecules produced to determine possibilities of controlling them, and generate quantitative data to gauge the efficiencies of these processes. The approach developed for this PhD work consists of directly irradiating surfaces and interfaces using low-energy electrons and studying the processes that arise. The responses of different model molecular films (of varying thickness) were studied as a function of incident electron energy and dose. In favorable cases, methodologies proposed herein can be used to estimate effective cross sections of observed processes. Three complementary surface-sensitive techniques were utilized for this purpose. To characterize the deposited films and formed residues, the High Resolution Electron-Energy Loss Spectroscopy (HREELS) and Temperature Programmed Desorption (TPD) were used. Neutral fragments (as opposed to their often-detected ionic counterparts) desorbing under electron irradiation were monitored using a mass spectrometer in a technique called Electron Stimulated Desorption (ESD).Within the context of surface functionalization, the grafting of sp2-hybridized carbon centers on a polycrystalline hydrogenated diamond substrate was realized through electron irradiation of a thin layer of benzylamine precursor deposited on its surface. At 11 eV, the dominant mechanism is proposed to be neutral dissociation of the precursor molecules. The effective cross section of the grafting process was estimated in only a single measurement from the HREELS map of the sample surface, taking advantage of the electron beam profile. Within the context of astrochemistry, on the other hand, the responses of crystalline and amorphous NH3 ices were studied under electron impact. The desorption of intact NH3 was observed which resulted in the direct erosion of the film proceeding through a mechanism consistent with desorption induced by electronic transitions (DIET). Different fragmentation and recombination processes were also observed as evidenced by detected neutral species like NHx (x=1,2), N2, and H2. Aside from desorption, a wealth of chemical processes was also observed at 13 eV. Temporal ESD at this energy allowed for the estimation of the effective cross section of NH3 desorption and observing the delayed desorption of N2 and H2. TPD analysis of the residues also provided evidence of N2H2 and N2H4 synthesis in the film. These results can help explain the observed discrepancies in abundances of NH3 and N2 in dense regions in space. Lastly, this PhD work will present prospects for these electron-induced processes to be constrained spatially in microscopic dimensions for lithographic applications. The feasibility of the procedure utilizing Low-Energy Electron Microscope (LEEM) was demonstrated on a terphenylthiol self-assembled monolayer (TPT SAM) specimen. Spots of 5 μm in diameter with different work functions were imprinted on the surface using energies from 10-50 eV. Electron-induced reactions in thin-film resists (PMMA, poly(methyl methacrylate)) were also studied at low-energy identifying opportunities for energy- and spatially-resolved surface modification

Nous étudions l'adsorption de molécules de C60 sur deux reconstructions riches en silicium du 6H-SiC(0001) par IPES, UPS et XPS. Nous mettons en évidence que l'adsorption de C60 sur (3*3) est singulière et définit un nouveau type de liaison entre C60 et substrat : liaison covalente forte avec désorption par recuit à haute température et récupération de la reconstruction de surface. Ces expériences illustrent la complexité de la liaison Si-C60 et permettent une nouvelle mise en perspective.En combinant ARPES à basse énergie de photon et DFT sur une monocouche de ZnPc sur Ag(110), nous prouvons que l'effet de "Umklapp de surface" est effectif pour un réseau de molécules organiques organisé à grande distance. C'est à dire que les conditions de sortie des photoélectrons de volume sont modifiées par la présence du réseau.Nous démontrons aussi que l'HREELS est une technique de choix pour l'étude de l'adsorption d'hydrogène sur graphène, et l'étude de l'interaction d'un plan de graphène sur un substrat, ici le SiC. En effet l'adsorption (réversible) d'atomes d'hydrogène sur du graphène permet à l'HREELS d'être sensible sous le plan de graphène
We study by IPES, UPS and XPS the adsorption of fullerene on two silicon-rich reconstructions of 6H-SiC(0001). We show that adsorption of C60 on the (3*3) is singular and defines a new bonding type between C60 and a substrate: covalent bond accompanied by the desorption of molecules and the reconstruction's recovery. Our experiments shed a new light on the Si-C60 bounding complexity and provide new insights.By combining low photon energy ARPES and DFT on a monolayer of ZnPc on Ag(110), we provide a direct evidence that the "surface Umklapp'" effect is effective for long-range ordered organic films. Namely, the photoelectrons escape conditions are modified by the bare presence of the molecular lattice.We show that HREELS is a convenient tool to investigate the adsorption of hydrogen on graphene and the interaction of graphene with a substrate, SiC in our study. Indeed, the reversible adsorption of hydrogen on graphene permits the HREELS to gain sensitivity below the graphene layer