Fidèle à sa mission d’accueil des recherches interdisciplinaires, le CIMAP (Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique) accueille en 2017 des expériences d’origines diverses allant de la physique du solide à la radiobiologie, distribuées sur 3 lignes de faisceau permettant de couvrir une grande gamme d’énergie : IRRSUD (~1MeV/A, sortie C0), D1/SME (~10MeV/A, sortie CSS1) et D1/HE (sortie CSS2). Ainsi pour 2017, 45 expériences sont programmées (soit environ 1200 heures de faisceau) impliquant une centaine d’expérimentateurs venus du monde entier. Ce nombre est trop important pour qu’elles soient toutes décrites ici, on peut cependant très schématiquement les regrouper en grandes familles que sont la physique du solide et ses applications, la chimie sous rayonnement et ses applications, l’astrophysique, la physique atomique et la radiobiologie.
Les expériences en physique du solide et leurs applications
La physique du solide représente environ 50% du temps programmé et est présente sur les 3 lignes de faisceau. Cette activité traite de l’interaction ion – matière condensée et englobe les recherches fondamentales sur les variations de propriétés structurales, optiques, électriques et magnétiques de matériaux que ce soit avec des analyses hors-ligne ou en ligne avec les dispositifs d’analyses in-situ (diffraction des rayons X avec le dispositif ALIX ou absorption optique avec CASIMIR). Ces études sont réalisées sur des alliages métalliques, des semi-conducteurs (silicium, nitrures), des céramiques isolantes, des isolants topologiques ou encore des supraconducteurs. Une part importante du temps de faisceau proposé en 2017 est également destinée aux applications telles que la diffusion accélérée des espèces chimiques sous irradiation ou la nanostructuration : une des expériences consiste en l’irradiation par des ions rapides d’une feuille de graphène (une monocouche de graphite) déposée sur une couche de polymère, qui permet de construire un filtre avec des pores de diamètre nanométrique. L’irradiation proprement dite produit un trou dans le graphène et une trace latente dans la membrane polymère, une attaque chimique post-irradiation enlève le polymère autour des traces latentes. On attend de ce dispositif qu’il permette le tri de molécules biologiques ou qu’il simplifie le dessalage de l’eau de mer. Ces expériences de nanostructuration sont menées dans le cadre d’une collaboration entre les universités de Twente, Duisburg-Essen, le RBI Zagreb et le CIMAP financées dans le cadre du Flagship Graphène de l’Union Européenne.
Le dispositif ALIX © Ganil
Les expériences de chimie sous rayonnement et leurs applications
La thématique de la chimie sous rayonnement se décline principalement autour de l’étude des polymères, tant sous des aspects fondamentaux que dans leurs applications (capteurs sur membrane par exemple). En 2017, les expériences sont réalisées en salle D1 du GANIL (Sortie Moyenne Energie ou Haute Energie). Elles portent sur les matériaux organiques et ont pour but, d’une part, d’étudier les mécanismes de vieillissement à long terme des polymères synthétiques rencontrés dans l’industrie électronucléaire, et, d’autre part, de comprendre l’évolution chimique des polymères naturels sous l’action des ions lourds accélérés. Ces études permettent de déterminer et de quantifier l’influence des conditions d’irradiation (dépôt d’énergie, dose et pression d’oxygène) sur leur structure chimique et sur les gaz émis mesurés grâce aux dispositifs CESIR et CIGAL. Ce dernier point est particulièrement crucial pour une gestion sûre et responsable des déchets haute et moyenne activité vie-longue et riches en matériaux organiques lors de leur stockage souterrain. Parmi les polymères naturels, l’évolution du collagène sous irradiation avec les ions lourds permet de quantifier sa dégradation chimique et son implication sur l’hydratation du cartilage, en conditions d’hadronthérapie (traitement de tumeurs par ions lourds). Ces travaux sont réalisés en partenariat avec des laboratoires de CEA/DEN, CEA/DRF/IRaMIS, Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg) et EDF.
Les expériences d’astrophysique et d’astrochimie
L’astrophysique et l’astrochimie représentent une part croissante de l’activité d’accueil du CIMAP. Les trois expériences de 2017 vont être réalisées sur les lignes IRRSUD et SME avec les dispositifs IGLIAS et CASIMIR développé au CIMAP. Il s’agit principalement de simuler le rôle de l’irradiation des rayons cosmiques sur des objets présents dans les systèmes stellaires ou dans le milieu interstellaire.
La première expérience (collaboration entre IAS, CSNSM, universités Amapa et Rio, Brésil et CIMAP) consistera à irradier une couche de glace de CD4 emprisonnée entre 2 couches de N2-CH4 à 10 degrés Kelvin (263°C). Cette expérience permettra de mettre en évidence comment les éléments isotopiques vont contribuer à la structure du résidu après irradiation et recuit.
La seconde expérience (collaboration entre INAF Catane, université Amapa, Brésil et CIMAP) porte sur l’irradiation d’interfaces entre glace d’H2O et un substrat carboné afin d’étudier la production de molécules composées de Carbone, d’Oxygène et d’Hydrogène. La dernière expérience (collaboration entre IPAG Grenoble, IAS et CIMAP) portera sur l’irradiation de grains carbonés et de suies pour étudier par spectroscopie infrarouge la dégradation de ces composés sous irradiation.
Le dispositif IGLIAS © Ganil
Les expériences de physique atomique
La physique atomique concerne l’étude de l’ensemble noyau et électrons. Les expériences de physique atomique sont programmées sur les lignes de faisceau basse énergie ARIBE et des faisceaux de haute énergie du GANIL. Cette année, une expérience est programmée sur la ligne IRRSUD (collaboration entre l'Université de Groningen et le CIMAP) et vise à comprendre les processus moléculaires fondamentaux à l’œuvre lors de l'irradiation de la matière biologique. Plus précisément, l’objectif est de connaître au niveau moléculaire les produits de l'interaction entre des brins d'ADN et des ions carbone à l'énergie du pic de Bragg, qui est celle des ions dans les tumeurs cancéreuses lors d'une thérapie comme celle que délivrera le centre ARCHADE. Dans quelques années, ce type de recherche se poursuivra d'ailleurs dans ce centre.
Les expériences de radiobiologie
Le GANIL fait partie des grandes installations européennes qui permettent de réaliser des expériences de radiobiologie en faisceau carbone de haute énergie. Grace à la plateforme LARIA du CIMAP, trois expériences sont programmées cette année concernant la radiothérapie et la radioprotection. Les expériences en lien avec radiothérapie s’intéressent à l’analyse de la cinétique de réparation des cassures de l'ADN après une exposition à des ions carbone dans différents fonds génétiques dans le cadre d’une étude réalisée par le SCK de Leuven, et à la mesure d'une induction différentielle de sénescence radio-induite (RX vs protons vs ions carbone) dans un modèle tridimensionnel de cartilage humain étudiée par l’équipe locale du LARIA. La dernière expérience est liée à l’analyse d’une voie métabolique cellulaire humaine dans la réponse à une exposition à des ions carbone accélérés. Cette étude réalisée par le German Aerospace Centre de Cologne est quant à elle orientée vers l'exploration spatiale et la radioprotection des astronautes.
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