Projet de fin d’Etudes - IAEA

Ministère de l’Enseignement supérieur *** * ***

Université du 7 Novembre à Carthage *** * ***

Institut National des Sciences Appliquées et de Technologie

Projet de fin d’Etudes

Pour l’obtention du :

Diplôme National d’Ingénieur

Filière : Chimie industrielle

Sujet :

L’EFFET DU RAYONNEMENT GAMMA SUR LE SUCRE : APPLICATION EN DOSIMETRIE

NUCLEAIRE

Réalisé par : Siwar HORCHANI

Entreprise d’accueil :

Centre National des Sciences et Technologies et Nucléaires (CNSTN)

Soutenu le : 25/01/2007

Responsables CNSTN : Mr. Khaled FARAH Mr. Ahmed Hichem HAMZAOUI Responsable INSAT : Dr. Jamel Eddine BELGAIED

Année Universitaire : 2006/2007

CNSTN-INSAT

1

Table des MatièresTable des MatièresTable des MatièresTable des Matières

Dédicace Remerciement Table des matières 1 Table des illustrations 6 Table des tableaux 12

PrésentationPrésentationPrésentationPrésentation Introduction générale 13

1. Présentation du Centre National des Sciences et Technologies Nucléaires (CNSTN) 15

1.1. Présentation et mission de la CNSTN 15

1.2. Liste des prestations 16

2. Unité pilote de traitement par rayonnements ionisants 17

2.1. Mission : Prestation de Services 17

2.2. Unité de radiotraitement 17

2.2.1. Présentation Générale et Missions 17

2.2.2. Unité de Radiotraitement GAMMA 18

Chapitre 1 : Notions fondamentales de la dosimétrie des Chapitre 1 : Notions fondamentales de la dosimétrie des Chapitre 1 : Notions fondamentales de la dosimétrie des Chapitre 1 : Notions fondamentales de la dosimétrie des rayonnements ionisantsrayonnements ionisantsrayonnements ionisantsrayonnements ionisants

1. Les rayonnements ionisants 20

1.1. Définition 20

1.1.1. Les rayonnements directement ionisants : 20

1.1.2. Les rayonnements indirectement ionisants 20

1.2. Les photons 21

1.3. Les sources de rayonnements ionisants 21

1.3.1. Loi de l’émission radioactive : 21

1.3.2. Activité radioactive : 22

1.3.3. Les sources de rayon bêta : 22

1.3.4. Les sources de rayon gamma : L’ioniseur gamma 22 1.3.4.1. Présentation 22

CNSTN-INSAT

2

1.3.4.2. Les irradiateurs au Césium 137 23 1.3.4.3. Les irradiateurs au cobalt 60 24

2. La dosimétrie des particules 25

2.1. Définition 25

2.2. Les dosimètres absolus 25

2.2.1. Calorimétrie 26

2.2.2. Dosimètres chimiques 26 2.2.2.1. Dosimètre de Fricke 26 2.2.2.2. Dosimètres à base de polymères 27 2.2.2.3. Dosimètres à radicaux libres 27 2.2.2.4. Dosimétrie en phase gazeuse 27

2.3. Les dosimètres relatifs 27

3. Le rôle de la dosimétrie 28

4. Grandeurs dosimétriques 29

4.1. Kerma « K» 29

4.2. La dose absorbée 29

4.3. Le débit de dose absorbée 30

Chapitre 2 : Revue de littératureChapitre 2 : Revue de littératureChapitre 2 : Revue de littératureChapitre 2 : Revue de littérature

1. Introduction 31

2. Les principales méthodes utilisées dans les travaux de recherche sur le sucre comme application dosimétrique 31

2.1. La polarimétrie 31

2.1.1. Principe de la méthode 31

2.1.2. Etude dosimétrique du sucre par polarimétrie 32

2.2. La chimiluminescence 32


2.2.2. Etude dosimétrique du sucre par la chimiluminescence 32

2.3. La spectroscopie infrarouge 34


2.3.2. Etude dosimétrique du sucre par spectroscopie IR 35

CNSTN-INSAT

3

2.4. La résonance paramagnétique électronique 37


2.4.2. Etude dosimétrique du sucre par la résonance paramagnétique électronique 38

2.5. La spectroscopie UV Visible 41


2.5.2. Etude dosimétrique du sucre par la spectroscopie UV visible 42

3. Conclusion 46

Chapitre 3 : Méthodes et matérielsChapitre 3 : Méthodes et matérielsChapitre 3 : Méthodes et matérielsChapitre 3 : Méthodes et matériels

1. Introduction 48

2. Méthodes 48

2.1. La conductivité électrique 48

2.1.1. La conductivité σ d’une solution 48

2.1.2. Conductance G 49

2.1.3. Conductivité équivalente 49

2.1.4. Nombre de transport t 50

2.1.5. La conductimètrie 51

2.2. La conductivité à haute fréquence 51

2.2.1. Introduction 51

2.2.2. Conductivité, impédance 52


2.2.4. Instrumentation 52

2.2.5. Les cellules de mesure 54

2.2.6. Méthodes de détermination des caractères diélectriques des échantillons 54

2.3. La pH-métrie 56

2.3.1. Définition du pH 56

2.3.2. Mesure du pH : électrode de verre 57

2.4. La spectroscopie UV 58

2.4.1. Le spectre électromagnétique 58

CNSTN-INSAT

4

2.4.2. L’absorption d’un rayonnement 59

2.4.3. Les spectres d’absorption : 60

2.5. Travail sur les pics 61

2.5.1. Traitement manuel 61

2.5.2. Traitement automatisé 63

3. Matériel 64

3.1. Les sucres 64

3.1.1. Les glucides 64

3.1.2. Le saccharose 66

3.1.3. Le sucre utilisé 67

3.2. L’irradiateur semi industriel aux rayonnements gamma au 60Co 67

3.3. Les irradiations et les conditions de conservation 68

3.4. Le conductimètre et le pH-mètre 68

3.5. L’oscillotitrateur 69

3.6. Le spectrophotomètre 70

4. Conclusion 70

Chapitre 4 : Résultats et DiscussionChapitre 4 : Résultats et DiscussionChapitre 4 : Résultats et DiscussionChapitre 4 : Résultats et Discussion

1. Introduction 71

2. La conductivité électrique 71

2.1. Introduction 71

2.2. Effet de la concentration 71

2.3. Effet de la dose 74

2.3.1. La conductivité à basse fréquence 74

2.3.2. La conductivité à haute fréquence 74

2.4. Stabilité post-irradiation 76

2.4.1. Conductivité électrique 76

2.4.2. La conductivité à haute fréquence 77

2.5. Conclusion 78

3. La pH-métrie 79

CNSTN-INSAT

5




3.4. Stabilité post-irradiation 84

3.5. Conclusion 85

4. L’absorbance UV visible 86




4.4. La stabilité post irradiation 99

4.5. Conclusion 101

5. Calcul d’incertitude 102

6. Conclusion 104

Conclusion générale et perspective 106 Bibliographie 108

CNSTN-INSAT

6

Table des illustrations Table des illustrations Table des illustrations Table des illustrations

Figure 1. La variation de l’intensité de la chimiluminescence de granulés de sucre

irradié par une source gamma (60Co) en fonction de la dose

Figure 2. La variation de l’intensité de la chimiluminescence du sucre irradié et non

irradié en fonction du temps de stockage

Figure 3. Modes de vibration moléculaire. (Le signe + indique un mouvement du plan

de la page vers le lecteur ; le signe – indique que l’on s’éloigne)

Figure 4. Le spectre d’absorption montrant les caractéristiques des pics dans la région

1400-2500 nm pour les cristaux du sucre espagnol non irradié

Figure 5. La variation de l’intensité des bandes d’absorption optique en fonction de la

dose de radiation gamma appliquée

Figure 6. Le spectre d’absorption optique du fructose en poudre non irradié dans la

région 1400-2500 nm

Figure 7. Spectre RPE du sucre mexicain sous sa forme cristalline suite à son irradiation

par un rayonnement gamma et pour une dose D=10 kGy

Figure 8. La variation du signal RPE en fonction de la dose du rayonnement gamma

appliquée aux cristaux de sucre mexicain

Figure 9. La variation du signal RPE en fonction de la dose du rayonnement gamma

appliquée au saccharose (courbe A) et au Dextrose (courbe B)

Figure 10. La variation du signal RPE en fonction de la dose appliquée d’un

rayonnement gamma d’une source au 60Co pour le saccharose (1), le fructose

(2) et le glucose (3)

Figure 11. La variation du spectre UV Visible d’une solution de sucre espagnol irradié et

non irradié en fonction de la dose du rayonnement gamma de source 60Co au

appliquée

Figure 12. Spectres UV Visible d’une solution de sucre irradié en fonction de 3 doses

différentes du rayonnement gamma d’une source au 60Co

Figure 13. La réponse en absorbance UV d’une solution de sucre irradié par un

rayonnement gamma d’une source au 60Co en fonction de la dose à la

température ambiante (a) et après un chauffage pendant une heure à 70°c

Figure 14. Spectre UV des solution de concentration 2%(m/m) irradiée par un

rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=12 kGy de

CNSTN-INSAT

7

saccharose (1), fructose (2) et glucose (3) immédiatement après dissolution à

une température T=300K

Figure 15. La variation de l’absorbance en UV de solution de concentration 2% (m/m) de

saccharose (à 267 nm) et de fructose (à 286nm) irradiés à l’état solide juste

après dissolution en fonction du temps

Figure 16. La variation de l’absorbance d’une solution de fructose de concentration

2%(m/m) irradié par un rayonnement gamma de source au 60Co en fonction de

la dose reçue

Figure 17. La variation de l’absorbance d’une solution de fructose de concentration 2%

(m/m) irradié par un rayonnement gamma de source au 60Co en fonction de la

dose appliquée en fonction du temps de stockage en solution : (1)

immédiatement après dissolution, (2) après 3 jours et (3) après 5 jours

Figure 18. La variation de l’absorbance à 286 nm d’une solution de fructose irradié par une

dose D=5,5 kGy de rayonnement gamma de source au 60Co en fonction de la

concentration

Figure 19. La chaîne instrumentale de la mesure de l’impédance.

Figure 20. Modèle de Warburg décrivant l'interface milieu électrode

Figure 21. La cellule de mesure de la conductivité à haute fréquence

Figure 22. La distribution du potentiel dans les microcellules

Figure 23. Modélisation sous Femlab des lignes de champ pour des électrodes planaires

dans le réservoir du fluide étalon. La densité de courant permet de remonter

aux caractéristiques diélectriques en fonction du facteur de forme de la cellule

Figure 24. Matrice d'électrodes microniques platinisées destinées à la mesure multiplexée

d'impédance E : Champs électrique, I : courant électrique, J : densité

électrique.

Figure 25. Electrode de verre

Figure 26. Les principales régions spectrales

Figure 27. Atténuation de la puissance d’un faisceau en passant par une solution

absorbante de concentration C

Figure 28. Molécule de saccharose

Figure 29. Plan architectural de l’unité de radiotraitement du CNSTN à Sidi-Thabet.

Figure 30. Analyseur électrochimique CONSORT C931.

Figure 31. Oscillotitrateur à haute fréquence.

CNSTN-INSAT

8

Figure 32. La variation de la conductivité des solutions de sucre irradié sous sa forme

solide en fonction de la concentration, trois et dix jours après l’irradiation

Figure 33. La variation de la conductivité des solutions de sucre irradié sous sa forme

solide en fonction de la concentration, trois jours après l’irradiation par une

source au 60Co, D=20 kGy

Figure 34. La variation de la conductivité d’une solution de sucre irradié sous sa forme

solide en fonction de la concentration, dix jours après l’irradiation par une

source au 60Co, D=20 kGy

Figure 35. La variation de la conductivité d’une solution de sucre 20%(m/m) en fonction

de la dose appliquée au sucre irradié sous sa forme solide par une source au 60Co, 3 jours après l’irradiation

Figure 36. La variation de la tension aux bornes de l’électrode de l’Oscillotitrateur d’une

solution de sucre 20%(m/m) en fonction de la dose appliquée au sucre irradié

sous sa forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co, 3 jours

après l’irradiation

Figure 37. La variation de la conductivité de deux solutions de sucre irradié sous sa

forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co, de

concentration 20% (m/m) pour les doses 20 et 9 kGy au cours du temps

Figure 38. La variation de la tension aux bornes de l’électrode de l’Oscillotitrateur d’une

solution de concentration 20%(m/m) de sucre irradié par un rayonnement

gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy et pour différents

temps de stockage à l’état solide

Figure 39. La variation du pH des solutions de sucre irradié sous sa forme solide par un

rayonnement gamma d’une source au 60Co en fonction de la concentration

pour une dose D=20kGy, trois et dix jours après l’irradiation

Figure 40. La variation de la concentration des protons présents dans des solutions de

sucre irradié sous sa forme solide en fonction de la concentration pour une

dose D=20kGy, pour les durées de stockage de trois et dix jours après

l’irradiation par une source au 60Co

Figure 41. La variation de la concentration des protons présent dans des solutions de


dose D=20kGy, trois jours après l’irradiation par un rayonnement gamma

d’une source au 60Co

CNSTN-INSAT

9

Figure 42. La variation de la concentration des protons présent dans des solutions de


dose D=20kGy, dix jours après l’irradiation par un rayonnement gamma d’une

source au 60Co

Figure 43. La variation du pH des solutions de sucre irradié par un rayonnement gamma

d’une source au 60Co sous sa forme solide en fonction de la dose appliquée

trois jours après l’irradiation pour une concentration 20%(m/m)

Figure 44. La variation de la concentration des protons dans des solutions de sucre

irradié sous sa forme solide en fonction de la dose appliquée trois jours après

l’irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une

concentration de 20%(m/m)

Figure 45. La variation du pH d’une solution de sucre irradié sous sa forme solide de

concentration 20%(m/m) au cours du temps (minutes) 20 minutes après son

irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co et juste après sa

mise en solution pour les doses 9 et 20kGy.

Figure 46. La variation du pH d’une solution de sucre irradié sous sa forme solide de

concentration 20%(m/m) au cours du temps (jours) 20 minutes après son

irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co et juste après sa

mise en solution pour les doses 9 et 20 kGy

Figure 47. Le spectre UV d’une solution de saccharose non irradié de concentration

20%(m/m)

Figure 48. Le spectre UV des solutions de saccharose de concentration 20%(m/m) non

irradié et irradié pour la dose D=20 kGy par un rayonnement Gamma d’une

source au 60Co

Figure 49. Spectres UV des solutions de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une

source au 60Co en fonction de la concentration pour la dose D=20 kGy


source au 60Co en fonction de la concentration pour la dose D=70 kGy

Figure 51. La variations de l’absorbance maximale d’une solution de sucre irradié par un

rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy en

fonction de la concentration pour les longueurs d’onde : λmax1 = 198 nm et

λmax2 =264 nm


rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=70 kGy en

CNSTN-INSAT

10

fonction de la concentration pour les longueurs d’onde : λmax1 = 198 nm et

λmax2 =264 nm


source au 60Co de concentration 20% (m/m) pour plusieurs doses


source au 60Co de concentration 20% (m/m) pour les petites doses


source au 60Co de concentration 20% (m/m) pour les fortes doses

Figure 56. La variation de l’absorbance d’une solution de sucre irradié par un

rayonnement gamma au 60Co de concentration 20%(m/m) à deux longueurs

d’onde : 198 et 264 nm en fonction de la dose appliquée

Figure 57. La déconvolution du spectre UV d’une solution de sucre irradié de

concentration 20%(m/m) par un rayonnement gamma d’une source au 60Co

Figure 58. La variation de la hauteur des deux pics en fonction de la dose appliquée d’un

rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de

concentration 20%(m/m). H1 : La hauteur du pic à 198 nm, H2 : La hauteur du

pic à 264 nm

Figure 59. La variation de la largeur à mi-hauteur des deux pics en fonction de la dose

appliquée d’un rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de

sucre irradié de concentration 20%(m/m) concentration 20%(m/m) après la

déconvolution des pics. L1 : La largeur à mi-hauteur du pic à 198 nm, L2 : La

largeur à mi-hauteur du pic à 264 nm

Figure 60. La variation de l’air des deux pics en fonction de la dose appliquée d’un

rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de

concentration 20%(m/m) concentration 20%(m/m) après la déconvolution des

pics. Aire 1 : Aire du pic à 198 nm, Aire 2 : Air du pic à 264 nm

Figure 61. La variation du rapport des hauteurs des deux pics en fonction de la dose


sucre irradié de concentration 20%(m/m) après la déconvolution des pics. H1 :

La hauteur du pic à 198 nm, H2 : La hauteur du pic à 264 nm

Figure 62. La variation du rapport des largeurs à mi-hauteur des deux pics en fonction

de la dose appliquée d’un rayonnement gamma de source au 60Co pour des

solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m). L1 : La largeur à mi-

hauteur du pic à 198 nm, L2 : La largeur à mi-hauteur du pic à 264 nm

CNSTN-INSAT

11

Figure 63. La variation du rapport des aires des deux pics en fonction de la dose


sucre irradié de concentration 20%(m/m). Aire 1 : Aire du pic à 198 nm, Aire

2 : Air du pic à 264 nm

Figure 64. Le spectre UV des solutions de concentration 20%(m/m) de sucre irradié par

un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy et

pour différents temps de stockage à l’état solide

Figure 65. La variation de l’absorbance maximale à 264 nm d’une solution de

concentration 20%(m/m) de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une

source au 60Co pour une dose D=20 kGy et pour différents temps de stockage à

l’état solide

CNSTN-INSAT

12

Table des tableauxTable des tableauxTable des tableauxTable des tableaux

Tableau.I : Les principaux isotopes émetteurs de rayons gamma Tableau.II : Mesures de a conductivité et du pH de solution de sucre irradié sous sa

forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co de concentration 20%(m/m) pour différentes doses sous les conditions de répétabilité.

CNSTN-INSAT PrésentationPrésentationPrésentationPrésentation

13

Introduction générale

L’utilisation des rayonnements ionisants dans le domaine agroalimentaire

(conservation de la nourriture), médical et pharmaceutique (stérilisation contre les

microorganismes pathogènes), biologique (stérilité de certaines insectes) et dans

d’autres applications est devenue de plus en plus répandue. D’où la nécessité de

mettre en évidence un dosimètre ou un système de dosimétrie simple à préparer et à

utiliser, facilement disponible, bon marché, précis et ne donnant pas de changements

de comportement considérable après irradiation.

Le sucre, en général, et spécialement le saccharose présente des propriétés

intéressantes suite à son irradiation par un rayonnement ionisant. En effet il donne

des réponses proportionnelles à la dose reçue, en plus de sa disponibilité, son bas

coût et sa simple manipulation le rendent un bon dosimètre des rayonnements

gamma d’une source au 60Co.

Dans le cadre de ce projet, nous avons entrepris une série d’expériences sur le

saccharose vendu tunisien pour étudier son comportement suite à son irradiation par

un rayonnement gamma d’une source au 60Co afin de l’utiliser comme dosimètre

pour déterminer la dose reçue qui s’étend de 0,5 à 58 kGy. Nous avons étudié le

comportement du saccharose irradié sous sa forme solide puis mis en solution et la

dépendance de la réponse qu’il donne (conductivité à basse et à haute fréquence, pH

et absorbance dans le domaine UV) de la concentration et la dose appliquer, en plus

de sa stabilité lorsqu’il est en solution ou dans son état solide.

Ce travail comportera un chapitre de présentation de l’organisme d’accueil de

ce travail : Le CNSTN : Le centre national des sciences et de technologie nucléaire.

Dans le premier chapitre nous allons présenter les notions fondamentales de la

dosimétrie. Le deuxième chapitre résumera quelques méthodes ayant été utilisées

dans l’étude du sucre comme dosimètre. Le troisième chapitre portera sur les

méthodes, traitement et le matériel utilisés lors de cette recherche. Dans le dernier


14

chapitre nos allons présenter, exploiter et interpréter les résultats expérimentaux.

Nous allons terminer par une conclusion.


15

1. Présentation du Centre National des Sciences et

Technologies Nucléaires (CNSTN)

11..11.. PPrréésseennttaattiioonn eett mmiissssiioonn ddee llaa CCNNSSTTNN

Le Centre National des Sciences et Technologies Nucléaires (CNSTN) est un

établissement public et à caractère industriel et commercial. Il est doté de la

personnalité civile et de l’autonomie financière, créé par la loi n° 93-115 du 22

novembre 1993.

Le Centre a pour mission de réaliser les études et recherches nucléaires à

caractère pacifique dans différents domaines, ainsi que la maîtrise des technologies

nucléaires, leur développement et leur utilisation aux fins du développement

économique et social", et notamment dans les domaines de l'agriculture, de

l'industrie, de l'énergie, de l'environnement et de la médecine, et d'une façon

générale, la réalisation de toutes les activités tendant à assurer le développement des

sciences nucléaires, la promotion de ses différentes applications et la maîtrise des

technologies nucléaires à des fins pacifiques. [1]

En particulier, il doit mener les actions suivantes :

• développement de la recherche : Il réalise des activités liées à la

recherche dans le domaine des sciences et technologies nucléaires et leurs

applications, à savoir les études, les projets et les programmes de recherches

théoriques et pratiques ;

• diffusion de l'information : Il collecte et traite les informations et

données liées aux sciences, technologies et thèses de recherche nucléaires ;

• fournitures de services : Prestation de service aux institutions

universitaires et entreprises publiques et privées sous forme d'assistance

technique, formation et stages ;


16

• avis et conseils : Il donne son avis et conseils sur les questions relatives

à la sûreté nucléaire et à la radioprotection lors de la réalisation de projets

utilisant des techniques nucléaires à des fins pacifiques. Pour atteindre les

objectifs tracés dans sa mission, le CNSTN est appelé à mettre en place une

infrastructure nucléaire constituée d'installations pour l'application des

techniques nucléaires à des fins pacifiques.

La première unité pilote spécialisée dans les applications nucléaires qui a été

retenue par la Commission Nationale de l'Energie Atomique (CNEA) est l'unité de

traitement par rayonnement ionisant des produits agro-alimentaires,

pharmaceutiques et paramédicaux. Elle contribue au développement des techniques

d'irradiation des aliments pour une meilleure conservation de ces produits et par la

stérilisation des produits pharmaceutiques et paramédicaux.

Le CNSTN contribue aussi à la réalisation des projets d'intérêt général

intéressant les secteurs de la santé, la sûreté nucléaire, l'environnement, la mesure de

la radioactivité, la gestion des déchets radioactifs, la mutation des plantes dans

l'agriculture, l'hydrologie, la météorologie, la prospection géologique et minière, etc...

De même, le CNSTN encourage la réalisation de projets à but lucratif tels que

l'irradiation des produits alimentaires, la stérilisation des produits paramédicaux, la

détection des défauts par gammagraphie, le contrôle de la qualité des soudures, le

tannage des cuirs, le traitement des eaux usées, etc... [1]

11..22.. LLiissttee ddeess pprreessttaattiioonnss

• Unité d'Hydrologie Isotopique

• Unité Radiopharmaceutiques

• Unité Pilote de Traitement par Rayonnements Ionisants

• Unité d'Electronique et Instrumentation Nucléaire

• Unité de Radioanalyse

• Unité Pilote de Production des Males Stériles de la Cératite


17

• Unité de Microbiologie

• Unité de Radioprotection

• Unité de Radiochimie

2. Unité pilote de traitement par rayonnements ionisants

22..11.. MMiissssiioonn :: PPrreessttaattiioonn ddee SSeerrvviicceess

AAggrrooaalliimmeennttaaiirree

• inhibition de la germination ;

• ralentissement de la maturation des fruits et légumes frais ;

• prolongation de la durée de conservation (viandes, produits de la mer,

etc...) [1].

PPhhaarrmmaacciiee,, ccoossmmééttiiqquuee eett bbiioommaattéérriiaauuxx

• débactérisation des produits pharmaceutiques et cosmétiques ;

• stérilisation des produits parapharmaceutiques et biomatériaux.

IInndduussttrriiee

• coloration des verres et céramiques ;

• réticulation des plastiques ;

• polymérisation .

22..22.. UUnniittéé ddee rraaddiioottrraaiitteemmeenntt

2.2.1. Présentation Générale et Missions


18

L'unité de radiotraitement utilise les rayonnements ionisants pour la

conservation, la stérilisation ou encore la modification des propriétés physico-

chimiques des produits industriels.

Opérationnel depuis 1999, l’irradiateur pilote (utilisant un rayonnement

Gamma provenant d'une source de Cobalt 60) a prouvé son utilité aussi bien pour la

recherche 5 et l'encadrement des étudiants que pour la prestation de service. Afin

d'élargir son champs d'action, l'unité de radiotraitement va se doter d'un accélérateur

linéaire 4 (rayonnement Bêta) qui sera opérationnel fin 2007 [1].

2.2.2. Unité de Radiotraitement GAMMA

L’équipe affectée à l’unité de radiotraitement est multidisciplinaire. L’unité est

destinée aux traitements par le rayonnement Gamma de produits de différentes

natures comme les produits agro-alimentaires, les dispositifs médicaux et différents

autres matériaux.

L’unité est dotée d’une source scellée radioactive de Cobalt - 60.

L’unité d’irradiation est constituée d’une cellule d’irradiation abritant la source,

d’un labyrinthe, d’une salle de commande, d’un laboratoire de dosimétrie, d’un hall

de stockage des produits ionisés et non ionisés et de chambres froides.

• Une armoire électrique automatisée, connectée à un ordinateur qui

contient le système de commande et de supervision.

• Un système hydraulique de levage de la source.

• Un système de climatisation de la salle de traitement.

• Un convoyeur à chaîne fixée au sol, permettant de transporter six

chariots contenant une tonne de produit à traiter chacun.

• Quatre chambres froides.

• Un chariot élévateur, fonctionnant à l’énergie électrique.


19

• Autre dispositifs pour traiter les différents types de produits (plateaux

tournants, tables tournantes...) [1].

CNSTN-INSAT CHCHCHCH1111 : Notion: Notion: Notion: Notionssss fondamentafondamentafondamentafondamentalelelelessss de la dosimétrie des rayonnements ionisants de la dosimétrie des rayonnements ionisants de la dosimétrie des rayonnements ionisants de la dosimétrie des rayonnements ionisants

20

1. Les rayonnements ionisants

11..11.. DDééffiinniittiioonn

Un rayonnement ionisant est un flux de particules (matérielles ou non) qui

fournissent à la matière, lors d’interactions individuelles, plus d’énergie qu’il n’en est

nécessaire pour ioniser les atomes.

L’énergie fournie doit être supérieure au potentiel d’ionisation le plus bas des

atomes du milieu traversé. [2]

1.1.1. Les rayonnements directement ionisants

Ils sont constitués de particules chargées qui délivrent directement à la matière leur

énergie, par le jeu des forces coulombiennes s’exerçant entre elles et les atomes du

milieu. Les transferts d’énergie dépendent des masses des particules en mouvement

et il y a lieu de distinguer entre particules chargées lourdes (protons, deutérons,

alpha, ions lourds) et électrons, positrons.

1.1.2. Les rayonnements indirectement ionisants

Ils sont électriquement neutres et sont susceptibles de transférer une importante

fraction ou la totalité de leur énergie en une seule interaction à des particules

chargées.

- Les rayonnements électromagnétique X ou γ qui agissent par l’intermédiaire

d’électrons secondaires qui ionisent le milieu.

- Les neutrons qui, par collision, donnent naissance à des protons de recul ou des

noyaux lourds de recul et qui, une fois ralentis, sont capturés par les noyaux des

atomes du milieu traversé.


21

11..22.. LLeess pphhoottoonnss ::

De fréquence ν, le photon possède le quantum d’énergie h.ν (constante de

planck). N’ayant pas de masse, le photon a la célérité C dans le vide.

Dans l’ultraviolet, le photon peut posséder une énergie suffisante pour ioniser un

atome (photoionisation).

Les photons X, sont les photons produits à l’extérieur du noyau, c'est-à-dire

dans le champs électromagnétique qui l’entoure, ou dans son cortège électronique.

Dans cette catégorie il y a les photons de fluorescence X des atomes qui possèdent

une énergie donnée, caractéristique d’une couche électronique (K, L, M). Il y a aussi

le rayonnement de freinage qui résulte du freinage brutal d’une particule chargée,

traversant le champ électromagnétique entourant un noyau.

Les photons Gamma sont émis depuis un noyau, ou résultent de l’annihilation

d’une particule matérielle. Les sources les plus intenses de rayon γ sont les sources

radioactives, les photons résultant du retour à l’état fondamental de noyaux placés à

un niveau d’énergie excité [2].

11..33.. LLeess ssoouurrcceess ddee rraayyoonnnneemmeennttss iioonniissaannttss

1.3.1. Loi de l’émission radioactive

La radioactivité obéit aux lois des distributions binomales : chaque atome

radioactif présente une probabilité λ, donnée de se désintegrer durant un temps égal

à l’unité [2].

Le nombre de nouyaux se désintégrant pendant un temps dt est :

dN= λ N dt Equation (1) .

N étant le nombre d’atomes présents à l’instant t.


22

D’où : N=N0e- λt Equation (2) .

La probabilité que la vie du noyau soit comprise entre t et t+dt est : e- λt. La

durée moyenne d’une population de noyaux est τ= λ1

On emploi surtout la période t1/2 : le temps au bout duquel la moitié du nombre

initial des noyaux ont disparu (N=2

0N) :

t1/2 = λln2

= 0.693τ Equation (3) .

1.3.2. Activité radioactive

L’activité est le nombre moyen de désintégrations par seconde. L’unité

d’activité correspond à une désintégration par seconde, c’est le Becquerel (Bq).

L’ancienne unité est le Curie (Ci). Un curie correspond à 3.7 1010 désintégrations

par seconde. Donc 1 Ci=3.7 1010 Bq [2].

1.3.3. Les sources de rayon bêta

Certains radionucléides sont, à la fois émetteurs β- et β+ ( Cu6429 ).

Les rayons bêta sont souvent accompagnés de rayon γ produit par

désintégration du noyau résiduel. [2]

1.3.4. Les sources de rayon gamma : L’ioniseur gamma

1.3.4.1. Présentation

Il s'agit d'une vaste cellule blindée, éventuellement climatisée (plusieurs

dizaines à plusieurs centaines de mètres cubes), au centre de laquelle se trouvent des

sources isotopiques appropriées, émettrices de radiations ionisantes et disposées sur

un porte - source métallique


23

Le principe de fonctionnement est relativement simple puisqu'il consiste à faire

circuler les produits à traiter autour des dites sources, de telle façon que:

- un maximum de rayonnement émis par ces sources soit absorbé par le produit

- l'écart entre les doses délivrées en différents points du produit ne soit pas trop

important. La géométrie de convoyage des produits à irradier doit permettre par une

série de permutations des positions de ceux-ci autour d'une source radioactive

d'homogénéiser la dose d'énergie électromagnétique qu'ils reçoivent. [3]

Tableau.I : Les principaux isotopes émetteurs de rayons gamma [3]

Isotope Forme Demi-vie

(Période)

Energie (Mev) Méthode de

production

60Co métal 3,5 ans 1,17

1,33

59Co soumis à un flux

neutronique

137Cs 33 ans 0,66 Fission 235U

182Ta Métal 111 jours 0,066 181Ta soumis à un flux

neutronique

192Ir Métal 74,5 jours 0,15

0,65

191Ir soumis à un flux

neutronique

En irradiation industrielle, seuls deux isotopes, le cobalt 60 et le césium 137

présentent un intérêt. La radioactivité du cobalt 60 et celle du césium 137 sont des

désintégrations accompagnées de rayonnements gamma [3].

1.3.4.2. Les irradiateurs au Césium 137

Les Irradiateurs industriels au césium 137 actuellement ne sont plus

développés.

L'utilisation de ce radio-isotope est moins favorable que celle du cobalt (énergie

inférieure) et pose des difficultés en matière de sûreté. Aucun centre d'ionisation

industrielle en exploitation dans le monde ne l’utilise [3].


24

1.3.4.3. Les irradiateurs au cobalt 60

1.3.4.3.1. Sources utilisées

Le cobalt 60, métal insoluble dans l'eau très semblable au nickel par ses

propriétés physiques et chimiques, est l'isotope produit en soumettant le cobalt

ordinaire (59) à un flux de neutrons (dans un réacteur nucléaire), il est actuellement

le mieux adapté à l'utilisation industrielle pour les raisons suivantes :

-pénétration suffisante du rayonnement émis permettant de traiter jusqu'à des

palettes de produits.

- durée d'utilisation suffisante; l'activité de la source ne décroît que de 12% par

an.

1.3.4.3.2. Les types d’irradiateurs

Plus d'une centaine d'appareils industriels utilisant le cobalt 60 ont été réalisés

dans le monde. Leur capacité va de quelques centaines de milliers de curies à

plusieurs millions. Les conceptions des appareils industriels diffèrent les unes des

autres par des choix technologiques dont les principaux sont les suivants :

1. conditionnement des produits ;

2. les moyens pour assurer la circulation dans la cellule et les labyrinthes ;

3. cinématique à l'intérieur de la cellule ;

4. position respective de la source et de la cible (à ioniser) dans le sens de la

hauteur ;

5. géométrie et nombre de porte sources ;

6. mode de stockage de la source à l'arrêt (sous la protection biologique de l'eau,

en piscine, soit à sec)

1.3.4.3.3. Capacité et charge de l’irradiateur

La capacité de l'irradiateur est l'activité maximale qu’on peut y introduire (elle

est exprimée en curie ou becquerel); elle fixe la production maximum. L'effet

d'échelle est très important pour ce type d’équipement, les niveaux habituels de


25

capacité sont de 1 à 2 millions de curies. Les coûts d'investissement des installations

ne sont pas proportionnels à la puissance.

Une installation de 100000 curies coûtera, à équipement comparable, environ

trois fois moins cher qu'une installation d'un million de curies [3].

2. La dosimétrie des particules

22..11.. DDééffiinniittiioonn ::

La dosimétrie est une technique d’évaluation des doses de rayonnement

absorbées par le matériau. La dosimétrie utilise de nombreuses méthodes pour

mesurer les doses de rayonnements électromagnétiques absorbées par le matériau et

modéliser leur action.

22..22.. LLeess ddoossiimmèèttrreess aabbssoolluuss ::

Ils permettent d’atteindre la dose absorbée en un point M d’un milieu, au

moyen de matériau détecteur M’, de masse m, placé dans le milieu M, au point

considéré. Dans cette masse m, on mesure la valeur g d’une grandeur

proportionnelle à l’énergie moyenne Ē déposée par le rayonnement ionisant dans la

masse m. pour le dosimètre considéré, g est lié à Ē selon l’équation (4) :

Ē= ω g Equation (4) .

ω étant la grandeur caractéristique du dosimètre considéré [4].

Connaissant la masse m du matériau dosimètre, on passe à la dose absorbée

dans le matériau M’ selon l’équation (5) :

D M’= m

E=

m

1 ω g Equation (5) .


26

22..22..11.. CCaalloorriimmééttrriiee

Le principe de la calorimétrie est la mesure de la quantité d’énergie q qui

apparaît sous forme thermique, dans la masse m. Pour un calorimètre parfait, Ē=q.

Réellement la quantité de chaleur q peut différer de l’énergie moyenne absorbée Ē

par défaut [4], donc :

Ē=q (1+δ) avec δ : le quotient par q du défaut ou de l’excès d’énergie

thermique. La dose absorbée dans le matériau du calorimètre est déterminée par

l’équation (6) :

D M’ = m

1 (1+δ) q Equation (6) .

22..22..22.. DDoossiimmèèttrreess cchhiimmiiqquueess

Il s’agit, souvent, d’une solution aqueuse dans laquelle le rayonnement crée des

produits nouveaux, le nombre de radicaux ou de molécules nouveaux est n(P) pour

une réaction radiochimique donnée. Le rendement radiochimique G(P) de la

solution, pour un rayonnement incident donné, et pour la réaction P bien définie

considérée, est le nombre de radicaux ou de molécule nouveaux formés par unité

d’énergie moyenne déposée dans M’ [4].

La dose absorbée dans M’est :

)()(

1.

1'

pnPGmD M

= Equation (7) .

Le dosimètre chimique est un dosimètre absolu secondaire.

Citons quelques types de dosimètres chimiques :

22..22..22..11.. DDoossiimmèèttrree ddee FFrriicckkee

Il est largement utilisé comme étalon secondaire en raison de sa précision, (1-

2%), de sa reproductibilité et de sa simplicité d’emploi. Le principe d’utilisation


27

repose sur la radio-oxidation de sel ferreux d’une solution d’acide saturée d’air

(Fe(NH4)2 (SO4)2 0,001 M – H2SO4 0,8 N – O2– 0,25 nM) [5].

22..22..22..22.. DDoossiimmèèttrreess àà bbaassee ddee ppoollyymmèèrreess

Ce sont des films de polymère souvent imprégné de colorant, dont on a pu

relier au préalable le changement de densité optique dans le spectre UV Visible à la

réponse d’un dosimètre de référence tel que la solution de Fricke. Ce sont des

dosimètres de routine [5].

22..22..22..33.. DDoossiimmèèttrreess àà rraaddiiccaauuxx lliibbrreess

Lors de l’irradiation à la température ordinaire de la L-α-alanine à l’état solide,

il y a formation de radicaux libres de très longue durée, dont la détection se fait par

résonance paramagnétique électronique. De tels dosimètres sont caractérisés par

l’excellente reproductibilité de la réponse radicalaire dans un très large intervalle de

dose (1 à 105 Gy) [5].

22..22..22..44.. DDoossiimmééttrriiee eenn pphhaassee ggaazzeeuussee

Parmi les gaz utilisé dans telle application, nous avons le N2O, dont la

décomposition radiolytique est mesurée par N2 formé. Il représente des

caractéristiques très intéressantes en dosimétrie photonique et électronique des

milieux gazeux [5].

22..33.. LLeess ddoossiimmèèttrreess rreellaattiiffss

A coté des dosimètres de base, on rencontre de nombreux dosimètres relatifs,

dont les données doivent être étalonnées au moyen des dosimètres absolus. Parmi

ces dosimètres nous pouvons citer :

a) Les dosimètres infographiques : émulsions

photographiques et détecteurs solides de traces.


28

b) Les dosimètres solides : verres et céramiques radio-photo-

luminescents, substances thermo-luminescentes, détecteurs à bulles [5].

33.. LLee rrôôllee ddee llaa ddoossiimmééttrriiee

La traversée de la matière par un faisceau de particules aboutit à un transfert

d’énergie vers cette matière.

Le but de la dosimétrie est d’évaluer quantitativement cette énergie absorbée,

elle peut jouer le rôle de contrôle des traitements ionisants dans le domaine

agroalimentaire, le domaine de stérilisation médicale, pharmaceutique… afin :

• de prévoir les effets des traitements par un rayonnement ionisant

• de mesurer l’énergie déposée dans les tissus lorsque les rayonnements

ionisants (directs ou indirects) sont utilisés à des fins diagnostiques

• de définir des normes de protection vis-à-vis de ces rayonnements

(radioprotection) soit individuellement (sur le plan personnel ou

professionnel), soit collectivement.

• de caractériser l'installation d'irradiation. En effet, la mesure de la

relation entre la dose absorbée et les paramètres clés de contrôle de

l'installation, ainsi que la mesure de la distribution de dose dans un produit

référence, permet la caractérisation globale de l'installation d'irradiation [6] .

La dosimétrie permet donc d’assurer :

o La reproductibilité du traitement par les rayonnements ionisants

o L’exactitude dans les valeurs des doses absorbées selon l’application.

Les valeurs de la dose appliquées sont soumises à des réglementations [7,8].


29

44.. GGrraannddeeuurrss ddoossiimmééttrriiqquueess

44..11.. KKeerrmmaa «« KK»»

Cette grandeur caractérise le transfert d’énergie des rayonnements

indirectement ionisants (γ, X…) à un milieu donné ; elle est égale au quotient de la

somme ΔEK des energies initialesde toutes les particules chargées mises en

mouvement dans un volume élémentaire de masse Δm [4].

K= ∆

∆m

EK Equation (8) .

44..22.. LLaa ddoossee aabbssoorrbbééee

Pour tout rayonnement ionisant, la dose absorbée : D est le quotient de l’énergie

ΔED communiquée à un élément de volume de matière irradiée par la masse Δm de

cet élément.

D= ∆

∆m

ED Equation (9) .

L'unité de dose absorbée est le gray (symbole : Gy) : 1Gy = 1 J. kg-1

L’énergie communiquée représente :

• D’une part, la différence entre la somme des énergies de toutes

les particules ionisantes ayant pénétré dans le volume et la somme de

toutes celles qui l’ont quitté, les énergies au repos étant exclues

• D’autre part, la différence entre la somme de toutes les énergies

libérées et la somme de toutes les énergies absorbées dans toutes les

réactions nucléaires, transformations et interactions de particules

élémentaires qui ont eu lieu à l’intérieur de ce volume.

L’unité S.I. de dose absorbée est le gray. La dose absorbée représente la

caractéristique principale d’un traitement par ionisation [4].


30

44..33.. LLee ddéébbiitt ddee ddoossee aabbssoorrbbééee

Le débit de dose absorbée, D& , est le quotient de dD par dt, où dD est l'incrément

de dose absorbée pendant l'intervalle de temps dt correspondant :

dt

dDD =& Equation (10) .

Le nom spécial, gray (Gy), peut être substitué au joule par kilogramme :

1Gy. S-1 = 1 J. kg-1. s-1 [8]

CNSTN-INSAT CHCHCHCH2222 : : : : Revue de littératureRevue de littératureRevue de littératureRevue de littérature

31

11.. IInnttrroodduuccttiioonn ::

Dans ce chapitre, nous allons présenter les techniques qui ont été utilisés par

les chercheurs pour étudier le comportement du sucre suite à son irradiation pour

une application en dosimétrie de rayonnement gamma d’une source au 60Co.

Les méthodes que nous allons présenter sont :

- la polarimétrie ;

- la chimioluminescence ;

- la résonance paramagnétique électronique ;

- la spectroscopie infrarouge ;

- la spectroscopie UV ;

22.. LLeess pprriinncciippaalleess mméétthhooddeess uuttiilliissééeess ddaannss lleess ttrraavvaauuxx ddee

rreecchheerrcchhee ssuurr llee ssuuccrree ccoommmmee aapppplliiccaattiioonn ddoossiimmééttrriiqquuee

22..11.. LLaa ppoollaarriimmééttrriiee

22..11..11.. PPrriinncciippee ddee llaa mméétthhooddee

La polarimétrie est une application de la polarisation de la lumière. Le

phénomène qui est utilisé en chimie analytique n’est pas la polarisation de la lumière

elle-même, mais la déviation du plan de polarisation de cette lumière déjà polarisée

lors de son passage à travers une substance optiquement active, c'est-à-dire

asymétrique. C’est le phénomène de la polarisation rotatoire qui est à l’origine des

dosages polarimétriques [10].

Le phénomène de rotation du plan de la lumière polarisée est observé avec les

substances asymétriques appelées pour cette raison optiquement actives. L’angle α

de rotation du plan de la lumière par rapport à la position initiale est caractéristique


32

de la substance optiquement active (sa nature et sa concentration), de l’épaisseur

traversée par la lumière et de la longueur d’onde de la lumière utilisée [10].

22..11..22.. EEttuuddee ddoossiimmééttrriiqquuee dduu ssuuccrree ppaarr ppoollaarriimmééttrriiee

William L. McLaughlin a mis en évidence que la mesure polarimétrique de la

rotation optique change dans la solution de glucose irradié à une longueur d’onde

donnée et permet de déterminer la dose absorbée de rayonnement γ dans un

domaine de 50 à 2000 kGy. Il a aussi cité que d’autres études avec un autre

monosaccharide optiquement actif, un aldose, le D-(-) ribose en présence de

phosphate représente un dosimètre plus sensible que les autres solutions de sucre

dans la gamme de 5 à 1000 kGy [11].

22..22.. LLaa cchhiimmiilluummiinneesscceennccee


Il s’agit d’une émission luminescente, généralement monochromatique, qui

s'effectue au cours d'une réaction chimique. C’est un cas particulier de la

fluorescence. Dans ce cas les molécules excitées sont directement produites au cours

d’une réaction chimique, et ce dans un état menant à une phosphorescence. En

dehors des molécules possédant une fluorescence naturelle, beaucoup peuvent le

devenir par le biais d’une modification (oxydation par exemple) ou d’une association

avec une autre molécule fluorescente. On peut par exemple greffer sur l’analyte un

réactif fluorophore par réaction chimique [12].

22..22..22.. EEttuuddee ddoossiimmééttrriiqquuee dduu ssuuccrree ppaarr llaa cchhiimmiilluummiinneesscceennccee

L.Heide et W.Bogl [13] ont définit que la chimiluminescence est émise par

plusieurs substances irradiées immédiatement après le contact avec l’eau ou des

solutions aqueuses ou non aqueuses pouvant contenir ou non un sensibilisateur


33

(comme le luminol. La réaction avec le luminol en milieu alcalin est due à la présence

de radicaux stables ou produite par oxydation dans la substance solide. L’impulsion

de la lumière est de très courte durée. Dans la plus part des substances, l’intensité

maximale est atteinte à la première seconde de la réaction [13].

L.Heide et W.Bogl [13] ont utilisé cette méthode pour évaluer les doses de

rayonnement gamma d’une source de 60Co entre 0.1 et 30 Gy. Ils ont monté que

l’intensité de la chimiluminescence ne dépend pas du débit de dose du rayonnement

gamma (60Co) entre 0,4 et 90 Gy.min-1 et que la quantité de la lumière peut être

corrélée à la dose de l’irradiation comme le montre la figure 1. En effet, l’intensité de

la chimiluminescence du sucre irradié dépend de la dose pour la gamme de 0 à 10

Gy. La limite de détection est de 0,4 Gy [13].

Figure 1. La variation de l’intensité de la chimiluminescence de granulés de sucre irradié par une source gamma (60Co) en fonction de la dose [13]

D’autres mesures de l’intensité de la chimioluminescence on été effectuées au

5ème et 18ème jour après l’irradiation. Aucune remarquable décroissance n’a été

observée. Pour les différentes doses, au cours du stockage, les courbes ont gardé la

même allure et le même comportement mais d’intensité croissante comme le montre

la figure 2 [13].


34

Figure 2. La variation de l’intensité de la chimiluminescence du sucre irradié et non irradié en fonction du temps de stockage [13]

Il est à signaler que d’autres facteurs, comme le meulage du sucre peut causer

une croissance de l’intensité de la luminescence.

En résumé, la mesure de l’intensité de la chimiluminescence du sucre irradié

par un rayonnement gamma au 60Co peut être utilisée comme méthode pour la

détermination de la dose [13].

22..33.. LLaa ssppeeccttrroossccooppiiee iinnffrraarroouuggee


Le rayonnement infrarouge peut induire des transitions dans les états

vibrationnels et réactionnels associés à l’état électroniques fondamental de la

molécule. Les modes de vibrations moléculaires sont schématisés sur la figure 3 [14] .


35

Figure 3. Modes de vibration moléculaire. (Le signe + indique un mouvement du plan de la page vers

le lecteur ; le signe – indique que l’on s’éloigne) [14]

22..33..22.. EEttuuddee ddoossiimmééttrriiqquuee dduu ssuuccrree ppaarr ssppeeccttrroossccooppiiee IIRR

Des études par la spectroscopie IR a été effectuée sur du sucre espagnol. Le

spectre d’absorption optique des cristaux non irradiés se compose de plusieurs

bandes dans la région 1400-250 nm. Ces bandes sont situées à environ 1440, 2080,

2310 et 2480 nm (voir figure 4) [15].

Figure 4. Le spectre d’absorption montrant les caractéristiques des pics dans la région 1400-2500 nm

pour les cristaux du sucre espagnol non irradié [15]


36

L’intensité de ces bandes montre un comportement complexe sous l’irradiation :

une diminution de l’intensité des bandes à 1440 et 2080 nm en fonction de la dose (du

rayonnement gamma) croissante et une augmentation de l’intensité des bandes à

2310 et 2480 nm pour les doses inférieures à 1 kGy et commence à diminuer pour

atteindre un pallier pour les doses plus élevées, ce qui est présenté sur la figure 5.

[15].

Figure 5. La variation de l’intensité des bandes d’absorption optique en fonction de la dose de

radiation gamma appliquée [15]

Le spectre d’absorption IR de poudre de fructose (Figure 6) dans la même

région spectrale que celle étudiée pour le saccharose se compose de bandes

d’absorption semblable à environ 2310 et 2380 nm. Et puisque le saccharose se

compose de fructose et de glucose, Supe et Tilikis [15] ont suggéré que les bandes à

1440 et 2080 peuvent être assignés aux vibration de la liaison C-H du glucose car, en

plus, elles gardent le même comportement après irradiation. [15]

Figure 6. Le spectre d’absorption optique du fructose en poudre non irradié

dans la région 1400-2500 nm [15]


37

Supe et Tilikis [15] ont suggéré que comme les bandes à 1440 et 2080 diminuent

avec la dose appliquée croissante, il pourrait y être une formation de groupe

carbonyle dans la partie du glucose du saccharose et de possibles produits de

radiolyse observés en glucose et en fructose.

22..44.. LLaa rrééssoonnaannccee ppaarraammaaggnnééttiiqquuee éélleeccttrroonniiqquuee


La résonance paramagnétique électronique (RPE) est une technique de mesure

physique.

C'est une méthode de spectroscopie hertzienne (9-10 GHz). Grâce à sa spécificité

et sa grande sensibilité, elle permet une détection directe des radicaux libres. Ceux-ci

sont des substances chimiques caractérisées par la présence d'un électron non

apparié (appelé aussi électron célibataire) sur la couche de valence. Il en résulte que

ces espèces possèdent une propriété magnétique intrinsèque, le paramagnétisme de

spin. Soumis à l'action d'un champ magnétique extérieur intense H, les spins

électroniques absorbent un photon provenant du champ électromagnétique incident

et basculent d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur. C'est le

phénomène de RPE.

Elle peut donner accès à la localisation de l'électron sur la molécule, au degré

d'oxydation de l'atome qui le porte, et parfois à la nature des atomes voisins. Dans le

cas d'espèces polynucléaires, la RPE peut donner des informations sur le couplage

entre les centres paramagnétiques. [22]


38

22..44..22.. Etude dosimétrique du sucre par la résonance paramagnétique

électronique

2.4.2.1. La variation de l’intensité du signal RPE en fonction de la

dose du rayonnement gamma appliquée

La méthode RPE est une technique largement utilisée due à sa sensibilité. Cette

méthode a été utilisée pour l’analyse du sucre Mexicain sous sa forme cristalline. Les

cristaux non irradiés du saccharose donnent des très faibles signaux RPE, au moins

100 fois moins intenses que les échantillons irradiés. C.Flores et al. ont réalisé

l’analyse par RPE des cristaux de sucre mexicain suite à son irradiation par

rayonnement gamma de dose égale à 10 kGy , le spectre trouvé est présenté sur la

figure 7 [15].

Figure 7. Spectre RPE du sucre mexicain sous sa forme cristalline suite à son irradiation par un rayonnement gamma et pour une dose D=10 kGy [15]

La variation de l’intensité du signal des radicaux RPE en fonction de la dose

appliquée est montrée sur la figure 8.


39

Figure 8. La variation du signal RPE en fonction de la dose du rayonnement gamma appliquée aux

cristaux de sucre mexicain [15]

Bien qu’il y ait une déviation du comportement linéaire complet, néanmoins on

peut considérer que la variation de l’intensité du signal RPE en fonction de la dose

est linéaire pour les doses de 0,5 à 10 kGy. Ce comportement linéaire pourrait

indiquer la possibilité de l’utilisation de ce matériel comme dosimètre du

rayonnement Gamma [15].

2.4.2.2. Comparaison entre deux sucres

C.Flores et al. [15] ont choisi d’étudier la canne à sucre commune (saccharose) et

le dextrose pour une application en dosimétrie par la méthode RPE. Ils ont étudié le

nombre de radicaux libres en fonction de la dose gamma appliqué d’une source au

60Co. La courbe de réponse pour les deux échantillons : saccharose et dextrose

irradiés avec des doses gamma entre 0,1 et 100 Gy est représentée par la figure 9 [15].


40

Figure 9. La variation du signal RPE en fonction de la dose du rayonnement gamma appliquée au saccharose (courbe A) et au Dextrose (courbe B) [15]

Le signal RPE varie d’une manière linéaire pour les deux sucres en fonction de

la dose appliquée dans le domaine de 0,1 à 100 Gy. Le saccharose est plus sensible

que le Dextrose. Ces résultats suggèrent la possibilité d’utiliser le sucre comme

dosimètre des rayonnements Gamma d’une source au 60Co. [16]

2.4.2.3. Comparaison entre le sucre de 19 pays

T.Nakajima et T.Otusuki [16] ont étudié les sucres de 19 pays pour une

application en dosimétrie par la méthode RPE. Ils ont montré qu’aucun effet

appréciable des éléments d'impureté contribuant au signal RPE n'est trouvé dans

aucun des sucres produits dans les 19 pays. Ils sont aussi parvenus à trouver qu’il n’y

a aucune différence appréciable dans la sensibilité ni l'affaiblissement dans

l'intensité du signal PPE pour tous ces sucres.

T.Nakajima et T.Otusuki [16] ont montré que quand le sucre granulé cristallin

est saupoudré, une concentration relativement grande des radicaux libres sont

créées, en plus de ceux induites par irradiation et que la pulvérisation de l'échantillon

affecte l'évaluation de dose dans la gamme de dose de 100 Gy ou plus.


41

Concernant la stabilité des radicaux libres en sucre est importante si on

s’approche de point de fusion [16].

Dans une autre étude par RPE, N.D.Yordanov et E.Geogieva ont étudié la

variation du signal RPE de trois matériaux : le saccharose, le fructose et le glucose en

fonction de la dose de rayonnement gamma d’une source au 60Co pour la gamme de

doses de 0.5 à 21 kGy. Ces résultats sont représentés sur la figure 10 [17].

Figure 10. La variation du signal RPE en fonction de la dose appliquée d’un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour le saccharose (1), le fructose (2) et le glucose (3) [17]

La linéarité de la variation du signal RPE en fonction de la dose absorbée est

vérifiée pour le saccharose et le glucose avec une meilleure sensibilité pour le

saccharose. Cette linéarité n’est vérifiée pour le fructose que pour des doses jusqu’à

10 kGy avec un début de saturation au delà de cette limite [17].

22..55.. LLaa ssppeeccttrroossccooppiiee UUVV VViissiibbllee


La spectroscopie UV Visible a été utilisée comme une méthode d’étude du

comportement du sucre suite à son irradiation par un rayonnement gamma dans le

but d’application dosimétrique de ce type de rayonnement ionisant.


42

22..55..22.. EEttuuddee ddoossiimmééttrriiqquuee dduu ssuuccrree ppaarr llaa ssppeeccttrroossccooppiiee UUVV vviissiibbllee

C.Flores et al. [15] ont étudié l’absorbance dans le domaine ultraviolet visible du

sucre irradié pour les doses : 0,5 ;2 ;4 et 8 kGy d’un rayonnement gamma d’une

source au 60Co. Les spectres obtenus sont sur la figure 11 [15].

Figure 11. La variation du spectre UV Visible d’une solution de sucre espagnol irradié et non

irradié en fonction de la dose du rayonnement gamma de source 60Co au appliquée [15]

Il y a des couples des bandes dans la région UV à environ 250 et 320 nm dont

l’intensité augmente en fonction d’une dose appliquée croissante. Ces bandes

d’absorption sont associées aux groupes carbonyliques dans les composés

organiques [15].

Sur le même principe N.D.Yordanov et Y.Karakirova [18] ont démontré la

linéarité entre l’absorbance en UV à 267 nm (figure 12) d’une solution de saccharose

irradié par un rayonnement Gamma dans la gamme de concentration de 5 à 20% et

de dose de 0.055 à 60 kGy [18].


43

Figure 12. Spectres UV Visible d’une solution de sucre irradié en fonction de 3 doses différentes du rayonnement gamma d’une source au 60Co [18]

Ils ont aussi montré l’effet de la température sur la réponse en absorbance du

saccharose comme c’est indiqué sur la figure 13. En effet l’absorbance maximale

atteinte après 10 jours (qui est l’absorbance à la stabilité) peut être atteinte en

chauffant à 70°c pendant une heure.

Figure 13. La réponse en absorbance UV d’une solution de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au 60Co en fonction de la dose à la température ambiante (a) et

après un chauffage pendant une heure à 70°c [18]

Par la même méthode, N.D.Yordanov et E.Geogieva [17] ont étudié l’effet de la

radiation gamma d’une source au 60Co sur le saccharose, le fructose et le glucose

puisque le saccharose est un disaccharide composé de deux monosaccharides : le

fructose et le glucose. Le saccharose irradié sous sa forme solide puis mis en solution

et la solution de saccharose irradiée donne une bande d’absorption en solution.

L’absorbance d’une solution du sucre irradié sous sa forme solide donne une

variation linéaire en fonction de la dose appliquée.


44

Pour une dose appliquée D = 12 kGy, N.D.Yordanov et E.Geogieva [17] ont

étudié le spectre UV des solutions de concentration 2%(m/m) de saccharose, glucose

et fructose juste après la dissolution. Comme l’indique la figure 14, la longueur

d’absorbance maximale pour le saccharose est de 267 nm et celle du fructose est de

286 nm. La solution de glucose possède un large maximum dans la région de 260-

280 nm [17].

Figure 14. Spectre UV des solution de concentration 2%(m/m) irradiée par un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=12 kGy de saccharose (1), fructose (2) et glucose (3)

immédiatement après dissolution à une température T=300K [17]

Des études de stabilité au cours du temps par spectroscopie UV ont été

effectuée sur des solutions de saccharose et fructose irradiés. Les résultats sont

représentés sur la figure 15.

Figure 15. La variation de l’absorbance en UV de solution de concentration 2% (m/m) de saccharose (à 267 nm) et de fructose (à 286nm) irradiés à l’état solide juste après

dissolution en fonction du temps [17]


45

L’absorbance de la solution de saccharose irradié augmente pour se stabiliser au

10ème jour d’analyse. Cependant celle du fructose irradié diminue jusqu’à une valeur

stable dès le 4ème jour. Ces résultats ont amené N.D.Yordanov et E.Geogieva [17] à

étudier la réponse en absorbance de solution de fructose irradié en fonction de la

dose appliquée de rayonnement gamma de source au 60Co (figure 16) et la

dépendance de cette variation du temps de stockage après dissolution (figure 17).

Figure 16. La variation de l’absorbance d’une solution de fructose de concentration 2%(m/m) irradié par un rayonnement gamma de source au 60Co en fonction de la dose reçue [17]

Figure 17. La variation de l’absorbance d’une solution de fructose de concentration 2% (m/m) irradié par un rayonnement gamma de source au 60Co en fonction de la dose appliquée en fonction du temps de stockage en solution : (1) immédiatement après dissolution, (2)

après 3 jours et (3) après 5 jours [17]


46

La variation de l’absorbance de la solution de fructose irradié en fonction de la

dose appliquée est linéaire. Cette absorbance diminue au cours du temps de stockage

de la solution après sa dissolution.

La dépendance de l’absorbance à 286 d’une solution de fructose irradié en

fonction de sa concentration en solution a été étudié pour une gamme de

concentration de 2 à 60% (m/m) pour une dose D = 5,5 kGy et elle est représentée sur

la figure 18.

Figure 18. La variation de l’absorbance à 286 nm d’une solution de fructose irradié par une dose D=5,5 kGy de rayonnement gamma de source au 60Co

en fonction de la concentration [17]

La variation de l’absorbance à 286 nm d’une solution de fructose irradié par

une dose D=5,5 kGy de rayonnement gamma de source au 60Co en fonction de la

concentration est linéaire jusqu’à une concentration de 20% (m/m)

33.. CCoonncclluussiioonn ::

Les essais et les recherches sur le sucre pour une application en dosimétrie de

rayonnement gamma d’une source au 60Co sont variés. Les caractéristiques

dosimétriques déterminée lors des recherches citées dans ce chapitre prouvent que le

sucre peut être déterminé dans le domaine de dosimétrie pour une bonne plage de

doses allant de 0,005 à 2000 kGy. Ainsi son d’application est très intéressante dans


47

plusieurs domaines pour les faibles doses (domaine agroalimentaire), moyennes et

fortes doses (désinfection, stérilisation…).

La manipulation facile, la disponibilité, l’application dans un grand intervalle

de dose, le bas coût rendent le sucre un bon choix de dosimètre.

Nous avons remarqué que l’étude de la conductivité et du pH des solutions de

sucre irradiés n’a pas été bien développée. Nous allons essayer dans cette étude de

voir la variation de ces deux paramètres pour le sucre irradié et de faire une

corrélation avec les résultats trouvés et avec les autres méthodes utilisées.

CNSTN-INSAT CH3CH3CH3CH3 : : : : MéthodesMéthodesMéthodesMéthodes et matériels et matériels et matériels et matériels

48

11.. IInnttrroodduuccttiioonn

Les méthodes que nous avons utilisé pour étudier le comportement du sucre

solide suite à son irradiation sont :

1) La conductivité électrique

2) La pH-métrie

3) La spectroscopie UV Visible.

Le principe de chaque méthode sera expliqué dans ce chapitre avec la

présentation du matériel et des appareils utilisés.

22.. MMéétthhooddeess

22..11.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé éélleeccttrriiqquuee

22..11..11.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé σσ dd’’uunnee ssoolluuttiioonn

C’est une grandeur qui définit l’aptitude de la solution à conduire le courant.

Chaque espèce ionique i de la solution contribue à la conductivité totale notée σσ sol .

La conductivité σσ i due à chaque ion i est définie par l’équation (11) :

σσ i= |zi| . Ci. ui . F Equation (11) .

avec : |zi| : Valeur absolue de la charge de l’ion considéré

Ci : concentration de l’ion dans la solution (mol/m3)

ui : mobilité de l’ion (m²/s.V)

F : un faraday : 96 500 coulombs par mole

La conductivité totale s’écrit donc selon l’équation (12) :

σσ sol= FΣ |zi| . Ci. ui Equation (12) .

L’unité de la conductivité est le siemens par mètre (S/m).


49

La résistivité correspondante de la solution se note ρsol =σ sol

1 et est exprimé en

ohms-mètres (Ω.m) [19]

22..11..22.. CCoonndduuccttaannccee GG

Une colonne d’électrolyte de longueur l ; de section S, de résistivité ρ a une

résistance R :

R=ρ. Sl Equation (13) .

R en ohms

l en mètre

S en mètres carrés

ρ en ohms-mètres

Sa conductance est : G =R1 avec G en Siemens[19]

soit G = σσ. l

S

Equation (14) .

22..11..33.. CCoonndduuccttiivviittéé ééqquuiivvaalleennttee

Lorsque un électrolyte contient deux sortes d’ions seulement, on définit la

conductivité équivalente σσ sol de l’électrolyte par unité de concentration en charge

Ceq.

λsol = C eq

solσ Equation (15) .


50

La concentration en charge se calcule pour le cation et pour l’anion.

Ceq =|zi|.Ci Equation (16) .

Avec |zi| : charge apportée par le cation ou l’anion pour une mole de soluté,

en valeur absolue.

Ci : concentration molaire de l’anion ou du cation.

A chaque ion correspond une conductivité équivalente ionique λi, telle que :

λi =C ieq

iσ Equation (17) .

et

Cieq =|zi|.Ci = Ceq Equation (18) .

on a σσ i= |zi| . Ci. ui. F

λi=C i.

F . . .

zuCz

i

iii = ui. FFFF Equation (19) .

La conductivité équivalente d’un ion i est donc égale au produit de la constante

de Faraday F par sa mobilité ui. [19]

22..11..44.. NNoommbbrree ddee ttrraannssppoorrtt tt

La fraction transportée par un ion i est appelée le nombre de transport ti de

l’ion i.

ti < 1 et Σ ti=1

La fraction du courant transportée est le rapport entre la conductivité de l’ion

considéré et la conductivité totale de la solution. [19]


51

ti = σσ

sol

i ou t i= λλ

sol

i Equation (20) .

22..11..55.. LLaa ccoonndduuccttiimmèèttrriiee

L’appareil permettant de mesurer la conductance G d’une solution est le

conductimètre, muni d’une cellule conductimétrique. Cette dernière de forme

géométrique connue, emprisonne un cylindre d’électrolyte de section S et de

longueur l. La relation reliant ces grandeurs est la suivante :

G= σ. l

S

Equation (21) .

l

Sest appelée la constante de cellule k (unité le mètre) [19]

G= σσ. K Equation (22) .

22..22.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé àà hhaauuttee ffrrééqquueennccee

22..22..11.. IInnttrroodduuccttiioonn

La connaissance des paramètres : permittivité diélectrique et conductivité

électrique, est déterminante en dosimétrie électromagnétique ou pour la distribution

du champ électrique et/ou magnétique au sein du matériau cible.

Les valeurs des permittivités et conductivité des matériaux ou des solutions aux

fréquences d'intérêt ne peuvent être mesurées directement et sont donc obtenus par

la mesure de l'impédance du milieu d'investigation. [20].


52

22..22..22.. CCoonndduuccttiivviittéé,, iimmppééddaannccee

De nombreux matériaux sont à la fois diélectriques (isolants) et conducteurs :

leur conductivité n'est pas nulle. L'application d'un champ électrique à un tel milieu

engendre donc un courant de conduction.

La conductivité est une grandeur qui n’est pas directement mesurable et est

généralement déduite d'une mesure d'impédance.

L’impédance est le rapport de l'amplitude complexe d'une grandeur

sinusoïdale (tension électrique) à l'amplitude complexe de la grandeur induite

(courant électrique)

L'impédance Z* traduit la relation entre la tension aux bornes d'un circuit et le

courant le traversant suivant la loi d'Ohm à l'échelle macroscopique :

U*=Z*.I* Equation (23) .


La variation de la conductivité est déterminée par la variation de la tension

électrique aux bornes de l’électrode suite à l’application d’un courant électrique.

22..22..44.. IInnssttrruummeennttaattiioonn

Donc pour la détermination de la conductivité à haute fréquence nous avons

recours à la détermination de l’impédance. La chaîne instrumentale classique

assurant la mesure de la l’impédance peut être dissociée en plusieurs éléments

comme le montre la figure 19.

L'échantillon sous test est caractérisé par des propriétés électriques σ'X (la

conductivité) et ε'X (la permittivité) dont l'évaluation se déduit de la mesure de

l'impédance électrique complexe ZX* par la résolution d'un problème inverse. [20]


53

Figure 19. La chaîne instrumentale de la mesure de l’impédance. [20]

La méthode essentiellement utilisée est la méthode des quatre points (ou V/I)

étendue aux hautes fréquences. L'étalonnage du système de mesure s'effectue à l'aide

de solutions salines de référence.

Warburg a proposé un modèle de quantification de l'impédance de

perturbation liée à la polarisation des électrodes (Figure 20.).

Figure 20. Modèle de Warburg décrivant l'interface milieu électrode [20]

Elle se résume à l'expression simplifiée suivante :

Equation (24) .

Où k est une constante déterminée par le milieu [Warburg, 1899]. Les éléments de

l'impédance de Warburg peuvent être déterminés théoriquement [Kovacs,1994] :

Equation (25) .


54

Où f est la fréquence en Hertz, D est le coefficient de diffusion ionique (cm2 /sec), Rw

est en Ω·cm2 et Cw est en C/cm2.

Pour un milieu matériel linéaire, homogène et isotrope, l'impédance est une fonction

de ses propriétés électriques, la conductivité et la permittivité, mais aussi dépend des

facteurs géométriques de la cellule par un facteur de cellule "k" (m-1) :

Equation (26) .

22..22..55.. LLeess cceelllluulleess ddee mmeessuurree

Les échantillons liquides se trouvent dans des ampoules qu’on place dans la

cellule de mesure (Figure 21)

Figure 21. La cellule de mesure de la conductivité à haute fréquence [20]

22..22..66.. MMéétthhooddeess ddee ddéétteerrmmiinnaattiioonn ddeess ccaarraaccttèèrreess ddiiéélleeccttrriiqquueess ddeess

éécchhaannttiilllloonnss

22..22..66..11.. LLee pprreemmiieerr mmooddèèllee

La méthode des éléments finis a été utilisé à l'aide d’un logiciel (Femlab) pour

déterminer la densité de courant, les lignes de champ, ainsi remonter à l'impédance


55

et donc aux caractéristiques diélectriques du milieu et ce en modélisant les

phénomènes dus aux couplages entre les électrodes et le milieu.

Dans un premier temps, un dispositif permettant de mesurer précisément

l'impédance a été développé. Les distributions de potentiels dans une micro cellule

(Figure 22) en vue d'optimiser son dimensionnement ont été développées, comme la

formulation des lignes de champ et des potentiels dans la cellule métrologique

couplée au milieu et la formulation des caractéristiques diélectriques de celui-ci à

partir de l'expression de son impédance (Figure 23).

Figure 22. La distribution du potentiel dans les microcellules [20]

Figure 23. Modélisation sous Femlab des lignes de champ pour des électrodes planaires dans le

réservoir du fluide étalon. La densité de courant permet de remonter aux caractéristiques diélectriques en fonction du facteur de forme de la cellule [20]


56

22..22..66..22.. LLee ddeeuuxxiièèmmee mmooddèèllee

Le deuxième modèle est constitué d'une matrice permettant de connecter par

multiplexage jusqu'à 16 électrodes par rapport à un plan de masse. Il a été réalisé par

Antoni Ivorra et Rodrigo Gomez [20] du Centre Nacional de Microelectrónica de

l'Universidad Autónoma de Barcelone. La figure 24 montre les différents éléments

qui composent la chaîne thermostatée, ainsi que la microcellule de mesure pour des

échantillons. [20]

Figure 24. Matrice d'électrodes microniques platinisées destinées à la mesure multiplexée

d'impédance E : Champs électrique, I : courant électrique, J : densité électrique [20].

22..33.. LLaa ppHH--mmééttrriiee

22..33..11.. DDééffiinniittiioonn dduu ppHH

Le pH est défini par :

]log[ 3+−= OHpH Equation (27) .


57

Le pH d’une solution ne peut être calculé de manière précise que pour des

solutions diluées, pour lesquelles activité et concentrations sont égales. On peut

encore calculer l’activité de l’ion H+ en multipliant la concentration molaire de cet ion

par son coefficient d’activité.

Pour les solutions concentrées et même les solutions tampons, il est impossible

de définir avec précision le pH. Par convention internationale, on définit le pH

comme étant le résultat de mesure obtenue au moyen d’une chaîne galvanique.

La f.é.m de la pile peut s’écrire :

E=Eréf =F

RTaHln + =E réf + 0,059 pH

à 25 °C

Equation (28) .

Eréf est égal à + 0,338 V.

L’étalonnage préalable définissant Eréf s’effectue au moyen de solutions

suffisamment diluées et en utilisant des solutions étalons définies par l’Union

Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC). [21]

22..33..22.. MMeessuurree dduu ppHH :: éélleeccttrrooddee ddee vveerrrree

La méthode actuelle la plus adaptée à la mesure du pH est l’électrode de verre.

Elle est constituée d’une petite sphère de verre mince remplie d’une solution de HCl

de pH constant et incluant une électrode de référence Ag, AgCl.

Le principe repose sur la propriété de la membrane de verre qui est semi-

perméable uniquement aux protons (tH + =1), de sorte qu’elle constitue une pile de

concentration entre la solution et l’intérieur de l’électrode. [21]

Il s’établit un potentiel de jonction de part et d’autre de la paroi :


58

Π= F

RT ln

][

][

intH

Hsol

+

+ Equation (29) .

Le terme [H+]int est constant, donc s’introduit dans Eréf, et le potentiel E s’écrit

toujours :

E=E’°-0,059 pH (à 25°C) Equation (30) .

Figure 25. Electrode de verre [21]

22..44.. LLaa ssppeeccttrroossccooppiiee UUVV

La spectroscopie représente une méthode d’étude de la lumière et des

rayonnements électromagnétiques (tels que les rayons X, le rayonnement ultraviolet,

le rayonnement infrarouge…). Elle peut même inclure des techniques qui

n’impliquent pas des rayonnements électromagnétiques (la spectroscopie de masse,

la spectroscopie électronique…). [14]

22..44..11.. LLee ssppeeccttrree éélleeccttrroommaaggnnééttiiqquuee

Le spectre électromagnétique couvre un domaine extrêmement étendu de

longueurs d’onde et de fréquences, donc d’énergie. Ce domaine est tellement grand

qu’il nécessite une échelle logarithmique. La figure 26 montre qualitativement les


59

principales régions spectrales que l’on sépare en se basant sur les méthodes requises

pour émettre et détecter les divers types de rayonnement. [14]

Figure 26. Les principales régions spectrales [22]

22..44..22.. LL’’aabbssoorrppttiioonn dd’’uunn rraayyoonnnneemmeenntt

L’absorption est un phénomène au cours duquel une espèce chimique dans un

milieu transparent atténue sélectivement l’intensité du rayonnement

électromagnétique incident, à certaines fréquences. Selon la théorie quantique,

chaque particule élémentaire possède un ensemble unique d’états énergétiques, celui

dont le niveau énergétique est le plus bas est l’état fondamental. Lorsqu’un photon

passe au voisinage d’une particule, il peut être absorbé seulement et seulement si

l’énergie du photon est exactement égale à la différence d’énergie entre l’état

fondamental et un des états d’énergie plus élevés de la particule. Donc l’énergie du

photon est transférée à l’atome, l’ion ou la molécule qui passe à un état d’énergie

plus élevé appelé état excité. Après un temps court (10-6 à 10-9s), l’espèce excitée

revient à son état fondamental initial en cédant son excès d’énergie à d’autre atomes

ou molécules présents dans le milieu. Ce phénomène de relaxation entraîne une

légère augmentation de la température du milieu. La relaxation peut également se

produire par décomposition photochimique de l’espèce pour former de nouvelles

espèces ou par émission de rayonnement fluorescents ou phosphorescent. La

quantité d’énergie thermique libérée par relaxation est habituellement petite pour

être détectée. [14]


60

22..44..33.. LLeess ssppeeccttrreess dd’’aabbssoorrppttiioonn

Pour décrire les propriétés absorbantes d’une espèce, on utilise son spectre

d’absorption qui est un graphique d’une fonction d’atténuation d’un faisceau de

rayonnement en fonction de la longueur d’onde, de la fréquence ou du nombre

d’ondes. Pour mesurer l’atténuation du faisceau, nous utilisons deux termes : la

transmittance et l’absorbance. [14]

Figure 27. Atténuation de la puissance d’un faisceau en passant par une solution absorbante de concentration C [14]

22..44..33..11.. LLaa ttrraannssmmiittttaannccee

La figure 27 représente un faisceau lumineux parallèle avant et après son

passage à travers une couche de solution absorbante. Après des interactions entre

photons et particules absorbantes, la puissance du faisceau est atténuée et passe de P0

à P. La transmittance du milieu est définie comme la fraction qui est transmise par le

milieu :

T=PP

0

Equation (31) .

La transmittance est souvent exprimée en pourcentage, soit :


61

T%=PP

0

×100

%

Equation (32) .

22..44..33..22.. LL’’aabbssoorrbbaannccee ::

L’absorbance A d’une solution est définie par :

A=-log10T=logPP 0

Equation (33) .

Contrairement à la transmittance, l’absorbance d’une solution augmente lorsque

l’atténuation du faisceau augmente. [14]

22..55.. TTrraavvaaiill ssuurr lleess ppiiccss

Pour l’exploitation des spectres donnés par la méthode de spectroscopie UV

visible, nous avons eu recours à plusieurs traitements que nous allons présenter dans

cette section.

22..55..11.. TTrraaiitteemmeenntt mmaannuueell

Dans un certain nombre de cas, la courbe présente de pics, des « courbes en

cloche ». L'information pertinente peut provenir de la position, de la hauteur, de la

largeur ou de la surface du pic. Un des grands problèmes est celui de la

superposition de deux pics, lorsque la distance entre deux pics est faible par rapport

à leur largeur. [22]

22..55..11..11.. SSoommmmeett dd''uunn ppiicc

Le pic se superpose en général à une courbe que l'on appelle le fond. Au sens

strict, le sommet du pic est le point le plus haut. Toutefois, lorsque les points

présentent des oscillations importantes (bruit), le point maximal n'est pas forcément


62

représentatif du pic. On peut alors faire un lissage, ou bien faire une régression avec

une fonction courbe. [22]

aa.. RRééggrreessssiioonn

Dans certains cas, on sait que les valeurs doivent suivre une loi mathématique.

Si cette loi est suffisamment simple, on peut en déterminer les paramètres à partir

des points : c'est la régression.

bb.. LLiissssaaggee

En mathématiques, on peut définir des fonctions nulle part continues, ou bien

continues mais nulle part dérivables. Toutefois, ces fonctions ne sont d'aucune utilité

en sciences expérimentales ; toutes les courbes peuvent êtres considérées comme

continues et dérivables, du moins par partie. Il est donc légitime d'effectuer un

lissage au lieu de se contenter de relier les points par une ligne brisée.

22..55..11..22.. LLaarrggeeuurr dd''uunn ppiicc

Pour déterminer la largeur d'un pic, on utilise en général la largeur à mi-

hauteur. Pour cela :

1.on trace une droite verticale passant par le sommet du pic,

2.on détermine le milieu du segment entre le sommet et le fond ;

3.on trace une droite parallèle au fond.

La largeur à mi-hauteur est la largeur du segment que forme l'intersection de

cette droite avec la courbe.

On peut également définir la largeur du pic par la longueur du segment

joignant les points d'inflexion des flancs. Enfin, si l'on dispose des valeurs des points,

on peut utiliser l'écart type expérimental s, c'est-à-dire la racine carrée de la variance

empirique des points du pic. [22]

Equation (34) .

où est la position du sommet.


63

22..55..11..33.. SSuurrffaaccee dd''uunn ppiicc

Il n'existe pas de manière graphique de déterminer la surface d'un pic. La seule

manière de déterminer la surface du pic consiste à découper le pic avec des ciseaux et

à le peser avec une balance suffisamment précise. [22]

22..55..22.. TTrraaiitteemmeenntt aauuttoommaattiisséé

Lorsque les points sont relevés sous forme de valeur, il est alors intéressant de

faire les traitements par informatique. On peut prendre un fond linéaire en

définissant des positions fixes. Mais on peut aussi ajuster un polynôme sur la courbe

que l'on obtient lorsque l'on enlève les pics.

On peut ajuster le pic par régression (par exemple fonction gaussienne) ; dans ce

cas-là, les paramètres du pic peuvent être déduits des paramètres de la fonction. [22]

22..55..22..11.. PPoossiittiioonn eett hhaauutteeuurr dduu ppiicc

La position du sommet peut être déterminée en ajustant une parabole aux

points situés autour du point le plus haut. [22]

22..55..22..22.. SSuurrffaaccee eett llaarrggeeuurr dduu ppiicc

La surface, nette ou brute, peut être déterminée par intégration numérique.

On peut alors définir une autre largeur : la largeur intégrale, qui est le rapport

de la surface nette sur la hauteur nette. C'est la largeur d'un rectangle qui aurait la

même surface nette et la même hauteur nette que le pic. [22]

22..55..22..33.. DDééccoonnvvoolluuttiioonn ddee ppiiccss

Un pic correspond à un phénomène physique. Lorsque des phénomènes

génèrent des pics proches, ceux-ci peuvent se recouvrir ; on parle parfois

d'interférence.


64

Si l'on a un modèle mathématique pour la forme des pics, on peut les séparer.

On parle de désommation , ou encore de déconvolution.

Dans d'autre cas, la forme du pic dépend de plusieurs paramètres. Le pic est

alors la somme ou le produit de convolution de fonctions élémentaires, la forme de

chaque fonction dépendant des paramètres. L'opération permettant de décomposer

les pics en fonctions élémentaires porte aussi le nom de déconvolution. [22]

Le logiciel que nous avons utilisé lors de cette étude pour effectuer la déconvolution

des spectres UV Visible est Origine de version 6.1 d’OrigineLab Corporation.

33.. MMaattéérriieell

33..11.. LLeess ssuuccrreess

33..11..11.. LLeess gglluucciiddeess ::

Les glucides ou saccharides sont des composés essentiels pour tous les

organismes vivants et sont les molécules biologiques les plus abondantes. Ce sont

des hydrates de carbones de formule brute générale (C.H2O) n, où n≥3. Les unités de

base des glucides sont ce qu’on appelle des monosaccharides. [23]

33..11..11..11.. LLeess mmoonnoossaacccchhaarriiddeess ::

Les monosaccharides ou sucres simples sont des dérivés aldéhyde ou cétone de

chaînes linéaires polyalcools qui contiennent au moins trois atomes de carbones.

Les monosaccharides sont classés selon la nature chimique de leur groupe

carbonyl et leur nombre d’atomes de carbone.

• Selon la nature chimique de leur groupement carbonyl :

o Si le groupe carbonyl est un aldéhyde, le sucre est un aldose (exemple : le

glucose).


65

o Si le groupe carbonyl est une cétone, le sucre est un cétose (exemple : le

rébulose).

• Selon le nombre d’atome de leur groupement carbonyl :

Les monosaccharides les plus petits sont ceux qui ont trois atomes de carbones :

les trioses, ceux qui sont avec quatre, cinq, six, sept, etc. atomes sont respectivement,

des tétroses, des pentoses, des hexoses, des heptoses, etc.

L’examen de la formule moléculaire du glucose montre que tous ses atomes

de carbone sauf deux ---C1 et C6--- sont des centres chiraux ce qui fait que les

aldoses à n atomes de carbones ont 2 n-2 stéréoisoméres. [23]

33..11..11..22.. LLeess ppoollyyssaacccchhaarriiddeess

Les polysaccharides, appelés aussi les glycanes, sont constitués de

monosaccharides liés entre eux par des liaisons glycosidiques.

On distingue :

o Les homopolysaccharides : qui présentent un seul type de monosaccharide. Ils

peuvent être classés en fonction de la nature de la nature de leur unité

monosaccharide (exemple : les glucanes qui sont des polymères de glucose et les

galactanes qui sont les polymères de galactose)

o Les hétéroplolysaccharides : qui présentent plusieurs types de

monosaccharides. Les séquences monosaccharidiques des hétéropolysaccharides sont

généralement formées de quelques types de monosaccharides qui s’alternent selon

une séquence répétitive. [23]

� Les disaccharides :

Ce sont des polysaccharides constitués de deux monosaccharides liés entre eux

par une liaison glucosidique. On site par exemple de disaccharides : le saccharose, le

lactose, le maltose, le cellobiose…


66

33..11..22.. LLee ssaacccchhaarroossee

Figure 28. Molécule de saccharose [16]

Le saccharose de formule brute C12H22O11 est le disaccharide le plus abondant. Il

se trouve dans le règne végétal et il est connu comme sucre de table. C’est un sucre

non réducteur .Il est constitué de deux unité monosaccharidiques : le Glucose

(C6H12O6) et le fructose (C6H12O11). [24]

Le nom systématique du saccharose est : l’O-α-D-glycopyranosyl-(1→2)-β-

fructofuranoside, où le symbole (1→2) indique que la liaison glucosidique unit le

C1du résidu glucose au C2 du résidu fructose.

Le saccharose a un pouvoir rotatoire positif : [α]20D =+66,5°

Par hydrolyse, il donne du glucose et du fructose en quantités égales. [24]

1C12H22O11 + H2O → 1 C6H12O6 + 1 C6H12O11 (article A)

Saccharose Glucose Fructose

Par hydrolyse enzymatique ou acide, il donne donc un mélange de glucose

([α]20D =+52,2°) et de fructose ([α]20D = -93°) dont de pouvoir rotatoire résultant négatif.

[24] Cette hydrolyse de saccharose s’accompagne d’un changement du sens de

rotation optique qui passe de dextro à levo, c’est l’origine de la dénomination : sucre

inverti.


67

33..11..33.. LLee ssuuccrree uuttiilliisséé::

Le sucre utilisé pour cette étude est du saccharose en morceaux, cristallisé et de

couleur blanche, acheté du marché local, de marque : ENNAHLA, de l’Industrielle

du sucre de Tunisie (Zone industrielle Ben Arous).

33..22.. LL’’iirrrraaddiiaatteeuurr sseemmii iinndduussttrriieell aauuxx rraayyoonnnneemmeennttss ggaammmmaa aauu

CCoobbaalltt--6600

L’unité de radiotraitement est une source scellée radioactive de rayons gamma

contenant du cobalt – 60, installée au Centre National des Sciences et Technologies

Nucléaires à Sidi Thabet.

La source est télescopique, constituée de deux cylindres encastrables chacun

contient 4 crayons de cobalt-60 de 45,2 cm de long et sont disposés et encapsulés

suivant une symétrie axiale. Le stockage de cette source se fait à sec dans un

container cylindrique dans lequel elle a été transportée. Il est constitué d’acier et de

plomb. L’activité initiale de la source est de 98.000 Ci (le 09 Avril 1999).

Les parties constituant l’unité d’irradiation sont shématisées sur la figure 29.

Les produits industriels à traiter sont transportés à l’intérieur de la cellule

d’ionisation à l’aide de 5 chariots conduits par un système de convoyage

électromécanique fixé au sol. Chaque chariot peut transporter au maximum 24

caisses de dimensions (54 x 35 x 27) cm chacun, disposées à raison de 4 par étage, et

sur une hauteur de six étages, soit un volume total de 1,22 m3. Au cours du

traitement, les cinq chariots sont transportés à l’intérieur de la cellule et disposés

autour de la source où seules 2 rangées de caisses sont en face de la source, les 2

autres rangées sont contre le mur. Un cycle de traitement comprend 2 demi-cycle. A

la fin du premier demi-cycle, les produits sont déplacés à l’extérieur de la cellule,

subissent un retournement de 180° puis sont reconduits dans la cellule pour

continuer le deuxième mi-cycle de traitement. Cette opération est effectuée dans le

but d’assurer une bonne homogénéité de dose absorbée.


68

Figure 29. Plan architectural de l’unité de radiotraitement du CNSTN à Sidi-Thabet.

33..33.. LLeess iirrrraaddiiaattiioonnss eett lleess ccoonnddiittiioonnss ddee ccoonnsseerrvvaattiioonn

Le sucre est irradié sous sa forme solide en morceau. Dix morceaux de sucre en

moyenne sont emballés par du papier blanc. Lors de l’irradiation, ils sont

directement placés sur le cylindre de la source, ainsi nous avons travaillé pour le

débit maximal °D = 166.2 Gy/min. La valeur de ce débit a été déterminée en utilisant le

dosimètre Fricke.

Suite à son irradiation, quand il est sous sa forme solide, le sucre emballé dans

du papier est stocké à l’obscurité et à l’abri de l’humidité. En solution, il est conservé

dans une chambre froide à l’obscurité à 5°c.

33..44.. LLee ccoonndduuccttiimmèèttrree eett llee ppHH--mmèèttrree

L’étude de la conductivité et du pH a été effectuée à l’aide d’un analyseur

électrochimique: CONSORT model C931 (pH/mV/conductivity/°c meter)

L’électrode de pH est de modèle : SP10T pH + ATC (Pt1000) et la plage de pH est

de 0 à 13


69

Electrode de conductivité est de modèle : SK20T 2, de constante d’électrode : K=1

et la plage de conductivité est de 1µS/cm à 100 mS/cm.

Le logiciel utilisé est

Il permet d’effectuer des mesures ponctuelles à un intervalle de temps bien

déterminé.

Le logiciel de traitement des données est CONSORT DIS.

Figure 30. Analyseur électrochimique CONSORT C931.

33..55.. LL’’oosscciilllloottiittrraatteeuurr

L’oscillotitrateur utilisé est un système dosimétrique à haute fréquence (High

Frequency Dosimeter system) et il est de modèle TRIEM INSTRUMENTATION,

fabriqué par SENSOLAB LTD. Cet appareil est représenté sur la figure 31.

La fréquence utilisée est 10 MHz.


70

Figure 31. Oscillotitrateur à haute fréquence.

33..66.. LLee ssppeeccttrroopphhoottoommèèttrree

L ’étude de l’absorbance UV visible a été réalisée au laboratoire des corps gras à

l’INRAP au technopôle Sidi Thabet, grâce à un spectrophotomètre modèle JASCO

L’instrument effectue des mesures d’Absorbance, de pourcentage de

Transmission et de Concentration dans une gamme de longueur d’ondes de 190 à

1100 nanomètres d’une précision de ± 0,5 nm, de source de lumière : une lampe

halogène, de vitesse de balayage de 40 à 4000nm/min. Le logiciel de traitement des

donnés est le logiciel JASCO spactra-manager.

44.. CCoonncclluussiioonn ::

Le matériel et les appareils que nous avons utilisés nous ont permis de collecter

plusieurs informations que nous allons essayer de présenter et d’exploiter dans le

chapitre suivant.

CNSTN-INSAT CHCHCHCH4444 : : : : Résultats et DiscussionRésultats et DiscussionRésultats et DiscussionRésultats et Discussion

71

11.. IInnttrroodduuccttiioonn

Le but de ce travail est d’étudier l’évolution de la conductivité électrique du

sucre en solution irradié sous sa forme solide en vue de son application en dosimétrie

nucléaire. Pour voir l’impact du rayonnement gamma sur le matériau, nous avons

suivi le comportement de la solution aqueuse par conductimètrie et pH-métrie. De

plus l’étude par spectroscopie UV Visible clôturera ce travail. D’autre part, l’effet de

la concentration, de la dose du rayonnement gamma sur la réponse des solutions du

saccharose et la stabilité post-irradiation du sucre à l’état solide et en solution ont fait

l’objet d’un intérêt particulier dans cette étude.

22.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé éélleeccttrriiqquuee

22..11.. IInnttrroodduuccttiioonn ::

Dans cette section nous allons présenter les résultats de l’étude conductimètrique

des solutions de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au 60Co. Les

effets de concentration, de la dose et la stabilité post irradiation.

22..22.. EEffffeett ddee llaa ccoonncceennttrraattiioonn

L’étude de la variation de la conductivité des solutions de sucre en fonction de la

concentration a été réalisée pour des solutions de teneurs variant entre 0,1 et 60 (%

m /m) préparées à partir de morceaux solides irradiés à une dose de 20 kGy. La

première série de mesure a été effectuée après trois jours de l’irradiation. Par contre

la seconde mesure a été faite le dixième jour après l’irradiation. Les résultats sont

schématisés sur les figures : 32, 33 et 34. Il est à noter que le solide n’est dissout dans

l’eau qu’après 3 ou 10 jours après l’irradiation. Dans le cas contraire, il restera

conservé à l’état solide à l’obscurité et à l’abri de l’humidité.


72

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70

concentration (%(m/m))

σ (

uS/c

m)

σ (après 10j)σ (après 3j)

Figure 32. La variation de la conductivité des solutions de sucre irradié sous sa forme solide en

fonction de la concentration, trois et dix jours après l’irradiation

σ = 2,3872c + 2,9503R2 = 0,9987

σ = -0,8359C + 67,553R2 = 0,9951

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60concentration (%(m/m))

σ (

uS/c

m)

c: [0,20%]c:[20,60%]

Figure 33. La variation de la conductivité des solutions de sucre irradié sous sa forme solide en

fonction de la concentration, trois jours après l’irradiation par une source au 60Co, D=20 kGy


73

σ = -0,7364C + 56,77R2 = 0,9901

σ = 1,0148C + 13,518R2 = 0,9832

σ = 2,6117C + 3,1218R2 = 0,9909

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70

concentration (%(m/m))

σ (

uS/c

m)

c: [0,10%]c:[10,25%]c:[25,60%]

Figure 34. La variation de la conductivité d’une solution de sucre irradié sous sa forme solide en

fonction de la concentration, dix jours après l’irradiation par une source au 60Co, D=20 kGy

Les résultats montrent que, pour les deux séries, la conductivité augmente

linéairement avec la concentration jusqu’à une valeur maximale. Elle est de 20% pour

la première série et 25% pour la deuxième. Au delà de ces deux valeurs la

conductivité diminue linéairement avec l’augmentation de la concentration.

D’autre part nous constatons que l’évolution de la conductivité en fonction de la

concentration est identique pour les deux séries dans l’intervalle 1-10%. Entre 10 et

25%, nous avons une diminution de pente de 61% en augmentant le temps de

stockage. De plus, le même comportement électrique a été détecté dans l’intervalle

25-60%, mais dont la pente décroît d’environ 12% en passant de 3 à 10 jours.

Ces constatations montrent que les solides irradiées à 20 kGy et donnant des

solutions de teneurs inférieures à 10 % sont plus stables.

Aussi, on pense que pour chaque intervalle de concentration observé correspond

à des modifications entraînant probablement des différentes espèces dont les

mobilités en solution sont différentes.

D’autre part la diminution du caractère ionique dans les deux séries, pour les

concentrations supérieures a 20%, pourrait être due à une recombinaison dans le

solide des espèces radicalaires soit pour donner de nouveaux radicaux moins


74

conducteurs en solution aqueuse soit des composés neutre non ionique en milieu

aqueux qui pourraient être observées en absorption optique.

22..33.. EEffffeett ddee llaa ddoossee

22..33..11.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé àà bbaassssee ffrrééqquueennccee

L’effet de la dose du rayonnement gamma pris par le sucre solide a été étudié

dans le domaine 0,1 à 58 kGy. La représentation graphique traduisant la variation de

la conductivité en fonction de la dose, pour une concentration de 20% est schématisée

sur la figure 35.

σ = 0,7819D + 26,159R2 = 0,9874

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60Doses (kGy)

σ (µ

S/c

m)

Doses: [0-9 kGy]Doses:[10-58 kGy]

Figure 35. La variation de la conductivité d’une solution de sucre 20%(m/m) en fonction de la dose

appliquée au sucre irradié sous sa forme solide par une source au 60Co, 3 jours après l’irradiation

22..33..22.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé àà hhaauuttee ffrrééqquueennccee

L’effet de la dose pris par le sucre solide sur la valeur de la conductivité à haute

fréquence a été étudié dans le domaine 0,1 à 160 kGy. La représentation graphique

traduisant la variation de la conductivité en fonction de la dose, pour une

concentration de 20% est schématisée sur la figure 36.


75

U = 186,19D + 2712

R2 = 0,9852

U = 52,524D + 5587,7

R2 = 0,9946

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 50 100 150 200

Doses (kGy)

Ten

sion

(m

V)

Dose [0,5;20]Dose [20;160]

Figure 36. La variation de la tension au borne de l’électrode de l’Oscillotitrateur d’une solution de

sucre 20%(m/m) en fonction de la dose appliquée au sucre irradié sous sa forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co, 3 jours après l’irradiation

A basse fréquence, pour des doses D ≥ 10 kGy, une bonne linéarité exprimant

la proportionnalité de la conductivité à haute fréquence avec la dose est établie. Dans

ce domaine le sucre peut être considéré comme un dosimètre fiable pour la détection

du rayonnement gamma. D’autre part la zone de faible dose (D<10 kGy) présente des

variations aléatoires non explicables à cause de la complexité des phénomènes qui se

déroule dans le solide. Ce comportement est éliminé lorsqu’on utilise des hautes

fréquences. Ainsi, on retrouve un alignement des points expérimentaux, aussi bien

au dessus et au dessous de 20 kGy (figure 36).

La valeur de la conductivité à basse fréquence à 10 kGy, constitue un point de

changement du comportement de l’échantillon, probablement dû à une

recombinaison ou à la formation des entités de comportement conductimétrique

différent.


76

22..44.. SSttaabbiilliittéé ppoosstt--iirrrraaddiiaattiioonn

22..44..11.. CCoonndduuccttiivviittéé éélleeccttrriiqquuee

La réponse d’un dosimètre après l’irradiation change souvent avec le temps.

L'étude de l'influence de la durée de stockage des dosimètres entre l'irradiation et

leur dépouillement par l’instrument de mesure paraît naturelle dans certains cas, par

exemple, lors de la caractérisation d'une installation d'ionisation où le travail de

dépouillement peut être long [K. Farah et al., 2004. Investigation of the effect of some

irradiation parameters on the response of various types of dosimeters to electron

irradiation. Radiation Physics and Chemistry 71, pp. 337–341.].

A cette fin, nous avons mesuré la conductivité électrique de deux solutions

aqueuses, de même concentration (20%(m/m)) et de dose respectives 9 et 20 kGy sur

une période de 170 heures (Figure 37). Il est à noter que les mesures ont commencé

20 minutes après l’irradiation (pour des raison de sécurité) et dès la mise en solution.

29

34

39

44

49

0 20 40 60 80 100 120 140 160Temps (h)

σ(µ

S/c

m)

9 kGy20 kGy

Figure 37. La variation de la conductivité de deux solutions de sucre irradié sous sa forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co, de concentration 20% (m/m) pour les

doses 20 et 9 kGy au cours du temps


77

La figure 37 montre que la conductivité augmente considérablement après

l’irradiation pour les deux doses mais d’une manière différente. Ceci montre que la

cinétique d’obtention des composés conducteurs est distincte. Il est aussi à noter que

la stabilité de la solution aqueuse de sucre irradié par des doses 9 et 20 kGy est

obtenue respectivement à partir de 50 et 100h.

La croissance de σ observée pour ces deux doses se réalise d’une manière

différente. Ceci montre que la cinétique d’obtention des composés conducteurs est

distincte.

22..44..22.. LLaa ccoonndduuccttiivviittéé àà hhaauuttee ffrrééqquueennccee ::

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 5 10 15 20 25 30 35

Temps(jours)

Ten

sion

(m

V)

Figure 38. La variation de la tension aux bornes de l’électrode de l’Oscillotitrateur d’une solution de concentration 20%(m/m) de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy et pour différents temps de stockage à l’état solide

D’après la figure 40, nous remarquons que la tension d’une solution de

concentration 20%(m/m) de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source

au 60Co pour une dose D=20 kGy varie en fonction du temps de stockage du sucre à

son état solide.


78

22..55.. CCoonncclluussiioonn

La conductivité électrique d’une solution de sucre irradié dépend de sa

concentration. Les variations de cette conductivité en fonction de la concentration et

du temps montre un comportement différent des ions en solution.

La conductivité électrique (à basse et à haute fréquence) d’une solution de sucre

irradié par un rayonnement gamma, de concentration 20%(m/m) dépend de la dose

reçu lors de l’irradiation. En effet, celle-ci croit quand la dose augmente en passant de

10 à 58 kGy pour les deux types de la conductivité. Cette croissance nous laisse

penser que le nombre des ions en solution augmente avec la dose ; par conséquent, la

molécule de sucre est entrain de se transformer en radicaux et en ions. Cette variation

proportionnelle à la dose est très intéressante pour une application en dosimétrie.

Pour les doses de 0,5 à 10 kGy, la variation des deux types de conductivité est

aléatoire. A faibles doses, nous avons un comportement différent qui limite

l’application de cette méthode dans cette gamme de dose.

La conductivité des solutions de sucre irradié varie en fonction du temps pour

se stabiliser après un certain temps qui dépend de la dose reçue. Plus la dose

augmente plus le temps de stabilisation de la valeur de la conductivité augmente.

Cette variation de la conductivité prouve que les radicaux et les ions en solution

évoluent jusqu’à un état d’équilibre qui correspond au temps de stabilisation. Cette

dépendance au temps de stockage en solution nous amène à standardiser la mesure

de la conductivité pour chaque dose à un temps bien précis après la stabilisation de

la valeur de cette grandeur électrique.

La conductivité à haute fréquence dépend aussi du temps de stockage du sucre

dans son état solide. Donc nous pouvons en conclure que même à l’état solide les

radicaux créés par irradiation évolue et se transforme même si leur stabilité à l’état

solide est plus importante que celle en solution.


79

33.. LLaa ppHH--mmééttrriiee

33..11.. IInnttrroodduuccttiioonn

Parmi les raisons avec lesquelles on peut expliquer la conduction du courant

électrique dans la solution aqueuse du sucre et la formation de carbocations

provenant de la transformation dans l’eau des radicaux carbonyles conséquence de

l’irradiation du matériau par du rayonnement gamma. Etant donné la présence de

liaison plus fragile que la liaison C-H telle que O-H, il est donc opportun de vérifier

la sensibilité de cette dernière au rayonnement gamma. Pour vérifier cette hypothèse,

on pensé à l’utilisation d’un pH-mètre permettant de suivre cet indice.


L’étude de la variation du pH des solutions de sucre en fonction de la

concentration a été réalisée pour une dose constante égale à D=20 kGy. La

première série de mesure a été effectuée après trois jours de l’irradiation et la

deuxième a été réalisée le dixième jour après l’irradiation. Les résultats sont

schématisés sur la figure 41.

pH= 5,1628 .C-0,0886

R2 = 0,9851

pH = 4,9859.C-0,0876

R2 = 0,9879

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

0 10 20 30 40 50 60Concentration (%(m/m))

pH

pH(après 3jours)pH(après 10 jours)


80

Figure 39. La variation du pH des solutions de sucre irradié sous sa forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co en fonction de la concentration pour une

dose D=20kGy, trois et dix jours après l’irradiation

Pour les deux séries, le pH diminue avec la concentration. Cette diminution de

pH est moins accentuée pour un temps de stockage plus long.

Pour mieux discerner l’existance d’un seul ou de plusieurs types de provenance

des protons, nous avons fait appel au traçage de la courbe de [H+]= f(c). Les

représentations graphiques de ces courbes pour 3 et 10 jours sont shématisés sur les

figures 40,41 et 42.

0,0E+00

5,0E-05

1,0E-04

1,5E-04

2,0E-04

2,5E-04

3,0E-04

3,5E-04

4,0E-04

0 10 20 30 40 50 60Concentration (%(m/m))

[H+]

(m

ol/L

)

[H+] après 3 jours de l'irradiation

[H+]après 10 jours de l'irradiation

Figure 40. La variation de la concentration des protons présents dans des solutions de sucre irradié

sous sa forme solide en fonction de la concentration pour une dose D=20kGy, pour les durées de stockage de trois et dix jours après l’irradiation par une source au 60Co


81

[H+] = 7E-06C + 3E-06R2 = 0,991

[H+]= 4E-06C + 9E-05R2 = 0,9862

0,0E+00

5,0E-05

1,0E-04

1,5E-04

2,0E-04

2,5E-04

3,0E-04

3,5E-04

4,0E-04

0 10 20 30 40 50 60

Concentration (%(m/m))

[H+]

(m

ol/L

)

c:[0,30%]c:[30,60%]

Figure 41. La variation de la concentration des protons présent dans des solutions de sucre irradié

sous sa forme solide en fonction de la concentration pour une dose D=20kGy, trois jours après l’irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co

[H+] = 4E-06C + 3E-05R2 = 0,992

[H+] = 7E-06 C - 1E-06R2 = 0,98

0,0E+00

5,0E-05

1,0E-04

1,5E-04

2,0E-04

2,5E-04

3,0E-04

3,5E-04

0 10 20 30 40 50 60

Concentration (%(m/m))

[H+]

(m

ol/L

)

c: [0,10%]c:[10,60%]

Figure 42. La variation de la concentration des protons présent dans des solutions de sucre irradié

sous sa forme solide en fonction de la concentration pour une dose D=20kGy, dix jours après l’irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co

La concentration des ions H+ augmente avec la concentration du sucre en

solution pour les deux séries de mesures. Nous observons aussi deux pentes dans les

deux courbes de la variation de [H+] en fonction de la concentration du sucre.

Pour un temps de stockage de trois jours la première pente s’étend sur un

intervalle de concentration de 0,2 à 10 %(m/m). Par contre pour la deuxième série de

mesure la première pente correspond aux concentrations de 0,2 à 25% (m/m).


82

D’autre part, on remarque que les pentes relatives à la première et seconde

domaine de concentration pour 3 et 10 jours sont les mêmes (p1=7x10-6 et p2=4x10-6).

Cette constatation permet de déduire que pour les deux séries le rayonnement

gamma n’affecte pas le comportement mais le nombre des ions H+.

Le même comportement a été observé dans le cas de la conductivité pour les mêmes

solutions, nous avons observé une conservation de la pente pour des concentrations

bien déterminées entre les deux séries. Ce ci confirme la contribution des protons sur

la variation de la conductivité. Puisque la concentration est un paramètre qui agit sur

la cinétique des réactions, nos pouvons dire que la cinétiques des ions en solution et

en particulier de protons varie selon le temps de stockage du sucre dans son état

solide.


L’effet de la dose pris par le sucre solide a été étudié dans le domaine 0,1 à 58

kGy. La représentation graphique traduisant la variation de la conductivité en

fonction de la dose, pour une concentration de 20% est schématisée sur la figure 43.

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

0 10 20 30 40 50 60

Doses (kGy)

pH

Figure 43. La variation du pH des solutions de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une

source au 60Co sous sa forme solide en fonction de la dose appliquée trois jours après l’irradiation pour une concentration 20%(m/m)


83

Nous observons une diminution de la valeur du pH quand la dose augmente.

Nous pouvons aussi constater que cette méthode est très sensible pour les faibles

doses D ≤ 10kGy. En effet pour des valeurs supérieures à 10 kGy la variation du pH

est moins accentuée que celle observée pour des valeurs de doses inférieures à cette

limite.

Cette variation de pH nous a mené à tracer la courbe de la variation de la

concentration des protons présents en solution en fonction de la dose du

rayonnement gamma appliqué. Nous obtenons alors la courbe de réponse shématisée

sur la figure 44.

[H+] = 7E-06D - 3E-06R2 = 0,9903

[H+] = 8E-06D - 2E-06R2 = 0,9905

00,0E+0

50,0E-6

1,0E-4

1,5E-4

2,0E-4

2,5E-4

3,0E-4

3,5E-4

4,0E-4

4,5E-4

5,0E-4

0 10 20 30 40 50 60

Dose (kGy)

[H+]

(m

ol/L

)

Dose [0,15]Dose [15,58]

Figure 44. La variation de la concentration des protons dans des solutions de sucre irradié sous sa

forme solide en fonction de la dose appliquée trois jours après l’irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une concentration de 20%(m/m)

Plus la dose augmente plus la concentration des protons en solution augmente.

Nous remarquons aussi la présence de deux pentes différentes pour les intervalles de

dose de 0.1 à 15 kGy et de 20à 58 kGy. Ces deux comportements peuvent nous

indiquer la présence de deux phénomènes différents du comportement des ions H+

dans les deux marges de dose.


84

33..44.. SSttaabbiilliittéé ppoosstt--iirrrraaddiiaattiioonn

L’étude de la stabilité du pH des solutions de sucre irradié a été réalisée .Pour

cela, le suivi du pH de deux solutions aqueuses, de même concentration (20%(m/m))

et de dose respectives 9 et 20 kGy, en fonction du temps a été effectuée. Il est à noter

que le comptage du temps commence 20 minutes après l’irradiation (question de

sécurité dans la chambre d’ionisation) et dès la mise en solution.

Les courbes représentant les variations temporelles du pH sont représentés sur

les figures : 45 et 46.

3,6

3,7

3,8

3,9

4

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

0 200 400 600 800 1000 1200

Temps (min)

pH

20 kGy9 kGy

Figure 45. La variation du pH d’une solution de sucre irradié sous sa forme solide de concentration

20%(m/m) au cours du temps (minutes) 20 minutes après son irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co et juste après sa mise en solution pour les

doses 9 et 20kGy.


85

3,25

3,5

3,75

4

4,25

4,5

0 2 4 6 8 10 12 14

Temps (jours)

pH

9 kGy20 kGy

Figure 46. La variation du pH d’une solution de sucre irradié sous sa forme solide de concentration

20%(m/m) au cours du temps (jours) 20 minutes après son irradiation par un rayonnement gamma d’une source au 60Co et juste après sa mise en solution pour les

doses 9 et 20 kGy

La décroissance de la valeur du pH observée pour ces deux doses se réalise

d’une manière différente. Ceci montre que la cinétique d’obtention des protons est

distincte pour les deux doses. De plus, une augmentation de la valeur du pH est

détectée à partir du troisième jour pour 9 kGy et le sixième jour pour 20 kGy. Il est

aussi à noter que la stabilisation des effets dans le solide est plus rapide pour la faible

dose étant donné que son pH est constant dès le 4ème jour, par contre l’acidité est

invariable à partir du 8ème jour pour la dose de 20 kGy.

Ces constatations montrent que la cinétique d’obtention des protons dans l’eau

dépend de la dose et du temps.

33..55.. CCoonncclluussiioonn ::

Plus la concentration du sucre irradié en solution augmente plus le pH diminue

d’où la concentration des protons en solution augmente.

Plus la dose reçue par le sucre solide augmente plus le pH diminue. Cette

diminution est d’intensité plus importante pour les faibles doses par rapport aux

fortes. Ceci nous indique que cette méthode est plus sensible pour les faibles doses.


86

Par contre, avec une dose croissante, la concentration des protons en solution

augmente linéairement avec un comportement différent selon la plage de dose. En

effet, nous observons deux comportements différents indiqués par la présence de

deux pentes dans la courbe de réponse de la concentration des protons en fonction de

la dose. La pente pour les doses de 0,1 à 15 kGy est supérieure à celle des dose de 15

à 58 kGy ce qui confirme la sensibilité de cette méthode pour las faibles doses. La

variation du pH en fonction de la dose tend vers une limite ou un palier qui peut être

expliqué par la consommation de tous ions hydrogène de la molécule du saccharose.

L’importante variation du pH pour les faibles doses peut être expliquée par la

coupure des liaisons O-H, qui sont les liaisons les plus faibles et les plus faciles à

couper. Pour des doses plus importantes, les autres liaisons plus fortes seront

coupées.

Le pH de la solution de sucre irradié dépend du temps de stockage en solution.

Il diminue jusqu’à une valeur limite pour augmenter une autre fois puis se stabiliser

à une valeur bien déterminée. Cette augmentation de la valeur peut nous indiquer

une évolution ou une réaction des ions Hydrogène ou même une recombinaison. Le

temps de la stabilisation de la valeur du pH dépend de la dose reçue et il est d’autant

plus important que la dose est importante. Pour une application de cette méthode en

dosimétrie, il est important de connaître le temps de stabilisation pour chaque dose

pour pouvoir y effectuer les mesures de pH.

44.. LL’’aabbssoorrbbaannccee UUVV vviissiibbllee

44..11.. IInnttrroodduuccttiioonn

Pour mieux comprendre les phénomènes et les réactions qui peuvent se

dérouler dans le sucre irradié, nous avons utilisé la méthode spectroscopique UV

dans la gamme de dose entre 0,5 et 160 kGy.

Le saccharose non irradié donne deux pics nets le premier à 198 nm et le

deuxième, plus large, se situe à 266 nm comme c’est indiqué sur la figure 47. Il est à


87

signaler qu’un autre pic chevauché avec le premier dont le maximum d’absorbance

est d’environ 215 nm est aussi présent.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

100 150 200 250 300 350 400 450 500

L.O (nm)

Abs

orba

nce

Figure 47. Le spectre UV d’une solution de saccharose non irradié de concentration 20%(m/m)

Le saccharose irradié donne aussi deux bandes d’absorbance en UV, la première

à 198 nm et la deuxième à 264 nm d’intensité plus importante que celle observée

pour le sucre non irradié. En irradiant le saccharose par une dose de 20 kGy, nous

remarquons une conservation du nombre et de la position des différents pics, mais

dont les intensités sont modifiées comme le montre la figure 48. D’autre part

l’absorbance à 215 nm s’intensifie et se distingue des autres.


88

200 250 300 350 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5 20 kGy

0 kGy 20 kGy

190 200 210 220 2301,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Aso

rban

ce

λ(nm)

Abs

orba

nce

λ(nm)

Figure 48. Le spectre UV des solutions de saccharose de concentration 20%(m/m) non irradié et irradié pour la dose D=20 kGy par un rayonnement Gamma d’une source au 60Co


Pour déterminer l’influence de la concentration sur la réponse UV, deux

ensembles de solutions aqueuses de saccharose ayant des teneurs variant de 1 à 20%

et possédant respectivement des doses de 20 et 70 kGy ont été préparées. Les spectres

UV de ces dernières sont schématisés sur les figures 49 et 50.

Nous allons noter λmax1 = La longueur d’onde de l’absorbance maximale du

premier pic et λmax2 = La longueur d’onde de l’absorbance maximale du deuxième

pic.


89

0

0,5

1

1,5

2

150 200 250 300 350 400 450L.O (nm)

Abs

orba

nce

1%5%10%15%20%

Figure 49. Spectres UV des solutions de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au

60Co en fonction de la concentration pour la dose D=20 kGy

0

0,5

1

1,5

2

2,5

150 200 250 300 350 400 450 500

λ (nm)

Abs

orba

nce

1%5%10%15%20%

Figure 50. Spectres UV des solutions de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au 60Co en fonction de la concentration pour la dose D=70 kGy

Nous constatons que pour les deux doses étudiées, plus la concentration

augmente plus l’absorbance maximale des deux pics à λmax1 = 198 nm et λmax2

=264 nm augmente.


90

De plus, la résolution des pics est généralement meilleure pour la faible dose.

Pour les fortes doses, les concentrations pouvant être exploitée pour un but

dosimétrique ne doivent pas dépasser les 15 %.

Pour mieux suivre les évolutions des deux pics à λmax1 et λmax2, nous avons tracé

les variations de leur absorbance pour les deux doses d’études. Ces représentations

graphiques sont schématisées sur les figures 51 et 52.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25

La concentration (%(m/m))

Abs

orba

nce

λmax1 = 198 λmax2 =264 nm


rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy en fonction de la concentration pour les longueurs d’onde : λmax1 = 198 nm et λmax2 =264 nm


91

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20

La concentration (%(m/m))

Abs

orba

nce

λmax1 = 198 λmax2 =264 nm

Figure 52. La variations de l’absorbance maximale d’une solution de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=70 kGy en fonction de la

concentration pour les longueurs d’onde : λmax1 = 198 nm et λmax2 =264 nm

Pour les deux longueurs d’ondes, une augmentation de l’absorbance en

fonction de la concentration est observée. Celle-ci est plus accentuée pour les fortes

doses. Une saturation est obtenue à 10 et 15% pour les doses respectives 20 et 70 kGy

à une longueur d’onde λ=198 nm. Cette valeur constante de l’absorbance montre que

l’espèce responsable de ce phénomène atteint un seuil de saturation.


Pour analyser le comportement du sucre irradié sous sa forme solide par

rayonnement gamma d’une source au 60Co, nous avons étudié l’absorbance dans le

domaine UV d’une solution de ce sucre irradié de concentration 20% (m/m) en

fonction de la dose appliquée. Les spectres de ces solutions sont sur les figures 53, 54

et 55.


92

0

0,5

1

1,5

2

2,5

100 150 200 250 300 350 400 450 500

λ (nm)

Abs

orba

nce

2,3 kGy5,1 kGy7,6 kGy9 kGy20 kGy38 kGy58 kGy70 kGy160 kGy


60Co de concentration 20% (m/m) pour plusieurs doses

0

0,5

1

1,5

2

100 150 200 250 300 350 400 450 500

λ (nm)

Abs

orba

nce

2,3 kGy5,1 kGy7,6 kGy9 kGy20 kGy


60Co de concentration 20% (m/m) pour les petites doses


93

0

0,5

1

1,5

2

2,5

100 150 200 250 300 350 400 450 500

λ (nm)

Abs

orba

nce

38 kGy58 kGy70 kGy160 kGy


60Co de concentration 20% (m/m) pour les fortes doses

Dans toute la gamme de dose appliquée de 2,3 à 160 kGy, 2 pics le 1er à 198 nm

et le 2ème à 264 nm sont présents. Plus la dose augmente, plus la hauteur des pics,

d’où l’absorbance à λmax augmente et plus la largeur de ces pics augmente. Cette

observation est confirmée par littérature [25]. Nous remarquons aussi qu’aux fortes

doses les spectres commencent à saturer et que nous avons la possibilité d’apparition

de nouveaux pics. Nous avons limité notre étude pour la gamme de dose de 0 à 58

kGy.

Nous pouvons considérer que chaque pic correspond à une espèce bien

déterminée et que la variation de ces pics en fonction de la dose peut nous indiquer

l’évolution de ces espèces en fonction de la dose reçue.

Pour suivre l’évolution de ces pics, nous avons exploité les spectres et présenté

sur la figure 58, la variation en fonction de la dose de l’absorbance d’une solution de

sucre irradié par un rayonnement gamma au 60Co de concentration 20%(m/m) à deux

longueurs d’onde : 198 et 264 nm.


94

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40 50 60

Doses (kGy)

Abs

orba

nce λ=264 nm

λ=198 nm

Figure 56. La variation de l’absorbance d’une solution de sucre irradié par un rayonnement gamma

au 60Co de concentration 20%(m/m) à deux longueurs d’onde : 198 et 264 nm en fonction de la dose appliquée

La variation du premier pic n’est pas très importante. Par contre le pic à 264 nm

nous avons une augmentation importante de la valeur de l’absorbance avec

l’augmentation de la valeur de la dose. Donc pour une application en dosimétrie, il

est préférable d’exploiter le pic à 264 nm.

Pour mieux exploiter les pics, nous avons penser à effectuer la déconvolution

des spectres comme l’indique la figure 57 par le logiciel Origine 6.1

150 200 250 300 350 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Abs

orba

nce

λ(nm) Figure 57. La déconvolution du spectre UV d’une solution de sucre irradié de concentration

20%(m/m) par un rayonnement gamma d’une source au 60Co


95

Suite à la déconvolution des spectres UV des solutions de sucre irradié de

concentration 20% (m/m) pour toute les doses, nous avons représenté la variation de

la hauteur (figure 58), celle des largeurs à mi-hauteur (figure 59) et celle des aires des

deux pics (figure 62) en fonction de la dose appliqué d’un rayonnement gamma

d’une source au 60Co.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50 60 70

Dose (kGy)

Hau

teur

H1H2

Figure 58. La variation de la hauteur des deux pics en fonction de la dose appliquée d’un

rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m).

H1 : La hauteur du pic à 198 nm, H2 : La hauteur du pic à 264 nm

Nous avons une variation de la hauteur des deux pics en fonction de la dose

appliquée. Cette variation est plus importante pour le pic à 264 nm que celle du pic à

198 nm. Pour le deuxième pic en passant de 2.3 kGy à 58 kGy la hauteur augmente

avec la dose. Par contre pour le premier pic, nous observons une augmentation de la

hauteur jusq0u’à la valeur de dose D=30 kGy puis elle diminue.

Puisque la hauteur du pic représente l’absorbance de l’espèce qui est

proportionnelle à sa concentration en solution, nous pouvons corréler entre cette

variation de comportement de l’absorbance avec celui de l’espèce en solution.


96

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60

Dose (kGy)

Larg

eur

à m

ihau

teur

L1L2

Figure 59. La variation de la largeur à mi-hauteur des deux pics en fonction de la dose appliquée

d’un rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m) concentration 20%(m/m) après la déconvolution des pics.

L1 : La largeur à mi-hauteur du pic à 198 nm, L2 : La largeur à mi-hauteur du pic à 264 nm

Nous observons aussi le même comportement pour la variation de la largeur à

mi-hauteur des deux pics. Cette variation est moins importante pour le pic à 198 nm

que celui à 264 nm. En effet nous observons une légère augmentation de la valeur de

la largeur à mi-hauteur à λ=198nm pour une importante diminution pour celle à

λ=264nm.

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60Dose(kGy)

Aire

Aire 1Aire 2

Figure 60. La variation de l’air des deux pics en fonction de la dose appliquée d’un rayonnement

gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m). Aire 1 : Aire du pic à 198 nm, Aire 2 : Air du pic à 264 nm


97

Pour les deux pics nous avons presque le même comportement concernant leurs

aires. En effet, Les aires des deux pics augmentent quand la dose augmente.

Donc la variation du premier pic n’est pas très considérable en la comparant au

deuxième pic dont la hauteur et l’aire augmente avec la dose pour une diminution de

la largeur à mi-hauteur. Ces résultats nous amène à dire que l’exploitation du pic à

λ=264nm est plus intéressante que celui à λ=198nm

Pour confirmer quelle est la variation des deux pics qui l’emporte nous avons

exploité le rapport des hauteurs des deux pics (Figure 61) celui des largeurs à mi-

hauteur (Figure 62) et celui des Aires (figure 63).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 10 20 30 40 50 60

Doses(KGy)

H1/

H2

H1/H2

Figure 61. La variation du rapport des hauteurs des deux pics en fonction de la dose appliquée

d’un rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m).

H1 : La hauteur du pic à 198 nm, H2 : La hauteur du pic à 264 nm

Nous observons une diminution des rapports des hauteurs des deux pics quand

la dose augmente, toute en sachant que la hauteur du deuxième pic augmente avec la

dose. Donc l’évolution de la hauteur de pic à 264 est elle qui l’emporte par rapport

au premier pic.


98

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 10 20 30 40 50 60 70

Doses(KGy)

L1/L

2

L1/L2

Figure 62. La variation du rapport des largeurs à mi-hauteur des deux pics en fonction de la dose

appliquée d’un rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m).

L1 : La largeur à mi-hauteur du pic à 198 nm, L2 : La largeur à mi-hauteur du pic à 264 nm

La variation des rapports des largeurs des pics à mi hauteur est inversement

proportionnelle à celle de la largeur à mi-hauteur du pic à 264 nm. En effet ce rapport

augmente jusqu’à une valeur maximale qui correspond à la dose D=38 kGy puis

diminue et les valeurs des largeurs à mi-hauteur du pic à 264 nm diminue en

fonction de la dose croissante jusqu’à une valeur minimale qui correspond à la dose

D= 38 kGy. Donc c’est le comportement du deuxième pic qui l’emporte par rapport

au premier en fonction de la dose appliquée.


99

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 10 20 30 40 50 60

Doses (kGy)

A1/

A2

A1/A2

Figure 63. La variation du rapport des aires des deux pics en fonction de la dose appliquée d’un

rayonnement gamma de source au 60Co pour des solution de sucre irradié de concentration 20%(m/m). Aire 1 : Aire du pic à 198 nm, Aire 2 : Air du pic à 264 nm

Le rapport des aires des deux pic augmente avec l’augmentation de la dose

appliquée jusqu’à une valeur maximale qui correspond à la dose 20 kGy puis

diminue. Tout en sachant que la variation des deux aires est presque identique pour

les deux pics, nous pouvons constater que pour les doses entre 0 et 20 kGy nous

pouvons avoir une augmentation de l’aire du premier pic ou une diminution de celle

du deuxième. Pour les doses de 20 à 58kGy nous avons une évolution inverse.

Si nous considérons que l’aire des pics est représentative de la quantité de

matière d’une espèce bien déterminée, nous pouvons avoir une idée sur le

comportement et l’évolution de cette espèce.

44..44.. LLaa ssttaabbiilliittéé ppoosstt iirrrraaddiiaattiioonn ::

Nous avons effectué la mesure de l’absorbance de solution de sucre irradié par

une dose D=20 kGy et de concentration 20% (m/m) en fonction du temps de stockage

à l’état solide. Les spectres obtenus sont représentés sur la figure 64.


100

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

230 240 250 260 270 280 290 300 310

L.O (nm)

Abs

orba

nce

1 jour12 jours18 jours21 jours39 jours

Figure 64. Le spectre UV des solutions de concentration 20%(m/m) de sucre irradié par un

rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy et pour différents temps de stockage à l’état solide

Nous remarquons une légère variation de la valeur de l’absorbance maximale à

264 nm quand le temps de stockage varie. Cette variation n’est pas très importante.

Nous avons donc tracé la courbe de la variation de l’absorbance maximale à 264 en

fonction de la dose sur la figure 65.


101

0,5

1

1,5

2

0 10 20 30 40

Temps de stockage(jours)

Abs

orba

nce

à 26

4 nm

Figure 65. La variation de l’absorbance maximale à 264 nm d’une solution de concentration

20%(m/m) de sucre irradié par un rayonnement gamma d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy et pour différents temps de stockage à l’état solide

D’après la figure 65 la variation de l’absorbance maximale à 264 nm d’une

solution de concentration 20%(m/m) de sucre irradié par un rayonnement gamma

d’une source au 60Co pour une dose D=20 kGy et pour différents temps de stockage à

l’état solide n’est pas très importante. En effet elle est à peu près 5% le 10 et le 18ème

jour, 3% le 21ème jour et moins de 2% le 38ème jour de stockage.

Donc même dans l’état solide les radicaux libres peuvent évoluer, nous parlons

d’une certaine instabilité.

44..55.. CCoonncclluussiioonn ::

Le spectre UV d’une solution de saccharose présente deux pics. Connaissant la

formule du saccharose, nous pouvons attribuer à chaque pic une molécule : le

glucose ou le fructose. Selon la bibliographie [18], le premier pic pourrait

correspondre au glucose et le deuxième au fructose.

L’absorbance dans le domaine UV d’une solution de sucre irradié dépend de

la concentration de ce sucre en solution, elle croit avec la croissance de la dose pour

les deux longueurs d’onde : 198 et 264 nm.


102

Elle dépend aussi de la dose reçue par le sucre à son état solide. Cette

variation est plus significative pour le pic à 264 nm que celui à 198 nm et c’est

confirmé par la bibliographie. Ce qui nous amène à penser que les groupes

carbonyles formés suite à l’irradiation proviennent essentiellement de la partie

fructose du saccharose et qu’il est plus intéressant d’exploiter le pic à 264 pour une

application en dosimétrie du sucre par la méthode de l’absorbance dans le domaine

UV.

L’absorbance dans le domaine UV d’une solution de saccharose irradié varie

avec le temps de stockage du sucre dans son état solide. Cette variation est de l’ordre

de 2 à 5%. Nous pouvons dire que même dans son état solide, les radicaux formé

suite à l’irradiation du saccharose par un rayonnement gamma, peuvent évoluer, se

transformer ou même se recombiner.

55.. CCaallccuull dd’’iinncceerrttiittuuddee

Les mesures ont été faites dans des conditions de répétabilité. Quatre répétitions des

mesures de la conductivité et du pH ont été faits à chaque valeur de dose absorbée.

Le coefficient de variation a été trouvée de l'expression suivante :

CV%=∑

∑−

∆− −

i i

i iii

n

ASn

)1(

/)1( 221

100×

S(i-1) =Écart type des données du pH et de la conductivité

n(i-1) = degrés de liberté des données du pH et de la conductivité

∆Ai = valeur moyenne des données du pH et de la conductivité (dans notre cas nous

notons : pH moy et σ moy

ni = le nombre de répétitions des mesures du pH et de la conductivité


103

Tableau. II : Mesures de a conductivité et du pH de solution de sucre irradié sous sa forme solide par un rayonnement gamma d’une source au 60Co de concentration 20%(m/m) pour différentes

doses sous les conditions de répétabilité.

Dose σ σ moy S(i-1) S²/σ² pH pH

moy S S²/pH² (KGy) (µs/cm)

eau

1,83

1,8275 0,005 7,5E-6

5,41

5,42 0,006 1,1E-6 1,82 5,42

1,83 5,41

1,83 5,42

0,1

31,9

32,05 0,311 9,4E-5

6,07

6,27 0,356 3,2E-3 32 6,13

31,8 6,8

32,5 6,07

0,5

30,4

30,325 0,096 1,0E-5

5,91

5,81 0,119 4,2E-4 30,4 5,77

30,3 5,66

30,2 5,9

1

41,4

41,35 0,129 9,7E-6

5,65

5,61 0,043 6,0E-5 41,3 5,64

41,5 5,57

41,2 5,57

2,3

34,1

34,025 0,171 2,5E-5

5,1

4,97 0,100 4,1E-4 33,8 4,99

34 4,88

34,2 4,9

5,1

39,8

40,075 0,299 5,6E-5

4,44

4,45 0,035 6,1E-5 40 4,44

40,5 4,42

40 4,5

7,6

22,9

22,65 0,173 5,8E-5

4,26

4,22 0,026 3,9E-5 22,6 4,2

22,6 4,21

22,5 4,22

10

33,4

33,55 0,129 1,5E-5

4,09

4,09 0,022 2,8E-5 33,5 4,06

33,6 4,1

33,7 4,11

15 36,5 36,975 0,411 1,2E-4 3,96 3,97 0,006 2,1E-6


104

37 3,97

36,9 3,97

37,5 3,96

20

44,50

44,425 0,096 4,6E-6

3,91

3,90 0,014 1,3E-5 44,30 3,88

44,50 3,91

44,40 3,90

30

47,2

47,675 0,359 5,7E-5

3,67

3,67 0,008 4,9E-6 47,6 3,68

47,9 3,66

48 3,67

38

56,4

56,575 0,310 3,0E-5

3,65

3,56 0,064 3,2E-4 56,6 3,54

57 3,55

56,3 3,5

58

71,4

71,45 0,208 8,5E-6

3,42

3,40 0,017 2,5E-5 71,2 3,41

71,7 3,4

71,5 3,38

Le facteur CV donne une idée sur la répétabilité des mesures (nous avons

effectué la mesure de la conductivité et du pH quatre fois) et de reproductibilité

(pour les dose de 0,1 à 58 kGy). D’après la norme internationale ASTM des

procédures de dosimétrie des radiations, le CV limite d’un dosimètre de routine est

de 5%.

Pour la conductimétrie CV=1,77% et pour la pH-métrie CV=1,09%

Les méthodes de conductimétrie et de pH-métrie des solutions du sucre

irradié sous sa forme solde par un rayonnement gamma, peuvent être utilisé comme

méthode de dosimétrie de routine de ces rayonnements.

66.. CCoonncclluussiioonn

L’étude de la réponse de la solution de saccharose irradié sous sa forme solide

d’une source gamma au 60Co par les trois méthodes utilisées, la conductivité à basse


105

et à haute fréquence, la pH-métrie et l’absorbance dans le domaine UV, est

proportionnelle à la dose reçue lors de l’irradiation.

NLes résultats trouvés nous indiquent que :

o la méthode de conductivité est sensible pour des doses supérieures à 10 kGy

o la pH-métrie est une bonne méthode pour le domaine de dose de 0.1 à 58 kGy

et elle est plus sensible pour les faibles doses.

o l’absorbance dans le domaine UV présente des résultats très intéressants pour

la longueur d’onde 264 nm.

CNSTN-INSAT Conclusion généraleConclusion généraleConclusion généraleConclusion générale

106

Conclusion généraleConclusion généraleConclusion généraleConclusion générale et et et et

perspectiveperspectiveperspectiveperspective

Dans le but de caractériser le sucre comme dosimètre de rayonnement gamma

d’une source au 60Co nous avons étudié son comportement suite à son irradiation par

les méthodes : la conductivité à basse et à haute fréquence, la pH-métrie et

l’absorbance dans le domaine UV.

Les résultats trouvés montrent que le sucre tunisien ou le saccharose a une

réponse proportionnelle à la dose reçue. Ces résultats sont en accord avec la

littérature.

Les caractéristiques dosimétriques étudiées dans le cadre de ce travail, prouvent

que le saccharose tunisien pourrait être employé comme étant un détecteur de

rayonnement gamma d’une source au 60Co pour les fortes doses. Ce qui est

intéressant pour plusieurs application des rayonnements ionisants tels que la

stérilisation, la désinfection, l’inhibition du processus de la germination…. Ca

matériaux offre plusieurs avantages tels que la disponibilité, le bas coût, la facile

manipulation, la disponibilité des méthodes d’analyse (pH-métrie, conductimètrie,

spectroscopie UV visible)…

Comme perspective de ce travail, nous pouvons étudier l’effet de la dose, de la

concentration et la stabilité des solution du saccharose irradié par les trois méthodes

pour plusieurs doses. Ainsi, nous pouvons optimiser les paramètres influant sur la

réponse du saccharose suite à son irradiation par un rayonnement gamma d’une

source au 60Co. Les autres paramètres pouvant avoir un effet sur cette réponse sont :

le débit de l’irradiation, la température de l’irradiation et de la mesure, l’effet de

CNSTN-INSAT Conclusion généraleConclusion généraleConclusion généraleConclusion générale

107

chauffage des solutions… Nous pouvons aussi faire les mêmes études sur la solution

du saccharose irradiée et la comparer aux solutions du saccharose irradié sous sa

forme solide.

CNSTN-INSAT

108

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Projet de fin d’Etudes - IAEA

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