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RÉSUMÉ
Une microsonde nucléaire, qui n’est autre qu’un microfaisceau d’ions de haute énergie, peut être utilisée à plusieurs fins : un moyen de dosage élémentaire, une méthode de caractérisation structurale ou bien un outil de dépôt local d’énergie ou de charges. Grâce à la maîtrise des caractéristiques du faisceau, la microsonde nucléaire permet une localisation latérale très fine, et ainsi l’accès à la répartition quantitative des éléments dans les trois dimensions à l’échelle micrométrique.
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Pascal BERGER : Docteur ès sciences - Directeur adjoint du laboratoire Pierre-Süe (CEA /CNRS)
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Gilles REVEL : Docteur ès sciences - Directeur de recherche émérite au laboratoire Pierre-Süe (CEA/CNRS )
INTRODUCTION
Les émissions de particules ou de rayonnement qui accompagnent la pénétration des ions légers dans la matière, à une énergie incidente de l’ordre de quelques mégaélectronvolts, ont donné lieu à plusieurs méthodes de dosage élémentaire. Ces méthodes sont souvent utilisées pour des analyses de surface ou de couches minces. La focalisation de ces faisceaux de particules à l’échelle du micromètre sur les échantillons a conduit à la réalisation d’une génération d’instruments appelés microsondes nucléaires. La première a fait son apparition en Angleterre en 1969 [1]. Depuis, une soixantaine d’appareils de ce type ont été développés dans le monde, principalement dans les pays à technologie avancée : Europe, États-Unis, Japon, Australie... Les mises en service récentes de nouvelles installations dotées d’accélérateurs de dernière génération attestent de la vitalité de ce domaine. Désormais, les tailles de faisceau atteignent quelques centaines de nanomètres, voire moins pour les applications en courant faible.
Une microsonde nucléaire peut être considérée comme un moyen d’analyse élémentaire, de caractérisation structurale ou bien comme un outil de dépôt local d’énergie ou de charges. Ces multiples visages reflètent les possibilités exemplaires offertes par les microfaisceaux d’ions de haute énergie. Grâce au choix des caractéristiques du faisceau (nature et énergie des ions), l’expérimentateur peut maîtriser la mise en œuvre de l’interaction. Il est ainsi possible d’atteindre une localisation latérale très fine, directement liée à la taille du faisceau, et d’accéder à la microrépartition des éléments dans les trois dimensions.
Dans une deuxième partie Microsonde nucléaire- Applications, les applications des microsondes nucléaires sont exposées.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 1989 par Charles ENGELMANN
- Version archivée 2 de oct. 1995 par Gilles REVEL, Jean-Paul DURAUD
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2. Appareillage
Une microsonde nucléaire se compose habituellement d’un accélérateur de particules, d’une ou de plusieurs lignes de faisceau, d’un système de focalisation et de balayage, d’une chambre d’analyse et d’une informatique de gestion d’acquisition et de traitement des signaux. Un aimant d’analyse, placé en sortie d’accélérateur, distribue le faisceau sur les lignes. Son rôle majeur est de limiter la dispersion énergétique des particules autour de l’énergie nominale. Le schéma de la figure 23 montre la configuration de principe de la microsonde du laboratoire Pierre-Süe équipée de deux lignes de microfaisceau dont l’une est destinée à l’étude d’échantillons radioactifs (gaines de barreaux de réacteur, combustible, déchets, etc.).
2.1 Accélérateur
Dans la majorité des cas, les microsondes nucléaires accélèrent des ions légers jusqu’à des énergies de quelques mégaélectronvolts, aussi des accélérateurs électrostatiques du type Van de Graaff (simple étage) ou tandem (double étage) sont-ils le plus souvent utilisés bien que quelques lignes de microfocalisation aient été aussi montées sur d’autres types d’accélérateurs, par exemple sur des cyclotrons [78]. Le schéma de la figure 24 rappelle le principe des accélérateurs électrostatiques simple étage et double étage.
Parmi la soixantaine de microsondes opérationnelles en 2005 dans le monde, à peu près autant sont équipées d’accélérateurs simple étage que de double étage. Dans les accélérateurs double étage, là où les sources sont extérieures, les ions sont accélérés au moins deux fois, une fois chargés négativement, et une fois ou plus chargés positivement après passage dans le stripper, à gaz ou à feuille mince, qui transforme les ions négatifs en ions positifs. À énergie de sortie égale, ces machines sont plus compactes et moins coûteuses que les machines simple étage. Le fait d’avoir les sources à l’extérieur donne plus de flexibilité dans les choix et les changements de type de particule à accélérer sont plus rapides à exécuter. Toutefois, les chocs de ces particules dans le stripper...
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