ANAlyses et Faisceaux d’Ions pour la Radiobiologie et l’Environnement

Plateforme technologique de l’IP2I

Les rayonnements ionisants sont l’objet d’une certaine médiatisation liée probablement à une réelle ambivalence : fascinants par leur potentiel, inquiétants par le risque qu’ils peuvent représenter pour l’environnement et la santé

ANAFIRE Lyon constitue un plateau d’expertise sur les rayonnements ionisants, expertise de haut niveau, indépendante, associée à des outils de mesure et des analyses accréditées. Cette expertise est ancrée dans des collaborations nationales et internationales.

L’enjeu du plateau est de contribuer de manière significative dans la recherche liée à l’utilisation des rayonnements ionisants et à la caractérisation de leurs effets, tout en proposant localement une métrologie de qualité ouverte aux partenaires économiques et sociaux.
Le plateau est structuré en 6 portails qui sont différents points d’accès pour la mutualisation des équipements.

Le Van de Graaf 4 MV

Le Van de Graaf est un accélérateur électrostatique porté à un potentiel de 3,5 MV lui permettant d’accélérer des ions monochargés ou doublement chargés jusqu’à 7 MeV. Cette machine a une double particularité : le tube accélérateur est installé verticalement et les lignes de faisceau sont horizontales. Le passage du tube à ces lignes se fait grâce à un aimant de déflexion monté sur une tête rotative : passer d’une ligne de faisceau à une autre est alors très rapide et facile puisqu’il n’y a qu’à tourner l’aimant.

La source Penning

Cet accélérateur se compose d’une source Penning qui permet de produire des ions à partir de gaz (H, 3He, 4He, D). Les ions peuvent être monochargés ou doublement chargés.

Le tube accélérateur

Ce tube permet aux ions d’être accélérés par une tension pouvant aller jusqu’à 3.5 MV, ce qui correspond à une énergie de 3,5 MeV pour des ions monochargés et 7 MeV pour des ions doublement chargés. Ce tube est composé d’une succession de résistances permettant une chute de tension progressive. Les risques de claquages électrique étant grands, l’ensemble composé de la source et du tube accélérateur est placé à l’intérieur d’une cuve remplie d’un gaz isolant (N + CO2 à 20 bars).

L’aimant de déflexion

C’est un aimant à 90° permettant de séparer les isotopes d’une même variété d’ions et d’éliminer les impuretés du faisceau sélectionné. En fonction de la masse de l’isotope désiré, on applique le champ magnétique correspondant ; seuls les ions ayant la bonne masse sont déviés, les autres étant perdus dans l’entrefer de l’aimant.

Cet aimant est monté sur une tête rotative permettant de changer facilement de lignes de faisceau.

Les différentes lignes de faisceau

Le faisceau est ensuite focalisé par des quadrupôles électrostatiques et des bobines magnétiques. Une fois le faisceau focalisé il est ensuite envoyé vers les lignes de faisceau.

On dispose de plusieurs voies selon l’utilité du faisceau :

• Analyses par faisceaux d’ions (RBS, NRA, PIXE, …)
• Irradiation de matériaux
• Irradiation biologique (Radiograaff)

Implanteur 400 kV (IMIO400)

Le principe de l’implantation ionique, est d’accélérer des ions positifs dans un champ électrique pour leur donner une énergie qui leur permette de pénétrer à une profondeur donnée dans un substrat. Les avantages de l’implantation ionique sont la précision au niveau de la sélection des isotopes, du contrôle de la fluence et de la profondeur d’implantation, et la reproductibilité de ces paramètres.

IMIO400 a été entièrement conçu et réalisé par la collaboration du bureau d’études, du service Mécanique et du service Faisceaux d’Ions de l’IP2I dans les années 90. Il a été régulièrement rénové et mis à niveau.

Caractéristiques techniques d’IMIO400

• Énergie de faisceau : 60 à 800 keV
• Types d’ions implantés : quasi-totalité des éléments de la classification périodique (espèces gazeuses, liquides ou solides). Sélection isotopique grâce à un aimant électromagnétique d’analyse.
• Courants produits : de quelques µA à une centaine de µA
• Taille minimale du faisceau : 2 mm
• Balayage électrostatique : de 2.6 x 3.1 à 4.6 x 10.6 cm2.
• Profondeur d’implantation maximum : 500 nm.
• Doses implantées : de 1012 at.cm2 à 1017 at.cm2.
• Température d’implantation :
• Température d’implantation
  • Température ambiante avec refroidissement du porte-objet par circulation d’eau.
  • Possibilité d’utiliser un porte-échantillon chauffant jusqu’à 600°C.

Plateforme IMIO 400

La source d’ions

La source de type Bernas-Nier permet l’ionisation d’espèces gazeuses, solides ou liquides. La quasi-totalité des éléments de la classification périodique peuvent être ionisé. La source dispose d’un four en entrée pour les éléments solides. En plus du chauffage ils subissent une attaque chimique par un chlorure, typiquement CCl4 et sont ainsi vaporisés avant d’être introduits dans la source. Ainsi quel que soit l’état physique naturel des produits de départ, les éléments chimiques à implanter sont introduits à l’état vapeur dans le plasma régnant dans la source. Les atomes ou molécules sont ensuite ionisés par impact électronique dans la décharge entretenue entre l’anode et la cathode chaude qui émet des électrons par effet thermoélectronique. Cette technique permet d’ioniser, une ou deux fois, quasiment tous les éléments de la classification périodique.

Intérieur de la source IMIO – © IP2I

L’aimant électromagnétique d’analyse

Après une préaccélération de 30 kV, les isotopes sont triés par un aimant électromagnétique d’analyse. Cet aimant permet à faire le tri en masse de tous les ions issus de la source, et en particulier de faire une sélection isotopique.

L’accélération

À la sortie de l’aimant le faisceau d’ions triés, subit une accélération dans un champ électrique d’une tension de 400 kV maximum. Le choix de la tension va donc déterminer l’énergie du faisceau.

L’implantation

Pendant les implantations et en particulier lors de la mise en tension, la plateforme de l’accélérateur est pilotée depuis un pupitre isolé de la machine. C’est aussi depuis ce pupitre que le faisceau produit sera focalisé jusqu’à avoir un diamètre de l’ordre de 2 mm.

La surface implantée est ensuite ajustée grâce à un générateur de balayage en horizontal et en vertical.

Quelques exemples d’implantations réalisées sur IMIO400

• 37 Cl+ dans du graphite
• 133Cs++ dans des composés carbonés.
• 129 Xe++ dans diverses céramiques.
• 18O+ dans SiC
• 15N+ dans SiC
• 133 Xe+ dans UO2.
• 1H+ dans SiC chauffé à 450°C.

Les échantillons peuvent être chauffés pendant l’implantation.

L’outil est ouvert à tous et toutes les demandes sont étudiées au cas par cas avant acceptation et établissement d’un devis.