Th. univ.--Sci.--Besançon, 1983. N°: 55.

Durant cette thèse nous avons caractérisé et amélioré une nouvelle source de rayons X avec unplasma ECR (résonance cyclotronique électronique) permettant de générer des électronsénergétiques de 10 à 120 keV, qui vont ensuite produire le rayonnement X par freinage(bremsstrahlung). Les améliorations de l’installation ont permis d’obtenir une source stable, pouvantfonctionner une journée entière de travail (huit heures) sans arrêt. Dans la première partie de l’étudeexpérimentale on a étudié et déterminé les paramètres optimaux de la source : la pression, lapuissance micro-onde et la configuration magnétique sur le rayonnement X du plasma. Nous avonségalement confirmé la localisation des électrons énergétiques sur un anneau due à la configurationmagnétique. L’intensité trop faible et la zone d’émission non ponctuelle du rayonnement plasma, nepermettant pas l’utilisation de la source à plasma, une cible a été insérée sur la trajectoire desélectrons énergétique pour résoudre ces deux problèmes.Le principal avantage de notre source par rapport aux tubes X, est l’absence de haute tension (20 à400 kV). Pour chauffer les électrons, nous utilisons une onde de 2,45 GHz, qui est la fréquenceindustrielle autorisée dans les fours à micro-ondes, délivrée par un magnétron. Les éléments simplesqui composent notre source donne un coût plus faible qu’un système classique de tubes X, dûprincipalement au prix élevé du générateur HT pour les tubes X. De plus, nous n’avons pas besoind’un vide très poussé car, à la différence des tubes X, la source ECRX fonctionne avec une pressionrésiduelle de 0,1mPa. Et enfin notre source est compacte ce qui la rend facilement transportable. Lesapplications de cette source sont nombreuses comme la radiologie, la stérilisation et le contrôle nondestructif industriel. / During this thesis we have characterised and developed a new X-ray source with an ECR plasma(electron cyclotron resonance) generating energetic electrons from 10 to 120 keV, which will emit adeceleration radiation (the Bremsstrahlung). The improvements of the installation permit to obtain astable source, which can work during one day (eight hours) without stop. In first part of theexperimental study we have studied and determined the optimal parameters of the source: pressure,micro-wave power and the magnetic configuration on the X radiation of the plasma. We also confirmedthe localisation of the energetic electron on a ring due to the magnetic configuration. The low intensityand the non punctual emission size of the X radiation, don’t allow the use of the source, so a target isinserted in the trajectory of the energetic electron to solve these two weaknesses.The main advantage of our source compared with X-ray tubes, is the absence of high voltage (20 to400 kV). For heating the electron, we use a 2,45 GHz wave, that is the industrial frequency authorizedfor the micro-wave oven, delivered by the magnetron. The simple elements that compose our sourceare less expensive than the classical X-ray tubes, due to mainly the high cost of the X-ray generator.Moreover, we don’t need a high vacuum, mandatory for the X-ray tubes; an ECRX operates at aresidual pressure of 0,1 mPa. And finally, we have a compact source. Applications will be various frommedical, like radiological, sterilization, to non-destructive industrial control.

La résonance cyclotronique ionique est utilisée dans certains modèles pour fournir la contribution nécessaire à l'accélération du vent solaire "rapide", voire pour chauffer la couronne solaire. Elle est souvent associée, dans ces modèles, à une cascade turbulente d'ondes d'Alfvén, dont les ondes cyclotroniques ioniques constituent la limite haute-fréquence. Ces modèles s'appuient en particulier sur certaines caractéristiques des distributions cinétiques ioniques observées dans la haute couronne (par spectroscopie) et dans le vent solaire (mesures in situ), telles que chauffage préférentiel en fonction du rapport charge-sur-masse (q/m), anisotropies de températures, ou vitesses différentielles. <br />L'objet principal de cette thèse consiste à mettre en évidence des signatures d'ondes d'Alfvén et d'ondes cyclotroniques dans la basse couronne solaire (<1.5 rayons solaires), dans l'intention de mieux contraindre l'énergie réellement présente sous forme d'ondes, et celle effectivement dissipée dans la couronne. <br />Pour cela, j'ai utilisé les largeurs des raies coronales appartenant à des ions de différents q/m, observées à l'aide du spectromètre SUMER opérant dans l'extrême-UV, et embarqué à bord du satellite SOHO. J'ai séparé les deux principales contributions à ces largeurs : effets Doppler thermique et "non-thermique" (lequel est potentiellement dû à la présence d'ondes d'Alfvén), en analysant le gradient des largeurs en fonction de l'altitude au dessus du limbe solaire. Lors de ce travail, j'ai montré l'importance de corriger les profils de raies observés de l'effet de la lumière diffusée instrumentale. <br />J'ai mis en évidence deux signatures de chauffage préférentiel dans un trou coronal : les ions de plus petits q/m sont plus chauds que les autres à une altitude donnée, et ils sont davantage chauffés quand l'altitude augmente. Par ailleurs, les courbes de températures en fonction de q/m présentent une tendance similaire dans un trou coronal et dans une région de "soleil calme", ce qui laisse penser que la résonance cyclotronique ionique se produit à toutes les latitudes. <br />Ces résultats me permettent de suggérer quelques pistes pour la modélisation des échanges entre ondes, ions minoritaires et protons.

Les sources d'ions de type RCE sont issues de la recherche sur la fusion et ont, en quelques sorte, révolutionnées le domaine des sources d'ions multichargés. Ces équipements ont permis à la fois d'augmenter les performances des accélérateurs actuels (énergies, type d'ions, intensités) permettant par la même l'exploration de nouveaux domaines de Physique (matériaux, agrégats etc...) comme d'ouvrir de nouvelles voies plus applicatives : hadronthérapie, traitement de surface, etc... Ce mémoire expose les développements réalisés au GANIL / CIMAP sur les développements techniques et théoriques de ce type d'équipement afin de proposer de nouvelles versions soit plus performantes soit plus versatiles dans leurs applications / utilisations. Dans ce mémoire trois exemples d'utilisation de sources RCE sont développés : utilisation des ions multichargés comme sonde pour l'étude Physique des agrégats de fullerènes ; production de faisceaux d'ions multichargés mais de taille micrométriques et la modification des propriétés physiques d'une surface de Ti-6Al-4V grâce à l'implantation d'ions multichargés multiénergies. Gageons que toutes les études et développements autour de ces sources verront voir l'apparition de nouvelles applications prometteuses aussi bien dans le domaine de la Physique fondamentale que dans celui d'applications sociétales.

La production de noyaux radioactifs est réalisée par bombardement d'une cible par un faisceau primaire de proton, de neutrons ou d'ions stables. Afin d'obtenir des faisceaux d'ions radioactifs de plusieurs MeV par nucléons, il convient tout d'abord de les multi-ioniser. Le principe de la méthode 1+/n+ consiste à séparer la production des éléments radioactifs de leur multi-ionisation. Une cible de production d'éléments radioactifs est associée à une source d'ions monochargés (ensemble cible-source). Le faisceau d'ions radioactifs 1+ ainsi produit est injecté à basse énergie (quelques dizaines de keV) dans une source d'ions multichargés à Résonance Electronique Cyclotronique (ECR). Les ions monochargés sont ralentis électrostatiquement dans la source n+ et sont capturés par le plasma ECR. Ils sont alors sont multi-ionisés pas à pas vers des états de charge élevés, extraits et accélérés. Les expériences décrites dans cette thèse ont été réalisées avec des éléments stables. La méthode 1+/n+ peut fonctionner en mode continu : le faisceau d'ions monochargés est injecté en continu dans la source n+ et le faisceau d'ions multichargés est produit en continu. Les rendements de transformation 1+/n+ obtenus sont d'une dizaine de pour cent pour les gaz rares et de plusieurs pour cent pour les éléments condensables. La durée de la transformation 1+/n+ est de l'ordre de la centaine de millisecondes ce qui est suffisamment rapide pour la majorité des éléments radioactifs à multi-ioniser. Ces résultats permettent de considérer que la méthode 1+/n+ et aujourd'hui opérationnelle pour un système de production d'ions radioactifs accélérés. La méthode 1+/n+ peut également fonctionner en mode pulsé : le faisceau d'ions monochargés est injecté en continu dans la source n+ et le faisceau d'ions multichargés est extrait par " pulses " de quelques millisecondes. Les rendements obtenus sont de l'ordre du pour cent pour le rubidium et le plomb. Il est nécessaire de réaliser des études complémentaires sur ce mode de fonctionnement afin d'améliorer les résultats déjà obtenus.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet SPIRAL qui consiste à produire puis à accélérer un faisceau d'ions multichargés. Ce travail a porté essentiellement sur la partie production et ionisation du faisceau d'ions radioactifs. Un premier ensemble cible-source (NANOGAN II) a été étudié, réalisé puis testé. Il est destiné uniquement à la production de faisceau d'ions radioactifs multichargés de type gaz. Des tests "hors ligne" et "en ligne" ont montré que cet ensemble répond au cahier des charges du projet SPIRAL et qu'il est fin prêt à être mis en fonctionnement dans la casemate de production. A partir de ces tests, les intensités disponibles des futurs faisceaux de SPIRAL ont été calculées. Une étude détaillée de la diffusion d'un atome dans une cible de carbone a été faite. L'expression de l'efficacité de diffusion, à partir des équations de la diffusion (lois de Fick), a été déduite. Cette efficacité dépend des paramètres suivants : la température, la taille des grains composants la cible, les coefficients d'Arrhénius et la période radioactive. Le développement de trois méthodes expérimentales et la confrontation d'expérience/théorie ont permis de comprendre ce processus dans la cible de production et de déduire les coefficients d'Arrhénius pour les gaz rares. Une autre étude des cibles de production est présentée. Elle concerne la distribution de température permettant leur utilisation pendant plus d'un mois à une température de 2400 K. Deux développements ont été étudiés pour le futur de SPIRAL. Le premier (1+/n+) consiste en la transformation d'un faisceau monochargé en un faisceau multichargé grâce à une source R.C.E. Ceci permettra d'utiliser la source multichargé hors de la casemate de production et ainsi d'avoir des sources monochargées adaptées à de nombreux types d'éléments. L'autre développement (SPIRAL-II) est destiné à la production d'atomes radioactifs riches en neutrons crées par la fission de l'uranium induite par des neutrons rapides. Le faisceau de neutron est produit par le stripping/break-up d'un faisceau de deutons dans un convertisseur. Cette solution, très prometteuse, est en cours d'étude et fait partie d'un programme de Recherche Européen.

Les interactions gaz/grain jouent un rôle important dans la chimie interstellaire aussi bien dans les régions exposées au rayonnement UV qu'à l'intérieur des nuages moléculaires où se forment des manteaux de glaces autour des grains. Cependant, les modèles astrophysiques pour décrire ces processus manquent considérablement de données fondamentales décrivant l'interaction du gaz avec un grain isolé.<br />Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre et vise à explorer expérimentalement les interactions gaz/grain sur des nanograins de type molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) à différentes températures. Il utilise le dispositif expérimental PIRENEA (Piège à Ions pour la Recherche et l'Étude de Nouvelles Espèces Astrochimiques) qui présente l'originalité de coupler les performances d'un instrument de spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FTICR-MS) avec un environnement cryogénique. Grâce à ce dispositif, le PAH peut être isolé de son environnement comme dans l'espace interstellaire et ses propriétés peuvent être étudiées à l'aide d'une interface photophysique (lampe UV-visible) et d'une interface chimique pour l'injection de gaz.<br />Notre étude concerne la réactivité de C24H11+ (cation du coronène déshydrogéné) avec la molécule H2O à basses températures entre 35 K et 300 K. Dans un premier temps, nous montrerons comment la densité de molécules d'H2O dans la cellule ICR peut être quantifiée à toutes ces températures par mesure traditionnelle de la pression et par mesure de l'amortissement du mouvement cyclotronique des ions. Ces résultats nous ont permis de tracer l'évolution du taux de réaction de C24H11+ + H2O avec la température du piège. Aucune dépendance avec la température n'a été mise en évidence. Nous confronterons et discuterons les résultats obtenus avec des calculs ab-initio.

La caractérisation des ions multichargés dans le plasma d'une source ECR utilise comme moyen de diagnostic non perturbatif la spectroscopie dans le domaine de l'ultraviolet sous vide. Dans ce type de source, les électrons sont chauffés par interaction avec une onde HF et confinés magnétiquement par effet miroir. Les électrons interagissent avec l'onde HF à la résonance cyclotronique au cours de leurs allers et retours successifs dans le miroir magnétique. Ils acquièrent ainsi l'énergie nécessaire pour dépasser les potentiels d'ionisation de chacun des états de charge de l'élément injecté dans la source. L'amélioration des performances d'une source ECR en courant d'ions extraits et en états de charge obtenus passe par la connaissance des grandeurs physiques fondamentales des espèces présentes dans le plasma. Le but de la spectroscopie V.U.V. est de déterminer la densité et la température électronique d'une part et la densité et le temps de confinement des ions d'autre part. Nous avons utilisé des galettes de micro canaux comme détecteurs de position sur un spectromètre à incidence rasante muni d'un réseau de 3 mètres de rayon de courbure comportant 600 traits/mm. On effectue l'étalonnage en intensité de l'ensemble réseau-détecteur par 2 méthodes. Ce sont les méthodes des rapports de branchement et d'échanges de charge. L'identification des raies émises par le plasma qui regroupe l'ensemble des états de charge possibles de l'élément étudié est nécessaire pour faire une étude exhaustive de l'état du plasma. Finalement, la détermination des paramètres du plasma sur la base théorique de 2 sources ECR disponibles au laboratoire a été réalisée pour la première fois.

Le groupe HEF (Hydromécanique Et Frottements), premier équipementier et façonnier français en traitements de surface par plasmas hors microélectronique, utilise dans ses procédés industriels des sources plasma micro-onde multi-dipolaires fonctionnant sur le principe de la résonance cyclotronique électronique pour la réalisation de dépôts de type DLC par PACVD, et pour l'assistance ionique à la croissance de couches CrN par pulvérisation magnétron réactive. Suite à la présentation de l'utilisation de ces sources pour des dépôts de DLC et des ajustements nécessaires pour leur mise en œuvre industrielle, les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles sources plasma micro-onde en vue d'améliorer l'uniformité des traitements de surface dans le volume du réacteur ainsi que la productivité des réacteurs plasma pour le dépôt de ces couches. Les résultats obtenus sont intéressants puisque le développement d'une source étendue a permis d'augmenter la vitesse de dépôt des couches DLC sans dégradation des propriétés mécaniques et d'obtenir une uniformité similaire à celle obtenue avec les sources multi-dipolaires en utilisant deux fois moins d'applicateurs micro-onde. Les réflexions portant sur l'amorçage du plasma ont permis d'identifier les voies d'amélioration de cette source pour valider son utilisation en milieu industriel. L'utilisation de cette source étendue pour l'assistance ionique à la croissance de couches telles que le nitrure de chrome CrN par pulvérisation magnétron réactive a démontré un potentiel intéressant en termes de propriétés mécaniques obtenues et a permis d'identifier des axes de développement de cette configuration.

Le centre de production de faisceaux d'isotopes rares situé sur le site de TRIUMF, utilise la méthode de séparation isotopique en ligne (ISAC) pour produire des faisceaux exotiques, c'est-à-dire des faisceaux d'ion hors de la vallée de stabilité. Pour ce faire, ils utilisent un faisceau de protons, provenant du cyclotron principal, d'intensité allant jusqu'à 100 uA et d'une énergie de 500 MeV. Présentement, les faisceaux sont produits soit à l'aide d'une source d'ionisation à surface chaude, d'une source d'ionisation résonante par laser ou d'une FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharged). Malheureusement, ces sources d'ionisation ne sont pas adéquates pour les éléments gazeux. Un nouveau type de source est donc nécessaire. La source ECR (Electron Cyclotron Resonance) peut produire des électrons de haute énergie en superposant une onde électromagnétique haute fréquence à un confinement par champ magnétique. Ces électrons d'haute énergie sont essentiels pour l'ionisation d'éléments gazeux. Les ions sont créés à l'intérieur du plasma lorsque les électrons entre en collision avec les atomes neutres. L'absence d'une cathode chaude près de la cavité d'ionisation, permet à la source ECR de produire un faisceau intense d'éléments de forte électronégativité, tel que l'azote, l'oxygène, le fluor, le soufre, etc. Dans ISAC, le taux élevé de radiation due à la proximité de la cible prévient l'utilisation d'une source ECR conventionnelle. À cette fin, MISTIC (Monocharged Ion Source for TRIUMF and ISAC Complex), une source ECR prototype, a été construit à TRIUMF utilisant un concept similaire d'une source conçue au GANIL. Afin d'obtenir une source résistante aux radiations, des électro-aimants sont préférés à l'utilisation d'aimants permanents pour la production du champ de confinement magnétique. Les tests sur la source sont effectués sur un banc d'essai pourvu des instruments nécessaires à l'évaluation des ses performances. Les tests consistent en des mesures d'efficacité d'ionisation et d'émittance pour différentes configurations des paramètres de la source, tel que la force du champ magnétique, la fréquence des micro-ondes et leur puissance et la composition et la densité du plasma. Une sonde de Langmuir fut aussi utilisée afin de mesurer certains paramètres du plasma. Les résultats des expérimentations sur le prototype vont aider à définir les paramètres de la version en ligne de MISTIC. De plus, un travail extensif a été accompli sur une autre source plasma retrouvée à TRIUMF, la FEBIAD, afin d'améliorer ses performances et sa durabilité. Les résultats des mesures d'efficacité effectuées hors ligne vont servir à comparer les performances entre les deux sources.