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.

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.

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.

L'extension d'échelle des procédés plasma fonctionnant à très faibles pressions est l'une des problématiques à résoudre pour leur essor au niveau industriel. Une solution consiste à distribuer uniformément des sources de plasma élémentaires dans lesquelles le plasma est produit par couplage à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Ces sources élémentaires sont constituées d'un aimant permanent cylindrique (dipôle magnétique) disposé à l'extrémité d'une structure coaxiale d'amenée des micro-ondes. Bien que conceptuellement simple, l'optimisation de ces sources de plasma dipolaires est complexe. Elle requiert la connaissance, d'une part, des configurations de champ magnétique statique et électrique micro-onde, et, d'autre part, des mécanismes de production du plasma, dans les zones de champ magnétique fort (condition RCE), et des mécanismes de diffusion. Ainsi, une caractérisation expérimentale des domaines de fonctionnement et des paramètres plasma par sonde de Langmuir et par spectroscopie d'émission optique a été menée sur différentes configurations de sources dipolaires. Parallèlement, une première modélisation analytique a permis de calculer des champs magnétiques de configurations simples, le mouvement et la trajectoire des électrons dans ces champs magnétiques, l'accélération des électrons par couplage RCE. Ces résultats ont permis ensuite de valider la modélisation numérique des trajectoires électroniques par une méthode hybride Particle In Cell / Monte-Carlo. L'étude expérimentale a mis en évidence des domaines de fonctionnement pression/puissance très larges, entre 15 et 200 W de puissance micro-onde et depuis 0,5 jusqu'à 15 mTorr dans l'argon. L'étude des paramètres plasma a permis de localiser la zone de couplage RCE près du plan équatorial de l'aimant et de confirmer l'influence de la géométrie de l'aimant sur cette dernière. Ces caractérisations appliquées à un réacteur cylindrique utilisant 48 sources ont montré la possibilité d'atteindre au centre de l'enceinte des densités entre 1011 et 1012 cm-3 pour des pressions d'argon de quelques mTorr. La modélisation des trajectoires électroniques au voisinage des aimants indique un meilleur confinement radial pour des aimants présentant un rapport longueur/diamètre élevé. De plus, cette étude numérique confirme les résultats de l'étude expérimentale, à savoir une zone de couplage RCE près du plan équatorial et non au voisinage de l'extrémité du guide coaxial micro-onde. Enfin, ces résultats ont été appliqués avec succés à la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire de cibles, permettant en particulier une usure uniforme de ces dernières.