Tout ce que vous devez savoir sur les faisceaux d’ions

Que ce soit pour déterminer l’origine des polluants, caractériser les contaminants alimentaires, visualiser des cellules biologiques une par une ou dater des objets anciens, les scientifiques utilisent des faisceaux d’ions. Mais que sont-ils et comment sont-ils utilisés ?

Comme leur nom l’indique, les faisceaux d’ions sont des flux d’atomes chargés électriquement, des ions, qui sont produits par des instruments spéciaux appelés sources d’ions. Les ions prennent de la vitesse lorsqu’ils entrent dans un champ électrique, généré dans un accélérateur de particules, et ils sont guidés et focalisés par des champs magnétiques de façon à suivre des trajectoires parallèles dans un tube métallique à vide. En fonction du type d’accélérateur, les faisceaux d’ions peuvent atteindre une vitesse proche de celle de la lumière.

Dans le cas des accélérateurs électrostatiques tandem (voir la figure ci-dessous), des faisceaux d’ions sont bombardés sur un échantillon de matière ou un objet. L’interaction avec la matière peut modifier la trajectoire des ions, ou la collision peut libérer des particules ou des rayonnements – principalement des rayons X ou gamma – qui peuvent ensuite être détectés et analysés.

Les propriétés de l’énergie et du rayonnement émis permettent d’en savoir plus sur la composition de l’échantillon bombardé, notamment son caractère cristallin ou non, sa dureté et ses propriétés physiques présentant un intérêt pour les nouvelles technologies. On peut bombarder des échantillons et des objets de différentes formes et dans différents états de la matière, comme des feuilles minces, des boulettes de terre, des cellules humaines, animales ou végétales, des semences, des pierres, des liquides et même des objets anciens ou des statues. Selon la forme et la composition de la matière, on peut procéder au bombardement dans le vide ou dans l’air.

Compte tenu de leurs capacités uniques d’analyse et de modification, les faisceaux d’ions accélérés sont utilisés dans de nombreuses applications. Dans le cadre de la sélection des plantes par mutation, ils servent à irradier des matières végétales et des semis afin d’accélérer le processus d’évolution naturelle grâce à des mutations induites et de mettre au point des cultures ayant un plus haut rendement ou une meilleure résistance aux maladies et à la sécheresse.

Les protons et d’autres ions sont largement utilisés pour produire les radioisotopes nécessaires à la mise au point de radiopharmaceutiques pour le diagnostic et le traitement du cancer. En cancérothérapie, des faisceaux de protons et d’ions carbone sont utilisés pour bombarder les tumeurs cancéreuses, en particulier lorsqu’il n’y a pas d’autre option thérapeutique. Ils transmettent de l’énergie à la tumeur afin de la faire chauffer et de la désintégrer.

Face à la demande croissante de matériaux plus solides et de meilleure qualité, une grande variété de faisceaux d’ions sont également utilisés pour modifier les propriétés des matériaux et les rendre plus résistants. C’est le cas pour les vaisseaux spatiaux et les réacteurs à fusion, par exemple, qui nécessitent des matériaux pouvant résister à des niveaux de rayonnement très élevés.

Faisceaux d’électrons

Les faisceaux d’électrons sont semblables aux faisceaux d’ions : ce sont des flux d’électrons générés par des sources d’électrons dans divers accélérateurs. Ils servent à produire des rayons X, qui sont utilisés en médecine pour irradier et détruire des cellules cancéreuses. Les faisceaux d’électrons ou les rayons X sont aussi utilisés pour irradier les aliments et tuer les bactéries dangereuses sans dégrader la valeur nutritionnelle, la qualité ou le goût de la nourriture.

Projet d’installation de faisceaux d’ions de l’AIEA

L’utilisation de faisceaux d’ions et d’électrons peut profiter à de nombreux pays dans le monde, et l’AIEA prévoit d’établir sa propre installation de faisceaux d’ions tandem ultramoderne à Seibersdorf (Autriche). Grâce à cet accélérateur, elle soutiendra la recherche et aidera les scientifiques du monde entier à améliorer leurs connaissances théoriques et pratiques des diverses applications des faisceaux d’ions, y compris la production de particules secondaires comme les neutrons.

« Les faisceaux de particules sont des sondes exceptionnelles qui peuvent être utilisées non seulement pour mieux comprendre l’univers, mais aussi pour analyser et mettre à profit les processus physiques capables d’améliorer la vie et de soutenir la croissance économique », explique Danas Ridikas, chef de la Section de la physique de l’AIEA. « Les accélérateurs de particules sont des investissements rentables qui contribuent au développement durable. Avec un nouvel accélérateur de faisceaux d’ions tandem, l’AIEA pourra aider davantage les pays à renforcer leurs capacités relatives aux technologies des accélérateurs et à leurs applications. »

L’AIEA cherche à lever quelque 4,6 millions d’euros pour financer le projet, notamment l’accélérateur tandem, l’infrastructure nécessaire et l’instrumentation associée et les ressources nécessaires à son exploitation.