Les faisceaux d’ions

Il existe deux grands domaines d’application des accélérateurs de faisceaux d’ions : les méthodes d’analyse des matériaux (composition élémentaire et isotopique, état structurel) et la modification de ceux-ci.

Certaines des techniques d’analyse qui s’appuient sur les faisceaux d’ions consistent à stimuler les rayonnements émis par un échantillon. C’est par exemple le cas des méthodes PIXE (émission X induite par des particules) et NRA (analyse par réaction nucléaire), qui permettent d’analyser avec une précision extrême la composition chimique ou isotopique des matériaux. D’autres techniques mesurent la diffusion et le recul des ions de l’échantillon. Les données obtenues permettent de caractériser la composition chimique et structurelle des matériaux ou de définir des profils en profondeur de leurs concentrations élémentaires.

Ces méthodes d’analyse peuvent servir à :

• déterminer l’origine de polluants sous forme d’aérosols (particules très fines en suspension dans l’air) ou de particules de sédiments transportées par l’eau ;
• caractériser les contaminants présents dans les aliments ;
• générer des images de cellules biologiques particulières ; et
• déterminer la répartition des éléments en trace dans les tissus et les mécanismes d’une maladie.

Les méthodes faisant appel aux faisceaux d’ions peuvent également servir à réaliser des analyses non destructives d’objets du patrimoine culturel. L’examen de la composition des encres, des peintures et des glaçages sur les céramiques et les verres peut nous apporter des informations sur la provenance d’œuvres d’art ou d’objets archéologiques. Grâce à cette méthode, il est également possible de déterminer si un objet est authentique ou faux, s’il a subi une altération par le passé, quels mécanismes de corrosion ou de détérioration en sont la cause et comment préserver les objets altérés.

S’agissant de la modification des matériaux, les faisceaux d’ions trouvent des applications dans :

• la nanotechnologie, notamment la création de structures nanofabriquées ;
• les semi-conducteurs et les dispositifs électroniques (implantation ionique, par exemple) ; et
• la modification de l’ADN, entre autres dans le cadre de la sélection végétale par mutation.

Les faisceaux d’ions entrent également en jeu dans des études fondamentales des interactions entre rayonnements et matériaux. De nombreux modèles de réacteurs avancés pourraient permettre de générer des flux importants de neutrons, à des niveaux d’énergie bien plus élevés que les réacteurs des générations actuelles. Ces flux de neutrons rapides causent beaucoup plus de dommages aux matériaux présents dans le réacteur, comme la gaine qui entoure le combustible nucléaire. Les gaz produits par les réactions nucléaires peuvent accentuer la dilatation de la gaine. En utilisant des faisceaux d’ions de haute énergie, il est possible d’accélérer le processus de détérioration de tels matériaux à des vitesses bien supérieures à celles possibles avec un réacteur d’essai. De plus, l’application simultanée de deux faisceaux d’ions supplémentaires donne lieu à la production d’hydrogène et d’hélium gazeux à l’intérieur du matériau. Ainsi, les principaux processus de détérioration qui s’opèrent dans un réacteur peuvent être simulés à l’aide de faisceaux d’ions, ce qui permet de déterminer rapidement quels matériaux sont potentiellement utilisables.

Une liste complète des accélérateurs de faisceaux d’ions est disponible sur le Portail des connaissances sur les accélérateurs de l’AIEA.