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Accueil du site > FRANCAIS > La plateforme AIFIRA > La plateforme AIFIRA > Analyses par faisceaux d’ions > LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES


LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES

1. Principes d’une réaction au niveau du noyau

Dès que la particule chargée à une énergie suffisante pour vaincre la barrière coulombienne, elle interagit avec un noyau de la cible selon la réaction A + a → B + b + nγ qui s’écrit habituellement sous la forme A(a,b)B. La nature et le nombre de particules incidentes a étant connus, l’identification et la mesure du nombre de particules "signature" b émises au cours de l’analyse permettent d’identifier et de quantifier les noyaux A. B correspond au produit de la réaction nucléaire.

L’interaction étant élastique, les règles de conservation de masse et d’énergie sont respectées au cours d’une réaction nucléaire.

 

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Représentation schématique d’une réaction nucléaire.

 

L’ion incident devant avoir assez d’énergie pour vaincre la barrière coulombienne, les techniques basées sur les réactions nucléaires permettent de détecter que les éléments dits "légers", à savoir les éléments chimiques dont la masse atomique est inférieure à celle de l’argon.

 

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Éléments pouvant être détectés en NRA (violet) et PIGE (vert).

 

2. NRA (Nuclear Reaction Analysis)

2.1. Principes

La NRA consiste à détecter et identifier les particules "signature" produites lors des réactions nucléaires qui s’effectuent entre l’ion et les noyaux constitutifs de l’échantillon. En raison de la sélectivité inhérente à une réaction nucléaire, il est possible de distinguer et quantifier les isotopes d’un même élément avec parfois le choix de plusieurs réactions possibles.

 

Exemple de spectre NRA (microfaisceau)

 

2.1. Informations obtenues

La NRA permet de quantifier les éléments légers. De plus, chaque élément correspond à un cas particulier dépendant de l’existence ou non de réactions nucléaires. Les conséquences directes sont :

    # la possibilité de détecter et doser un isotope en particulier,

    # une excellent sélectivité,

    # la quasi absence de bruit de fond sur les spectres ce qui permet d’atteindre une sensibilité de l’ordre du µg/g dans certains cas.

Comme pour la RBS, le spectre en énergie des particules "signature" permet de localiser l’élément chimique A à analyser et ainsi d’obtenir son profil de concentration en profondeur (uniquement sur le parcours de l’ion a).

 

3. PIGE (Particule Induced Gamma-ray Emission)

Les réactions nucléaires de type A(a,γ)B induisent la production de rayons γ. Le PIGE correspond à la détection de ces photons γ émis par l’échantillon. Tout comme la NRA, le PIGE n’est pas une analyse avec une sensibilité de détection constante. La sélectivité chimique est excellente et la sensibilité peut atteindre le µg/g.

En raison de l’énergie des rayons γ, l’ordre du MeV, le PIGE donne une information globale sur tout le volume de l’échantillon. Cette technique est un complément idéal au PIXE puisqu’elle permet de détecter des éléments légers dont les rayons X correspondant ne sont pas captés par le détecteur PIXE.

 

4. Système de détection

Les analyses NRA sont beaucoup plus complexes à mettre en œuvre pour atteindre la résolution en profondeur et de la sensibilité désirées, ceci en raison de :

    # la simultanéité des réactions nucléaires avec la rétrodiffusion. En effet, les mesures sont effectuées dans les mêmes conditions que la RBS

    # l’énergie des particules "signature" que est comprise entre 1 et 10 MeV,

    # une faible probabilité que la réaction s’effectue (par comparaison avec la RBS).

Dans le cas de la plateforme AIFIRA, l’accélérateur ne permet de produire que des ions légers (proton, hélium & deutérium) ; seuls les éléments chimiques légers peuvent être détectés (Z < 15). Les analyses NRA peuvent être effectuées en macro- ou microfaisceau et les conditions de sécurité permettent de produire un faisceau de deutérium continue.

Les rayonnement γ sont détectés à l’aide d’un détecteur à germanium de haute pureté. En raison de la nature et de l’énergie des rayons γ émis, il est possible d’effectuer une analyse PIGE à l’air. Celles-ci peuvent effectuées sur les trois lignes dédiées à l’analyse ; en faisceau extrait, en macrofaisceau, et en microfaisceau.