Introduction
Le LTA donne accès à un accélérateur Pelletron Tandem de 6 MV ainsi qu'à un accélérateur Tendetron de 1,7 MV. Le mode tandem signifie que les ions sont accélérés deux fois par la tension terminale, ce qui double l'énergie des ions. Les ions négatifs sont générés par la source, puis injectés dans le tandem (réservoir bleu sur l'image). Ils sont alors d'abord accélérés par le potentiel positif de la borne. Lorsqu'ils passent au centre de l'accélérateur, un gaz stripper leur fait perdre des électrons. Ils deviennent alors des ions positifs, sont repoussés par le potentiel positif et vont s'accélérer une nouvelle fois, leur énergie pouvant atteindre plusieurs MeV. Ils sont alors dirigés vers la ligne de faisceau choisie.
| Accélérateur | Tension maximale | Énergie protons max | Courant proton max | Résolution en énergie |
|---|---|---|---|---|
| Tandetron | 1.7 MV | - | - | - |
| Pelletron Tandem | 6 MV | 11 MeV | 15 uA | ~ 0.1 keV |
L'accélérateur Pelletron Tandem est en fait le premier prototype commercial d'accélérateur Tandem au monde (modèle EN-1). Installé initialement aux Laboratoires de Chalk River en 1954, il a été transféré à l'Université de Montréal en 1966. Une nouvelle source et un nouveau système de charge ont été installés en 2002. L'accélérateur est capable de produire des protons, des neutrons ainsi qu'une multitude de faisceaux d'ions. Les faisceaux sont disponibles pour le Département de physique local, mais aussi pour des clients externes puisque le temps de faisceau n'est pas entièrement réservé par nos chercheurs.
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Analyse de matériau
c-RBS (Channeling mode Rutherford Back Scattering)
La technique d'analyse par faisceau d'ions la plus connue est la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS). Un faisceau d'ions légers (H, He) d'une énergie de 1 à 3 MeV frappe la cible. Les ions rétrodiffusent à partir de la région proche de la surface de l'échantillon et sont recueillis par un détecteur à semi-conducteurs. La distribution de l'énergie des ions rétrodiffusés fournit des informations sur la composition et la distribution en profondeur des éléments dans la cible. L'épaisseur et la composition des différentes couches de l'échantillon sont déduites de leur perte d'énergie lorsqu'elles traversent l'échantillon. La composition et les épaisseurs sont extraites en comparant les spectres expérimentaux aux simulations. Les techniques d'analyse par faisceau d'ions sont intrinsèquement quantitatives et ne nécessitent pas de norme de comparaison. En mode canalisé, l'alignement du faisceau d'ions avec les axes cristallographiques de l'échantillon permet de localiser les défauts du réseau cristallin.
Le graphique de gauche montre une mesure RBS et une simulation d'Er implanté dans une couche de chalcogénure déposée sur SiO2 (d'après Fick et al. J. Non Cryst. Sol. 272 (2000) 200.) Comme les différents atomes ont des masses différentes, les ions sont rétrodiffusés à des énergies différentes. La hauteur des pics est proportionnelle à la concentration de cet élément dans la couche, tandis que la largeur donne l'épaisseur de la couche. Le RBS est simple, mais comme on peut le voir sur le graphique, il peut être difficile de distinguer les atomes de masses proches, et le signal des éléments légers (par exemple C, N, O) est faible et se superpose au signal du substrat. De plus, H est indétectable avec cette technique. En outre, une bien meilleure résolution en profondeur peut être obtenue avec un détecteur spécial et en travaillant à des énergies plus faibles.
ERD-TOF (Elastic Recoil Detection - Time Of Flight)
Afin de résoudre le problème de sensibilité aux éléments légers mentionné ci-dessus et de séparer le signal des différents atomes cibles en différents spectres, il est possible de détecter l'autre particule impliquée dans la collision, le recul, plutôt que de détecter les ions rétrodiffusés. C'est ce qu'on appelle la détection du recul élastique (ERD). Ces événements doivent être distingués de la contribution écrasante du faisceau diffusé. Dans le graphique, l'analyse d'un oxynitrure est réalisée en mesurant le temps de vol des reculs et des atomes diffusés, d'où la méthode ERD-TOF. Nous voyons que les événements de recul des éléments légers sont clairement séparés des autres signaux, et que H est détecté. La faible quantité de N dans l'oxynitrure (entre les profondeurs 50 et 140) aurait été très difficile à détecter et à simuler par RBS. Cette technique est donc puissante pour l'établissement de profils quantitatifs en profondeur des hydrures, carbures, nitrures et oxydes, mais elle est également utile en général pour l'analyse des composés.
μ-PIXE (Particle-Induced X-ray Emission)
Si l'ERD-TOF permet de distinguer facilement des éléments de masses proches pour les éléments légers, ce n'est pas le cas pour les éléments plus lourds. L'émission de rayons X induite par les particules (PIXE), qui repose sur l'émission de rayons X par les atomes cibles afin de les identifier, permet d'y parvenir et de trouver des impuretés à l'état de traces d'une manière quantitative. Des courants de faisceau de protons de quelques nA suffisent à fournir une accumulation rapide de spectres dans deux types de détecteurs : SDD pour les rayons X K des éléments majeurs et mineurs légers (Z≥11) ; Si(Li) pour les rayons X des éléments traces plus lourds. Dans notre microsonde à protons la plus récente, la chambre d'analyse est construite pour réaliser les deux simultanément. Le logiciel GUPIXWIN, largement utilisé et développé à Guelph, ajuste les spectres et convertit les surfaces des pics de rayons X en concentrations d'éléments avec un traitement rigoureux des effets de matrice. Dans l'exemple illustré, pour le matériau de référence géochimique BHVO1, le spectre rouge correspond aux éléments majeurs et mineurs et le spectre bleu aux éléments traces. Dans ce cas, les concentrations dérivées sont précises au niveau de ~ 1 - 2 %. Une meilleure résolution en profondeur pour les couches ultra-minces peut être obtenue en utilisant un détecteur électrostatique et un faisceau de moindre énergie. La diffusion d'ions à moyenne énergie (MEIS) est destinée à ces cas.
Étalonnage du détecteur de matière sombre
L'une des lignes de l'accélérateur Tandem est dédiée à la production de neutrons qui peuvent être utilisés, par exemple, pour calibrer les détecteurs de matière sombre. Elle utilise une cible de vanadium (16 nm) sur un substrat de platine. Des neutrons monoénergétiques peuvent être produits via des réactions V51(p, n) → C51 avec une résolution énergétique de 0,1 keV. Le graphique de droite montre le rendement relatif en neutrons en fonction de l'énergie du proton. Comme on peut le voir, les résonances sont assez étroites. L'énergie des neutrons varie également en fonction de l'angle d'émission, mais elle est relativement constante dans un cône de 20°. Les énergies neutroniques possibles sont énumérées ci-dessous.
Résonance | Énergie proton (MeV) | Énergie neutron (keV) |
|---|---|---|
| I | 1.568 | 4.8 |
| II | 1.573 | 11.3 |
| III | 1.575 | 13.6 |
| IV | 1.592 | 34 |
| V | 1.598 | 40 |
| VI | 1.603 | 45 |
| VII | 1.607 | 50 |
| VIII | 1.617 | 61 |
| IX | 1.629 | 74 |
| X | 1.637 | 82 |
| XI | 1.651 | 95 |
| XII | 1.658 | 104 |
| XIII | 1.669 | 116 |
| XIV | 1.672 | 119 |
Des détecteurs peuvent être installés à l'extrémité de la ligne pour être étalonnés par rapport au faisceau de neutrons. La ligne dispose également d'un compteur de neutrons calibré utilisé pour la normalisation. Un spectromètre à neutrons de basse énergie sera bientôt installé et utilisé par les expériences PICO et SuperCDMS sur la matière sombre. Il permettra des étalonnages uniques et de haute précision des expériences sur la matière noire en marquant les reculs nucléaires mono-énergétiques.
Le LTA possède également sa propre salle blanche. Il s'agit d'une salle blanche de 35 mètres carrés de classe 10 000, avec une sous-section de 15 mètres carrés de classe 1 000. Elle dispose d'une hotte chimique, de 2 stations de lavage, d'un bain ultrasonique X L et est alimentée par un système UPW (Ultra-Pure Water). La salle blanche est utilisée pour la préparation et la fabrication de détecteurs.
Préparation des cibles
La production ciblée est possible en utilisant 2 évaporateurs.
L'installation est entretenue et exploitée par Fabrice Debris (B.Sc. Physique). Il a beaucoup d'expérience en physique des particules et possède également une formation en électrotechnique. L'implantation et l'analyse des échantillons sont effectuées par Martin Chicoine (Ph.D. Physique), notre agent de recherche local. Le professeur Sjoerd Roorda (docteur en physique) et le professeur François Schiettekatte (docteur en physique) sont chargés de l'implantation et de l'analyse des échantillons. François Schiettekatte dirigent l'installation, tous deux experts en modification de faisceaux d'ions et en analyse de matériaux.