2.3.1 Calcul des dommages ioniques - Code TRIM (Logiciel SRIM)
Avant toute irradiation, une simulation est effectuée avec le logiciel de simulation d’implantation ionique SRIM2008, un logiciel utilisant le code TRIM, TRansport of Ions in the Mater [Ziegler, 1977] (simulation Monte Carlo). Ce code permet de calculer le dépôt d’énergie par les interactions électroniques et nucléaires lors de la décélération d’un ion dans la matière. Ces simulations permettent de choisir l’ion, son énergie et la fluence d’irradiation en fonction de différents critères souhaités :
1) La localisation des dommages 2) Le niveau d’endommagement 3) Le dopage chimique.
Une donnée importante pour la réalisation de la simulation d’irradiation concerne l’énergie de déplacement des atomes de la cible. D’une manière générale, les valeurs varient d’un auteur à l’autre. Pour cette étude, l’énergie de déplacement d’un atome de zirconium dans la matrice métallique est de 25 eV et les énergies de déplacement d’un atome d’oxygène et de zirconium dans la zircone sont respectivement de 60 et 20 eV. [Simeone, 2002]
La quantité de dpa représente le nombre de fois qu’un atome de la cible s’est déplacé dans la zone endommagée. Elle est calculée en utilisant la formule suivante : [Pêcheur, 1993]
𝑛
𝜑(𝑑𝑝𝑎) = (𝑛
𝑇𝑅𝐼𝑀∗ 𝜑)(
𝐴𝜌∗𝑁
)10
8
(Eq 2.2)
Avec :
nφ, la quantité de dpa
nTRIM, le nombre de déplacement par atome (fourni par le logiciel SRIM nombre de déplacements.ion-1.Å-1)
φ, la fluence en ions (ions.cm-2)
A, la masse molaire de la cible (g.mol-1) ρ, la densité de la cible (g.cm-3)
63 Les limites d’utilisation de SRIM sont les suivantes :
1) Les calculs SRIM sont valables pour des particules ayant une énergie supérieures à quelques eV.
2) SRIM propose des simulations à 0 K et ne tient pas compte des recombinaisons / annihilations des défauts qui sont d’autant plus importantes que la température de la cible est élevée.
3) L’énergie de seuil de déplacement dépend fortement de l’orientation du cristal. Cette énergie est d’autant plus élevée que la direction d’éjection de l’atome est voisine d’une direction dense du cristal. Or, le logiciel SRIM ne permet de rentrer qu’une valeur de seuil de déplacement.
2.3.2 Calcul des dommages électroniques - Code Penelope (irradiations
électroniques)
Les simulations d’irradiation aux électrons sont réalisées avec le code PENELOPE (Monte Carlo). Ce code permet de quantifier le dépôt d’énergie (eV/nm/particule) effectué par un photon ou un électron lorsqu’il interagit inélastiquement avec un milieu. Cette valeur correspond en réalité au dépôt d’énergie par interactions électroniques qui peut être comparée aux résultats SRIM du dépôt d’énergie par les interactions électroniques (Se) des ions. Ces calculs ont notamment été effectués pour déterminer une fluence d’irradiation avec des électrons de 2,5 MeV de sorte à avoir un dépôt d’énergie dans la couche d’oxyde relativement identique à une irradiations ionique utilisant des ions hélium de 1,3 MeV à une fluence de 1017/cm². Les valeurs des interactions rayonnement / matière utilisées sont celles fournis par le logiciel lors de la simulation.
2.3.3 Plateformes JANNUS
La plateforme de multi-irradiation JANNUS (Jumelage d’Accélérateurs pour les Nanosciences, le Nucléaire et la Simulation) se compose de deux dispositifs expérimentaux, les plateformes d’irradiation JANNUS Saclay (CEA / SRMP) et JANNUS Orsay (CNRS / CSNSM).
L’installation d’Orsay se compose d’un accélérateur tandem de 2 MeV (ARAMIS) et d’un implanteur de 190 keV (IRMA). Trois accélérateurs sont disponibles sur la plateforme de Saclay, un accélérateur type Pelletron de 3 MeV (EPIMETHEE), un accélérateur Van De Graaff de 2,5 MeV (YVETTE) et un accélérateur tandem de 2 MeV (JAPET). Sur cette installation, il est possible de réaliser des irradiations en utilisant simultanément les trois accélérateurs, c’est-à-dire une irradiation sous triple faisceaux.
Contrairement aux irradiations à JANNUS Orsay, les irradiations à JANNUS Saclay s’effectuent avec un angle d’incidence des ions de 15° par rapport à la normale.
Les irradiations sont réalisées sous ultra vide et peuvent être réalisées à des températures allant de -250°C à 600°C. En combinant tous les accélérateurs, la quasi-totalité des atomes composant la classification périodique des éléments peut être utilisée pour des irradiations et les niveaux d’endommagement peuvent atteindre les 100 dpa en une journée.
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Figures 2.3 : Accélérateur JAPET du laboratoire JANNUS Saclay (CEA) et hall de travail du laboratoire JANNUS Orsay (CNRS)
2.3.4 Irradiations aux électrons (SIRIUS)
Des irradiations continues avec des électrons de 2,5 MeV ont été réalisées au Laboratoire des Solides Irradiés (LSI) avec l’accélérateur d’électrons Pelletron SIRIUS. L’objectif de ces irradiations est de créer uniquement, par irradiation, des défauts par interactions électroniques dans les couches d’oxyde (défauts de type T).
Les irradiations peuvent être réalisées à des températures allant de -250°C à 100°C sous 0,5 bar d’atmosphère contrôlée. Cette pression est relativement élevée pour limiter la surchauffe des échantillons lors de l’irradiation. L’installation peut fonctionner 24h/24 et atteindre des doses (fluences) en électrons relativement élevées. Dans notre cas, nous avons travaillé sous 0,5 bar d’hélium à température ambiante.
Figure 2.4 : Photo de l’accélérateur SIRIUS du LSI (polytechnique)
2.3.5 Accélérateur ALIENOR pour la radiolyse
L’accélérateur d’électrons linéaire ALIENOR se situe au CEA Saclay à l’Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS). Les électrons ont une énergie de 10 MeV et sont émis par impulsions. La fréquence et la durée des paquets d’électrons sont limitées par la radioprotection de l’installation ; nous avons utilisé un régime d’impulsions de 10 ns avec une fréquence de 30 Hz ce qui permet d’atteindre des doses de l’ordre du MGy en 1 heure. La cellule de radiolyse est placée à la sortie de l’accélérateur pour les expériences de radiolyse.
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Figure 2.5 : Photo de l’accélérateur ALIENOR (CEA/DSM)