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- Note CEA-N-1427C1) -

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUc

Sous-Direction de la Métallurgie

TECHNIQUES DEVELOPPEES DANS LES LABORATOIRES DU

DEPARTEMENT D'ETUDES METALLURGIQUE**

- Tome I -

TECHNIQUES DEVELOPPEES AU D . E . M . - TOME I

TABLE DES MATIERES

Page - LABORATOIRES D'ETUDE DE LA DIFFUSION

I - Etudes de diffusion sans forces extérieures 3 II - Etudes de diffusion avec forces extérieures 7

III - Etudes de diffusion superficielle 9 (surfaces et interfaces)

IV - Atelier de Préparation des échantillons 11 d'analyse des couples de diffusion

V - Laboratoire de mesure a , 0 ,7et X par comptage 19

V I - Etudes de compatibilité 21

Vil - Microonnlyse 27 V I I I - Etude de l'électromigration 37

IX - Préparation et usinage de monocristaux 43 - LABORATOIRE DE MISE EN OEUVRE DE TECHNIQUES SOUS HAUTES

PRESSIONS HYDROSTATIQUES 52 - LABORATOIRE DE DETERMINATION DE GRANDEURS THERMODYNAMIQUES 61

- LABORATOIRES D'ETUDE CINETIQUE DES TRANSFORMATIONS DE

PHASE DANS LES METAUX 65 - LABORATOIRE D'ETUDES ET FABRICATIONS D'APPAREILLAGES 79

INTRODUCTION

Nous avons voulu, dans cette Note C E . A . , décrire les techniques développées dans les laboratoires du Département d'Etudes Métallurgiques, indiquer les raisons de leur mise en oeuvre, et énumérer les moyens dont disposent ces laboratoires en équipements et en personnel.

Cette note comprend deux Tomes.

C'est une première édition. Elle peut comporter de ce fait certaines imperfections tels que sujets trop ou insuffisamment développés, omissions, etc . . .

Les lecteurs intéressés par certaines des activités de ce Département pourront s'adresser â la Direction de celui-ci qui les mettra en rapport avec les Ingénieurs les plus qualifiés pour leur donner toutes informations.

- 3 -

LABORATOIRES D'ETUDE DE LA DIFFUSION I - ETUDES DE DIFFUSION SANS FORCES EXTERIEURES

par BREBEC Gilbert (S.R.M.P.)

1.1 - Technique développée

Elle consiste a mesurer la répartition d'un traceur radioactif ou non dans un échantillon après un recuit ô température constante.

1.2 - Raison de mise en oeuvre

Dans une optique de recherche fondamentale nous tentons de déterminer les coefficients de diffusion entre matériaux.

Ont été étudiées ou sont en cours d'étude les diffusions de : - ^ 9 / Ag, Cd, In, Sn, Sb dans Mg

- Cu dans alliage Fe/Cu - Ca dans NaCI

- In et Au dans Ag (diffusion au |oïnt)

- Ag et Sb dans Ag/Fe (diffusion à l'interface Fe-Ag).

1.3 - Potentiel en matériel du laboratoire - Boncs de polissage :

- pour préparer la surface des échantillons

. 1 banc pour polissage papier, sous eau, muni de 3 tourets, . 1 banc pour polissage diamant, muni de 3 tourets.

- Evaporateurs :

- utilisé* dans certains cas pour déposer sous vide le traceur actif ou non,

. 2 évaporatours permettant de travailler dans un vide de l'ordre de 10 Torr, . 1 évaporateur permettant de travailler dans un vide de 10 Torr. -5

-Fours de recuit :

- pour faire le recuit de diffusion,

- Four ADAMEL La régulation se fait par tige dilatable (tout ou rien). Le gradient à l'intérieur du four est pratiquement supprimé en utilisant un bloc métallique qui homogénéise la température,

- Bloc en acier réfractaire pour les hautes températures, - Bloc en aluminium Si T < 600 ° C ,

- Stabilité en température + 0,5 °C vers 700 ° C , - Nombre de fours avec blocs thermiques : 5 .

- 4 -

- Un microtome ; pour découper la zone de diffusion dans le cas de cristaux ioniques ( N a O , AgCI, AgBr . . . ) (figures 1 3t 2).

Le but est d'enlever des tranches parallèlement à l'une des faces de l'échantillon. ••. ton* Jonc :

a) Aligner le plan de coupe avec la face à découper. CeSa re fait à l'aide ae la lunette autocollimatrice.

Un échantillon "blanc" est usiné sur une de ses faces. Au bout d'un certain nombre de perses la surface usinée est dans le plan de coupe de l'outil. On règle alors la lunette autocollimatrice perpendiculaire à cette surface. Ensuite l'échantillon à découper est placé de relie sorte que sa face soit perpendiculaire ô ('axe G*3 la lunette donc parallèle au plan d» coupe. Ceci est réalisé en agissant sur le porve échantillon inclinable.

b) On peut ensuite découper l'échantillon,

Le microtome permet d'enlever des tranches de 20 microns au maximum.

Ledécoupoge au tour de la zone de diffusion, "kms le cas de métaux, est effectué dans un avUe laboratoire.

- Balances :

Pour peser Ses tranches découpées et donc déterminsr i'épa'sreur enlevé?.

- 2 balances SAⁿ.TORIUS sensibilité 0,01 ma, - 1 balance SARTÛRSUS wnsitilïté 0,001 « g .

Les ensembles de comptage pour jlétentiiner !'activité dos tranches enlevées et le sonde de CASTAING destinée a la détermination i e !a concentration point par point dcr.s ?a zone de diffusion appartiennent à d'autres laboratoires et sont donr cités dans un autn chapitre.

LISTE DES FIGURF]

FIGUfît 1 Microtome, v>.<e d'ensemble

FIGURE .*- Microtome, dé»aM du coût a j et du porte échantillon.

- 5 -

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- 6 -

- 7 -

II - ETUDES DE DIFFUSION AVEC FORCES EXTERIEURES (Cham., électrique ou gracient de température)

par BREBEC Gilbert ( S . R . M . P . )

11.1 - Techniques développées

Il s'agft toujours de mesurer 'a réparation d'un traceur dan. un échantillon.

Seul le stade de recuit nécessite un matériel spécial r é . 1 1 . 2 - L»s raisons de mise en oeuvre sont les t.Têmes que précédemment.

Nous étuoions en particulier :

- '"* diffusion 'soi'S champ électrique; de Co dans N a C I ,

- la diffusion (avec gradient de température) de M n , Sr et Cd dans AgCI et AgBr.

SI.3 - Potentiel du Icborotoire e r matériel

' ! . 3 . î • Utilisation d¹ un chc.jp électrique

- Dots les métaux (le matériel apparti&nt au laLorotoire voisin)

" ^ °ⁿⁱ ^** : r , i i a u x ioniques :

. matériel supplér. en»aire : une presse en acier inoxydable pour amener le courant aux bornes de Péch-jntWon.

Il . 3 . 2 - Gradient Je température

Un montage réalisé d'après des plan* C E . A . permet de maintenir un gradient de l'ordre de 300 °C/cm dans des materia x du type A q C I .

- 9 -

III - ETUDES DE DIFFUSION SUPERFICIELLE (surfaces et interfaces) par LEVY Vivianne (S.R.M.P.)

PERRAILLON Bernard (S.R.M.P.)

111—1 - Technique utilisée

On étudie après un recuit à température constante la répartition d'un traceur radio-actif le long d'une surface.

Les conditions initiales peuvent être de deux types :

- source ponctuelle : une pointe chargée en élément radio-actif est placée au contact de la surface, - source plane semi-infinie : une moitié de la surface est recouverte d'une mince couche de l'élément radio-actif.

111.2 - Raisons de mise en oeuvre

Dans une optique de recherche fondamentale, nous tentons de déterminer les constahtes de diffusion superficielle.

Ont été étudiées ou sont en cours d'étude : - l'autodiffusion superficielle sur le cuivre

- l'autodiffusion superficielle de l'Ag et Au sur C u . 111.3 - Potentiel en matériel du laboratoire

- Evoporoteur utilisé pour évaporer sous vide élevé le radioélément sur la surface des échantillons.

" ^ i P l l P l i l r Cet appareil construit en laboratoire permet ('evaporation simultanée sur 6 échantillons de fi 1 cm.

Le vide limite est de 10-8 TOIT.

Il y a possibilité de chauffage des échantillons dans l'enceinte d'évaporation.

- Four de recuit

Il est utilisé pour les recuits de diffusion. Il se compose : - d'un bâti à vide équipé d'un four ADAMEL, - d'une régulation en tout ou rien.

L'homogénéisation de température se fait par l'utilisation d'un bloc de cuivre.

La stabilité de température est de : + 0,5 °C à 700 ° C .

Elle est utilisée pour la découpe de la zone de diffusion superficielle, Le but est d'enlever des copeaux le long de la surface parallèlement au front de diffusion.

- 1 0 - - M t i ultra-vide RISE*

C* bftti permet l'étude de la diffusion superficielle sous un* pression résiduel le inférieure à 10 Torr.

Ce bâti permet d'obtenir rapidement des vides poussés dans des enceintes de 30 a 80 litres. - ^

Il comporte une pompe ionique et un sublimotaur a* titane, donnant une vitesse de pompage supérieur*

d 3 000 l/s.

- I l -

IV - ATELIER DE PREPARATION DES ECHANTILLONS D'ANALYSE DES COUPLES DE DIFFUSION

par BEYELER Michel (S.R.M.P.) BENDAZOLI Michel (S.R.M.P.)

Après traitement thermique des couples de diffusion leur analyse nécessite d'enlever ou de prélever de minces couches parallèlement au front de diffusion ; deux techniques sont possibles : l'usinage ou l'abrasion. La précision des résultats obtenus au cours d'études de diffusion est toujours fonction de la précision du sectionnement ou de l'abrasion des couples de diffusion ce qui explique le grand soin qu'il faut apporter à ces opérations.

IV.1 - Description des techniques utilisées IV. 1.1 - Sectionnement

Nous devons sectionner l'échantillon de diffusion parallèlement à l'interface de soudure, ce qui représente une difficulté car la surface de l'échantillon peut subir des déformations non t.égligeables au cours eu soudage par compression et au cours des traitements thermiques lorsqu'il y a passage de points de transformations. Il n'est plus possible dans ce cas de repérer l'interface de soudure par rapporta la surface extérieure. Nous utilisons un ensemble de sectionnement mis au point au laboratoire. Pour sectionner un échantillon parallèlement à l'interface de soudure, il faut repérer cette interface et la placer dans un plan perpendiculaire à l'axe du tour. Pour cela on dispose à l'interface, avant soudage, des fils repères. Après le traitement de diffusion, la surface latérale du couple est polie et attaquée de manière à mettre en évidence les fils repères.

L'échantillon est alors monté sur un tour de précision par l'intermédiaire d'un mandrin à rotule (figures 3 et 4). Pour placer l'interface de soudure dans un plan perpendiculaire à l'axe du tour, on repère les fils au moyen d'un microscope dont l'axe optique se trouve dans ce dernier plan et on oriente l'interface de t&udure au moyen des vis de réglage dont est mun? le mandrin à rotule. Le réglage est porfoit lorsque tous les fils peuvent être amenés à la croisée des réticules du microscope en faisant tourner le mandrin de 2 t .

Après réglage, on usine ou tour la partie extérieure de l'échantillon directement monté en pince sur le tour, Le sectionnement doit alors s'effectuer sous atmosphère d'argon dans le cas de l'uranium (élément très oxydable).

Les copeaux provenant d'une section d'épaisseur déterminée sont récupérés dans une petite boite en plexiglass (figure 5 ) . L'épaisseur enlevée peut être déterminée au moyen de comparateurs ou par pesée.

1V.1.2 «Abrasion^

Dont certains cas les comptage» effectues à différents ntomam de f'échmHftotf (sffvf» parallèlement m/ - ^:. dépôt actif) ne peuvent être comparés qye si la géométrie de l'échantillon «et b nAmj iWer tau» '#*f comptofej, ce qui conduit ft utiliser un échantillon plan de section constante, far ceneerver I * planfîfé, H % r * M f J'MWiT ' de i'échantillon se fosse m f'ebrasonr poreOètement à sen et m.

• •••"-• : •"'l-'ii-fïmgié-JilMâ-

- 1 2 -

Nous avons mis au point un dispositif d'une grand» simplicité d'emploi. L'appareil (figures 6 e t 7)a été prévu pour rendre possible l'adaptation d'une série de porte-échantillons permettant l'étude des couples de diffusion de différentes dimensions, mais présentant tous une face dressée plane préalablement au traitement de diffusion.

Ces porte-échantillons sont constitués d'un plateau présentant à l'arriére, une tige filetée permettant de les fixer sur une rotule. Ils présentent également un évidemment correspondant à un pion de centrage situé sur la rotule, ce qui permet de fixer l'échantillon au même endroit après chaque opération d'abrasion et de comptage. Le couple de diffusion est collé sur le plateau du porte-échantillon et l'ensemble support de rotule (sur glissières à billes) est amené en position basse de façon â obtenir le contact de l'échantillon sur la table d'abrasion ce qui permet de procéder au réglage du parallélisme de la face à abraser sur le plan de travail. Ce réglage s'effectue à l'aid* d'un éclairage rasant et en déplaçant la rotule jusqu'à obtenir un contact parfait entre la face de l'échantillon et le pion de travail (tous les rayons lumineux doivent être interceptés). La rotule est alors bloquée et l'ensemble est remonté.

Un papier abrasif est fixé à l'aide de tambours de serrage sur lo table de travail. Le support de rotule est lesté d'une charge variable suivant l'épaisseur du métal que l'on désire enlever â chaque abrasion. L'ensemble support de rotule sur glissière à billes est amené en position basse : l'échantillon se trouve au contact du papier abrasif.

Durant l'abrasion, l'échantillon reste fixe et la table se déplace a l'aide 6'»r.9 commande manuelle. L'importance de l'abrasion effectuée dépend de l'abrasif utilisé, de la charge appliquée sur le support de rotule à glissière et du nombre d'allers et retours imposés d la table de travail. La valeur de l'épaisseur de métal enlevé est déterminée ô l'aide d'un comparateur pour des abrasions importantes (supérieures à 10 microns), ou par pesée dé l'échantillon et mesure de sa section, connaissant la densité du métal, dons le cas des abrasions faibles (de 0,1 à 10 microns soit en poids 0,1 à 10 milligrammes dans le cas de l'or).

IV.2 - Mise en oeuvre de ces techniques

Nous avons en particulier l'expérience de :

- la méthode du sectionnement pour analyse d'échantillons polycristallins des couples : - uranium-zirconium

- uranium-titane

- uranium-uranium enrichi

198A

- or - Au

64-

- cuivre - Cu

- lo méthode de l'abrasion pour l'analyse d'échantillons monocristallins des couples : - or - Au

64 - cuivre - Cu - aluminium - Al - béryllium - ⁷Be IV.3 - Potentiel de l'atelier en matériel

Nous diipasont de : - 2 tours équipés - 4 machines 6 abraser

dent un* perfectionnée.

- 1 3 -

LISTE DES FIGURES

FIGURE 3 Schéma de la rotule permettant d'orienter un échantillon de diffusion par rapport à l'axe du tour de sectionnement.

FIGURE 4 Rotule permettant d'orienter un échantillon de diffusion par rapport à l'axe du tour de sectionnement.

FIGURES Boîte de réception des copeaux.

FIGURE 6 Appareil simple permettant l'abrasion des zones de diffusion.

FIGURE 7 Schéma de principe d'un appareil utilisé pour l'abrasion des zones de diffusion.

- u -

SCHÉMA DE LA ROTULE PERMETTANT D'ORIENTER UN ÉCHANTILLON

K DIFFUSION PAR RAPPORT A L'AXE DU TOUR DE SECTIONNEMENT. FIG.3

- 1 5

-

-#è

- 1 6 -

BOITE DE RÉCEPTION DES COPEAUX RG.5

-17 -

PPAREIL SIMPLE PERMETTANT L'ABRASION DES ZONES DE DIFFUSION FIG.6

ROTULE PORTE-ECHANTILLON MONTÉE SUR GLISSIERES

PAPIER ABRASIF

TABLE DE POLISSAGE

SCHÉMA DE PRINCIPE D'UN APPAREIL UTILISÉ POUR L'ABRASION

DES ZONES DE DIFFUSION FIG.7

- 1 9 -

V - LABORATOIRE DE MESURES D'ACTIVITE et p y ET X PAR COMPTAGE par BEYELER Michel ( S . R . M . P . )

SAPIN Michel ( S . R . M . P . )

VJ - Descriptions des techniques utilisées

Après sectionnement ou abrasion des échantillons d'autodiffusîon, on doit tracer la courbe "concentration- pénétration" mesurer l'activité a 0 ou 1 des parties prélevées sur l'échantillon ou de la partie restante après chaque usinage ou abrasion.

Le comptage et le traitement des informations sont sensiblement les mêmes quelles que soient les énergies incidentes.

V . l . l - J?ilectionj;_ a_ _et_ j S J ^

Du fait de leur grande masse, les particules a sont très rapidement absorbées par la matière. Le parcours maximum ne dépasse pas quelques cm dans l'air et quelques dizaines de n dans les matériaux solides les plus lége^rs.

Pour les p* , le faisceau d'électrons d'un rayonnement p* est caractérisé par un specire continu d'énergie d'émission. Le parcours moyen est légèrement plus grand que celui des a . A titre d'exemple, pour 500 keV le parcours moyen est de 1 , 7 0 m d'air et 0 , 7 mm d'aluminium.

Les compteurs sont du type à circulation. Ils sont minces avec une fenëï-** la moin» absorbante possible.

Du fait du petit nombre d'impulsions recueilli, on soigne le mouvement propre afin qu'il soit le plus bas possible, et l'on incorpore aux enceintes, des compteurs dits de "garde" montés en "anti-coïcidence'^! ; de cette façon, une particule plus énergétique que les a ou 0 traverse les 2 cellules de comptage et se trouve du même coup annulée.

De plus, les matériaux constituant ces ensembles sont dits "nucléaires" et sont les moins radioactifs possible. Pour la sélection entre les a et les 0 l'on utilise une discrimination électronique. De tels ensembles sont utilisés à l'abri de contamination, avec une terre spéciale blindée.

V . 1 . 2 -PiLeçHon_^jr__e_t_xj;

Pour ces derniers, il est impossible de définir un parcours maximum, le pouvoir de pénétration étant plus grand.

Pour ces types de rayonnements nous utilisons des sondes composées :

a) d'un cristal d'iodure de sodium activé au rallium qui transforme les particules 1 ou x en photons lumineux. L'épaisseur du cristal varie selon l'énergie considérée (plus la longueur d'onde sera courte, plus épais sera le cristal). On distingue 2 types de cristaux, les plans et les puits.

- 2 0 -

b) d'un photomultiplicateur composé d'une photo-cathode qui intercepte les photons lumineux émis par le cristal et les restitue sous forme d'électrons accélérés par une chaine de dynodes à potentiel croissant pour aboutir à l'anode en un signal envoyé sur l'électronique de comptage.

V . 2 - Raisons de mise en oeuvre de ces techniques

Ces techniques ont été mises en oeuvre pour étudier à l'aide des radio-traceurs, les phénomènes de diffusion dans les métaux et les cristaux ioniques, et pour rechercher les impuretés dans les matériaux. L'on utilise également ces méthodes pour des mesures d'absorption.

V . 3 - Potentiel du laboratoire en matériel V . 3 . 1 -iourJes_f*_et_£_:

- une cellule U 87 équipée d'une électronique MEC P 15. Cet ensemble quelque peu modifié pour les besoins du laboratoire a des performances remarquables. Le bruit do fond est comoris entre 4et 6coups en 10 minutes ; la limite de détection avoisinant 50 keV en fi . On a la possibilité de compter simultanément ou séparément les or ou les 0 .

- un ensemble RA 12avec passeur automatique de 35 échantillons. Il permet de compter uniquement les P . Le bruit de fond est de 3 coups minute. Il est muni d'une présélection du temps du nombre de coups. Cet appareil a été modifié pour les besoins du laboratoire et il envoie ses inf xmations sur un ensemble RENATRON pourvu d'un châssis de commande d'impression qui traite les résultats sur imprimante er sur perfo TALLY.

On utilise comme gaz de "l'hélium isobutane" pour l'appareil RA 12 et "argon propane" pour l'appareil U 87 avec régulateur pneumatique. Ces ensembles sont installés dans une cage de FARADAY avec terre blindée pour éviter les influences parasites extérieures.

V . 3 . 2 -Pour les T. e^r_x

- Principe : Un convertisseur analogique, mimétique, transforme l'amplitude du signal * analyser en un train d'impulsions périodiques dont le nombre N est proportionnel à cette amplitude et représente l'adresse du canal où le signal doit être compté.

Une échelle d'adresse sélectionne le canal de rang N dans une mémoire à tores de ferrite et y inscrit une unité. Dans chacun des 400 canaux de la mémoire on peut accumuler jusqu'à 10 coups. Le contenu de la mémoire est visible sur l'oscilloscope incorporé et peut être transcrit sur des appareils extérieurs de lecture d'impression ou d'enregistrement. L'analyseur SA 40 B permet de stocker les informations utiles fournies par le détecteur à scintilla- tion et de les classer dès leur arrivée dans l'analyseur suivant des niveaux énergétiques.

- Un analyseur 400 canaux SA 40 B

L'appareil est monté sur un passeur automatique 7 dont il assure la commande, le comptage et le traitement des résultats. Il est utilisé pour compter des papiers abrasifs ou des copeaux. Il a une autonomie de 100 échantillons.

- Un analyseur 400 canaux SA 40 B équipé de 2 détecteurs (un puits et un plan pour comptage manuel).

- Peux DIN AC 800. Ces derniers possèdent les mêmes caractéristiques que le SA 40, avec des performances plus grandes (temps morts diminués, étendue des mémoires â 800 canaux, petit calculateur incorporé).

L'un de ces analyseurs est utilisé en multiéchelle pour étudier l'effet MOSSBAUER ; l'autre est utilisé a temps partiel par le laboratoire de microanalyse.

Nous possédons également l'équivalent de 3 ensembles de détection en modules RENATRAN (numérateur - sélecteur - ampli linéaire T . H . T . et alimentation C-7-AL-12).

- 2 1 -

V I - ETUDES DE COMPATIBILITE par AUBERT Henri ( S . R . M . A . )

L'étude ie la compatibilité entre 2 matériaux correspond au besoin, technologique cette fois, de connaître le comportement de ces matériaux lorsqu'ils sont en présence à chaud, soit que l'on souhaite réaliser entre eux une liaison mécanique par diffusion, soit que l'on cherche au contraire à empêcher toute diffusion. C'est ainsi que nous avons étudié la compatibilité sous vide, argon, ou CO» de métaux entre eux ou de métaux avec des réfrac- taires : couples Be-Zr, Be-acier, Z r - U O » et que nous avons développé des barrières de diffusion entre ces métaux.

D'autre part, nous avons étudié la liaison gaine d'alliage de Mg avec l'uranium par interposition d'aluminium ou de nickel.

Le principe de la méthode utilisée est simple : les faces polies des deux matériaux sont maintenues pressées l'une contre l'autre par un moyen mécanique et l'ensemble est porté à la température désirée dans un four dont l'atmosphère est contrôlée. Puis le couple formé est examiné en utilisant tous les moyens de la microscopie, des rayons X et de la microanalyse.

A propos de cette dernière technique, rappelons qu'il est possible de faire en un point :

- l'analyse quantitative pour chaque élément en comparant pour un même cycle 0 , l'intensité I' émise par

e

l'échantillon et l'intensité I émise par un témoin ; si ce témoin est l'élément pur, on a en première approximation : concentration = —y—

I

En fait, comme on l'a déjà v u , plusieurs corrections (absorption, fluorescence et numéro atomique) sont nécessaires, car les autres éléments contenus dans l'échantillon interviennent sur la diffusion des électrons dans la cible, et le rendement d'émission du rayonnement X .

Le faisceau focalisé peut être défléchi électroniquement, et balayer une plage sur l'échantillon (système télévision) ; en chaque point, le signai émis choisi (électrons rétrodiffusés ou rayonnement) module la brillance du faisceau d'un tube cathodique d'observation, faisceau qui balaie le tube en synchronisme avec le balayage du faisceau sur l'échantillon (figure 8 ) .

Il est ainsi possible d'obtenir pour la plage étudiée :

- une image électronique (électrons rétrodiffusés) dont le contraste donne directement des renseignements sur le numéro atomique moyen des différentes phases (le coefficient de rétrodiffusion augmentant avec le Z , les éléments lourds apparaissent en brillant, les éléments légers en sombre).

- 2 2 -

- une image X de l'élément étudié (le spectrométre étant réglé sur la raie de cet élément) qui donne une carte semi quantitative de sa répartition.

- de la même façon, la sonde peut être défléchie suivant une ligne : le balayage linéaire donne alors semi quantitativement la courbe "concentration" de l'élément en fonction de la distance.

- Les grandissements utilisés sont en général compris entre x 200 e t X 1 000 ; le pouvoir de résolution est de l'ordre de 1 M . L e courant injecté dans l'échantillon pendant une mesure est de l'ordre de 1.10 ampère.

Voici différentes applications de cette méthode :

- figure 9 : Etude d'une barrière pour empêcher la diffusion " U O „ - alliage ZrCu_ ⁵" (barrière en nickel) - figure 10 : Etude de !a liaison "combustible-gaine" dans un élément combustible "uranium gainé MgZr"

avec couche intermédiaire en aluminium

- figure 11 : Diffusion Be-Cr acier spécial. La diffusion à vitesses différentes des éléments de l'acier avec le béryllium entraîne une véritable décomposition de l'acier (exemples de balayages linéaires).

LISTE DES FIGURES

FIGURE 8 Microanalyseur à sonde électronique à balayage (schéma).

FIGURE 9 Etude d'une barrière pour empêcher la diffusion "UO^-alliage Z r C u - - " (barrière en nickel).

FIGURE 10 Etude de ia liaison "combustible-gaine" dans un élément combustible "uranium gainé MgZr"

avec couche intermédiaire en aluminium.

FIGURE 11 Etude de la diffusion Be-Cr acier spécial.

- 2 3 -

COLONNE ELECTRONIQUE CANON A ÉLECTRONS * \ /

H

ELECTRONS RETROD! FFUSES

MICROSCOPE OPTIQUE E \ B - ^

SCINTILLATEUR B

A

PHOTOMULTIPLICATEUR £ J

12S

B F*/

^ "

LENTILLE CONDENSEUR BOBINES DE BALAYAGE

LENTILLE OBJECTIF

CRISTAL ANALYSEUR

J L ri

I I

© i

AMPLIFICATEUR

IMAGE ELECTRONIQUE

IMAGE X

ENREGISTREUR A PLUME

ECHANTILLON

TABLE PORTE ÉCHANTILLONS

©

TUBES CATHODIQUES POUR VISUALISATION

0 POSITION D'OBSERVATION AU MICROSCOPE OPTIQUE 0 POSITION D'ÉTUDE SOUS LE FAISCEAU ELECTRONIQUE

COMPTEUR PROPORTIONNEL

AMPLIFICATEUR

X I

ANALYSEUR D'IMPULSION

ï

INTEGRATEUR

I

ECHELLE PB COMPTAGE

MICROANALYSEUR A SONDE ELECTRONIQUE A BALAYAGE FMMf

- 2 4 -

1000 h à 700°C

OPTIQUE 25p ELECTRONIQUE

X Ni Koc 20 n

I I X Cu Koc

% Z r 100

.BALAYAGES LINEAIRES Zr K M , N i Ke*,Cu Kc*

ÉTUDE D ' UNE BARRIÈRE POUR EMPÊCHER LA DIFFUSION " UO2 ALLIAGE Zr C u

" ( Barrière en Nickel 10 p ) .

- FIG.9

- 2 5 -

»1S0

1h à 450»C + 100h à 500°C

ÉTUDE DE LA LIAISON "COMBUSTIBLE-GAINE " DANS UN ÉLÉMENT COMBUSTIBLE "URANIUM GAINÉ MgZr"AVEC COUCHE INTERMÉDIAIRE EN ALUMINIUM.

RG.10

- 2 6 -

650°C . 1 0 0 0 h

IMAGES ELEaRONIQUES

g j i

« P .

Cr Koc IMAGES X Ni Koc

Ti Koc Al Koc

t> ~A-

ETUDE DE LA DIFFUSION Be -Cr ACIER SPÉCIAL

B*

650*C _ 1000 h

IMAGE ELECTRONIQUE

ATGS

^80

60

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- 2 0

J- 0

• 75

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0 3

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J - 0

5

•1.25

X Cr Kcx.

X Ti Ktx

X A l Kex

J - 0

| • | | I | I » FIG .11

0 SO 100 150 d m p

- 2 7 -

V I I - LABORATOIRES DE MICROANALYSE

par MAURICE Françoise ( S . R . M . P . ) AUBERT Henri et MENY Lucienne ( S . R . M . A . )

Description de la technique utilisée

V I I . 1 - Principe de la méthode

Le microanalyseur à sonde électronique permet de faire de l'analyse chimique ponctuelle non destructive de tout échantillon au moyen de la spectrométrîe X par émission. L'échantillon jouant le rôle d'anticathode est bombardé par un faisceau d'électrons très finement focalisé. Les atomes du petit volume irradié (de l'ordre de 1 à 2 microns cubes) excités par ce bombardement émettent un spectre de rayons X caractéristique des éléments le constituant.

V I 1.2 - Description de l'appareil

L'appareil comporte essentiellement (figure 12) :

- une optique électronique constituée d'un canon à électrons (cathode : filament de tungstène) et dedeux lentilles magnétiques (condenseur et objectif) capables de fournir une sonde fortement focalisée.

(d . < 1 M , 5 < HT < 40 k V , 0 < i , < 3 u A)

sonde sonde

- u n microscope optique à miroirs permettant l'observation de l'échantillon pendant le bombardement électronique. Ce microscope de profondeur de champ très faible et de grande distance frontale, est incorporé dans

l'objectif magnétique.

- un ensemble de plaques déflectrices permettant le balayage du faisceau d'élections sur la surface de l'échantillon.

- un compartiment porte objet dans lequel sont introduits échantillon et témoins. Les mouvements X et Y du porte objet peuvent être entraînés automatiquement.

- les spectrométres a rayons X constitués d'un cristal réflecteur servant à sélectionner les raies caractéris- tiques et un détecteur (compteur proportionnel a flux gazeux) permettant de mesurer l'intensité de chacune de ces raies.

V I I .3 - Différentes possibilités d'analyses Cet appareil permet de faire :

- une étude qualitative consistant soit à rechercher les éléments en présence en un point de l'échantillon (analyse du spectre X émis en ce point) soi t a étudier la répartition d'un élément sur une plage déterminée (images X ) .

- 2 8 -

- une étude semi-quantitative menée en enregistrant les variations relatives de concentration d'un élément l e long d'une ligne à travers l'échantillon (balayage linéaire).

- enfin une analyse quantitative définissant point par point la concentration d'un élément dans un échantillon (analyse ponctuelle).

Analyse quantitative

On compare l'intensité L mesurée en un point de l'échantillon à l'intensité I . . > mesurée sur le témoin pur A . Les deux mesures étant faites sur la même raie caractéristique de A (AK a . par exemple) et pour les mêmes conditions de bombardement électronique.

Le problème posé par l'analyse quantitative est de déterminer la concentration massique c . à partir du 9 >A

rapport K . = - — des intensités mesurées sur l'échantillon et le témoin. Pour cela on est amené à tenir compte,

A '(A)

suivant le schéma ci-après, des effets de numéro atomique ( Z ) , d'absorption (A) et de fluorescence ( F ) .

CA

concentration massique

(Z) ^IcA

rapport des

intensités primaires émises

(A) k⁹ A

rapport des

intensités primaires émergentes

(F) K⁶

KA

rapport des intensités totales émergentes

CA

concentration massique

IcA

rapport des

intensités primaires émises

k⁹ A

rapport des

intensités primaires émergentes

K⁶

KA

rapport des intensités totales émergentes

CA

concentration massique

IcA

rapport des

intensités primaires émises

k⁹ A

rapport des

intensités primaires émergentes

K⁶

KA

rapport des intensités totales émergentes

Le principe de l'émission X a été défini par C A S T A I N G [ l ] et les corrections ont été mises au point par différents auteurs [ 2 ] [ 3 j [ 4 ] [ 5 ] .

Suivant la nature del'anticathode, la diffusion et le ralentissement des électrons dans la c i b l e , ralentisse- ment dû aux ionisai ions des couches K, L, M . . . sont différents. Dans un élément léger, les électrons sont plus ralentis mais moins diffusés que dans un élément lourd. Après un certain nombre de diffusions, les électrons peuvent ressortir de !a cible ; ce sont des électrons rétrodiffusés (correction de numéro atomique ( Z ) ) .

De même, la répartition du rayonnement caractéristique X en fonction de la profondeur ainsi que son absorption dans l'anticathode varient suivant la nature de celle-cî (correction d'absorption (A) ) .

En plus de l'émission primaire provenant directement de l'ionisation par les électrons, il faut tenir compte éventuellement de l'émission secondaire due à l'excitation des atomes par les raies caractéristiques des autres éléments présents dans l'échantillon (correction de fluorescence (F) ) .

g

En résumé, la relation entre rapport expérimental K . et concentration réelle C . se met sous la forme

Q ( R / S / ) f ( X L K = C +

A ^ ^ ( A ) ^fW ( A )

, fA (I + — - )

L

l'indice A est relatif à l'échantillon l'indice (A) est relatif au témoin

R facteur de rétrodiffusion S facteur de ralentissement f(X) facteur d'absorption

I f . ropport del émissions r " secondaire et primaire

'A

( Z ) (A) (F)

- 2 9 -

La figure 13 schématise la pénétration diffuse des électrons (trajectoire zigzagante) et la différenciation existant entre les émissions primaire et secondaire.

Le volume limité au diamètre d, est le volume d'émission primaire, volume dans lequel les électrons ont en moyenne une énergie E supérieure ou égale à E énergie du niveau X de l'élément A à exciter. Le volume limité au diamètre d^{f l} est le volume total irradié par les électrons. Le volume limité au diamètre d . est celui de l'émission secondaire. Ce schéma montre que dans une cible massive, la résolution du signal électronique est supérieure à celle du signal X .

V I I . 4 - Domaine et précision des analyses

Tous les éléments de la classification périodique à partir du bore (Z = 5) peuvent être analysés en utilisant les spectres K, L ou M suivant le cas.

Pour les éléments très légers (Z < 11), on ne pourra envisager qu'une analyse qualitative, peut être semi- quantitative dans quelques cas particuliers.

Par contre, pour tous les éléments à partir du magnésium, une analyse quantitative est possible.

Compte tenu des erreurs statistiques de comptage et de l'incertitude de certains facteurs correctifs, on peut donner un ordre de grandeur de la précision des analyses. On analyse en moyenne :

1 0 % et plus à 1 %près 1 % à 20 % près 500 ppm à 50 % près

Notons que certaines difficultés peuvent survenir ou cours d'une analyse. En voici quelques exemples : - toute irrégularité de surface modifie la diffusion des électrons et l'absorption des rayons X , perturbant ainsi les comptages d'un point à un autre de l'échantillon. C'est pourquoi les échantillons doivent être plans. Les meilleures conditions de préparation sont le polissage mécanique à la pâte diamantée.

- !a contamination, c'est-à-dire un dépôt de carbone, dû au crackage des vapeurs d'huile au point d'impact, doit être éliminée, cas de l'analyse d'éléments très légers ; ceci pour éviter une perte d'intensité notoire due à l'absorption de ces rayonnements très mous dans la couche déposée.

- si les échantillons ne sont pas conducteurs, il faut les métalliser en déposant une fine couche d'aluminium

o

ou de nickel par evaporation sous vide (100 A ) .

- s'ils sont magnétiques, il se produit un déplacement du faisceau d'électrons qui entraîne une défocalisation du spectromètre dont il faut tenir compte.

V I I . 5 - Utilisation du microfoyer de rayons X

Si l'anticathode est une feuille mince (par exemple une feuille de cuivre de 1 n d'épaisseur), le point d'impact des électrons devient une source ponctuelle donnant naissance à un faisceau de rayons X largement divergent. Si l'on irradie dans ce faisceau un monocristal, tous les rayons X en incidence de BRAGG par rapport à une famille de plans cristallins sont diffractés et décrivent une nappe conique dont l'intersection avec une plaque photographique est une ligne en contraste avec le fond uni du film : Mgnes de KOSSEL.

L'indexation de ces lignes se fait à l'aide d'une projection stéréographique. A partir de la qualité des lignes et de certaines mesures faites sur le cliché on peut en déduire :

- l'état de la sous-structure d'un monocristal, - son orientation |î 2] ,

- la désorientation de deux cristaux,

- une mesure précise des paramètres cristallins j j ^ •

.Notons que l'on peut dans des conditions très voisines d'expériences obtenir une microradiography d'un échantillon.

- 3 0 -

VI1.6 - Rgisons de mise en oeuvre de cette technique - Etudes effectuéej_ejJoborotoire_

. essentiellement depuis 1958 les études de diffusion intermétallique : diffusion chimique [6J [ 7 ] [ 8 ]

hétérodiffusion [ 9 ]

diffusion aux joints de grains . analyse des précipités, d'inclusions . analyse des brasures (figure 14)

. analyse des couches de corrosion obtenues par voie sèche ou aquei-fë |10|

. étude de dépôts électrolytiques [ i l ] . contrôle d'homogénéité d'alliages

En un mot tout échantillon réclamant une analyse chimique ponctuelle (échelledu micron) est du ressort de la microanalyse.

V I I . 7 - Potentiel des laboratoires en matériel

- 1 microsonde CAMECA MS85 en service depuis 1959, équipée actuellement pour l'obtention de diagrammes de KOSSEL.

- 1 microsonde CAMECA MS46 en service depuis 1967, avec laquelle sont faites toutes les analyses demandées par la S.R.M.P. ou par d'autres services du C . E . A .

- 1 mîcrosonde CAMBRIDGE MICROSCAN MARK I I , en service depuis 1963 (figures 15 et 16).

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[ l ] CASTAING(R.), DESCAMPS ( J . ) , J . Physique et le Radium, 1955, J_6, 304 [ 2 ] DUNCUMBET (P.), REED (S.J.B.)

Seminar Washington, 1967, Publication NSB, p. 133-13 [ 3 l TIXIER(R.), PHILIBERT (J.)

Seminar Washington, 1967, Publication NSB, p. 133-13 [ 4 ] PHILIBERT (J.)

3ème Congrès International Optique des Rayons X et Microanalyse, Stanford 1962, Academic Press N . Y . , 1963, p . 379

[ 5 ] HENOC ( J . ) , MAURICE (F.), KIRIANENKO (A.) Rapport C E . A . R-2421, 1964

[ 6 ] PHILIBERT ( J . ) , ADDA (Y.)

C.R.Acad. S c i . , 1957, ^ p. 2507

[7] ADDA ( Y . ) , KIRIANENKO {A.), BEYELER ( M . ) , MAURICE (F.) Revue de Métallurgie, 1961, ^ 8 , n° 9

- 3 1 -

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES (suite)

[8] MONTY ( C ) , ZEMSKOFF ( A . ) , ADDA (Y.) Rapport C.E.A. R-3839, 1969

[9] BEYELER ( M . ) , MAURICE (F.), SEGUIN (P.) Mem. Sci. Rev. Met. 1970, 67^, p. 295

f 0] BOISDE ( G . ) , CORIOU ( M . ) , GRALL (L.), MATHIEU ( C ) , PELRAS (M.) BIST du C.E.A. 1969, n° 133

[il] CHAUVIN ( G . ) , CORIOU ( M . ) , HARDY (J.), MALIEN ( J . ) , WEISZ (M.) Mem. Sci. Rev. Met., 1969, 66, n° 1, p. 69

p2j DUPOUY ( J . M . ) , POIRIER (J.P.), ANTOLIN-BEAUDIER (J.), ADDA (Y.) J . Mat. Nucl. 1964, 12, n° 3, p. 277

[13] HEISE(B.M.)

J . Appl. Phys., 1962, 33, p. 938

LISTE DES FIGURES

FIGURE 12 Schéma de principe du microanalyseur à sonde électronique FIGURE 13 Différenciation des volumes caractéristiques

FIGURE 14 Brasure de Zircaloy par alliage Ag Cu In

FIGURE 15 Microanalyseur à sonde électronique "Microscan"

au centre, la colonne électronique - devant, le microscope optique, la table à échantillons avec les commandes de mouvement - de chaque côté, les spectrometry, avec les boutons de commande de l'angle 0 - de chaque côté, plus loin, les différents appareils de mesure (vide, courant échantillon, courant condenseur et objectif). Les racks ^'électronique ne sont pas visibles sur la figure.

FIGURE 16 Microanalyseur à sonde électronique "Microscan"

Détail du spectromètre. On voit le tambour portant les différents cristaux analyseurs : à droite du tambour, le compteur proportionnel.

- 32 -

CANON A ELECTRONS

ZZZZZ7I

-4

CONDENSEUR MAGNETIQUE

FAISCEAU D'ELECTRONS

VZZZZZX

FAISCEAU DE RAYONS X

LUMIERE

VMUti.

OBJECTIF MAGNETIQUE

OBJECTIF A MIROIRS

PLAQUES DE DEFLEXION

SCHÉMA DE PRINCIPE DU MICROANALYSEUR A SONDE ÉLECTRONIQUE.

F1G.12

- 33 -

X PRIMAIRES

X SECONDAIRES

DIFFÉRENCIATION DES VOLUMES CARACTÉRISTIQUES FJG.13

- 3 4 -

MICROGRAPHIE OPTIQUE IMAGES ÉLECTRONIQUES

JAT"**

125 p x 125 p

rosmvE

IMAGES X

Cu K<X Ag Loc

I n Lo< Zr Lo<

BRASURE DE ZIRCALOY PAR ALLIAGE Ag Cu In FIG.14

- 3 5 -

ramKMM»

AU CENTRE LA COLONNE ELECTRONIQUE , DEVANT, LE MICROSCOPE OPTIQUE , LA TABLE A ÉCHANTILLONS AVEC LES COMMANDES DE MOUVEMENTS .

DE CHAQUE CÔTÉ, LES SPECTROMÈTRES, AVEC LES BOUTONS DE COMMANDE DE L'ANGLE B.

DE CHAQUE CÔTÉ, PLUS LOIN , LES DIFFÉRENTS APPAREILS DE MESURE ( VIDE , COURANT ÉCHANTILLON, COURANT CONDENSEUR ET OBJECTIF )

LES RACKS D'ÉLECTRONIQUE NE SONT PAS VISIBLES SUR LA F I 0 U R E .

MICROANALYSEUR A SONDE ÉLECTRONIQUE "MICROSCAN FIG. 15

- 3 6 -

DETAIL OU SPECTROMETRE . ON VOIT LE TAMBOUR PORTANT LES DIFFERENTS CRISTAUX ANALYSEURS t A DROITE DU TAMBOUR , LE COMPTEUR PROPORTIONNEL.

MICROANALYSEUR A SONDE ELECTRONIQUE "MICROSCAN * FIG.16

- 3 7 -

V I I I - LABORATOIRE D'ETUDE DE L'ELECTROMIGRATION par N'GUYEN V A N D O A N ( S . R . M . P . )

V I I I . 1 - Technique utilisée

L'électromigration est l'étude de la mobilité des défauts ponctuels dans un solide ou liquide soumis à un champ électrique continu. Dans un métal pur ou un alliage, les ions se déplacent sous l'action de la "force efficace"

qui est la résultante de la force directe d'origine électrostatique et de la force de friction due aux collisions avec les porteurs de charge.

Pour déterminer cette force efficace, la méthode expérimentale consiste à faire passer un courant 4 2

électrique contînu(~ 10 A/cm )àtravers un échantillon età mesurer les flux de matière provoqués par ce courant.

L'échantillon est constitué d'une couche mince du traceur A à étudier en "sandwich" entre deux cylindres du métal B. Il est disposé verticalement entre deux électrodes et relié à celles-ci par l'intermédiaire de deux lames du même métal B (figure 17). Après le traitement, le traceur se répartit suivant une gaussienne dont le maximum est déplacé par rapport à l'interface initiale de soudure d'une quantité xm (figure 18). La gaussienne est obtenue par la méthode classique de sectionnement et de comptage d'activité décrite par ailleurs. L'interface de soudure peut être repéré soit par une couche d'oxyde de hafnium radioactif déposée en même temps que la couche A* , soit par l'observation directe à l'aide d'un microscope optique. De ce déplacement, on déduit la force efficace par application de la relation de NERNST-EINSTEIN.

V I I I .2 - Raisons de mise en oeuvre de cette technique

La connaissance de cette force efficace est importante à plusieurs points de vue.

Du point de vue théorique, elle fournit des informations sur l'interaction entre le défaut considéré et les porteurs de charge ; par conséquent, elle permet de préciser la structure électronique de ces défauts.

Une étude a été effectuée dans notre laboratoire pour une dizaine de traceurs dans l'argent et conduit à desrésultats importants sur la variation delà structure électronique des ions en "position de c o l " , [ l ] [ 2 j . De même, une étude similaire dans les bicristaux d'argent permet de préciser que la conduction dans les joints de grain d'argent n'est pas très différente de celle dans le volume [ 3 ] .

L'électromigration peut aussi donner des informations très intéressantes sur le processus d'élimination des lacunes dans les métaux à haute température [ 4 ] . En effet, le passage d'un fort courant continu donne naissance à un flux de lacunes, et si, en plus, ce flux n'est pas conservatif (par exemple en présence d'un gradient de tempe' rature), les lacunes peuvent s'accumuler dans certaines régions du cristal où elles seront en sursaturation. L'excimen des défauts présents dans ces zones, par microscopic électronique, permet de se faire une idée de l'efficacité des puits de lacunes et de préciser le mécanisme de germination des cavités.

- 3 8 -

Du point de vue pratique, l'électromigration a été utilisée pour la purification de certains métaux [ 5 J , des semi-conducteurs [ 6 j et surtout des terres rares [ 7 ] , mois c'est surtout dans la technologie des circuits^ intégrés que ce phénomène paraît prendre de l'importance actuellement. En effet, les différents éléments de ceux-cisont reliés entre eux par des bandes conductrices très minces en aluminium qui se détériorent t^ès vite sous l'effet d'une forte densité de courant ( ~ 10 A/cm ) même à une température relativement basse. Bien que le mécanisme de ce phénomène de rupture soit encore mal connu, son origine est certainement liée à l'existence d'un flux de lacunes associé à un transport de matière sous champ électrique [_8j . L'étude de ce phénomène permet donc d'espérer des solutions à ces problèmes technologiques.

V I I I . 3 - Potentiel du laboratoire en matériel

Le dispositif expérimental (figure 19) se compose de deux électrodes en cuivre refroidies par une circulation d'eau, l'électrode supérieure étant mobile pour faciliter la mise en place de l'échantillon. L'écartement entre les deux électrodes peut ainsi varier de quelques millimètres à plus de dix centimètres. Cette innovation nous permet de travail 1er sur une gamme très variée d'échantillons. Le traitement peut être effectué sous vide ou sous atmosphère d'argon, dans une enceinte délimitée par une cloche à double paroi refroidie à l ' e a u . La hauteur et le diamètre de cette cloche sont respectivement de l'ordre de 10 cm et 30 cm.

L'enceinte est reliée à un ensemble de pompage qui permet d'atteindre un vide de 10 mm de mercure.

Pour éviter ('evaporation de l'échantillon, l'argon peut y être introduit après avoir été préalablement purifié. La purification de l'argon s'obtient en le faisant circuler au-dessus d'un bain de magnésium fondu dans une enceinte spécialement conçue â cet effet.

D'autre part, nous disposons de deux générateurs qui peuvent débiter un courant (continu ou alternatif) respectivement jusqu'à 500 et 2 000 ampères sous une tension de quelques volts. Un système de régulation de courant y est incorporé de façon à garder une température de l'échantillon pratiquement constante à+^ 2 degrés près.

La quantité d'électricité passée à travers l'échantillon peut être déterminée de façon précise à l'aide d'un compteur d'impulsion à contact de mercure.

- 3 9 -

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

DOAN ( N . V . ) , BREBEC(G.)

J . Phys. Chem. Solids, 1970,_31, 475 DOAN ( N . V . )

J . Phys. Chem. Solids, 1970, J31, 2079 MARTIN (G.)

Communication personnelle MONTY (C.)

Etude en cours

WILLIAMS ( J . M . ) and HUFFINE (C.L.) Nuci. Sci. Eng., 1 9 6 1 , ^ , 500

GALLACHER(CJ.)

J . Phys. Chem. Solids, 1957, 3, 82 PETERSON (D.T.) and SCHMIDT (F.A.) J . Metals, 1965, ] 7 , 107

ATTARDO (M.J.) and ROSENBERG (R.) J . Appli. Phys., 1 9 7 0 , £ , 2381

LISTE DES FIGURES

7 Schéma du dispositif expérimental

8 Courbe de répartition du traceur radioactif après traitement 9 Elément de l'appareil d'étude pour l'électromigration

- A O -

LAMES'J'ARGENT

TOMBAC

HUBLOT EN PYREX

TEFLON

VERS ENSEMBLE DE POMPAGE ET ENTRÉE D'ARGON

SCHÉMA DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL FIG.17

- 4 1 -

10000

8000

6000

4000

2000

500 1000 1500 2000 2500 3000

DISTANCE EN MICRONS

COURBE DE RÉPARTITION DU TRACEUR RADIOACTIF APRÈS TRAITEMENT.

FIG. 18

- 4 2 -

ÉLEMENT DE L'APPAREIL D'ÉTUDE POUR L'ÉLECTROMIGRATION FIG.19

- 4 3 -

!X - LABORATOIRES DE PREPARATION ET D'USINAGE DE MONOCRISTAUX par REGNIER M i c h e l * ( S . R . M . P . )

ROUDIER Marguerite ( S . R . M . P . )

I X . 1 - Préparation

- Descrip_tic^_de lajechnicfue^ utilisée

Au laboratoire, nous utilisons essentiellement les méthodes de CZOCHRALSKY, de BRIDGMAN, et celle de la zone fondue pour préparer les monocristaux.

I X . 1.1 - .Méthode ^ejCZp^HRALSIÇY _ - Principe

On fait croître un monocristal en tirant à la vitesse de cristallisation un germe plongeant dans un bain de métal en fusion.

Nous disposons actuellement de deux appareils. Le premier situé au Laboratoire de Haute Activité du C . E . N . - S . utilise des creusets de contenance 220 cm qui peuvent être chauffés jusqu'à 1 600 °C par une résistance 3 en molybdèm , ou à des températures supérieures avec une résistance en g'aphite.

L'appareil permet de tirer de façon courante des cristaux d'environ 2 cm de diamètre et d'une trentaine de centimètres de long. L'enceinte de travail est placée sous vide secondaire puis remplie d'argon purifié. L'ensemble est mis en boîte à gants.

L'appareil a été essentiellement utilisé pour fabriquer des monocristaux de béryllium, mois on y a aussi obtenu quelques monocristaux de cuivre, d'argent, de magnésium, de fer et d'aluminium.

Le deuxième appareil, beaucoup moins performant est actuellement en cours de transformation.

I X . 1.2 - j ^ h p d e ^ e ^ R i p ^ M A N _

Dans un moule en graphite (figure 20) on place un germe monocristallin (ou 2 dans le cos des bicristaux) et on remplit le reste du moule de matériau polycristallïn de même nature que le germe. L'ensemble est placé vertica- lement, !a partie inférieure du moule es* vissée dans un bloc de cuivre refroidi par une circulation d'eou ce qui permet d'obtenir un gradient de température important dans le germe.

On fond la partie supérieure jusqu'à environ la moitié du germe puis on remonte le système de chauffage (four • - spire H . F . ) à une vitesse de l'ordre de quelques millimètres par heure ce qui permet d'obtenir un mono- cristal .

Contractuel temporaire de recherche

•" ?

- 4 4 -

Les moules utilisés, en graphite spectroscopïquement pur, sont prévus pour obtenir un démoulage facile (figure 21 ) .

- Chauffage par four ADAMEL

L'appareil chauffé par un four ADAMEL vertical, permet de fondre des métaux dont le point de fusion n'excède par 800 °C;on peut y faire le vide primaire et remplir l'enceinte de travail d'un gaz neutre. Il est utilisé pour faire des monocristaux de magnésium et de zinc.

Nous avons aussi acquis une certaine expérience dans lo préparation de- senv -conducteurs du type IV-VI notamment des alliages PbTe, SnTe, polycristallins et monocri.i • JlHs, dopés en type p ' w n, oinsi que dans la préparation de leurs solutions solides. Ces dernières offrent un ^and intérêt car elie; permettent suivant leur composition de faire varier la largeur de la bande interdite et de modifier a'nsi les psopriétfs électriques du matériau.

- Chauffage par "spire haute fréquence"

Ce dispositif monté sur deux autres installations permet de fondre des métaux dont le point- de fusion est inférieur à 1 600 °C sous vide secondaire ou sous atmosphère contrôlée.

Ces appareils sont utilisés pour faire des monocristaux de cuivre et d'alliage de cuivre ainsi que des bicristaux d'argent.

I X . 1 . 3 - Méthode _de la zone fondue

Les installations équipées avec le chauffage par "spire haute fréquence" permettent en principe de fondre localement une partie de l'échantillon et de déplacer cette zone fondue à la vitesse de cristallisation.

Cette méthode qui a l'avantage de supprimer le creuset est beaucoup plus délicate à mettre au point.

I X . 1,4 - Méthode du changement de phase localisée

Cette méthode consiste à localiser dans une éprouvette la zone où se fait le changement de phase puis à déplacer lentement cette zone le long de l'éprouvette. Pratiquement, ces conditions sont réalisées en déplaçant l'éprouvette suivant l'axe d'un four présentant 2 parties à des températures différentes. Le gradient de température le long de l'éprouvette est tel que les 2 phases puissent exister simultanément (figures 22 et 23).

Les monocristaux obtenus par cette méthode présentent une "structure rubannée", c'est-à-dire qu'ils sont subdivisés en sous grains allongés dans le sens de la croissance. La désorientation entre sous grains est de l'ordre de 3 à 5 ° .

I X . 1.5 - Méthode par écrouissoge critique à chaud de monocristaux polygonisés Nous partons de monocristaux obtenus par changement de phase en vue d'éviter :

a) la déformation hétérogène de l'agrégat polycristallin due à l'interaction des grains et à la multiplicité des modes de déformation,

b) l'influence des joints de grains sur la germination,

c) la présence de contraintes internes dues à I'anisotropic cfv. efficients de dilatation d'un grain à l'autre et qui modifie Pécrouissoge moyen.

La déformation critique de l'ordre de 2,5% est réalisée vers 340 °C fr la vitesse de 6,6%, puis est suivie d'une montée en température à la vitesse de 50 °C/heure jusqu'à 655 °C et d'un ma'nff«n à cette température pendant 2 heure*. Le refroidissement est fait à lo vitesse de 100 °C/heur«. On a préparé par ces deux méthodes des monocristaux d'uranium pur et faiblement allié.