MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX

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Malgré leurs intensités, densités et énergies relativement faibles, les faisceaux moléculaires thermiques restent toujours très utiles dans la recherche. Ils servent notamment comme sources de référence, car ils sont les seuls à être bien définis théoriquement. Ils sont aussi utilisés dans les sources de gaz spéciaux comme les vapeurs de métaux réfractaires, les gaz corrosifs et, d'une façon générale, tous les gaz non disponibles, ou dangereux, ou trop coûteux, à haute pression.

Les faisceaux thermiques ont trouvé deux applications industrielles très importantes. La première est apparue dans les horloges atomiques à la suite du développement, depuis les années 1940, des étalons de fréquence des transitions de structure fine des atomes d'hydrogène et d'alcalins (Cs, Rb) principalement. Le nombre d'horloges atomiques en service dans les systèmes modernes de télécommunication, de navigation et de localisation dépasse probablement dix mille.

La seconde application industrielle des faisceaux thermiques est l'épitaxie par faisceau moléculaire, qui a fait des progrès considérables depuis les années 1960. Cette technique désignée couramment par M.B.E. (molecular beam epitaxy en anglais) a transformé la fabrication des composants électroniques, notamment les couches minces de semi-conducteurs, métaux ou diélectriques. Elle permet de régler d'une façon très fine les flux et les énergies thermiques des faisceaux (Si, éléments des groupes III-V) ainsi que la température du substrat, et de contrôler in situ, dans une enceinte à ultravide, la croissance épitaxique réalisée lentement par empilement d'atomes, ou molécules, que l'on peut suivre couche par couche.

La technologie a beaucoup apporté au développement des jets et faisceaux supersoniques, mais sans y trouver en retour, jusqu'à présent, des retombées vers de véritables applications industrielles. Il existe cependant une méthode d'analyse des gaz par extraction rapide sous forme de jet et faisceau supersonique, et couplage à un spectromètre de masse. Finalement, c'est dans la recherche fondamentale que l'on trouve en fonctionnement des centaines d'appareils, ou plus, du type supersonique en régime continu ou impulsionnel. Seuls les systèmes à zone de silence ( et 2) développés en France et les vannes pulsées sont commercialisés actuellement.

Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dessin : Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dispositif expérimental permettant d'obtenir des faisceaux moléculaires thermiques d'énergie inférieure à 0,5 électron-volt. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Un faisceau moléculaire supersonique, reflétant les propriétés du jet dont il est extrait, permet l'étude indirecte de ce jet avec ses divers effets de relaxation translationnelle ou interne, de condensation, de séparation des masses... Les jets supersoniques élargissent considérablement les domaines d'applications des faisceaux thermiques grâce à leurs caractéristiques bien meilleures et à des possibilités supplémentaires résultant de leurs propriétés spécifiques. Par exemple, avec un faisceau d'hélium, on a un monochromateur (0,5 p. 100 de résolution) de longueur d'onde λ = h/p ∼ 0,1 nm variable avec la température de la tuyère, qui est très intéressant pour l'interaction gaz-surface. Avec une résolution en énergie de un milliélectronvolt, ce même appareil est très puissant en physique atomique et moléculaire pour déterminer les sections efficaces de collisions élastiques et, par suite, les potentiels intermoléculaires, ou encore pour résoudre des structures même rotationnelles produites par des collisions inélastiques. De plus, l'ultrarefroidissement obtenu surtout par ensemencement dans des jets d'hélium (Trot ≃ de 0,1 à 1 K) permet d'éliminer les bandes chaudes de rotation et, par suite, de simplifier et même de transformer la spectroscopie optique des molécules. Cette méthode née en France est maintenant devenue universelle. De plus, elle rend possible une excitation sélective des variétés isotopiques 235/238UF6 et, par suite, leur séparation par laser.

Encore, les faisceaux supersoniques ont les énergies de 1 à 10 eV qui sont les plus intéressantes dans l'étude des collisions par faisceaux croisés avec échange d'énergie, de charge, ou d'atome (réactions chimiques), éventuellement activé par une excitation interne. Ces faisceaux énergétiques trouvent aussi des applications dans l'interaction gaz/surface. Les sources d'oxygène atomique ont un intérêt particulier pour la simulation de l'environnement spatial en orbite basse terrestre (de 150 à 600 km). À cette altitude, l'espèce dominante O(3P) provenant de la dissociation de O2 par le rayonnement ultraviolet (qui dissocie beaucoup moins N2) est très agressive vis-à-vis des matériaux des engins spatiaux qui la rencontrent à la vitesse orbitale de 8 km/s. Ainsi, d'importants programmes de recherche et développement ont été lancés pour la réalisation de faisceaux d'oxygène de 8 km/s, soit 5 eV, devant permettre de simuler, en quelques jours ou quelques semaines, l'érosion des surfaces au cours de missions spatiales de dix à trente ans. De tels faisceaux d'oxygène énergétique sont produits à partir de jets supersoniques de plasmas (chauffés à 10 000-20 000 K par décharge par arc, radiofréquence, ou laser) qui doivent permettre aussi de simuler directement la rentrée des engins dans l'atmosphère. Enfin, les agrégats moléculaires créés dans les jets et faisceaux supersoniques peuvent avoir des applications dans des domaines très variés : lasers, séparation isotopique, physique du solide avec de nouvelles structures, catalyse étudiée à l'aide de clusters métalliques, etc. Avec les densités les plus élevées, les faisceaux condensés offrent les meilleures cibles sans parois dans les expériences de fusion thermonucléaire et dans les grands accélérateurs de particules (Saturne, G.A.N.I.L.). Ils ont aussi été utilisés pour la croissance épitaxique et les couches minces, mais, dans ce domaine, les faisceaux thermiques sont très largement les plus employés.

Les faisceaux moléculaires obtenus par transfert de charge ont aussi de nombreuses applications, surtout dans le domaine des hautes énergies (∼ 103 eV). Ils permettent de connaître, par exemple, les échanges thermiques et les forces aérodynamiques entre gaz raréfié et corps se déplaçant à grande vitesse, les phénomènes de pénétration, arrachement et éjection sur les solides... Il en résulte diverses applications dans le dégazage des surfaces, le dopage des cristaux semiconducteurs, la pulvérisation, la production de couches minces, l'analyse des surfaces, le contrôle des réactions chimiques superficielles,etc.

En conclusion, la transformation, dans les milieux gazeux, de l'état normal de chaos moléculaire en mouvement ordonné sous forme de jet ou de faisceau moléculaire a permis des progrès considérables, surtout en recherche fondamentale. Ainsi, [...]

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Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV

Dispositif pour des faisceaux d'énergie inférieure à 0,5 eV
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV

Dispositif pour des jets faisceaux d'énergie comprise entre 0,01 et 40 eV
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Faisceaux thermiques et supersoniques

Faisceaux thermiques et supersoniques
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Écrit par :

  • : Ingénieur, École nationale supérieure de chimie de Paris, docteur ès sciences, chef de laboratoire au Commissariat à l'énergie atomique, directeur de recherche et thèses

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Pour citer l’article

Roger CAMPARGUE, « MOLÉCULAIRES JETS & FAISCEAUX », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/jets-et-faisceaux-moleculaires/