Une approche historique des matériaux sous irradiation

Ce chapitre est une introduction qui regroupe les informations sur la bibliographie à la base de cette histoire des matériaux sous irradiation.

Ce chapitre commence par l’évolution depuis l’antiquité de la notion d’imperfections dans les pierres. Puis, les découvertes à l’origine des études des effets des irradiations sont décrites : haute tension, vide, particules élémentaires et radioactivité. Progressivement cette recherche est passée d’une approche de géologue à celle des chimistes et physiciens. Les conditions de ces études ont souvent eu des conséquences dramatiques.

Le transport des particules a précédé les études des irradiations avec notamment l’expérience de Rutherford. Les pouvoirs d’arrêt électronique et par collision élastique furent l’objet d’expériences et d’approches théoriques. Sous l’impulsion de la construction des premières piles atomiques, les simulations numériques du transport des particules furent développées. Le phénomène de canalisation fut mis en évidence vers la fin des années 1950.

La notion de défaut a d’abord été introduite pour expliquer les processus de diffusion ionique. Les procédés photographiques devraient être considérés comme les premières irradiations. Les premiers défauts étudiés furent les centres colorés dans des sels dont la présence est observable à l’œil nu et dont les excitations électroniques des rayons X ou des rayons cathodiques suffisent pour les créer.

Les mécanismes de création de centres colorés dans les cristaux ioniques ont fait l’objet de nombreuses hypothèses. Puis, dans les années 50, avec la construction des piles atomiques, la création de défauts par collision élastique est venue au centre des préoccupations. Beaucoup d’effort portèrent sur les énergies – seuil de déplacement, les cascades de déplacement, la pointe thermique et la pulvérisation.

Après avoir décrit les apports de l’autodiffusion, du travail à froid et de la plasticité sur la création des défauts dans les métaux, ce chapitre est consacré aux premiers travaux sur les seuils de déplacement et la morphologie des défauts. Les études des stades de leur recuit ont permis de mieux comprendre la zoologie des défauts.

Dans le cas des semiconducteurs, la recherche fondamentale sur les effets des irradiations est concomitante aux développements des applications. Les premières observations mettent en évidence le changement de type de conductivité et la possibilité de créer des jonctions p-n. Ce chapitre comprend également le début des études des défauts dans les semiconducteurs (mécanismes, configurations des défauts, diffusion…)

Les premières études des matériaux iono-covalents portèrent sur l’état métamicte et sur le changement de couleur par irradiation. Le matériau le plus étudié est le dioxyde d’uranium irradié notamment par les neutrons et les fragments de fission. Les transformations de phase sous irradiation dans certains iono-covalents furent très tôt observées et souvent attribuées à l’existence d’une pointe thermique

Les premières irradiations de matériaux organiques, des alcanes, ont montré l’apparition de réticulation. Il fut également démontré que l’importance relative des scissions de chaînes et des réticulations dépend de la nature du polymère et surtout de la présence d’air. Très tôt, l’industrie du caoutchouc a vu dans l’irradiation une alternative aux réticulations chimiques. De nombreuses autres applications furent proposées.

La compréhension des mécanismes de radiolyse des liquides est passée par différentes phases : eau activée, radicaux libres, électron solvaté. Pour cette dernière entité, ce sont les expériences de radiolyse pulsée qui permirent d’en déterminer le spectre d’absorption et sa cinétique. Les simulations numériques ont permis de comprendre le rôle de la distribution spatiale du dépôt d’énergie.

Ce chapitre porte sur l’évolution des moyens d’irradiation. Les accélérateurs à cavités radiofréquences (linac et cyclotron) et les électrostatiques (Van de Graff et Cockcroft-Walton) furent développés en parallèle. Puis vinrent les réacteurs nucléaires et les accélérateurs pulsés. L’instrumentation en ligne permis d’affiner la compréhension des phénomènes en jeu.

Ce chapitre décrit le développement des principales applications des irradiations en commençant par les applications médicales (imageries et radiothérapies). Le traitement des aliments, la technologie des modifications structurales dans les polymères, y compris les traces d’ions rapides, les implantations dans les semiconducteurs, l’étude des matériaux du patrimoine sont des exemples pour lesquels leurs émergences sont décrites.