L’ensemble des 80 instruments de l’ILL (Institut Laue-Langevin) et l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) utilisent des faisceaux de neutrons et rayons-X aux propriétés exceptionnelles qui permettent de dépasser les techniques de caractérisation utilisées habituellement en laboratoire. Au service de près de 10 000 scientifiques chaque année, l’ESRF et l’ILL sont soutenus par plus de 20 pays et contribuent à la publication d’environ 6 articles scientifiques par jour.

Les instruments sont mis à la disposition de tous les chercheurs, qu’ils appartiennent au secteur académique ou industriel. Les principaux atouts de l’ILL et l’ESRF peuvent se résumer ainsi :

• 300 scientifiques et ingénieurs spécialisés dans la caractérisation et la R&D avec des rayons X et des neutrons
• Les faisceaux de rayons X synchrotron de haute intensité permettent d’étudier : de très petits échantillons ou de se concentrer sur une petite zone, des phénomènes rapides ou de très nombreux échantillons rapidement, et de voir à l’intérieur d’échantillons volumineux
• Les faisceaux de neutrons de haute intensité permettent : le suivi de l’hydrogène, du lithium ou des composés hydrogénés, la résolution des liaisons hydrogène, de traverser plusieurs centimètres de métal, l’étude des propriétés magnétiques
• Analyse in situ en reproduisant les conditions de fabrication et de fonctionnement (températures élevées et basses, pression, contraintes mécaniques, environnements chimiques, etc.)

Notre exposé présentera rapidement l’ILL et l’ESRF en tant qu’infrastructures de recherche dans un contexte mondial. Puis, des cas d’études illustreront l’utilisation des techniques de mesures avec les neutrons et les rayons-X synchrotron dans différents secteurs de la R&D industrielle. Enfin, nous expliquerons les différents modes d’accès à l’ILL et l’ESRF ainsi que les nouvelles opportunités offertes par les programmes supports.

Crédit : Pierre Jayet.

Figure 1. L’Institut Laue-Langevin à gauche identifiable par le dôme bleu du bâtiment du réacteur nucléaire et l’ESRF à droite caractérisé par le bâtiment circulaire qui comprend l’anneau de stockage des électrons et une grande partie des instruments.

In the frame of the scientific evolution from the current 3rd generation SOLEIL source to a 4th generation one, a series of conferences were held between January 2018 and July 2019 to discuss the opportunities of such a source in the research fields of Energy and Environmental Sciences for a Sustainable Development [1]. Scientists among the main renowned in France had the opportunity to present the state-of-the-art of their scientific fields and to give the current technical bottlenecks limiting the societal impact of their researches to support sustainability of energy resources required in the future. They thus allowed us to identify relevant synchrotron radiation based techniques for which an increase in brightness and coherency as offered by a 4th generation source would be a powerful lever to overcome some of the identified bottlenecks.

With this presentation, a few representative examples of the current issues related to the development of energy related materials will be presented together with opportunities offered by  a 4th generation synchrotron source to solve them.

[1] Round Table « Energy and Environment for a Sustainable Development ».
Conveners: V. Briois and D. Vantelon,
Themes coordinators: F. Berenguer, C. La Fontaine, S. Belin, B. Lassalle, C. Rivard, G. Landrot.

Les avancées majeures de ces vingt dernières années dans notre compréhension de la structure, de la dynamique, de l’histoire et de la chimie de la Terre profonde sont étroitement liées au développement des techniques synchrotrons. Le développement et l’affinement de ces techniques utilisant les rayons X à moyenne et haute énergie (> 10-20 keV) ont rendu possible l’étude in-situ de la matière confinée dans des cellules et assemblages complexes nécessaires à la génération de conditions extrêmes de pression et de température. Ces techniques sont principalement la diffraction, la tomographie et l’absorption des rayons X, mais aussi la diffusion inélastique, la diffusion aux petits angles. Elles sont accessibles en France, que ce soit à l’ESRF ou à SOLEIL, à un moment où les « upgrades » en cours ou à venir offrent de nouvelles et excitantes opportunités pour les utilisateurs. Dans cet exposé nous ferons un tour des principales techniques en illustrant le propos par des exemples concrets d’avancées récentes dans le domaine de la géophysique haute pression. Les perspectives de recherche apportées par les nouvelles sources et approches expérimentales seront également abordées.
 

Les matériaux biologiques ont souvent une structure hautement hiérarchique et complexe allant du nanomètre à l’échelle macroscopique. Les techniques quantitatives non destructives, telles que la diffusion des rayons X sont particulièrement appropriées pour les analyses de ces matériaux afin d’extraire des informations microstructurales et mécaniques détaillées à différentes échelles.

Comme la plupart des tissus biologiques, l’os est structuré hiérarchiquement et présente un caractère composite à l’échelle nanométrique (cristaux minérale d’hydroxyapatite et fibres de collagène). La structure de ce composite organo-minéral, peut être étudiée grâce à la diffusion des rayons X aux petits et grands angles (respectivement SAXS et WAXS). Ces techniques complémentaires permettent d’analyser la taille et l’organisation des particules minérales osseuses (hydroxyapatite) ainsi que la distribution de la déformation des cristaux, mesurées in situ lors de chargements mécaniques. L’intérêt de ces méthodes sera mis en lumière au travers d’un exemple concernant l’étude in situ par rayonnement synchrotron de la restauration des propriétés mécaniques des tissus osseux lors du processus de régénération.

Bien qu’englobant des types de matériaux très distincts (pigments, colorants, liants, vernis, verres, métaux, résidus biologiques, etc.), les peintures présentent des spécificités qui guident leurs analyses : hétérogénéité et caractère composite à plusieurs échelles de longueur, fragilité ou sensibilité aux radiations, transformations et vieillissement des composés, besoin de travailler dans le cadre de série ou groupes, organisation en multicouches micrométriques.

Les techniques de laboratoire et le développement des instruments portables permettent des études de peintures centrée sur trois domaines principaux: identification des matériaux constitutifs d’objets et d’échantillons, caractérisation des produits d’altération et le mécanisme de leur formation, et évaluation des mesures de conservation / stabilisation et de restauration.

En parallèle de ces techniques, les synchrotrons permettent l’utilisation de micro-submicroniques faisceaux pour accéder à des informations à haute résolution spatiale sur des fragments échantillonnés dans des œuvres d’art historiques ou modèles. Selon les informations ciblées, différentes techniques analytiques peuvent être appliquées pour identifier et localiser les différents composants. En particulier, les sondes de fluorescence X, diffraction X identifient les phases cristallines et la spectroscopie d’absorption X est sensible à la spéciation. De plus, les techniques basées sur la tomodensitométrie peuvent fournir des informations utiles sur la morphologie et en particulier la porosité des matériaux. La spectroscopie et l’imagerie dans les gammes UV / visible et IR permettent également d’élargir la diversité des composés étudiés, notamment les mélanges organiques/inorganiques.

Les installations à grande échelle de type accélérateur offrent également la possibilité de travailler par faisceau d’ions, sans contact sur les œuvres. L’émission de rayons X induite par les particules (PIXE) a donné des résultats positifs pour la caractérisation des pigments à base de composés minéraux et la répartition spatiale d’éléments chimiques avec une échelle quantitative (de% à ppm). La spectroscopie de rétrodiffusion Rutherford (RBS) fournit des profils de profondeur élémentaires.

Cette communication s’intéressera à la complémentarité de ces techniques utilisées dans le champ patrimonial, en peinture. Leurs conditions d’analyses appropriées pour l’étude de matériaux fragiles, sensibles ainsi que leurs éventuels effets critiques seront questionnés.
 

L’un des enjeux actuels en science des matériaux est la détermination in situ des évolutions structurales et microstructurales des matériaux en fonction de contraintes externes. Les expériences de diffusion ou d’absorption des rayons X sont non destructives et très bien adaptées à la caractérisation in situ ou operando de l’évolution de matériaux réels. De telles études dynamiques, capables de mettre en évidence à l’échelle temporelle pertinente, l’évolution des matériaux sous très hautes températures et dans des environnements réactifs ou neutres nécessitent l’utilisation de sources de rayonnement de haut flux. L’association de sources synchrotrons de 3ème ou 4ème génération et de détecteurs bidimensionnels permet d’enregistrer des diagrammes de diffusion ou de diffraction en quelques secondes, parfois encore plus rapidement. L’exploration complète tridimensionnelle de l’espace réciproque peut être effectuée en quelques minutes.

Nous avons conçu et construit un dispositif chauffant qui permet d’enregistrer des diagrammes de diffusion centrale ou de diffraction dans le plan ou hors du plan conventionnel de diffraction, sous des configurations symétriques, asymétriques ou en incidence rasante jusqu’à 2000 K [1]. Ce four QMAX, est actuellement mis en œuvre sur la ligne de lumière D2AM de l’ESRF. Outre les très hautes températures envisagées, l’une des principales caractéristiques de ce four est que les expériences sont réalisées à pression atmosphérique sous flux contrôlé de gaz. Nous montrerons lors de la conférence, que le four QMAX permet de suivre à très haute température des processus d’auto-organisation de surfaces de monocristaux, de transitions de phases, de croissance cristalline ou de relaxation des contraintes au sein d’échantillons polycristallins ou encore d’oxydation de métaux placés sous flux contrôlé de gaz réactifs.

[1] R. Guinebretière, S. Arnaud, N. Blanc, N. Boudet, E. Thune, D. Babonneau, O. Castelnau
“Full reciprocal space mapping up to 2000 K under controlled atmosphere: the multi-purpose QMAX furnace”
Journal of Applied Crystallography, Volume 53, Issue 3, Pages 650-661 – https://doi.org/10.1107/S160057672000432X

La spectroscopie de photoémission est utilisée de façon courante dans les laboratoires de recherches pour l’étude des matériaux. A l’aide de tubes à rayons X, de lampe UV à décharge ou de lasers, il est possible d’analyser la structure chimique ou électronique d’un grand nombre d’échantillons sans avoir à se déplacer sur un grand instrument.

Cependant, et malgré les progrès spectaculaires des sources de laboratoire ces dernières années, le rayonnement synchrotron reste incontournable pour des analyses plus poussées de matériaux complexes. Outre une brillance bien supérieure aux systèmes de laboratoire, ce qui permet des mesures plus rapides ou mieux résolues, la faculté de choisir l’énergie et la polarisation des photons incidents est cruciale pour de nombreuses expériences.

Dans cette présentation, je montrerai comment utiliser les quatre aspects principaux de la lumière synchrotron – à savoir brillance, accordabilité, caractère pulsé et polarisé – pour l’étude de matériaux complexes comme les oxydes fonctionnels, les membranes bidimensionnelles ou des combinaisons des deux.

En dernier lieu, j’évoquerai comment l’arrivée des synchrotrons de génération suivante, dont la taille du faisceau d’électrons ne sera limité que par la diffraction, permettront d’aller encore plus loin dans l’étude des matériaux par photoémission, notamment par l’apport d’un faisceau micrométrique.

L’imagerie X et aux neutrons sont des techniques qui se sont particulièrement développées ces 20 dernières années. L’apport des grands instruments est conséquent dans ce domaine et notamment pour la micro et nano tomographie.
Pouvoir visualiser la microstructure des matériaux permet notamment de comprendre certains mécanismes induits lors de leurs fabrications.

Les propriétés particulières du rayonnement synchrotron, comme le flux important de rayons X et le contraste de phase ont permis des expériences inédites en atteignant des résolutions inégalées de l’ordre de la dizaine de nanomètres et avec la possibilité d’introduire une 4ème dimension avec des essais in situ.

Grâce à ses importantes capacités de pénétrations dans le métal, l’imagerie neutronique s’avère être un outil d’analyse idéal pour l’exploration des défauts dans les matériaux d’ingénierie (par exemple pour la fabrication additive). La forte complémentarité avec les rayons X rend l’utilisation combinée de rayons X et d’imagerie neutronique particulièrement utile pour l’identification des impuretés et des défauts. L’atténuation neutronique importante des éléments légers tels que le lithium et l’hydrogène sont également très complémentaires aux informations des rayons X, permettant l’identification rapide de l’hydrogène (source potentielle de fragilisation dans les métaux) et de ses composés (par exemple l’eau et les hydrocarbures dans des milieux poreux). La haute sensibilité au lithium donne également un aperçu unique du comportement des batteries.

Notre exposé présentera différentes applications aux rayons X et aux neutrons, telles que l’étude de la solidification d’alliages à base aluminium, des essais in situ en compression/traction, fatigue, compression à chaud. Plus récemment, des expériences pour comprendre les phénomènes lors de fabrications additives (en 2D ultra rapide et en 3D).
Ces grands instruments, situés à Grenoble, sont mis à la disposition de tous les chercheurs, académiques et industriels.

Julie Villanova et al, Materials Today, volume 20, Number 7, September 2017

Figure 1:Exemple en nanotomographie X 4D avec l’investigation in situ de la nucléation de gouttelettes liquides: (a) Coupes 2D extraites des images 3D à 0, 40, 80 et 120s, et visualisation 3D de la localisation de gouttelettes nuclées pendant la refonte d’un échantillon d’alliage d’aluminium, Al–2.6 wt.%Cu.