Fiche descriptive de DIFFABS

La ligne DIFF/ABS correspond au transfert de la ligne H10 mise en place dans le cadre d’un partenariat entre LURE et le CRMHT-Orléans. Ce partenariat sera élargi à un accord avec la Région Centre sur SOLEIL mais les thématiques du CRMHT resteront un axe scientifique majeur de cette ligne.
La palette des techniques instrumentales utilisables sur DIFF/ABS sera relativement large (diffraction sur monocristaux et poudres, diffusion anomale, spectroscopie d’absorption) et s’adresse à de nombreux secteurs de recherche fondamentale et finalisée (industrie du pétrole, secteur du nucléaire) parmi lesquels la science des matériaux et la chimie tiendront une place prépondérante. En particulier les études de transformations in-situ dans des matériaux portés à de très hautes températures seront le domaine d’excellence de la ligne.
Certaines de ces techniques seront également accessibles sur des lignes de lumière plus spécialisées, toutefois, le fait de disposer d’un monochromateur à balayage en énergie facile et sortie fixe et d’un diffractomètre multi-cercles supportant des environnements échantillons variés sera une originalité qui privilégiera les sujets mettant à profit ces deux avantages. L’intérêt des mesures couplées de diffraction et absorption est de garantir que les deux expériences sont effectuées sur la même zone de l’échantillon, dans des conditions physico-chimiques (température, pression, atmosphère) totalement identiques, ce qui est très important pour établir des corrélations entre les informations données par les deux type de mesures dans le cas de matériaux complexes ou de conditions extrêmes.

Le CRMHT a développé tout un ensemble d'équipements permettant d'effectuer, dans la gamme des très hautes températures, des expériences combinées d'absorption et de diffraction des rayons X afin d'étudier les propriétés structurales à courte et à moyenne distances d'une grande variété d'oxydes et de sels fondus. La chambre construite pour la ligne utilise un système de lévitation aérodynamique conjugué à un chauffage par laser qui permet d'atteindre 3000°C .
Ces études présentent des aspects fondamentaux mais aussi un intérêt pour des applications technologiques ou des procédés industriels :
Etudes structurales sur des oxydes à l'état fondu

L’état fondu intervient dans de nombreux procédés d’élaboration de matériaux performants rencontrés dans l’industrie de haute technologie ou de grande consommation (verres, ciments, céramiques…etc).
Le rayonnement synchrotron est un outil complémentaire des autres techniques utilisées au CRMHT comme la diffusion de neutrons ou la RMN.

Changement de phases et mécanismes de fusion

L'objectif est d’étudier les réactions de frittage et les mécanismes de fusion de mélanges d'oxydes, utilisés notamment dans l'industrie verrière, dans une gamme de température allant de l'ambiante jusqu'à 1800°C, avec des temps d’acquisition de l’ordre de la milliseconde. Il s'agit d'un problème très important tant sur le plan industriel (homogénéité des verres, problèmes de moussage, inclusions…) que sur le plan fondamental.

Propriétés structurales et dynamiques dans les sels fondus

Les procédés de traitement pyrochimique consistent à extraire ou élaborer des matériaux à haute température (notamment métaux ou alliages), en milieu sels fondus. On retrouve aussi les avantages de ces techniques pour le recyclage des déchets nucléaires qui est une des préoccupations du GDR PRACTIS, dans lequel le CRMHT s'est activement impliqué.
Les études expérimentales (EXAFS principalement) se feront de la température ambiante jusqu'à la fusion (chauffage laser) et nécessiteront l'élaboration d'une cellule particulièrement adaptée aux problèmes de volatilité et de réactivité de ces matériaux.

Etudes structurales sur les métaux purs et alliages métalliques liquides

Le développement de techniques alternatives de lévitation (lévitation électromagnétique) en complément de la lévitation aérodynamique doit permettre d’étendre ces études aux échantillons métalliques. L’objectif du CRMHT est donc de concevoir, de réaliser et de tester les performances d’une cellule spécifique dédiée à l’analyse de métaux liquides, combinant EXAFS et diffusion des rayons X. Ce dispositif sera mis à la disposition de l’ensemble de la communauté des métallurgistes.

L’exploration de l’espace réciproque, en particulier dans la géométrie d’incidence rasante est particulièrement importante pour la caractérisation fine des structures et corrélations, à l’échelle du nanomètre, intervenant au voisinage des surfaces et interfaces dans de nombreux domaines de recherche fondamentale et appliquée.
Propriétés mécaniques des films minces et revêtements de surface
Les couches minces et traitements de surface intéressent divers secteurs industriels: microélectronique, industrie automobile et recherche biomédicale. La tenue mécanique de ces systèmes à l’élaboration et/ou lors de sollicitations ultérieures (corrosion ou frottement par exemple) conditionne leurs applications futures. L’analyse du déplacement de la position d’un pic de diffraction renseigne sur les macro-déformations ou macro contraintes alors que l’analyse du profil permet de remonter aux micro-déformations ou micro-contraintes dans chacune des phases présentes dans ces films d’interface souvent polyphasés.

Structure des interfaces électrochimiques à l'échelle atomique.

Une spécificité de l'interface électrochimique est de permettre le contrôle précis de la nature et de la cinétique des réactions, par l'intermédiaire du potentiel appliqué. Cette faculté unique rend les mesures in-situ résolues en temps extrêmement intéressantes.
Des études sur différents systèmes ont montré l’intérêt d’associer des techniques de microscopie en champ proche (STM/AFM) et de rayons X :

• Couches magnétiques ultra minces Ni, Co et Fe/Au(111) 
• Fonctionnalisation des surfaces de Si(111) par greffage de monocouches moléculaires : ces interfaces hybrides ouvrent des perspectives prometteuses dans le domaine de la nanoélectronique et des capteurs biologiques.

Cette thématique est le fruit d’un travail de développement qui a débuté il y a près de dix ans à LURE et qui regroupe quatre équipes, réunies maintenant avec d’autres groupes travaillant dans le domaine de la synthèse haute température au sein d’un GDR. La problématique centrale et originale du groupe consiste à comprendre le rôle des divers paramètres impliqués dans les procédés SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis) afin de les contrôler pour conduire à l’élaboration, en une seule étape, de matériaux nanostructurés difficilement synthétisables par les procédés conventionnels de métallurgie des poudres (oxydes supraconducteurs, aluminures et siliciures métalliques..). Un temps d’acquisition inférieur à la milliseconde est indispensable pour suivre ces phénomènes

Les études se rapportant à la catalyse déjà importantes sur H10 entre autre autour des programmes financés par l’IFP (catalyseurs zéolithes étudiés en diffraction anomale à 4 keV au seuil K du calcium par exemple) vont se poursuivre lors du transfert de la ligne vers SOLEIL. Il y a de manière plus large un besoin de la communauté de la catalyse d’utiliser le couplage entre diffraction et plus particulièrement diffraction anomale avec d’autres techniques comme la spectroscopie d’absorption (également faisable sur Diff/Abs) et la spectroscopie infrarouge. Une proposition de développement de cellules d’expériences spécifiques est incluse dans le projet de ligne.

EXAFS sur des agrégats ; EXAFS en incidence rasante sur des espèces sorbées ; EXAFS utilisant la polarisation linéaire du faisceau
L’intérêt essentiel de DIFF/ABS par rapport à d’autres lignes de spectroscopie d’absorption sur SOLEIL est la possibilité de contrôler précisément l’incidence du faisceau par des mesures de réflectivité, et de pouvoir ainsi travailler près de l’angle critique de réflexion totale. Pour les mesures en fonction de la polarisation sur monocristaux, l’utilisation du diffractomètre 4 cercles est nécessaire, d’une part pour vérifier la structure et l’orientation de l’échantillon et d’autre part pour contrôler cette orientation par rapport à la polarisation. Ces expériences bénéficieront beaucoup de l’utilisation d’un détecteur de fluorescence multiélément .
DAFS (Diffraction Anomalous Fine Structures)

Le flux plus important sur SOLEIL devrait permettre d’effectuer des mesures de DAFS avec une excellente statistique. Notons cependant qu’un détecteur ponctuel adapté à la gamme d’intensité 10⁵ – 10⁶ c/s est indispensable. A titre d’exemple, des résultats importants ont été obtenus sur H10 sur les phases épitaxiées métastables de siliciures mixtes de Fe et Co.

L’option de microfocalisation avec deux miroirs en géométrie de Kirkpatrick-Baez, permettrait de concentrer environ 10¹⁰ photons dans 10x10 mm² et serait un plus pour de nombreux exemples cités plus haut.

Proposal 15 (H10 beamline at LURE-DCI)
The SAC recommends the transfer of the beamline on a bending magnet.
There is a growing demand for experiments coupling absorption and diffraction. The project is supported by good laboratories both in France and abroad and the users community is large. The scientific case puts emphasis on the high temperature field where the specificity of this beamline (absorption and diffraction on the same sample with the same spot) is of prime importance.

The SAC recommendations are :

• focus only on experiments where both techniques are needed at the same time and on the same sample. Good coordination between this beamline and the other X-ray absorption or diffraction beamlines should be organised.
• Optimise the sample environment which is really the great asset of this proposal. The strong involvement of the CRMHT in this beamline is very valuable and should allow to focus a substantial part of the BL activities on high temperature experiments.
• This beamline is well suited for DAFS experiments which should be developed. However, the number of experimental techniques installed at the end station must not be too many. It is not recommended to develop surface diffraction, microdiffraction and micro EXAFS on this beamline.

La direction de SOLEIL demande l’aval du Conseil pour le transfert de la ligne H10 sur un aimant de courbure de SOLEIL. Dans cette opération l’investissement sera porté sur la rénovation de la station expérimentale : diffractomètre, environnement échantillon et détecteurs ce qui permettra de garantir les meilleures performances dans le domaine d’excellence de la ligne. Dans le contexte général des lignes qui seront dédiées à l’étude des propriétés des matériaux, la réalisation d’expériences couplées de diffraction et absorption sur une gamme étendue de températures allant jusqu’à plusieurs milliers de degrés sera l’exclusivité de la ligne transférée
Le détail du financement et du mode de répartition du temps de faisceau sera fonction de la convention en cours d’élaboration avec la Région Centre.