Дисертації з теми "Défauts de radiation"

Nous présentons une modélisation quantitative de la redistribution des défauts ponctuels (DPs) et de la ségrégation induite par irradiation (SII) sur les défauts étendus, dans des alliages modèles dilués Ni(B ≡ Ti, Cr) et Fe(B ≡ P, Mn, Cr, Si, Ni, Cu). Le changement de composition chimique au voisinage des défauts étendus joue un rôle décisif sur l’évolution de la microstructure et les propriétés mécaniques d’un matériau. L’irradiation génère des défauts ponctuels, qui diffusent en s’échangeant avec les atomes voisins, s’annihilent en se recombinant entre eux ou en interagissant avec des défauts étendus (qui agissent comme des puits de DPs). Les flux de DPs vers les puits induisent des flux atomiques dans le même sens ou le sens opposé des flux de DPs, produisant ainsi la SII aux puits. Nous étendons la théorie de champ moyen auto-cohérent aux déplacements atomiques forcés (DAF), mécanismes de diffusion athermiques générés par une cascade de déplacements sous irradiation. L’implémentation de nos développements théoriques dans le code KineCluE, nous permet de calculer les flux de DPs et d’atomes, et leurs couplages. A partir du calcul des flux en fonction de la température, de la composition, et du champ de déformation ; et d’un traitement de type cinétique chimique des réactions de production et d’annihilation des DPs, nous obtenons les profils stationnaires de SII. Dans chacun des régimes cinétiques particuliers pour lequel, l’une des réactions des DPs domine par rapport aux autres, nous obtenons les expressions analytiques des profils stationnaires des DPs et solutés sur les puits planaires. Pour rendre compte de l’effet du champ de déformation généré par une dislocation coin sur la SII et sur les taux d’élimination des DPs sur la dislocation, nous résolvons numériquement les équations d’élastodiffusion. A partir d’une base de données ab initio des énergies de liaison, des dipôles élastiques, et des fréquences d’échange atome-DP dans, nous réalisons une étude systématique des effets de la microstructure et des conditions d’irradiation sur les propriétés de diffusion, les taux d’élimination des DPs aux puits, et la SII. Nous montrons que : (i) les boucles de dislocations sont enrichies en Ni dans Fe(Ni) et appauvries en Ti dans Ni(Ti), et les quantités ségrégées sont en bon accord avec les valeurs expérimentales mesurées dans les alliages modèles Fe(Ni) et Ni(Ti) irradiés aux ions ; (ii) à fort flux, basse température, et grande force de puits de la microstructure, les évènements DAF réduisent sensiblement la SII, tout particulièrement dans les alliages base Ni ; (iii) les décalages en température calculés pour simuler les effets d’une irradiation aux neutrons par une irradiation aux ions, peuvent être très différents selon le phénomène induit par irradiation que l’on étudie, le régime cinétique dans lequel le système évolue, et la nature chimique de l’alliage étudié ; (iv) l’interaction entre les DPs et les atomes de soluté modifie le facteur de biais d’absorption entre lacunes et interstitiels d’une dislocation coin. Ainsi l’ajout de Ni produit un biais négatif alors que l’ajout de Mn augmente le facteur de biais (jusqu’à 200% de la valeur dans Fe pur sous contrainte), suivant la température et la composition ; (v) la contrainte augmente significativement la quantité de la ségrégation de soluté dans Fe(Ni) (par exemple, 400% de la valeur sans élasticité à 400K), et change le signe de la SII dans Fe(Cr)
We present a quantitative modeling of the point-defect (PD) redistribution and solute radiation-induced segregation (RIS) at extended defects in dilute Ni(B ≡ Ti, Cr) and Fe(B ≡ P, Mn, Cr, Si, Ni, Cu) alloys. The change in chemical composition, in the vicinity of extended defects, plays a decisive role on the evolution of the microstructure and mechanical properties of materials. Irradiation produces PDs, that diffuse by exchanging with neighboring atoms, annihilate by mutual recombination or by interacting with extended defects (that act as PD sinks). The fluxes of PDs towards sinks lead to atomic fluxes in the same or opposite direction of the PD flux; thereby producing RIS at sinks. We extend the self-consistent mean-field theory to forced atomic relocations (FARs), athermal diffusion mechanisms generated by displacement cascades under irradiation. The implementation of the extended theory in the KineCluE code allows us to compute PD and atomic fluxes, and their couplings. From the calculation of fluxes as a function of temperature, composition, and strain field; and a mean-field treatment of the production and annihilation reactions of PDs, we obtain the steady-state RIS profiles. In each of the particular kinetic regimes for which one of the PD reactions dominates over the others, we derive analytical expressions of steady-state profiles of PDs and solute atoms at planar sinks. To account for the effect of strain generated by an edge dislocation on the RIS and PD elimination rates, we numerically solve the elastodiffusion equations. Based on an ab initio database of binding energies, elastic dipoles, and atom-PD exchange frequencies, we perform a systematic study of the effects of the microstructure and irradiation conditions on diffusion properties, PD elimination rates at sinks, and RIS. We show that: (i) the dislocation loops are enriched in Ni in Fe(Ni) and depleted in Ti in Ni(Ti), and the calculated amounts of RIS are in good agreement with the experimental values measured in model Fe(Ni) and Ni(Ti) alloys irradiated by ions; (ii) at high flux, low temperature, and high sink strength, forced atomic relocations significantly reduce RIS, especially in Ni-based alloys; (iii) the temperature shifts calculated to simulate the effects of neutron irradiation by ion irradiation can be very different depending on the radiation-induced phenomenon, the kinetic regime in which the system evolves, and the chemical nature of the investigated alloy; (iv) the interactions between PDs and solute atoms change the absorption bias between vacancies and interstitials of an edge dislocation, as for instance, the addition of Ni leads to a negative bias while the addition of Mn increases the bias factor (up to 200% of the strained pure Fe value), depending on temperature and composition; (v) the dislocation strain field significantly increases Ni RIS (e.g., about 400% of the strain-free value at 400K) in Fe(Ni), and changes the sign of RIS in Fe(Cr)

Lors de l’irradiation en réacteur, des gaz de fission tels que le xénon et le krypton sont produits. Ces gaz diffusent dans le combustible, mais peuvent également précipiter sous forme de bulles. En outre,les réactions de fission conduisent à la formation de défauts ponctuels (lacunes ou interstitiels) et sous forme d’amas (dislocations ou cavités). L’obtention de données expérimentales sur la migration des gaz de fission en présence de défauts est nécessaire afin d’améliorer la compréhension et la modélisation du comportement du combustible sous irradiation. La démarche mise en place dans ce travail a pour objectif d’étudier la diffusion thermique des gaz et de comprendre leur interaction avec les défauts d’irradiation. Elle repose sur la réalisation d’études à effets séparés couplant des irradiations/implantations aux ions à des techniques de caractérisation fines. La Spectroscopie d’Annihilation des Positons (SAP) complétée par la Microscopie Electronique en Transmission (MET)permet de caractériser les défauts (ponctuels et/ou sous forme d’amas) générés par l’irradiation et de suivre leur évolution en température. En parallèle, la modélisation des cinétiques de relâchement des gaz rares mesurées par désorption thermique couplée à la spectrométrie de masse, permet d’obtenir les coefficients de diffusion des gaz et de mettre en lumière les phénomènes de piégeage opérants. La synthèse de ces résultats expérimentaux nous amène à identifier les mécanismes de migration des gaz et à décrire leurs interactions avec les défauts d’irradiation
During in-reactor irradiation, fission gases such as xenon or krypton are produced. In the fuel, those gases diffuse and precipitate to form bubbles. In addition, fission reactions induce small defects(vacancies and interstitials) and larger defects (cavities and dislocations) formation. Data acquire menton fission gases migration considering radiation-induced defects is thus necessary to better understand and improve models of in-pile fuel behavior. The experimental approach developed in this work aims to study thermal diffusion of rare gases and to understand their interaction with radiation-induced defects.To do this, separated effect studies were performed coupling ion implantations/irradiations to fine characterization techniques. Positron Annihilation Spectroscopy (PAS) coupled to Transmission Electron Microscopy (TEM) observations allows for defects characterizations (vacancies and/or cavities induced by ion implantation) and for their thermal behavior study. On the other hand, gas release measurements are performed by thermal desorption spectrometry. Simulation of gas kinetic release allows to determine diffusion coefficients and to lighten trapping mechanisms. The synthesis of those various experimental results brings us to identify gas migration mechanism and to describe their interaction with radiation-induced defects

L'environnement spatial est constitué de particules énergétiques comme les protons ou les électrons qui produisent dans le matériau des déplacements atomiques responsables de la dégradation des propriétés électriques des composants embarqués. Habituellement, pour prédire les dégradations subit d’un composant en fin de mission, et dire si il vérifie les spécifications en vigueur, on utilise la « dose équivalente de dommage» qui est déduite du pouvoir d'arrêt nucléaire (NIEL : Non Ionizing Energy Loss). Dans certains cas, ces méthodes de prédictions qui dépendent de la précision sur les NIEL, montrent leurs limites, notamment pour les électrons. Nous proposons dans ce travail, un nouveau modèle de NIEL qui intègre aux hypothèses de calculs classiques de nouveaux phénomènes physiques. Ce modèle a été validé par comparaison à des dégradations mesurées sur des composants irradiés (concentration de défauts, courants parasites).

Ce mémoire se compose de deux parties, la première consacrée à l'étude des processus multiphotoniques se produisant dans des fibres optiques fortement dopées avec des ions er3+ et yb3+, et la seconde à l'étude des défauts induits par différents traitements dans des fibres germanosilicates. En étudiant la spectroscopie d'émission des fibres fortement dopées, sous excitations visibles (488 nm) et infrarouge (790 - 880 nm), nous mettons en évidence les différents mécanismes aux émissions bleues, vertes et rouge observées. Deux principaux types de processus d'up - conversion peuvent alors être distingués : ceux faisant appel aux transferts d'énergie Yb er et ceux faisant intervenir le phénomène d'absorption dans l'état excité (ESA). L'influence de la longueur de fibre et des concentrations en ions de terre rare sur les efficacités respectives de chacun de ces deux mécanismes est ensuite abordée. Après une présentation bibliographique des différents défauts dans la silice et les fibres germanosilicates, nous présentons le phénomène appelé dépendance modale du spectre d'émission d'une fibre optique, c'est-à-dire la variation du spectre d'émission d'une fibre en fonction du mode excité. L'évolution avec la température d'une bande d'émission centrée autour de 600 nm nous permet ensuite d'attribuer cette émission à des radicaux péroxys. Nous montrons alors que ces radicaux péroxys peuvent être photoinduits dans le CUR des fibres par irradiation intense à 488 nm. Enfin, nous étudions par spectroscopie Raman et spectroscopie d'émission les défauts générés dans deux types de fibres germanosilicates irradiées à 240 nm. Une technique de filtrage spatial du mode excité permet alors de séparer les défauts photoinduits dans le CUR de ces fibres de ceux localisés près de l'interface CUR/gaine

Les particules énergétiques sont souvent impliquées dans les activités de la société moderne. Ils ont contribué à l'essor de l'industrie des semi-conducteurs et pourront à l'avenir jouer un rôle important dans la mise en forme des matériaux de manière contrôlée. Cependant, leur nature énergétique pose de grands défis. Ainsi, il est essentiel d'avoir une compréhension globale des mécanismes sous-jacents des défauts induits par l'irradiation et des changements microstructuraux associés. Expérimentalement, les effets induits par l'irradiation peuvent être suivis par des techniques de caractérisation telles que la rétrodiffusion de Rutherford en mode canalisé (RBS/C) et la diffraction des rayons X (XRD), pour ne citer que ces deux car elles sont extrêmement sensibles aux perturbations au sein des cristaux. Cependant, il n'est pas aisé d'établir un lien clair entre le résultat de la mesure et la quantité et la nature des défauts, et ce lien est généralement fait à partir de modèles phénoménologiques. Dans ce travail de thèse, afin de faire face à ce problème, nous avons couplé modélisations à l'échelle atomique et simulations de signaux de RBS/C et XRD. La première étape a consisté à améliorer un code de simulation RBS/C récemment développé qui peut générer des signaux à partir de structures atomiques. En modifiant les algorithmes décrivant les interactions ion-solide et en ajoutant de nouvelles fonctionnalités, nous avons amélioré la flexibilité du code et son applicabilité à différents types de matériaux. Par la suite, nous avons utilisé le code RBS/C amélioré avec un code pour la DRX, lui aussi utilisant les données de structures atomiques. Avec ces signaux, nous avons extraits des paramètres de désordre et de déformation élastique et nous avons déterminé les cinétiques d'évolution associées et ce, pour un matériau modèle, à savoir UO2. Les défauts d'irradiation ont été générés par dynamique moléculaire (MD) avec la technique de l'accumulation de paires de Frenkel. Les cinétiques issues des modélisations présentent un accord qualitativement étroit avec celles déterminées expérimentalement, indiquant la validité de la méthodologie utilisée. La décomposition des cinétiques modélisées a permis de décrire de façon quantitative l'évolution des différents de types de défauts. Enfin, nous avons calculé les signaux RBS/C et XRD à partir de cellules modèles de Fe produites par MD et contenant chacune un type de défauts à une concentration donnée, les deux informations étant connues. Une comparaison claire du désordre et de la déformation élastique induits par les différents types de défauts dans Fe a été faite. La relation entre le rendement RBS/C et l'énergie des ions sonde a également été étudiée et la dépendance en énergie, fonction de la nature des défauts, a été établie. L'approche globale utilisée dans ce travail doit désormais être étendue et testée dans d'autres matériaux
Energetic particles are involved in many activities of modern society. They constitute a significant aspect of the semiconductor industry and may play important role in shaping materials in a controllable way in the future. However, their energetic nature also poses grand challenges, especially in the nuclear industry. Thus, it is crucial to have a comprehensive understanding of the underlying mechanisms of irradiation-induced defects and the associated microstructural changes. Experimentally, irradiation-induced effects can be monitored by characterization techniques including, but not limited to, Rutherford backscattering spectrometry in channeling mode (RBS/C) and X-ray diffraction (XRD), because they are extremely sensitive to changes in the crystalline structure. However, it is not straightforward to establish a clear link between the characterization results and the defect quantity and nature, and this connection is usually made according to simple phenomenological models. In this thesis work, in order to cope with this problem, we performed RBS/C and XRD atomic-scale modelling. The first step was to improve a recently developed RBS/C simulation code that can generate RBS/C signals from arbitrary atomic structures. By modifying the algorithms describing ion-solid interactions and adding new features, we enhanced the flexibility of the code and its applicability to different types of materials. Subsequently, we employed the improved RBS/C code with a XRD program to compute disordering and elastic strain kinetics of a model material, namely UO2, as a function of irradiation fluence. Radiation defects in UO2 were simulated by molecular dynamics (MD) calculations. Both the strain and disordering kinetics exhibit qualitatively close agreement with those determined experimentally, indicating the validity of the used methodology. The decomposition of the kinetics was performed in order to study the effect of each defect separately, which enables a quantitative description of the disordering and strain build-up processes. Finally, we computed RBS/C and XRD signals from Fe MD cells, each of which contains one single type of defects. A clear comparison of disorder and elastic strain induced by different types of defects in Fe was made. The relation between RBS/C yield and He energy was also studied using the Fe MD cells, which shows dependency with defect types. The global approach used in this work has the hope to be extended and tested in more materials

Dans les réacteurs à eaux pressurisée, les internes de cuve sont soumis à d’intenses irradiations induisant le mécanisme de corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation initié par le phénomène de ségrégation induite par l’irradiation (SIR). La SIR observée dans les aciers austénitiques 316 est modélisée à l’échelle atomique en considérant un alliage ternaire modèle Fe–10Ni–20Cr. Pour atteindre cet objectif, nous avons construit un modèle d’interactions de paires pour le système Fe-Ni-Cr afin de modéliser la SIR par méthodes Monte Carlo. Le modèle d’interactions de paires fut déduit à la fois des calculs DFT (Density Functional Theory) disponibles dans les systèmes pures cubiques faces centrées, mais aussi en effectuant des calculs DFT dans l’alliage Fe–10Ni–20Cr. Les énergies de formation calculées dans cet alliage modèle dépendent fortement de l’environnement local des défauts ponctuels. Nous avons pu ainsi établir une relation liant ces énergies au nombre et à la position des atomes de Ni et de Cr se trouvant à proximité des défauts ponctuels. Dans cette étude, nous montrons qu’un modèle d’interactions de paires uniquement basé sur les interactions entre éléments positionnés sur les sites du réseau (éléments d’alliage et lacune) est incapable de prendre en compte seul à la fois les aspects thermodynamiques et cinétiques de la SIR. Une estimation plus précise des barrières de migration est requise pour les espèces migrantes que celle proposée qui ne prend pas en compte l’environnement du point col. Ce travail montre ainsi qu’il est nécessaire de réaliser des calculs DFT des énergies de migration afin d’être en mesure de calibrer un modèle utilisable dans le cadre de simulations de Monte Carlo cinétique atomique. Nous montrons également que l’ajustement de notre modèle sur les données DFT obtenues pour les interstitiels est incompatible avec la modélisation de la SIR aux électrons
In pressurized water reactors, under irradiation internal structures are subject of irradiation assisted stress corrosion cracking which is influenced by radiation induced segregation (RIS). In this work RIS of 316 stainless steels is modelled considering a model ternary Fe–10Ni–20Cr alloy. For this purpose we have built an Fe-Ni-Cr pair interaction model to simulate RIS at the atomistic level using an atomistic kinetic Monte Carlo approach. The pair interactions have been deduced from density functional theory (DFT) data available in the pure fcc systems but also from DFT calculations we have performed in the Fe–10Ni–20Cr target alloy. Point defect formation energies were calculated and found to depend strongly on the local environment of the defect. As a consequence, a rather good estimation of these energies can be obtained from the knowledge of the number and respective positions of the Ni and Cr atoms in the vicinity of the defect. This work shows that a model based only on interaction parameters between elements positioned in perfect lattice sites (solute atoms and vacancy) cannot capture alone both the thermodynamic and the kinetic aspect of RIS. A more accurate of estimating the barriers encountered by the diffusing species is required than the one used in our model, which has to depend on the saddle point environment. This study therefore shows thus the need to estimate point defect migration energies using the DFT approach to calibrate a model that can be used in the framework of atomic kinetic Monte Carlo simulations. We also found that the reproduction by our pair interaction model of DFT data for the self-interstitial atoms was found to be incompatible with the modelling of RIS under electron irradiation

Nous avons étudié la sensibilité des fibres dopées erbium (EDF) sous irradiation et les défauts induits par celle-ci. Le premier chapitre présente l'état de l'art sur les EDF sous irradiations ainsi que des défauts générés dans la silice par les radiations. Le deuxième chapitre précise les types de radiations utilisés et les moyens expérimentaux mis en oeuvre pour caractériser les réponses des fibres sous irradiation ainsi que les défauts à l'origine des pertes. Dans le troisième chapitre, nous présentons la réponse de plusieurs fibres dopées erbium irradiées aux rayons γ, protons et rayons X pulsés. Les fibres dopées erbium et aluminium présentent des pertes induites par radiation plus élevées que les fibres classiques de transmission des télécommunications (SMF28) ou celles dopées erbium avec peu d'aluminium. La présence de l'aluminium dans la composition du coeur des fibres dopées erbium est en grande partie responsable des pertes induites. Quelque soit le type d'irradiation, les défauts créés par l'irradiation sont liés à la matrice hôte. Nos études montrent aussi que l'erbium n'est affecté qu'à travers son interaction avec les défauts créés. Le quatrième chapitre traite des EDF sous insolation UV et montre que les UV conduisent aux mêmes effets que les rayons γ. Le dernier chapitre présente, quant à lui, l'étude des amplificateurs optiques sous irradiation γ.

Dans les réacteurs à eaux pressurisée, les internes de cuve sont soumis à d’intenses irradiations induisant le mécanisme de corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation initié par le phénomène de ségrégation induite par l’irradiation (SIR). La SIR observée dans les aciers austénitiques 316 est modélisée à l’échelle atomique en considérant un alliage ternaire modèle Fe–10Ni–20Cr. Pour atteindre cet objectif, nous avons construit un modèle d’interactions de paires pour le système Fe-Ni-Cr afin de modéliser la SIR par méthodes Monte Carlo. Le modèle d’interactions de paires fut déduit à la fois des calculs DFT (Density Functional Theory) disponibles dans les systèmes pures cubiques faces centrées, mais aussi en effectuant des calculs DFT dans l’alliage Fe–10Ni–20Cr. Les énergies de formation calculées dans cet alliage modèle dépendent fortement de l’environnement local des défauts ponctuels. Nous avons pu ainsi établir une relation liant ces énergies au nombre et à la position des atomes de Ni et de Cr se trouvant à proximité des défauts ponctuels. Dans cette étude, nous montrons qu’un modèle d’interactions de paires uniquement basé sur les interactions entre éléments positionnés sur les sites du réseau (éléments d’alliage et lacune) est incapable de prendre en compte seul à la fois les aspects thermodynamiques et cinétiques de la SIR. Une estimation plus précise des barrières de migration est requise pour les espèces migrantes que celle proposée qui ne prend pas en compte l’environnement du point col. Ce travail montre ainsi qu’il est nécessaire de réaliser des calculs DFT des énergies de migration afin d’être en mesure de calibrer un modèle utilisable dans le cadre de simulations de Monte Carlo cinétique atomique. Nous montrons également que l’ajustement de notre modèle sur les données DFT obtenues pour les interstitiels est incompatible avec la modélisation de la SIR aux électrons
In pressurized water reactors, under irradiation internal structures are subject of irradiation assisted stress corrosion cracking which is influenced by radiation induced segregation (RIS). In this work RIS of 316 stainless steels is modelled considering a model ternary Fe–10Ni–20Cr alloy. For this purpose we have built an Fe-Ni-Cr pair interaction model to simulate RIS at the atomistic level using an atomistic kinetic Monte Carlo approach. The pair interactions have been deduced from density functional theory (DFT) data available in the pure fcc systems but also from DFT calculations we have performed in the Fe–10Ni–20Cr target alloy. Point defect formation energies were calculated and found to depend strongly on the local environment of the defect. As a consequence, a rather good estimation of these energies can be obtained from the knowledge of the number and respective positions of the Ni and Cr atoms in the vicinity of the defect. This work shows that a model based only on interaction parameters between elements positioned in perfect lattice sites (solute atoms and vacancy) cannot capture alone both the thermodynamic and the kinetic aspect of RIS. A more accurate of estimating the barriers encountered by the diffusing species is required than the one used in our model, which has to depend on the saddle point environment. This study therefore shows thus the need to estimate point defect migration energies using the DFT approach to calibrate a model that can be used in the framework of atomic kinetic Monte Carlo simulations. We also found that the reproduction by our pair interaction model of DFT data for the self-interstitial atoms was found to be incompatible with the modelling of RIS under electron irradiation

Dans le cadre de l’entreposage et du stockage des colis de déchets nucléaires et du transport de combustibles usés, nous nous sommes intéressés par l’étude de la production d’hydrogène de deux produits de corrosion de l’aluminium : l’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3) et l’oxyhydroxyde d’aluminium (AlO(OH)).La production du dihydrogène par irradiation de ces matériaux a été étudiée en fonction de la taille et de la structure que ce soit à température ambiante ou après. Afin d’avoir une meilleur compréhension des mécanismes de production de ce gaz, les défauts créés par irradiation ont été caractérisés en utilisant la Résonnance Paramagnétique Electronique (RPE). Différentes sources d’irradiation ont été utilisées comme le rayonnement Gamma, les électrons accélérés et les ions lourds. Dans un second temps, l’effet de l’hydratation de surface des matériaux a été également étudié. Enfin, l’effet de la présence d’impuretés sur la production de H2 a été brièvement étudié
Dihydrogen production is a critical issue for the current management of nuclear wastes. One potential source of hydrogen generation is the radiolysis of hydrated mineral phases encountered in the nuclear waste transportation and storage casks. We chose to study aluminum hydroxide (Al(OH)3) (Bayerite) and oxyhydroxides (AlOOH) (Boehmite) as model compounds. The determination of molecular hydrogen production was evaluated with respect to structure and particle size at room temperature and after annealing. In order to have a better understanding of the mechanisms and to identify the precursors of molecular hydrogen, we studied the irradiation defects and their stabilities using Electron Paramagnetic Resonance (EPR). The effect of adsorbed water and structural water on the molecular hydrogen production was studied. Different radiation sources were used such as Gamma radiation, electron beam radiations and heavy ions. In the last part, preliminary results related to the impact of impurities on hydrogen production are presented

Ce travail de thèse propose une étude sur la modification des propriétés des composés vitreux dopés par des ions Yb3+, à travers des variations de composition, de traitements thermiques ou par rayonnement ainsi que par immersion en milieu aqueux. De nouveaux verres/vitrocéramique type oxyfluorophosphate dopés Yb3+ ont été développés et caractérisés pour obtenir des informations fondamentales sur la cristallisation. L’étude propose également le développement de fibres bioactives cylindriques et rectangulaires à base de verre borosilicate dopées et non dopées constituant respectivement le cœur et la gaine de la fibre. La stabilité de ces fibres en milieu aqueux est suivie en fonction de la géométrie. Cette étude fournit également des informations sur la résistance aux défauts en fonction de la nature du réseau et sur le développement de nouvelles fibres bioactives, dont l’émission pourrait être utilisée pour suivre la dissolution de la fibre dans le milieu aqueux. Cette étude contribue à une meilleure compréhension fondamentale sur la façon dont les modifications de composition et les processus thermiques / de rayonnement peuvent moduler les paramètres de performance des matériaux vitreux dopés par des ions Yb3+
This thesis studies the modification of the properties of glass compounds doped with Yb3+ ions, through variations in composition, thermal or radiation treatments as well as by immersion in aqueous medium. New Yb3+ doped oxyfluorophosphate glass/glass-ceramics have been developed and characterized to obtain fundamental information on crystallization. The study also proposes the development of cylindrical and rectangular bioactive fibers based on doped and non-doped borosilicate glass constituting the core and the clad of the fiber respectively. The stability of these fibers in aqueous medium is monitored according to the geometry. This study also provides information on resistance to defects depending on the nature of the network and on the development of new bioactive fibers, the emission of which could be used to follow the dissolution of the fiber in aqueous medium. This study contributes to a better fundamental understanding of how composition changes and thermal/radiation processes can modulate the performance parameters of glass materials doped by Yb3+ ions

L'etude porte sur la preparation et la caracterisation de materiaux isolants: les oynitrures de silicium amorphes a faible contenu en hydrogene. Nous deposons ces materiaux a basse temperature (380c) par la technique pecvd et obtenons des couches minces d'environ 300 nm. Trois gaz reactifs sih#4, n#2o et n#2 sont utilises en dilution avec de l'helium. Nous choisissons nos conditions experimentales pour que les materiaux aient une composition qui varie du nitrure jusqu'a l'oxyde de silicium et pour qu'ils contiennent peu de liaisons si-si et peu d'hydrogene. Une etude speciale est consacree aux effets du taux de dilution he/sih#4 par l'helium. Le taux d'incorporation de l'hydrogene, mesure par spectroscopie infra-rouge, est inferieur a 10%. Il s'effectue sous forme de liaisons n-h et dans une moindre mesure si-h. La vitesse de gravure est fortement influencee par la composition. Cote nitrure, elles est tres faible et comparable a celle mesuree dans le nitrure lpcvd ; cote oxyde elle augmente fortement et se situe a 30% au dessus de la vitesse de gravure de sio#2 thermique sec. L'accroissement de la dilution a l'helium fait decroitre la densite si-h ; fait decroitre la densite n-h jusqu'a la dilution 25 et la fait croitre au dela ; fait decroitre la vitesse de gravure. Les defauts ponctuels sont etudies par la resonance paramagnetique electronique (rpe) a basse temperature. Les densites de centres paramagnetiques dans les couches sont estimees a 5 10#1#7cm#-#3. Le photo-accroissement du signal rpe, apres illumination jusqu'a saturation a l'aide d'un spectre vuv, est trouve a environ 7 10#1#8cm#-#3. Un modele numerique de simulation des signaux rpe de centres a symetrie axiale est developpe pour ajuster les courbes experimentales et pour trouver les valeurs des tenseurs g et a. Deux types de defauts ponctuels sont identifies: l'un sur l'atome de silicium (sidb) et l'autre sur l'atome d'azote (n#x). Ce dernier presentant une localisation a 60% de la densite electronique sur l'azote. L'identification d'un nouveau defaut n#x et son assimilation au radical nitroxide constitue l'originalite de ce travail

Nous avons etudie les defauts dans des quasicristaux d'al-pd-mn a symetrie icosaedrique, en utilisant les nouvelles possibilites de l'imagerie aux rayons x associees aux proprietes des sources synchrotron de 3#e#m#e generation. Nous avons observe par imagerie de fresnel (radiographie et microtomographie en contraste de phase) des heterogeneites, trous et precipites, dans le volume des grains. Les trous ont des tailles et des distances discretes. Les topographies aux rayons x ont montre des contrastes a deux lobes et des objets complexes avec un contraste sous forme de boucles (boucles). Nous avons observe que les recuits a haute temperature (750 c) effectues sur les grains peuvent produire la formation de precipites lamellaires, cristallins et pauvres en pd. Ils se developpent au fur et a mesure que l'on recuit les echantillons pres des surfaces ou des trous presents dans l'echantillon. La topographie combinee avec l'imagerie de fresnel a permis d'etablir une correlation entre les defauts structuraux et les heterogeneites dans les grains bruts de croissance ou apres recuit. Des experiences topographiques in situ, dans un four, ont montre que les boucles ont un comportement inhabituel par rapport aux defauts cristallins, le contraste variant de maniere reversible lors de recuits courts. Les images enregistrees pendant des longs recuits (plusieurs heures) montrent une augmentation irreversible de la taille et densite de ces boucles. Ces defauts n'ont jamais ete observes a une echelle plus petite, par met, qui ne montre que des lignes de dislocation qui n'evoluent pas en fonction de la temperature. La simulation d'images, un outil puissant pour l'interpretation des topographies, nous a permis de donner une premiere interpretation a une partie des contrastes observes dans les grains quasicristallins examines.

En France, les matériaux à base de ciment sont utilisés comme matrice de conditionnement des déchets nucléaires de faible et moyenne activité. La radiolyse de l'eau est due aux déchets nucléaires stockés dans les matériaux. La formation de ses produits radiolytiques tels que le gaz H₂ doit être évaluée pour des raisons de sécurité. Les silicates de calcium hydratés (C-S-H) représentent le principal produit (50%) d'hydratation du ciment Portland (CP). L’objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes radiolytiques de la production d'hydrogène dans les C-S-H, d'étudier l'effet d'impuretés (telles que des ions alcalins, hydroxydes ou nitrates supplémentaires) sur la production de gaz H₂ dans les C-S-H et d'examiner l'existence d'interactions entre les phases principales (C-S-H et portlandite) du ciment Portland. Après avoir caractérisé les échantillons par diverses techniques, ils ont été soumis à différents types d'irradiation (faisceaux gamma et électrons et ions lourds (HI) pour déterminer leur rendement radiolytique en H₂, G(H₂). Dans les C-S-H, il a été démontré que, sous irradiation gamma, la production d’H₂ est indépendante de la teneur en eau et que les C-S-H produisaient autant d’H₂ que la même masse d’eau. Ainsi, le mécanisme de production d’hydrogène est très efficace dans les C-S-H. La comparaison entre les résultats obtenus sous rayons gamma et ceux obtenus sous HI implique qu’il n'y a pas ou peu d'effet de transfert d’énergie linéique (TEL) dans les C-S-H. Ainsi, les réactions de recombinaison semblent limitées. L’introduction d’ions nitrates dans la structure des C-S-H induit une diminution importante du G(H₂). L’irradiation des hydrates de C2S et C3S constitués majoritairement de C-S-H et de portlandite indique qu’il n’y a pas de phénomènes de transfert d’énergie entre ces phases. Enfin, les expériences de spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE) ont permis de proposer des mécanismes radiolytiques dans les C-S-H. L’ensemble de ces résultats nous permettent de mieux comprendre les effets d’irradiation dans les ciments
In France, cementitious materials are used as conditioning matrix of low level and intermediate level nuclear wastes. Water radiolysis occurs due to the nuclear wastes stored in the materials. The formation of its radiolytic products such as H₂ gas must be evaluated for safety reasons. Calcium silicate hydrate (C-S-H) is the main product (50%) of hydration of Portland Cement (PC). The aim of this study is to understand the radiolytic mechanisms of the hydrogen production in C-S-H, to investigate the effect of impurities (such as alkali ions, additional hydroxides or nitrates ions) on H₂ gas production in C-S-H and to examine if interactions exist between different main phases (C-S-H and portlandite) in cement matrix. After using various characterization techniques, samples were submitted to different types of irradiation (gamma rays and electrons and heavy ions (HI) beams) to determine their H₂ radiolytic yield, G(H₂). In C-S-H system, it has been shown, under gamma irradiation, that G(H₂) does not depend on water content, moreover, C-S-H system itself produce efficiently H₂ gas. The comparison between the results obtained under gamma rays and that obtained under HI implies: there is no/ low LET effect in C-S-H. While with nitrate ions in C-S-H, a large decrease of G(H₂) is observed. Irradiation of C2S and C3S hydrates mainly composed of C-S-H and portlandite shows that here is no energy transfer phenomena between these two phases. Finally, the electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy experiments have enabled proposing radiolytic mechanisms. All these results help us to understand the radiation effects in cements

L'objectif de cette thèse s'oriente principalement sur l'étude du de puisclaquage post-radiatif des MOSFET sances irradiés aux ions lourds. Nous avons pu constater, pour la première fois, une réduction des paramètres de fiabilité et de durée de vie des MOSFET de puissance irradiés aux ions lourds grâce à un protocole de test combinant les connaissances sur les effets des rayonnements et des tests électriques accélérés. Les MOSFET ont été irradiés principalement en absence de polarisation, dans le but de discriminer tout effet dû aux polarisations. Grâce à des irradiations réalisées à différentes valeurs d'énergie, nous nous sommes intéressés aux effets de l'énergie des particules et des pertes d'énergie associées. Nous avons pu constater que la dégradation de la fiabilité des MOSFET ne peut pas être corrélée uniquement à l'énergie perdue par excitation électronique (LET), ou pour des ions avec la même valeur de LET obtenue pour deux énergies différentes, le pire cas a été observé à l'énergie la plus faible. Cette dégradation est même plus importante que celle obtenue à la valeur maximale de LET (au pic de Bragg). Appuyé par des résultats obtenus grâce à des irradiations aux neutrons, nous avons pu proposer une hypothèse qui est basée sur une corrélation entre l'effet des pertes d'énergie associées aux passages des ions et les mécanismes de claquage des diélectriques
The goal of this thesis is oriented mainly on the study of Post Irradiation Gate Stress (PiGS) of power MOSFETs irradiated with heavy ions. We have seen, for the first time, a reduction of reliability parameters and lifetime of power MOSFETs irradiated with heavy ions using a test panel combining the knowledge of the effects of radiation and accelerated electrical test. MOSFETs were irradiated mainly with no polarization, in order to discriminate any effect attributed to the polarizations. Using irradiation performed at different energy values, we investigated the effects of the energy and energy lost by ionizing and non ionizing process. We have seen that the reliability degradation of MOSFETs can't be correlated only to the energy lost by electron excitation (LET), or ions with the same LET value obtained for two different energies, the worst case was observed at the lowest energy. This degradation is even greater than that obtained with the maximum value of LET (the Bragg peak). Supported by results obtained by neutrons irradiation, we could propose a hypothesis that is based on a correlation between the effect of energy lost associated with the passage of ions and mechanisms of dielectric breakdown

Les imageurs CMOS représentent un outil d’avenir pour de nombreuses applications scientifiques de haut vol, tellesque l’observation spatiale ou les expériences nucléaires. En effet, ces imageurs ont vu leurs performancesdémultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent aussi desavantages indéniables qui les destinent à remplacer les CCDs dans les futurs instruments spatiaux. Toutefois, enenvironnement spatial ou nucléaire, ces imageurs doivent faire face aux attaques répétées de particules pouvantrapidement dégrader leurs performances électro-optiques. En particulier, les protons, électrons et ions présents dansl’espace ou les neutrons de fusion nucléaire peuvent déplacer des atomes de silicium dans le volume du pixel et enrompre la structure cristalline. Ces effets de déplacement peuvent former des défauts stables introduisant des étatsd’énergie dans la bande interdite du silicium, et ainsi conduire à la génération thermique de paires électron-trou. Parconséquent, ces radiations non-ionisantes produisent une augmentation permanente du courant d’obscurité despixels de l’imageur et donc à une diminution de leur sensibilité et de leur dynamique. L’objectif des présents travauxest d’étendre la compréhension des effets de déplacement sur l’augmentation du courant d’obscurité dans lesimageurs CMOS. En particulier, ces travaux se concentrent sur l’étude de la forme de la distribution de courantd’obscurité en fonction du type, de l’énergie et du nombre de particules ayant traversé l’imageur, mais aussi enfonction des caractéristiques de l’imageur. Ces nombreux résultats permettent de valider physiquement etexpérimentalement un modèle empirique de prédiction de la distribution du courant d’obscurité pour une utilisationdans les domaines spatial et nucléaire. Une autre partie majeure de ces travaux consiste à utiliser pour la première foisla technique de spectroscopie de courant d’obscurité pour détecter et caractériser individuellement les défautsgénérés par les radiations non-ionisantes dans les imageurs CMOS. De nombreux types de défauts sont détectés etdeux sont identifiés, prouvant l’applicabilité de cette technique pour étudier la nature des défauts cristallins généréspar les effets de déplacement dans le silicium. Ces travaux avancent la compréhension des défauts responsables del’augmentation du courant d’obscurité en environnement radiatif, et ouvrent la voie au développement de modèles deprédiction plus précis, voire de techniques permettant d’éviter la formation de ces défauts ou de les faire disparaître
CMOS image sensors are envisioned for an increasing number of high-end scientific imaging applications such asspace imaging or nuclear experiments. Indeed, the performance of high-end CMOS image sensors has dramaticallyincreased in the past years thanks to the unceasing improvements of microelectronics, and these image sensors havesubstantial advantages over CCDs which make them great candidates to replace CCDs in future space missions.However, in space and nuclear environments, CMOS image sensors must face harsh radiation which can rapidlydegrade their electro-optical performances. In particular, the protons, electrons and ions travelling in space or thefusion neutrons from nuclear experiments can displace silicon atoms in the pixels and break the crystalline structure.These displacement damage effects lead to the formation of stable defects and to the introduction of states in theforbidden bandgap of silicon, which can allow the thermal generation of electron-hole pairs. Consequently, nonionizingradiation leads to a permanent increase of the dark current of the pixels and thus a decrease of the imagesensor sensibility and dynamic range. The aim of the present work is to extend the understanding of the effect ofdisplacement damage on the dark current increase of CMOS image sensors. In particular, this work focuses on theshape of the dark current distribution depending on the particle type, energy and fluence but also on the imagesensor physical parameters. Thanks to the many conditions tested, an empirical model for the prediction of the darkcurrent distribution induced by displacement damage in nuclear or space environments is experimentally validatedand physically justified. Another central part of this work consists in using the dark current spectroscopy techniquefor the first time on irradiated CMOS image sensors to detect and characterize radiation-induced silicon bulk defects.Many types of defects are detected and two of them are identified, proving the applicability of this technique to studythe nature of silicon bulk defects using image sensors. In summary, this work advances the understanding of thenature of the radiation-induced defects responsible for the dark current increase in space or nuclear environments. Italso leads the way to the design of more advanced dark current prediction models, or to the development ofmitigation strategies in order to prevent the formation of the responsible defects or to allow their removal

Ce travail réalise une étude théorique et expérimentale d'un paramètre physique caractéristique des défauts dans les semi-conducteurs : la section de capture. L'approche fondamentale du phénomène de capture non-radiative des porteurs libres par les défauts est menée dans une optique originale (formalisme statique) permettant un calcul analytique et aboutissant à une formule compacte de la probabilité de transition. Ce calcul plus complet précise les limites de validité des modèles simplifiés (barrière énergétique unique) et explique la dépendance en température de la section de capture observée expérimentalement. Appliqué au cas de la liaison pendant à l'interface Si/SiO2 (Centre Pb) à l'aide d'une modèle microscopique moléculaire, il fournit des valeurs théoriques de la section de capture de ce défaut. L'étude expérimentale porte sur les défauts d'interface dans les structures MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur). L'interprétation des techniques électriques utilisées (caractéristique Capacité-Tension C(V), Spectroscopie de Transitoire de Niveau Profond DLTS, cinétique de remplissage) fut améliorée par une modélisation précise de la dynamique d'échange de charges à l'interface, afin de remonter à des valeurs correctes de sections de capture. Les propriétés spécifiques des différents centres Pb présents sur la face Si(100), et par comparaison des propriétés électriques la nature des défauts induits par injection de porteurs dans l'oxyde sous haut champ électrique

Cette thèse concerne l'étude des défauts produits par irra¬diation électronique dans InP. Nous montrons que les défauts stables à 300 K sont produits dans InP de type p en concentration proche de la valeur maximale théorique, mais en concentration beaucoup plus faible dans InP de type n, et que l'essentiel des centres profonds créés par l'irra¬diation sont dûs à des collisions sur le sous-réseau phosphore. Par ailleurs de l'étude des réactions subies par ces défauts en dessous et au-dessus de la température ambiante, et avec ou sans stimu-lation électronique par recombinaison électron-trou, nous avons pu déduire qu'elles impliquent essentiellement toutes la mobilité de la même entité phosphore, la lacune ou l'interstitiel. Enfin nous montrons que l'action d'un champ électrique externe sur des réactions de défauts permet d'obtenir des informations nouvelles sur celles-ci. En particulier pour le piège dominant dans InP (p), les résultats expérimentaux se comprennent par l'existence d'un effet Jahn-Teller dynamique, l'orientation électronique partielle ou totale du défaut induite par le champ influençant alors l'énergie d'activation de la réac-tion.

Ce mémoire présente une étude sur la réponse des fibres optiques à une irradiation transitoire (impulsion X, ~1 MeV, doses < 100 krad, débits de dose > 10-8 (10 puissance 8) rad s(exposant)-1). Des mesures complémentaires sous irradiation gamma continue ont aussi été accomplies(~1,2 MeV, doses ≤20 krad, débits de dose ~0,5 rad s(exposant)-1). Notre étude s’inscrit dans le cadre plus général de l’intégration des fibres optiques au sein du Laser Mégajoule. Le premier chapitre présente ce contexte ainsi que les défauts induits par irradiation dans la silice pure ou dopée. Le deuxième chapitre précise les moyens expérimentaux mis en œuvre pour mesurer l’atténuation induite. Nous donnons également une synthèse des mesures obtenues sur des fibres à cœur de silice pure et des fibres dopées au germanium et/ou au phosphore. Le troisième chapitre est dédié à l’analyse des défauts et mécanismes à l’origine des pertes induites. Les spectres expérimentaux d’atténuation induite par irradiation ont été décomposés en bandes d’absorption relatives aux défauts absorbants générés par l’irradiation. Nous avons utilisé une méthode de décomposition originale basée sur l’emploi de bandes d’absorption auparavant identifiées dans la littérature. Des mécanismes physiques de génération et de transformation de défauts sont suggérés
This PhD thesis presents a study about the response of optical fibers to a transient irradiation (X-ray pulse, ~1 MeV, doses < 100 krad, dose rates > 108 rad s-1). Additional measurements under steady-state gamma-ray have also been performed (~1,2 MeV,doses ≤20 krad, dose rates ~0,5 rad s-1). Our study falls within the more general framework of the integration of optical fibers into the Laser Megajoule facility. The first chapter describes this framework together with the radiation induced defects in pure ordoped silica. The second chapter is focus on the experimental set-up used to measure the induced attenuation. We also give a sum up of the obtained measurements with pure-silica-core fibers and with fibers doped with germanium and/or phosphorus. The third chapter is dedicated to the analysis of the induced losses. The experimental spectra of radiation-induced attenuation have been decomposed with absorption bands related to absorbing defects generated. We have used an original method of decomposition based on the use of absorption bands previously identified in literature. Some physical mechanisms of defect generation and defect transformation have been suggested

Dans le cadre du modèle monoélectronique non relativiste des sections efficaces de photoionisation à partir des états fondamentaux et excités ont été calculées pour les séquences isoélectroniques de K, Rb, Cu et Ag, en utilisant un potentiel central paramétrique. L'évolution du comportement non hydrogénoïde des sections efficaces de photoïonisation près des seuils a été étudiée le long des séries de Rydberg et des séquences isoélectroniques, en insistant plus particulièrement sur l'existence de minima et de maxima dans les courbes de sections efficaces. De plus, le comportement des différents alcalins Li-Cs et celui des quatre séquences isoélectroniques étudiées ont été respectivement comparés. La systématique des caractères nan hydrogénoïdes et leur évolution le long des séries de Rydberg et des séquences, sont analysées en utilisant une méthode nouvelle basée sur la théorie du défaut quantique. A l'aide du principe de microéversibilité des coefficients de recombinaison radiative ont été obtenus le long des séquences isoélectroniques, pour des températures relativement faibles. Des caractères non hydrogénoïdes très marqués, singuliers et inhabituels, ont été mis en évidence et soulignés, et la systématique de la recombinaison radiative le long des séquences isoélectroniques a été analysée. Les résultats obtenus aussi bien pour la photoïonisation que pour la recombinaison radiative ont été comparés avec ceux du modèle hydrogénoïde, et avec les résultats théoriques ou expérimentaux existants
In the framework of a non-relativistic single electron model, photoionisation cross sections from ground and excited n. T states have been computed for the K, Rb, Cu and Ag isoelectronic sequences, by the use of a parametric central potential. The evolution of the non-hydrogenic behaviour of photoionisation cross sections near threshold is studied along Rydberg series and along the isoelectronic sequences, and emphasis is put on the occurrence of minima and maxima in the photoïonisation cross section curves. Systematic trends along an isoelectronic sequence and in addition along the sequence of neutral alkali atoms Li through Cs, and the comparison of the behaviour along the different K, Rb, Cu and Ag isoelectronic sequences are analysed in terms of the quantum defect theory. Through the principle of the detailed balance radiative recombination rate coefficients have been obtained along the isoelectronic sequences, rather for relatively low temperatures. Markedly and peculiar non-hydrogenic features are outlined and the systematics of recombination along the isoelectronic sequences are analysed. Comparisons for bath photoïonisation and recombination results are made with mainly those of the hydrogenic model, and with other available theoretical or experimental results

L'environnement radiatif naturel est connu pour être une source de disfonctionnement en microélectronique depuis de nombreuses années. Des particules telles que des neutrons, protons, ions lourds, ont été identifiées comme responsable d'erreurs de fonctionnement (SEE) dans des composants? Il est primordial pour les acteurs du domaine spatial et avionique de pouvoir évaluer ce risque. C'est dans ce contexte qu'une nouvelle méthodologie de prédiction est proposée afin d'estimer le taux opérationnel d'erreurs vis-àvis du risque SEE dans des composants toujours plus intégrés embarqués en vol. Des travaux TCAD ont permis d'identifier les mécanismes physiques de transport / collection et de déterminer les paramètres technologiques critiques qui influent sur le comportement des transistors MOS. Ces travaux démontrent qu'il est indispensable de modéliser dynamiquement le coefficient de diffusion ambipolaire et la vitesse de collection. C'est sur la base de ces travaux que le modèle ADDICT (Advanced Dynamic Diffusion Collection Transient) a été proposé. Une partie significative des travaux s'est focalisée sur la validation de ce modèle de courant transitoire par des comparaisons avec des données expérimentales et de simulations TCAD. Afin d'étudier les SEU / MBU, un nouveau critère de basculement a été proposé, le couplage de ce critère ADDICT constituant une nouvelle méthode de prédiction. Cette méthode a été confrontée avec des sections efficaces expérimentales issues de la littérature ou bien de campagnes de test (mémoires SRAM de 0. 25 µm à 65 nm). Enfin, le modèle ADDICT a été évalué dans le cadre d'expériences embarquées en ballon de mémoires SRAM 90 nm commercial Cypress. Cette phase a permis de démontrer la pertinence d'ADDICT dans le cas opérationnel
Natural radiative environment is known to induce functional errors in electronics. Particles, such as neutrons, protons or heavy ions are known to induce these errors in electronic devices so called SEE (Single Event Effects). It's critical for industrial and space agencies to evaluate this risk. In this context, a new methodology of prediction is proposed in order to stimate the operational error rate for integrated devices boarded in space or avionic flights. Preliminary TCAD simulations lead to identify the physical mechanisms of transport and charges collection and lead to determine the critical technological parameters which impact the behaviour of the MOS transistor. These works emphasize the necessity to take into account the dynamic modeling of ambipolar diffusion velocity. Based on these works, the ADDICT model (Advanced Dynamic Diffusion Collection Transient) has been proposed. The main part of this work is focus on the validation of the transient current model by comparisons with experimental results ans TCAD simulations. In order to study the SEU and MBU events, a new upset criterion used with ADDICT leads to propose a new prediction methodology. This methodology has been compared with experimental cross sections issued from literature and tests campaign (for various SRAM memories from 0. 25 µm to 65 nm). Finally the ADDICT model has been evaluated for operational experiments. Actually, commercial SRAM memories (90 nm Cypress) has been boarded on stratospheric balloons. This last work shows the relevant operational prediction proposed by ADDICT

Inspirés des technologies microélectroniques CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), les capteurs d’images CMOS sont largement utilisés dans de nombreuses applications grand public et prédominent sur le marché commercial des caméras intégrées. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses avancées technologiques ont permis au capteur d’image CMOS d’atteindre d’excellentes performances ainsi qu’une faible consommation d’énergie. Par conséquent, ces imageurs deviennent des candidats essentiels pour un nombre croissant d’applications spatiales et nucléaires. Cependant, le comportement de ces dispositifs microélectroniques dans les environnements radiatifs nucléaires et spatiaux est encore mal compris. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier les différents mécanismes qui conduisent à la dégradation des performances des capteurs d’images CMOS et en particulier à l’augmentation du courant d’obscurité, un signal parasite qui augmente avec les doses de radiations.Parmi ces doses de radiations, la dose dite de déplacement, relative à l’altération de la structure cristalline du silicium, reste peu étudiée par rapport à la dose dite ionisante. Dans les dernières technologies de capteurs d’images CMOS utilisant des photodiodes pincées, la dose ionisante n’est plus le mécanisme de dégradation dominant dès lors que la dose de déplacement est mise en jeu. La dose de déplacement devient le mécanisme de dégradation principal qui conduit à l’augmentation du courant d’obscurité. Ce travail se concentre principalement sur le rôle des défauts cristallins, créés par la dose de déplacement induits par les radiations, dans l’augmentation du courant d’obscurité des capteurs d’images CMOS. Un intérêt particulier est accordé aux défauts métastables qui sont probablement la cause des fluctuations discrètes et aléatoires du courant d’obscurité appelé : signal des télégraphistes. Cette étude présente un double enjeu :Le premier vise à contribuer à l’amélioration des connaissances des principes physiques mis en jeu dans le silicium cristallin face aux radiations. Les interactions particule-matière,associées à l’architecture spécifique des capteurs d’images, visent à fournir des outils fiables pour l’analyse des défauts induits par les radiations dans le silicium. Ces observations et résultats peuvent être étendus à tous les dispositifs à base de silicium et plus généralement aux autres dispositifs à semi conducteurs.Le second vise à identifier les différents mécanismes conduisant à l’augmentation du courant d’obscurité des capteurs d’images CMOS lorsqu’ils fonctionnent dans des environnements radiatifs. L’étude vise à identifier et à améliorer la connaissance des comportements des sources de courant d’obscurité dans le but d’optimiser les capteurs d’images CMOS pour les futures applications spatiales et nucléaires
Inspired by the microelectronic Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technologies, CMOS image sensors are widely used in many consumer-grade applications and are predominant in the commercial market for embedded cameras. Over the past decade,numerous technological advances allowed state-of-the-art CMOS image sensors to achieve excellent performances as well as low-power consumption. Therefore, CMOS image sensors are becoming essential candidates for a growing number of high-end applications such as space and nuclear applications. However, the behavior of these microelectronic devices inspace and nuclear radiative environments is still under understanding. Hence, studies still investigate the different mechanisms that lead to the degradation of CMOS image sensor performances including the radiation-induced dark current increase, a parasitic signal that increases with radiation doses. Among these radiation doses, the so-called displacement dose,relative to the alteration of the crystalline structure of the silicon, remains poorly studied compared to the so-called ionizing dose. In the latest CMOS image sensor technologies using pinned photodiodes, the ionizing dose is no longer the main degradation mechanism when the displacement dose is at stake. From then on, the displacement dose becomes the principal degradation mechanism that leads to the dark current increase. This work mainly focuses onthe role of the crystalline defects, created by radiation-induced displacement damage, in the CMOS image sensor dark current increase. Particular interest is given to metastable defects,which are probably the cause of discrete and random fluctuations of the dark current called : Dark Current Random Telegraph Signal (DC-RTS). This study presents a double objective :The first aims to contribute to improving knowledge of the physical principles involved in crystalline silicon when facing radiations. Particle-matter interactions, combined with the specific architecture of image sensors, aim to provide reliable tools to analyze the radiation induced defects in silicon. Observations and findings can be extended to all silicon-based devices and more generally to other semiconductor-based devices.The second seeks to identify the different mechanisms leading to CMOS image sensor dark current increase when operating in radiative environments. The study aims to identify and improve knowledge on the behavior of dark current sources aiming to optimize CMOS image sensors for future space and nuclear applications

L’implication de la ségrégation induite par l’irradiation (SIR) dans la majorité des mécanismes de dégradation des composants du cœur des réacteurs nucléaires en aciers inoxydables austénitiques est avérée. Aux températures de fonctionnement des réacteurs actuels et possibles prototypes du futur, les éléments chimiques des pièces métalliques des structures internes se redistribuent de manière hétérogène en ségrégeant sur les défauts préexistants et nouvellement créés par l’irradiation. L’intensité des enrichissements ou des appauvrissements locaux dépendent, entre autres, de la nature de l'élément et du défaut concerné. Si les différents mécanismes de ségrégation sont aujourd’hui bien identifiés, leur cinétique et leur degré d’implication respectifs sont encore peu renseignés. En effet, les modèles théoriques actuels de la SIR souffrent d'un manque de données expérimentales. Ces deux aspects sont le moteur de cette étude. Dans un premier temps, les cinétiques d'interdiffusion après vieillissement thermique et sous irradiation ont été déterminées dans des alliages modèles du système Fe-Ni-Cr. L'effet de l'irradiation sur la diffusion a été étudié à 440°C. A cette température les coefficients de diffusion sont faibles et les méthodes classiques d'étude de la diffusion ne permettent pas d'y accéder dans un délai raisonnable. La mise en œuvre expérimentale de la méthode des multicouches à période nanométrique dans des alliages binaires et ternaires a montré, dans ce cas, des résultats encourageants. Toutefois, des divergences entre les résultats expérimentaux et les prévisions théoriques ont révélé la nécessité d'optimiser ces deux approches. Dans le cadre de cette étude, des recommandations ont été formulées pour tenir compte de l’impact de la microstructure et du choix des conditions de vieillissement sur les cinétiques effectives mesurées. Les expériences réalisées sur des alliages modèles offrent l’intérêt de pouvoir être directement confrontées à la simulation. Néanmoins, les aciers de l’industrie nucléaire contiennent une grande variété d'éléments d'alliage minoritaires et d'impuretés qui jouent un rôle clé sur le comportement des éléments impliqués dans la SIR. Ainsi, dans un second temps, une étude de la SIR sur différents défauts intragranulaires d'un acier inoxydable austénitique optimisé, un 316L(N) a été réalisée. Pour cela, des techniques couplées et corrélées à l'échelle nanométrique (Sonde Atomique Tomgraphique et Miscroscopie Electronique en Transmission) ont été mises en place. La complémentarité des techniques a rendu possible l'association des enrichissements locaux observés à la cristallographie des défauts concernés. Des tendances singulières de SIR ont été observées selon l'élément et la nature du défaut impliqués. Une teneur plus élevée en azote et en niobium dans la composition nominale de l'acier a entrainé la précipitation de phase Z primaire. La stabilité de cette phase sous irradiation dans les aciers inoxydables austénitiques a pour la première fois pu être étudiée
Radiation induced segregation (RIS) is a process identified to be involved in most of the degradation mechanisms of austenitic stainless steels core components of nuclear reactors. During irradiation within the operating temperature range of present and possible prototypes of future reactors, chemical elements of reactor internal metallic components redistribute heterogeneously and segregate on the pre-existent and newly created defects. Local enrichments or depletions levels depend, inter alia, on the element and nature of the defect affected. While mechanisms involved in RIS have already been identified, their kinetics and mutual weigh are still poorly known. Indeed, current theorical models of RIS suffer from a lack of experimental data. These two aspects motivated this study. First, by the determination of interdiffusion kinetics after thermal ageing and under irradiation on model alloys in the Fe-Ni-Cr system. Irradiation effect on diffusion have been studied at 440°C. At this temperature, conventional methods to study diffusion fail to give access to such slow kinetics under reasonable time. Experimental implementation of the nanolayers method on binary and ternary alloys gave, in this case, encouraging results. However, discrepancies between experiments and predictions revealed the need of optimizations on both sides. In the framework of this study, recommendations have been established to account for the effect of the microstructure and the selected ageing conditions on measured effective kinetics. Experiments on model alloys have the great interest to be directly confronted to simulation. Nevertheless, nuclear steels contain a large variety of minor alloying elements and impurities which have shown to play a key role on RIS behaviour. Thus, in a second part, RIS study on various bulk defects of an optimized nuclear austenitic stainless steel, a 316L(N) has been performed. Consequently, nanoscale coupled and correlated techniques (Atom Probe Tomography and Transmission Eelectron Microscopy) have been implemented. Techniques complementarity offered the possibility to associate enrichments to defect crystallography and revealed singular tendencies of RIS depending on the element and the defect involved. Furthermore, a higher nitrogen and niobium content in the steel nominal composition formed primary Z-phase, its stability under irradiation had also been for the first time studied in austenitic stainless steels