Etude des processus d'évaporation et d'ionisation de l'uranium sur des filaments de spectrométrie de masse à thermo-ionisation
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The thermal ionisation mass spectrometry technique (TIMS) has been used in ion-counting mode to perform isotopic analysis on single uranium micrometer sized particles. In order to fulfil increasing needs to analyse extremely small quantities of sample material for safeguard activities and to measure uranium isotope ratios that include the minor abundant isotopes (234U and 236U), the present study focused, firstly, on the optimisation of uranium ionisation efficiency (alpha) by having recourse to materials (gold, platinum, carbon) susceptible to enhance the effective filament work function or for their well-known reducing properties. The results revealed that the carbon source, independently from the type we used for the analysis (collodion, aquadag or graphite film), was very efficient in promoting the U+ metal ion emission at the expense of the volatile oxide species. Additionally, investigations were carried out with different techniques (XPS, SEM and modified-KCMS) in order to observe the structural changes occurring under heating in the TIMS samples. From the collected data, it has been possible to identify the main species involved in the thermal ionisation process of uranium giving, thus, a contribution for a better understanding of the physico-chemical phenomena that govern the filament chemistry. By this means, and for the first time, the uranium carbide formation on a TIMS filament has been experimentally proven.
Abstract FR:
La technique de spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS), utilisée en comptage d’ions, a été appliquée à l’analyse isotopique de particules d’uranium individuelles de la taille du micron. Pour répondre à l’exigence croissante, dans des activités de vérification nucléaire, d’analyser des quantités de matière extrêmement faibles et de mesurer les rapports isotopiques de l’uranium qui incluent également les isotopes mineurs (234U et 236U), cette étude s’est dans un premier temps focalisée sur l’optimisation de l’efficacité d’ionisation de l’uranium (alpha) en faisant appel à des matériaux (or, platine, carbone) susceptibles d’augmenter la fonction de travail globale (phi) du filament ou réputés pour leurs propriétés réductrices. Les résultats ont révélé que le carbone, indépendamment du type de source utilisé durant les analyses (collodion, aquadag ou film de graphite), était particulièrement efficace à promouvoir l’émission des ions métalliques U+ au détriment des espèces oxydées volatiles. De plus, des investigations menées par le biais de différentes techniques (XPS, MEB et KCMS modifiée) ont permis de suivre l’évolution structurale des échantillons TIMS sous l’effet de la température. Grâce aux informations recueillies, il a été possible d’identifier les principales espèces mises en jeu au cours de l’ionisation thermique de l’uranium et de contribuer ainsi à mieux interpréter la nature des phénomènes physico-chimiques qui gouvernent la chimie du filament. De cette manière, et pour la première fois, la formation du carbure d’uranium sur un filament TIMS a pu être prouvée expérimentalement.