Brevet FR2147861A1 — publié le 19730311

La présente invention concerne les appareils à rayon X, et plus particulièrement les analyseurs pour la mesure du rayonnement x dans la gamme énergétique prescrite, dont l'emploi est surtout prévu pour l'analyse spectrale quantitative aux rayons X, où en étant utilisés en commun avec un dispositif d'excitation de la fluorescence aux rayons X dans l'ensemble à analyser, ils permettent d'enregistrer la ligne analytique d'un élément chimique i déterminer. On connatt des analyseurs, pour la mesure du rayonnement X dans la gamme énergétique déterminée, comportant un filtre en matériau dont l'énergie de discontinuité dtabsorpEDn cotncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, un émetteur de rayons X, situé en aval du filtre dans le sens du rayonnement, exécuté en matériau dont l'énergie de discontinuité d'absorpticn coIn- cide avec la limite inférieure de la gamme énergétique imposée, et un détecteur réceptionnant le rayonnement issu de l'émetteur en question. Dans ces analyseurs, le détecteur réceptionne le rayonnement issu de l'émetteur et comportanten8Oi aussi bien des rayons X émis dans la gamme énergétique imposée qu'un rayonnement partiel au dehors de cette gamme. Il existe trois motifs essentiels conditionnant l'enregis- trement des rayons X au dehors de la gamme énergétique imposée. Le premier motif résulte du passage partiel du rayonnement, avec une énergie plus élevée que la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, à travers le filtre avec réémission consécutive en fluorescence de l'émetteur enregistrée par le détecteur. Le deuxième motif résulte du passage partiel du rayonnement, avec une énergie plus faible que la limite inférieure de la gamma énergétique imposée, à travers le filtre avec dissipation consécutive dans l'émetteur et enregistrement du rayonnement après dissipation dans le détecteur. Le troisième motif résulte de l'absorption, par le filtre, du rayonnement avec une énergie plus élevée que la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, avec réémission en fluorescence du filtre Celle-ci, en débouchant sur l'émetteur, provoque alors dans certains cas la fluorescence de l'émetteur qui sera enregis trde par le détecteur. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans cette invention l'on se propose de mettre au point un analyseur pour la mesure du rayonnement X dans la gamme éner génique imposée, dont la construction permettrait d'éviter l'en registrement des rayons X en dehors de la gamme énergétique imposée. Ce problème est résolu par le fait que dans l'analyseur pour la mesure du rayonnement X dans la gamme énergétique imposée, comportant un filtre, en matériau dont l'énergie de discontinuité d'absorption colncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, un émetteur, dispose en aval du filtre dans le sens du rayonnèment, exécuté en matériau dont l'énergie de discontinuité d'absorption coïncide avec la limite inférieure de la gamme énergétique imposée et un détecteur réceptionnant le rayonnement issu de l'émetteur considéré, conforniément à l'invention, on prévoit un émetteur supplémentaire, disposé en aval de l'émetteur principal dans le sens de l'émission des rayons X, exécuté avec un matériau identique à celui du filtre, et un détecteur supplémentaire, réceptionnant le rayonnement de l'émetteur supplémentaire, qui est électriquement relié au détecteur principal de façon qu'à la sortie de l'analyseur soit délivré un signal différentiel caractérisant l'intensité du rayonnement X dans la gamme énergétique imposée. Le matériau, dont l'énergie de discontinuité d'absorption colncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, et à laide duquel sont exécutés le filtre et l'émetteur supplémentaire, peut présenter deux couches, la première contenant une ma tière i discontinuité K colncidant avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, tandis que la deuxième couche contient une matière avec discontinuité L comprise entre la discontinuité K mentionnée et celle d'une matière dont le nombre atomique soit d'une unité inférieure à celui de la matière à discontinuité K de la pre mière couche. Une telle exécution de l'analyseur, faisant l'objet de la présente invention, pour la mesure du rayonnement X dans la gamme énergétique imposée, assure l'abaissement du seuil de sensibilité ainsi que l'amélioration de la précision de mesure du rayonnement X.- Dans l'exposé qui suit, l'invention est explicite par la description d'exemples d'exécution concrets et par les dessins annexés, sur lesquels : - la fig.I représente l'analyseur proposé pour la mesure du rayonnement X (coupe selon l'axe longitudinal) - la fig. 2, la caractéristique spectrale de la voie principale de l'analyseur faisant l'objet de la présente invention, pour la mesure du rayonnement X suivant la première version d'exécution - la fig. 3,la caractéristique spectrale de la voie supplémentaire de ce mdme analyseur suivant la première version d'exécution -;; - la fig. 4,la disposition réciproque des discontinuités d'absorption pour le filtre de la deuxième version d'exécution de l'aval lyseur proposé et des lignes caractéristiques des rayons X des élé- ments chimiques - la fig. 5, la caractéristique spectrale de la voie principale de l'analyseur proposé conforme à la première version d'exécution - la fig. 6,la caractéristique spectrale de la voie supplémentaire de l'analyseur proposé conforme à la deuxième version d'exécution. L'analyseur pour la mesure du rayonnement X dans la gamme énergétique imposée comporte, conformément à l'invention, un filtre 1 (fig. 1), un émetteur principal 2, disposé en aval de ce dernier dans la direction du rayonnement X (ce dernier est dirigé dans le sens de la flèche A), et un détecteur principal 3 réceptionnant le rayonnement de l'émetteur considéré 2. L'analyseur proposé comporte èn outre un émetteur supplémentaire 4, disposé en aval de l'émetteur principal 2 dans le sens du rayonnement X, et un détecteur supplémentaire 5 réceptionnant le rayonnement émis par l'émetteur supplémentaire 4. le filtre 1 et 11 émetteur 4 sont exécutés à l'aide d'une matière dont l'énergie de la discontinuité d'absorption coïncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée. L'émet- teur 2 est exécuté en une matière dont l'énergie de la discontinuité d'absorption cofncide avec la limite inférieure de la gamme énergétique imposée. Le détecteur supplémentaire 5 est électriquement relié au détecteur principal 3 de telle facon qu'à la sortie de l'analyseur soit délivré un signal différentiel caractérisant l'intensité du rayonnement X mesuré dans la gamme énergétique imposée (le schéma électrique de l'analyseur proposé n'est pas représenté sur le dessin). Dans la première version d'exécution, le matériau dont l'énergie de la discontinuité d'absorption colncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, et à l'aide duquel sont exécutés le filtre 1 et 11 émetteur 4, est réalisé en couche unique, tandis que dans la deuxième version il est en deux couches. La première couche de ce matériau contient alors une substance de discontinuité K coïncidant avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, tandis que la deuxième couche contient une substance de discontinuité L disposée entre la discontinuité E mentionnée et la discontinuité K de la substance dont le nombre atomique est d'une unité inférieur à celui de la substance avec discontinuité K de la première couche. Dans le filtre 1, la couche comportant la substance à disconti nuité K eet alors disposes la première dans la direction des rayons X, et dans émetteur 4 la disposition des couches sera l'inverse. La version d'exécution de lanaiyseur illustré par la figure I comporte une voie principale 6 et une voie supplémentaire 7, disposées consécutivement suivant la direction du rayonnement X, respectivement formées par le filtre 1, l'émetteur principal 2, le détecteur principal 3 et le filtre 1, émetteur supplémentaire 4 et le détecteur supplémentaire 5. L'émetteur 2 est exécuté sous forme de différentes minces couches de matériaux parallèles au filtre 1. Dans la voie principale 6 sont disposés des écrans protecteurs 8 prévenant l'émission directe des rayons X, après leur passage par le filtre 1, vers le détecteur 3. Dans la version illustrée par la figure 1, on utilise comme détecteur 3 et 5 des coteurs à remplissage gazeux ou des compteurs proportionnels, ou encore des compteurs Geiger Müller dont les filaments sont marqués du chiffre 9. Les fenitres d'entrées 10 des détecteurs 3 et 5 sont exécutées en béryllium. L'analyseur est monté dans le boftier 11. Le principe de fonctionnement de l'analyseur proposé pour la mesure du rayonnement X est le suivant. 5es rayons X émis dans la direction indiquée par les flèches A passent par 'e filtre 1 (fig.I) exécuté en une matière, dont l'énergie de la discontinuité d'absorption colncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, puis ils sont filtrés par le filtre 1 pour déboucher sur l'émetteur 2 en provoquant sa fluo rsscenee. oui est enregistrée par le détecteur 3 ; le rayonnement ayant passé par l'émetteur 2 débouche à son tour sur l'émetteur 4 en provoquant sa fluorescence enregistrée par le détecteur 5. Le filtre 1 absorbe surtout le rayonnement dont l'énergie est supérieure (sans toutefois être plus du double ou du triple) à l'énergie de la discontinuité d'absorption du filtre 1. Dans l'émet- teur 2 le rayonnement, dont l'énergie est inférieure à énergie de la discontinuité d'absorption dudit émetteur 2, n'engendre pas de fluorescence. C'est seulement dans la gamme énergétique imposée, comprise - entre les discontinuités d'absorption du filtre 1 et de l'émetteur 2, que le rayonnement est relativement peu affaibli par le filtre 1 en provoquant alors la fluorescence de l'émetteur 2 ce qui entrat- ne la montée nette de la caractéristique spectrale de la voie principale 6 dans la gamme energdtique imposée E1-E2 (figure 2), -où suivant l'axe des abcisses sont rapportées les valeurs de l'éner gie de rayonnement (3), et suivant 1 'axe des ordonnées les valeurs de rendement d'enregistrement du rayonnement. la présence d'un rendement non nul de la voie principale 6 (fig. 1) dans l'analyseur faisant l'objet de la présente invention est conditionnée par les trois motifs qui avaient été énoncés plus haut. Le premier motif résulte du passage partiel du rayonnement, avec une énergie plus élevée que la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, à travers le filtre 1 avec réémission consécu tive en fluorescence de l'émetteur 2, enregistrée par le détecteur 3. Le deuxième motif résulte du passage partiel du oeyonnement, avec une énergie plus faible que la limite inférieure de la gamme énergétique imposée, à travers le filtre 1 avec dissipation consé cutive dans l'émetteur 2 et enregistrement du rayonnemert après dissipation dans le détecteur 5. Le troisième motif résulte de l'absorption, par le filtre 1, d'un rayonnement avec une énergie plus élevée que la limite supé rieure de la gamme énergétique imposée, avec réémission de cette dernière en fluorescence du filtre 1. Celle-ci, en débouchant sur l'émetteur 2, provoque alors dans certains cas la fluorescence de l'émetteur 2 qui sera enregistrée par le détecteur 3. les deux premiers cas considérés se produisent également dans la voie supplémentaire 7 constituée par le filtre 1, l'émetteur 2 et le détecteur 5. C'est pourquoi la voie supplémentaire 7 dispose également d'un rendement d'enregistrement non nul au dehors de la gamme énergétique imposée. En choisissant une épaisseur convenable de 11 émetteur 2 de la voie principale 6 et de l'émetteur 4 de la voie supplémentaire 7, il sera possible d'assurer l'égalité des rendements dans les voies principales et supplémentaires au dehors de la gamme énergétique imposée. La-fig. 3 illustre la caractéristique spectrale de la voie supplémentaire 7 (suivant les axes de coordonnées sont rapportées les mêmes valeurs que sur la figure 2). Entant donné que l'énergie de discontinuité d'absorption du filtre 1 et de l'émetteur 4 coin- cide, la voie supplémentaire 7 ne dispose pas d'un rendement crois sant brusquement (fig. 3), comme c'est le cas de la voie principale 6 (fig. 2). Le détecteur 3 de la voie principale 6 et le détecteur 5 de la voie supplémentaire 7 sont électriquement reliés de telle façon qu'à la sortie de l'analyseur soit délivré un signal différentiel. Ce signal différentiel caractérise surtout l'intensité d'émission des rayons X à mesurer dans la gamme énergétique imposée. il est évident que les voies principale 6 et supplémentaire 7 peuvent être constructivement séparées, tandis que l'émetteur 4 de la voie supplémentaire 7 peut être exécuté en une matière dont l'énergie de la discontinuité d'absorption est supérieure à celle du filtre 1. Cependant, dans le premier et le deuxième cas, les résultats seront légèrement inférieurs à ceux de la version de l'analyseur décrite plus haut. Dans la description du fonctionnement de l'analyseur représen té sur la fig. 1, il est considéré que le filtre 1 est exécuté avec une seule couche de matériau. Cela concerne égalt?Iuent l'émet- teur 4. Conformément à l'exposé ci-dessus, nous allons considérer le fonctionnement de la deuxième version d'exécution de l'analyseur de rayonnement X, caractérisé par le fait que le matériau dont l'énergie de la discontinuité d'absorption colncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, et à l'aide duquel sont également exécutés le filtre 1 et émetteur 4, est réalisé en deux couches. Dans le filtre 1 la première couche suivant le sens de ra yonnement contient une substance dont la discontinuité E coln cide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, tandis que la deuxième contient une substance à discontinuité L située entre la discontinuité K mentionnée et la discontinuité K d'une substance dont le nombre atomique est d'une unité inféraair à celui de la substance à discontinuité E de la première couche, dans le filtre 1, la couche, contenant la substance à discontinuité K étant alors disposée en premier lieu dans le sens du rayonnement X, tandis que dans l'émetteur 4 la disposition des couches sera l'inverse. Dans la deuxième version d'exécution de l'analyseur de rayonnement X,on arrive à supprimer le troisième motif mentionné plus haut engendrant un rendement d'enregistrement non nul de l'analyseur au dehors de la gamme énergétique imposée. - Considérons un exemple concret. Comme première couche du filtre 1 disposée dans le sens du rayonnement X on prend du cuivre, la deuxième couche étant de thulium. Comme émetteur 2 de la voie principale 6 on utilise du nickel. - Sur la figure 4, où suivant l'axe des abcisses sont rapportées les valeurs de l'énergie (E), et suivant l'axe des ordonnées les valeurs du coefficient d'absorption C, on a représenté la disposition réciproque des discontinuités E pour le cuivre et le nickel, ainsi que la discontinuité X pour le thulium. La fluorescence de la ligne CuEfi engendrée dans la couche de cuivre du filtre 1 dispose d'une énergie suffisante pour provoquer la fluorescence secondaire de l'émetteur 2 en nickel. Cependant, sur le parcours du rayonnement de CuXss est disposée la couche de thulium qui,par sa discontinuité I, absorbe efficacement la ligne de rluorescence de la première couche du filtre Cti Après le passage du rayonnement X par l'émetteur 2, ce dernier débouche sur l'émetteur 4 de la voie supplémentaire 7 constitué par une matière identique à celle du filtre 1. La couche de thulium est alors orientée vers le filtre 1 tandis que la couche de cuivre est disposée en aval de ce dernier suivant la direction du rayonnement X. Dans la couche de thulium de l'émetteur supplémentaire 4, la ligne OuK ayant partiellement passé par le filtre 1 engendre une fluorescence. En choisissant une épaisseur convenable du thulium de l'émetteur supplémentaire 4,il est possible d'assurer l'é- galité de rendement d'enregistrement de la ligne CuXss dans les voies principale 6 et supplémentaire 7. Lorsque le rayonnement à analyser continue à passer par l'émetteur 4,il débouche sur la couche de cuivre. Dans cette dernier re a lieu une dissipation du rayonnement associé avec une énergie inférieure à la discontinuité K du cuivre, et la flurorescence du rayonnement dur associé. La valeur de la dissipation et de la fluorescence est alors déterminée par l'épaisseur de émetteur 4 qui est choisie de telle façon que sa valeur soit identique à celle du rayonnement associé dans la voie principale 6. La reradiation (fluorescence et dissipation) de la couche de cuivre de l'émetteur 4 ressort par la couche de thulium de l'émetteur 4, en s'y affaiblissant partiellement, puis débouche dans le détecteur 5. Cet affaiblissement de la nerYEa Dn dans la couche de thulium de l'émetteur 4 peut être compensé par un accroissement de l'épaisseur de la couche de cuivre dans 11 émetteur 4. Si la couche de thulium du filtre 1 est choisie avec une épaisseur telle que la ligne OuKp soit entièrement absorbée dans celle-ci, alors la nécessité de compensation de l'enregistrement de cette ligne dans la voie principale 6 par l'intermédiaire de son enregistrement dans la voie supplémentaire 7 ne devient plus nécessaire, l'émetteur 4 peut être exécuté seulement en cuivre. Considérons l'utilisatiôn de l'analyseur de rayonnement X pour l'analyse chimique quantitative spectrale des rayons X. Admettons que l'élément chimique à déterminer soit du zinc. Considérons également que l'ensemble à analyser contienne,en plus du zinc, d'autres éléments dont les lignes de rayonnement earactériEtiques sont disposées à proximité de la ligne ZnKs . Nous prenons, pour ces éléments, le cuivre et le gallium. le filtre 1 sera constitué par du cuivre et du thulium, l'émetteur 2 de la voie principale 6 par du nickel, et l'émetteur 4 de la voie supplémentaire 7 par du thulium et du cuivre. Sur la figure 5 est représentée la caractéristique spectrale de la voie principale 6 avec filtre à deux couches 1 constitué par du cuivre et du thulium, ainsi que la disposition réciproque des lignes de rayonnement caractéristiques pour le cuivre, le zinc et le gallium pouvant 8tre excités par un tube à rayons X de faible puissance dans l'ensemble à analyser. Ainsi, lorsqu'on utilise pour le tube à rayons X une tension de 20 kV et en présence d'un courant de 0,1 mA passant. par le ube à rayons X, à la sortie du détecteur 3 de la vote principale 6, au cours de l'enregistrement 1 de la fluorescence du zinc pur il peut être obtenu une vitesse de comptage de 25 000 impulsions par seconde. Sur la figure 5, l'on voit qu'à la sortie du détecteur 3 de la voie principale 6 est pratiquement enregistrée la seule ligne ZnKa du zinc. Sur la figure 6 est représentée la caractéristique spectrale de la voie supplémentaire 7 avec émetteur à deux couches 4 en thulium et en cuivre. Le détecteur supplémentaire 5 réceptionnant le rayonnement issu de l'émetteur supplémentaire 4 est électriquement relié au détecteur principal 3, de telle façon qu'à la sortie de l'analyseur soit délivré un signal différentiel caractérisant l'intensité de rayonnement X du zinc. Suivant l'intensité de rayonnement de zinc, lton déterminera la concentration du zinc dans l'objet soumis 9 l'analyse. Suivant les axes des figures 5 et 6, il est rapporté les mimas valeurs que sur les figures 2 et 3. ;'analyseur pour la mesure du rayonnement X dans la gamme énergetique imposée faisant l'objet de la présente invention permet de procéder à l'analyse chimique quantitative par rayonnement spectral des éléments dans les ensembles de composition complexe. La forte intensité lumineuse de cet analyseur permet d'employer l'appareil pour exciter la fluorescence par rayons X dans l'ensemble à analyser à l'aide d'un tube à rayons X de faible puissance, ce qui rendra la construction du spectromètre à rayons X très maniable. le seuil de sensibilité assuré par l'analyseur, au cours du trattement des éléments du système périodique voisins suivant leur nombre atomique, n'est pas supérieur à 10 %. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'applflcation, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués elle en vise, au contraire, de nombreuses variantes. REVENDICATIONS l. Analyseur pour la mesure du rayonnement X dans la gamme é énergétique imposée, comportant un filtre en matière, dont l'éner qie de discontinuité d'absorption coïncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, un émetteur, disposé en val du filtre suivant la direction de l'émission des rayons X, en Jne matière dont l'énergie de la discontinuité d'absorption coin- cide avec la limite inférieure de la gamme énergétique imposée, et un détecteur réceptionnant le rayonnement issu ae l'émetteur considéré, caractérisé par le fait qu'il est doté d'un émetteur supplémentaire, disposé en aval de l'émetteur principal dans la direction de l'émission des rayons X, exécuté en la meme matière que le filtre, ainsi que d'un détecteur supplémentaire, réceptionnant le rayonnemeilt issu de l'émetteur supplémentaire, électriquement relié au détecteur principal,de telle façon qu'à la sortie de l'analyseur on obtienne un signal différentiel caractérisant l'intensité du rayonnement X à mesurer dans la gamme énergétique imposée. 2. Analyseur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la matière, dont l'énergie de la discontinuité d'absorption coïncide avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, à l'aide de laquelle sont exécutés le filtre et l'émetteur supplémentaire, est appliquée en deux couches, la première couche contenant alors une substance à discontinuité K coïncidant avec la limite supérieure de la gamme énergétique imposée, et la deuxième couche une substance à discontinuité L située entre la discontinuité K mentionnée et la discontinuité K d'une substance dont le nombre atomique est d'une unité inférieur à celui de la substance à discontinuité K de la première couche.