Brevet FR2297416A1 — publié le 19760806

La présente invention a pour objet un appareil d'analyse et de mesure de la luminescence des solides. On sait que les solides tels qu'un grain de quartz, de sable, etc... comportent, dans leur réseau cristallin, dej défauts constitués notamment par des lacunes ou sites inoccupés, des impuretés et des imperfections. Ces solides disposés dans ou sur l'écorce terrestre subissent l'irradiation naturelle des atomes radioactifs de ladite écorce terrestre. Les particules ionisantes émises par ces atomes radioactifs arrachent aux atomes qu'elles rencontrent des électrons qui absorbent une partie de l'énergie desdites particules ionisantes. Ces électrons, mis en mouvement dans le solide, se recombinent avec d'autres atomes ou sont interceptés par les défauts définis précédemment en conservant, dans ce cas, une partie de l'énergie communiquée par la particule ionisante. Lorsqu'une excitation extérieure suffisante est appliquée au solide, les électrons capturés quittent les défauts et, avant de se recombiner avec d'autres atomes, restituent l'énergie absorbée sous forme d'un rayonnement, c'est-à-dire en émett ant de la lumière ou plus exactement des photons de lumière. Ce phénomène constitue la luminescence d'un solide. Lorsque l'excitation extérieure est d'origine thermique, on a alors la thermoluminescence. Pour mesurer cette luminescence, il suffit de dénombrer les photons émis lors du chauffage. Toutefois, on sait qu'il existe plusieurs types de luminescence selon que cette dernière est instantanée après l'irradiation, et c'est alors une fluorescence, ou produite longtemps après l'irradiation et, dans ce cas, il s'agit de phosphorescence. La mesure de la luminescence des solides est de plus en plus utilisée en physique des matériaux (photo-éléments, diodes électroluminescentes), en géologie (caractérisation de minéraux), en radioprotection (dosimétrie fine) et en archéologie. Dans ce dernier domaine, notamment pour déterminer les ges de pierres brillées ou de ceramiques anciennes, on emploie la méthode de la thermoluminescence qui tend à compléter la méthode utilisant le carbone-14 qui ne permet pas de connaître l' ge au-delà de35 000 ans. Par ailleurs, la datation par le carbone14 n'est pas toujours possible surtout lorsque les solides à analyser ne comportent pas de restes de charbons, de bois ou de tissu. La méthode de la datation par thermoluminescence consiste à déterminer sur un échantillon donné, la dose radioactive totale reçue par l'échantillon et responsable de sa luminescence naturelle (Q nat) et la dose radioactive annuelle (I) reçue par ce même échantillon. Le nombre d'années écoulées depuis le dernier chauffage de l'échantillon, c'est-à-dire-son ge ou celui du niveau archéologique associé, est donné par le rapport Q nat/I. La détermination de la radioactivité totale reçue ( na) est réalisée de la manière suivante : après une préparation adéquate de l'échantillon pour lui enlevér toutes les impuretés superficielles susceptibles d'influer sur les résultats, on le soumet à un premier chauffage et à l'aide d'un photomultiplicateur associé, on construit la courbe de luminescence en fonction de la température de chauffage. On obtient ainsi une courbe qui représente la luminescence naturelle de l'échantillon.Dans une deuxième phase, après retour à la température ambiante de l'échantillon analysé, on soumet le mme échantillon à un autre chauffage en vue d'obtenir une courbe qui est représentative du bruit de fond. I1 n'y a plus luminescence, les défauts ou pièges ayant été vidés de leurs électrons par le premier chauffage. Dans-une troisième phase, on irradie le meme échantillon à l'aide de particules i, g ou s et après un troisième chauffage, on en déduit la courbe de la luminescence induite. Les différentes courbes sont tracées sur un meme enregistreur et la dose de radioactivité totale 2 nat peut être déduite de ces différentes courbes, après vérification de la proportionnalité entre les doses administrées d'une part et la luminescence mesurée par les surfaces des courbes d'autre part. La détermination de la dose radioactive annuelle I peut être effectuée par différentes méthodes, analyse quantitative directe des éléments 238 U, 232Th et 40K notamment, ou par 1' analyse quantitative indirecte au moyen de dosimètres qui ont l'avantage d'utiliser les phénomènes de luminescence eux-memes. On conçoit que pour mener toutes les opérations cidessus rappelées, il soit nécessaire de disposer d'un appareil d'une très grande sensibilité et surtout apte à mesurer la luminescence dans un grand intervalle de température, par exemple entre -2730C et +500 C, car les "lecteurs de dosimètres actuels utilisés dans la luminescence ne peuvent être opérationnels qu'entre +250C et 300 C. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif qui est du type comportant un chassis dans lequel sont ménagées deux enceintes séparées par un filtre, une desdites enceintes étanche à la lumière recevant un tube photomultiplicateur tandis que dans 1 'autre enceinte d'analyse est logé au moins en partie un four de chauffage sur lequel est disposée une nacelle porte-échantillon, ledit four de chauffage étant muni de thermocouples de mesure et de régulation de l'élévation en température dudit échantillon, et est caractérisé en ce que le filtre est constitué par deux lames minces et en ce que le four est monté mobile sur une glissière fixe solidaire du chassies. Dès lors, on peut rapprocher la photocathode du photomultiplicateur relativement près de l'échantillon à analyser, de l'ordre de 14 mm, sans risque de le détruire, tout en recevant le flux maximum émis par ledit échantillon, ce qui est impossible avec les dispositifs antérieurs tels que les "lecteurs de dosimètres", en raison de l'éloignement de la photocathode ce qui entraine une réduction de l'angle solide délimité par la nacelle porte-échantillon et, par suite, du flux lumineux reçu par ladite cathode. En effet, par un choix convenable des lames minces en prenant par exemple des lames en quartz, on absorbe la chaleur et le rayonnement au-delà dé 7 500 soit au début de l'infra- rouge. En outre, le positionnement de l'échantillon par rapport à la photocathode peut être réglé avec précision dès lors qu'on peut déplacer le four de chauffage qui supporte ledit échantillon. Selon une autre caractéristique, le four comporte au moins deux pièces distinctes, l'une constituant une base présentant sur une de ses faces un évidement borgne dans lequel est emmanchée l'autre pièce constituant un support de four muni d'un coulisseau susceptible de se déplacer dans la glissière, ladite base étant munie sur l'autre face d'un pilier autour duquel est enroulée une résistance de chauffage et qui est terminé par une plateforme de réception de la nacelle, et en ce que lesdits piliers et résistance sont coiffés par un chapeau de protection muni d'un orifice où se place ladite nacelle. I1 est possible de changer de support lorsqu'on veut mesurer la luminescence dans d'autres intervalles de température, ou d'adapter sur ledit support des moyens de protection propres à des conditions données. Selon une autre caractéristique, le support du four est constitué par un bloc comportant un alésage axial et disposé dans un récipient pour un fluide de refroidissement, ledit récipient étant logé dans un cylindre creux dont le bord supérieur est solidaire dudit bloc et qui est muni d'un coulisseau susceptible de se déplacer dans la glissière du chassies, Dans ce cas, la base et le pilier constituant le four proprement dit, seront disposés sur le bloc et en choisissant un fluide de refroidissement tel que de l'azote liquide, on peut maintenant étudier la luminescence des cristaux organiques, laquelle étude ne pouvant être réalisée qu'à partir de très basses températures, de l'ordre de celle de l'azote liquide, soit 770K. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la description donnée ci-dessous à titre indicatif mais non limitatif d'un mode de réalisation préféré de l'invention, et du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue en élévation partiellement coupée du dispositif, - la figure 2 est une vue en perspective du four selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe éclatée de l'organe chauffant du four, - la figure 4 est une vue en coupe du support du four de chauffage, utilisable aux basses températures. Le dispositif est constitué en deux parties, l'une comportant un tube photomultiplicateur (1) dont seule la partie inférieure apparaît à la figure 1, munie de façon connue en soi d'une photocathode (2) constituant son élément sensible. Le tube photomultiplicateur (1) est logé dans une enceinte étanche (3) à la lumière dont le couvercle supérieur (4) reçoit une boite (5) de connection de l'alimentation haute tension, de la sortie du signal et de l'alimentation basse tension du préamplificateur associé audit photomultiplicateur.Dans un cylindre (6) muni de pattes de fixation (7), il est disposé un autre cylindre en aluminium (8) destiné à ajuster le tube photomultiplicateur (1) au cylindre (6) en fonction des dimensions externes de l'enceinte du tube photomultiplicateur et du tube photomultiplicateur lui-meme. Entre le tube photomultiplicateur et le cylindre (8), il est monté une gaine de protection magnétique (9). Sur la face inférieure du cylindre (6) est fixée une plaque (10) munie d'un orifice (11) et servant de logement à un obturateur (12) commandé à partir d'une manette (13) ou directement à partir d'un bouton (14) qui présente également une autre fonction décrite ci-après. Une plaque porte-filtre (15), dans laquelle est ménagé un circuit (16) d'alimentation en fluide de refroidissement tel que de l'azote gazeux, comporte une ouverture pour le passage d'un support (17) de filtre fixé à ladite plaque (15) par tout moyen approprié tel que des vis (18). Le filtre est constitué par deux lames minces (19) et (20) séparées par une couche d'air (21).La lame inférieure (19) est une lame en quartz qui constitue un filtre froid dont le rdle est d'absorber la chaleur et le rayonnement au-delà de 750 nm ou 7 500 A, soit dans la zone de l'infra-rouge, tandis que la lame supérieure (20) est un verre de silice coloré dont le roule est de limiter le rayonnement ayant travèrsé la lame de quartz fol9), dans le domaine entre 300 et 500 nm. I1 faut noter qu'un autre avantage de l'association des deux lames minces indiquées est dXéliminer une partie de la transmission de la lame colorée à partir de 700 nm. I1 va de soi que l'exemple ci-dessus n'est donné qu'à titre indicatif et qu'on peut choisir d'autres lames en fonction de caractéristiques bien déterminées. L'espace compris entre la photocathode (2) et la lame supérieure(20) ainsi que tout l'espace entourant le photomultiplicateur sont rigoureusement étanches par rapport au milieu ambiant, notamment par des joints d'étanchéité (63) et peut être balayé par un courant d'azote gazeux froid (-200C par exemple) pour abaisser le bruit de fond. La partie inférieure du dispositif est assemblée à la partie supérieure au moyen de tiges filetées (28) s'insérant dans les pattes de fixation (7), lesdites tiges (28) étant prévues sur une plaque de liaison (29) sur laquelle est fixée une plaque de raccordement (22) comprenant un circuit (23) d'alimentation en fluide de refroidissement relié à un ou plusieurs raccords latéraux d'entrée (24) et à un ou plusieurs raccords latéraux de sortie (25), la communication entre les circuits (16) et (23) étant effectuée par un embout (26). Bien entendu, les plaques de liaison (29) et de raccordement (22) sont munies chacune de passage pour le logement du four représenté aux figures 2 et 3, seul le passage (27) ménagé dans la plaque de raccordement (22) étant visible sur la figure 1. Dans la plaque de liaison (29) est insérée une collerette d'étanchéité (30) qui est montée sur un support (31) du four (32), ledit support (31) comprenant un coulisseau (33) constitué par une crémaillère et susceptible de se déplacer dans une glissière (34) ménagée ou solidaire du chassies de l'appareil. En outre, une boite (35) de connection des fils électriques est montée sur le support (31), tandis que la glissière ou le chassies reçoit le bouton de commande (14) de déplacement du four (32) et de l'obturateur (12). Gracie à cette commande simultanée, la photocathode (2) du photomultiplicateur est protégée. En effet, l'obturateur (12) est entrainé en rotation autour d'un axe dont il est solidaire, par une pièce de liaison. Un ressort de rappel maintient l'obturateur en position fermée.L'armement consiste à tendre ce ressort et à le bloquer dans cette position par l'intermédiaire d'une gâchette, ellemême tirée par un ressort (64) : l'obturateur (12) est alors ouvert. La gachette peut être soulevée par la tige (65) sous l'effet d'une came (66) fixée sur le bouton (14) ce qui provoque le rappel de la pièce de liaison sous l'effet du ressort de rappel qui lui est associé et, par suite, la fermeture de l'obturateur (12). Ce processus s'effectue avant que ne commence la descente du four,-c'est-à-dire avant une éventuelle introduction de lumière dans l'espace situé au-dessous des lames minces, toute introduction de lumière ambiante étant dangereuse pour le tube photomultiplicateur. L'espace compris entre la plaque porte-filtre (15) et le four et ses organes annexes constitue la deuxième enceinte où l'échantillon est introduit pour y être analysé, et peut être balayée par un courant d'azote à +250C afin d'éliminer les traces d'oxygène responsables de luminescences parasites (bio- ou chimiluminescence). Le four (32) est constitué (fig. 3) par au moins deux pièces, l'une constituant une base (36) présentant sur sa face inférieure (37) un évidement borgne (38) dans lequel est emmanchée 1' autre pièce constituée par le support de forme appropriée (31). Sur la face supérieure (39) est prévu un pilier (40), en forme de T, autour duquel est enroulée une résistance de chauffage (41) reliée aux fils électriques d'alimentation de la boite (35).La plaque horizontale (42) du T constitue une plateforme de réception pour une nacelle (43) porte-échantillon. Le pilier (40) et la résistance (41) sont coiffés par un chapeau (44) comportant un orifice (45) pour le passage de la nacelle (43) et des fentes (46) pour le passage de la résistance électrique (41). Dans le pilier (40), deux perçages sont pratiqués, jusqu'à 1 mm de la plateforme (42), pour la mise en place de deux thermocouples (47). Sur la face supérieure (39) est ménagé un épaulement (48) dans lequel est logée et brasée une bague (49) en acier inoxydable qui comporte une gorge (50) destinée à recevoir un joint (51) de section triangulaire et qui, lors de la mise en place du four dans sa position de travail, prend appui sur la partie centrale inférieure de la plaque de raccordement (22).Enfin, une gorge annulaire (52) est également prévue sur la base (36) pour la réception d'un cylindre creux non représenté et susceptible de constituer un réservoir d'azote liquide pour le refroidissement du support (31) lorsqu'on désire effectuer des mesures à partir de 770K. Le four décrit ci-dessus est utilisé pour les mesures à hautes températures. Lorsqu'on veut travailler à des températures très basses, et notamment à celle de l'azote liquide, il est préférable d'utiliser l'appareillage indépendant représenté à la figure 4, et le substituer au support (31). Cet appareillage comprend un bloc (53) pourvu d'un alésage axial (54) disposé dans un cylindre (55) en aluminium, prolongé par quatre tiges filetées (56) fixées à un fond (57). Le bloc (53) est fixé au cylindre (55) par quatre pattes de fixation, lesdits blocs (53) et (55) comportant des dégagements non représentés pour le passage de quatre conducteurs qui sont deux résistances et deux sondes thermocouples également non représentés.De plus, le bloc (53) présente un profil supérieur (58) tel qu'il puisse recevoir la base (36) du four de chauffage représenté à la figure 3, tandis que le cylindre (55) est muni d'un coulisseau (59) identique au coulisseau (33) et destiné à se déplacer dans la glissière (34). Dans l'espace compris entre le bloc (53) et le cylindre (55) est disposé un récipient (60) pour un fluide de refroidissement et qui est constitué par exemple par un vase Dewar. Ce dernier est protégé sur toute sa périphérie par un bourrelet en carton (61) et repose sur un matelas (62) en mousse synthétique disposé sur le fond (57). Cet appareillage -basse température- permet d'étudier la cohésion cristalline des cristaux organiques et les liaisons intermoléculaires. En effet, ladite cohésion évoluant avec la température, l'analyse par thermoluminescence de tels cristaux préalablement irradiés, permet l'étude des changements de phase relatifs à des mouvements de molécules ou départ d'inclusions. De mime, les déplacements de porteurs, habituellement reliés aux fluctuations de la conductivité des cristaux sont mieux connus gr ce à la thermoluminescence. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation donnés ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes. De même, elle-n'est pas limitée aux applications mentionnées à titre d'exemple. C'est ainsi qu'il peut être utilisé dans l'industrie du verre et/ou en dosimétrie des irradiations et en radioprotection où on est obligé de procéder à une préparation préalable de l'échantillon à analyser, lequel échantillon est réduit en poudre et mélangé à des poudres de fluorine. REVENDICATIONS 1) Appareil d'analyse et de mesure de la luminescence des solides, du type comportant un châssis dans lequel sont ménagées deux enceintes séparées par un filtre, une desdites enceintes étanche à la lumière recevant un tube photomultiplicateur tandis que dans l'autre enceinte d'analyse est logé au moins en partie un four de chauffage sur lequel est disposée une nacelle porte-échantillon, ledit four de chauffage étant muni de thermocouples de mesure et de régulation de l'élévation en température dudit échantillon, caractérisé en ce que le filtre est constitué par deux lames minces et en ce que le four est monté mobile sur une glissière fixe solidaire du chassies. 2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le four comporte au moins deux pièces distinctes, l'une constituant une base présentant sur une de ses faces un évidement borgne dans lequel est emmanchée l'autre pièce constituant un support de four muni d'un coulis seau susceptible de se déplacer dans la glissière, ladite base étant munie sur l'autre face d'un pilier autour duquel est enroulée une résistance de chauffage et qui est terminé par une plateforme de réception de la nacelle, et en ce que lesdits piliers et résistance sont coiffés par un chapeau de protection muni d'un orifice pour le passage de ladite nacelle. 3) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que sur la base, du ctté du pilier, est ménagée une gorge annulaire destinée à recevoir un cylindre creux susceptible de constituer un réservoir pour un fluide de refroidissement. 4) Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support du four est constitué par un bloc comportant un alésage axial et un récipient pour un fluide de refroidissement. 5) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le récipient est logé dans un cylindre creux dont le bord supérieur est solidaire du bloc support et qui est muni d'un coulisseau susceptible de se déplacer dans la glissière solidaire du châssis. 6) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lames minces du filtre sont séparées par une couche d'air et montées sur une plaque porte-filtre dans laquelle est ménagé un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement. 7) Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les lames minces sont en quartz. 8) Appareil selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce qu'une des lames minces est en quartz et l'autre en verre de silice coloré. 9) Appareil selon l'une des revendications 1, 6, 7, 8, caractérisé en ce que, entre la photocathode et le filtre, est disposé un obturateur. 10) Appareil selon la revendication 9 et l'une des revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les déplacements du four et de l'obturateur sont réalisés à partir d'un même bouton de commande. 11) Appareil selon les revendications 1 et 6 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que le four de chauffage est inséré dans un orifice ménagé dans une plaque de raccordement dans laquelle sont prévus deux circuits pour le fluide de refroidissement, l'un susceptible de communiquer au circuit ménagé dans la plaque porte-filtre, l'autre susceptible d'amener ledit fluide de refroidissement audessus de l'échantillon.