Brevet FR2574549A1 — publié le 19860613

" Dispositif d'ombre portée en rayons X ". L'invention concerne un dispositif d'ombre portée en rayons X, destinée à observer des variations dynamiques d'un échantillon excité par des impulsions de lumière ou de tension, en exposant l'échantillon à une impulsion de rayons X dont la durée extrêmement courte est contrôlée avec grande précision. La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif d'ombre portée en rayons X selon l'art antérieur. Le tube à rayons X 20 utilisé dans le dispositif d'ombre portée en rayons X selon l'art antérieur, comprend un élément de chauffage 18, une cathode 17 destinée à émettre des électrons, une grille de commande 16, et une lentille électronique 15. La cible 14 destinée à émettre les rayons X est placée à l'inté- rieur d'une enveloppe sous vide 19 munie d'une fenêtre 13 en béryllium (Be). Une impulsion de commande est appliquée à la grille de commande 16 du tube à rayons X , une impulsion de courant est émise par la cathode 17, et une impulsion de rayons X 8 de très courte durée est produite par l'impact de l'impulsion de courant sur la cible. L'image par transmission ou l'image par transmission et diffraction, est enregistrée sur un dispositif d'enregistrement d'images 10 lorsque l'échan- tillon 9 est exposé à l'impulsion de rayons X 8 de durée extremement courte. Dans un tube à rayons X classique, une impulsion de tension est appliquée à la grille de commande de ce tube pour produire l'impulsion électronique nécessaire à la production de l'impulsion de rayons X. Du fait de la capacité des électrodes, la durée d'impul- sion minimale qu'on peut obtenir dans un tel tube à rayons X selon l'art antérieur, est limitée à I nanoseconde ou plus. L'invention a pour but de pallier cet inconvénient en créant un dispositif d'ombre portée en rayons X dans lequel on utilise un nouveau type de tube à impulsions de rayons X pour produire les rayons X en réponse au faisceau d'électrons émis par la source d'impulsions de rayons X, ce résultat étant obtenu en utilisant une photocathode formée dans le tube à rayons X, et excitée par des impulsions de lumière extrêmement cour- tes produites par un dispositif à laser. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'ombre portée en rayons X, dispositif caracté- risé en ce qu'il comprend une source de lumière destinée à produire une impulsion de lumière de durée extrêmement courte, un tube à rayons X comprenant une photocathode et une cible à rayons X pouvant produire une impulsion de rayons X lorsqu'elle est frappée par les électrons émis par la photocathode; des moyens permettant d'amener l'impulsion de lumière sur la photocathode du tube à rayons X; un échantillon placé dans une position telle que l'impulsion de rayons X vienne tomber sur celui-ci; un dispositif d'enregistrement d'images permettant d'en- registrer l'image par transmission en rayons X de l'échantillon; et des moyens permettant d'exciter l'échantillon en synchronisme avec l'impulsion de lumière. L'invention sera décrite en détails en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe - d'un dispositif d'ombre portée en rayons X selon l'art antérieur -la figure 2 est un schéma par blocs d'une première forme de réalisation d'un dispositif d'om- bre portée en rayons X selon l'invention; et - la figure 3 est un schéma par blocs d'une seconde forme de réalisation d'un dispositif d'om- bre portée en rayons X selon l'invention. Sur la figure 2, un échantillon est excité par une impulsion de lumière ou par une impulsion électrique, de façon que l'ombre portée de cet échantillon puisse être obtenue au bout d'un intervalle de temps très court prédéterminé, après l'excitation de l'échantillon, grâce au retard produit par un bloc de retard optique 4. Une partie de l'impulsion laser 2 d'une durée de 1 pisoseconde ou analogue, produite par le laser 1, est réfléchie par le miroir semitransparent 3, et tombe sur l'échantillon 9 constitué par un matériau semi-conducteur destiné à être excité par cette impulsion. Une transition en phase cristalline peut se produire dans l'échantillon 9 sous l'effet du recuit produit par l'im- pulsion laser. Après avoir traversé le miroir semi- transparent 3, l'impulsion de lumière est retardée en passant par le chemin de retard de lumière 4, de manière à obtenir un retard de temps spécifié. L'impulsion de lumière retardée est réfléchie par les miroirs réflecteurs 5a et 5b, pour péné- trer dans la lentille d'agrandissement 6 destinée à agrandir le diamètre de son faisceau. L'impulsion de lumière sortant de la lentille d'agrandissement 6 vient tomber sur le tube de production d'impulsions- de rayons X 7 comprenant une photocathode 7a, une électrode de focalisation 7b destinée à focaliser les électrons émis par la photocathode 7a, et une cible à rayons X 7c. Comme tube de production d'impulsions de rayons X 7, on peut utiliser le tube ayant fait l'objet de la Demande de Brevet Japonais n 153 663/1983 déposée par l'auteur de la présente invention. L'échantillon 9 est exposé aux rayons X produits par la cible 7c excitée par le faisceau d'électrons émis par la photocathode 7a lorsque l'impul- sion de lumière tombe sur celle-ci. L',ombre portée de l'échantillon 9 est enregistrée par un dispositif d'enregistrement d'ima- ges 10 constitué par exemple par un amplificateur de brillance d'images à rayons X, une camera à rayons X, ou un film à rayons X. La structure cristalline de l'échan- tillon modifié par les impulsions laser, est observée au moyen des impulsions de rayons X, chacune de ces im- puisions présentant une durée extrêmement courte et se trouvant également synchronisée avec les impulsions lumineuses d'excitation, de manière à obtenir une image par transmission ou une image par transmission et dif- fraction en rayons X. L'échantillon de la figure 3 est excité par une impulsion de tension, de façon que l'om- bre portée de l'échantillon puisse être obtenue au bout d'un intervalle de temps extrêmement court prédéterminé après excitation de l'échantillon. L'image par transmission ou l'image par transmission et diffraction, fournie par la structure cristalline de l'échantillon modifié par la stimulation produite par le signal d'impulsion de tension, peut être enregistrée en observant les réponses de l'échantillon à un train d'impulsions de rayons X de durée extrêmement courte. Le signal d'impulsion de tension produit par le dispositif de déclenchement 11, est appli- qué à l'échantillon 9 constitué par un matériau piézo- électrique. Dans un autre cas, l'impulsion de tension est appliquée au matériau piézoélectrique pour produire un choc ou une vibration mécanique elle-même appliquée à l'échantillon fixé sur le matériau piézo- électrique pour produire une déformation mécanique de cet échantillon. La déformation mécanique est détectée par l'ombre portée en rayons X, de la même manière que celle décrite ci-dessus. Le signal d'impulsion de tension produit par le dispositif de déclenchement 11, est retar- dé par le circuit de retard 12, et appliqué au dispositif de laser 1 pour produire une impulsion de lumière 2. L'impulsion de lumière 2 est réflé- chie par les miroirs réfléchissants 5a et 5b, puis passe dans la lentille d'agrandissement 6 destinée à agrandir le diamètre de son faisceau. L'impulsion de lumière 2 dont on a agrandi le diamètre du faisceau, vient tomber sur le tube de production d'impulsions de rayons X 7. L'échantillon 9 excité par le signal d'impulsion de tension, est exposé aux rayons X produits par le tube de production d'impulsions de rayons X 7, et l'ombre portée en rayons X de cet échan- tillon 9 peut ensuite être enregistrée sur le dispositif d'enregistrement d'images 10. Tout type de modification ou de variante du dispositif décrit ci-dessus, entre dans le domaine de l'invention. Dans les formes ci-dessus de réali- sation de l'invention, on utilise un matériau semi-con- ducteur comme échantillon à exciter par une impulsion de lumière, et un matériau piézoélectrique comme échantillon à exciter par un signal d'impulsion de tension. De la même façon qu'un matériau semi-conducteur, on peut utiliser des matériaux macro- moléculaires, des métaux ou des cristaux, comme échan- tillons à observer. On peut également obtenir l'ombre portée de n'importe quel échantillon excité par une sti- mulation mécanique, thermique, ou de tout autre type. Bien qu'on ait décrit dans les formes de réalisation ci- dessus l'enregistrement de l'ombre portée obtenue par une impulsion unique de rayons X, on peut également obtenir l'enregistrement d'ombres portées obtenues par des impul- sions de rayons X multiples. Lorsqu'une impulsion de lumière de très courte durée, ne dépassant pas 1 picoseconde par exemple, tombe sur le tube de production d'impulsions de rayons X selon l'invention, on peut enregistrer la varia- tion de la structure de l'échantillon à un instant arbi- traire, avec une résolution dans le temps ne dépassant pas 10 picosecondes ou moins. R E V E ND I C A T I O NS 1 0 Dispositif d'ombre portée en rayons X, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière (1) destinée à produire une im- pulsion de lumière de durée extrêmement courte (2); un tube à rayons X (7) comprenant une photocathode (7a) et une cible à rayons X (7c) pouvant produire une impulsion de rayons X (8) lorsqu'elle est frappée par les électrons émis par la photocathode (7a); des moyens (4, 5a, 5b, 6) permettant d'amener l'impulsion de lumière (2) sur la photocathode (7a) du tube à rayons X (7); un échantil- lon (9) placé dans une position telle que l'impulsion de rayons X (8) vienne tomber sur celui-ci; un disposi- tif d'enregistrement d'images (10) permettant d'enregis- trer l'image par transmission en rayons X de l'échantil- Ion (9); et des moyens (11) permettant d'exciter l'échantillon (9) en synchronisme avec l'impulsion de lumière (2). ) Dispositif selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens d'excitation de l'échantillon (9) comprennent des moyens (3) permet- tant de prélever une partie de l'impulsion de lumière (2) produite par la source de lumière (1) lorsque cette impulsion de lumière traverse un agrandisseur de faisceau (6), et d'exciter l'échantillon (9) par la stimulation de l'impulsion de lumière (2). 3 ) Dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérise en ce que les moyens de transmission de lumière comprennent un disposi- tif de retard de lumière (12) permettant de retarder l'impulsion de lumière (2) destinée à exciter le tube à rayons X (7), de manière à obtenir une image par trans- mission au bout d'un temps prédéterminé après que l'échan- tillon (9) ait été excité par l'impulsion de lumière (2). 4 ) Dispositif selon la revendication B 1, caractérisé en ce que les moyens d'excitation de l'échantillon comprennent des moyens d'excitation en tension (11, 12) destinés à produire un signal d'impul- sion de tension (11) permettant d'exciter l'échantillon par la stimulation du signal d'impulsion de tension, en synchronisme avec l'impulsion de lumière (2) produite par la source de lumière (1). ) Dispositif selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que la source de lumière (1) produit une impulsion de lumière (2) au bout d'un temps prédéterminé après la production d'un signal d'impulsion de déclenchement (11), et en ce que les moyens d'excita- tion en tension produisent l'excitation de l'échantillon (9) avant la production des rayons X.