Brevet FR2615316A1 — publié le 19881118

La présente invention concerne des méthodes de recherche en physique nucléaire et notamment, des procédés de spectroscopie Môssbauer. L'invention peut être utile pour l'analyse des propriétés physicochimiques et mécaniques des matières en physique, en chimie, en métallurgie, en biologie et dans d'autres domaines de la science et de la technique. Il existe un procédé de spectroscopie Môssbauer consistant à irradier la matière à étudier par rayons gamma en provenance d'une source gamma et à enregistrer le rayonnement de résonance à l'aide d'un détecteur à résonance lors du déplacement de la matière ou de la source (voir "Résonance gamma nucléaire" par S.M.Irkaev et autres, 1970, MGU (Moscou), page 79). Dans ce cas, on arrive à un enregistrement sélectif du spectre de Môssbauer de la matière à étudier, la forme de la raie dans le spectre de Môssbauer enregistré demeu- rant proche de la raie Lorentz et la largeur de la raie étant définie par la relation G=1,47G1, o G est la-largeur de la raie expérimentale dans le spectre de Môssbauer de la matière à étudier, G1 est la largeur de la raie au rayonnement de la source. Pourtant, malgré l'amincissement de la raie expéri- mentale, les conditions de détection à résonance impliquent la présence de couples résonnants, c'est-à-dire d'une source de rayonnement et d'un convertisseur du détecteur à résonance tels que la raie du rayonnement de la source et celle d'absorption du convertisseur soient énergétique- ment confondues (se recoupent). La difficulté rencontrée pour réaliser ces conditions se confirme par le fait qu'à ce jour on ne connaît que deux couples résonnants parmi les matières à base de composés comportant des isotopes 119Sn o 57Fe alors que l'effet Môssbauer s'observe sur plus d'une centaine d'isotopes. Cette.circonstance impose des restrictions sur l'application, en spectroscopie MOssbauer, de la détection - à résonance pour analyser les matières. L'extension de la détection à résonance à un plus grand nombre d'isotopes a débouché sur un procédé de spectroscopie MOssbauer qui consiste à faire passer le rayonnement d'une source gamma à travers la matière à étudier pendant que la source gamma et la matière à étudier se déplacent en synchronisme, la première avec une vitesse donnée constante et la seconde avec une accélération donnée constante, et à enregistrer le rayonnement gamma transmis par la matière à étudier avec un détecteur gamma à résonance (voir "Compensation du déplacement isométrique en cas d'utilisation de détecteurs à résonance dans la spectroscopie MOssbauer par Irkaev S.M. et autres, pages 53 à 56; revue "Pribory i tekhnika eksperimenta", nO 5, 1981, (Moscou). Dans ce procédé, le décalage Doppler constant d'énergie du rayonnement gamma de la source permet une superposition énergétique de la raie du rayonnement de la source à celle d'absorption du détecteur à résonance, le balayage du spectre énergétique résultant de la communication du décalage Doppler d'énergie aux noyaux de la matière à étudier en mouvement uniformément accéléré. Avec le procédé précité, le domaine de l'enregis- trement sélectif du rayonnement gamma de résonance ne peut déborder des cadres de la détection à résonance. Il est à noter également que dans ledit procédé, la largeur de la raie du spectre Môssbauer est limitée à celle de la raie d'absorption du convertisseur du détecteur à résonance et à celle de la raie du rayonne- ment de la source. Une expansion de plus en plus grande du domaine de l'enregistrement sélectif du rayonnement de résonance, tout comme l'amincissement de la raie expérimentale dans le spectre à la détection à résonance, peut être assurée par un filtrage du rayonnement de la source et l'isolement des composantes respectives du rayonnement de résonance, par exemple, polarisées à l'aide de matières comportant des noyaux résonants. Pourtant, cela nécessite qu'on assortisse les matières du filtre et du convertisseur du détecteur à résonance pour former un couple résonnant. La présente invention vise à créer un procédé de spectroscopie M6ssbauer selon lequel la conversion du rayonnement gamma de la source s'effectue à l'aide de matières telles que, associées à des conditions adéquates de détection à résonance, elles permettent d'étendre le domaine de l'enregistrement sélectif du rayonnement gamma de résonance et d'amincir la raie expérimentale dans le spectre Môssbauer enregistré de la matière à étudier. Le but posé est atteint par le fait que dans un procédé de spectroscopie Môssbauer consistant à faire passer là rayonnement d'une source gamma par la matière à étudier lors du déplacement synchrone de la source gamma et de la matière à étudier, la première avec une vitesse donnée constante et la seconde avec une accélé- ration donnée constante, et à enregistrer le rayonnement gamma transmis par la matière à étudier avec un détecteur gamme à résonance, selon l'invention, avant de traverser la matière à étudier, le rayonnement gamma passe par un filtre réalisée en une matière à spectre de Môssbauer décomposé, ledit filtre étant déplacé avec une vitesse donnée constante en synchronisme avec le déplacement de la source de rayonnement et de la matière à étudier. Il est bon que la matière constitutive du filtre soit à une décomposition quadripolaire du spectre Mass- bauer. Il est raisonnable également que la matière consti- tutive du filtre soit à spectre Môssbauer comportant des composantes polarisées. Ainsi réalisé, le procédé de spectroscopie M6ssbauer selon l'invention permet d'amincir la raie expérimentale dans le spectre Môssbauer enregistré de la matière à étudier et d'analyser ladite matière en rayonnement polarisé, la fonction d'enregistrement étant remplie par un détecteur à résonance. Il est à noter à ce propos que les conditions nécessaires à l'interaction résonnante s'obtiennent non par sélection des matières du filtre et du convertisseur du détecteur à résonance, assorties de façon que les raies respectives dans le spectre Môssbauer ne soient pas décalées dans l'échelle énergétique, mais résultent du décalage Doppler d'énergie des noyaux de ces matières. C'est là que réside la possibilité d'ex- pansion considérable du domaine de l'enregistrement sélectif du rayonnement gamma de résonance. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode deréalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure 1 représente un schéma général d'un spectromètre Môssbauer mettant en application un procédé de spectroscopie Môssbauer selon l'invention; - les figures 2a, b, c, d, e, respectivement, montrent des courbes d'intensité de la raie de rayonnement de la source, de la raie d'absorption du filtre, de la raie de transmission de la matière à étudier et de la raie d'absorption du convertisseur du détecteur à résonance en fonction de l'énergie, données à titre d'illustration du procédé selon l'invention; - les figures 3a, b, c, respectivement,montrent les diagrammes des vitesses de déplacement de la matière à étudier, de la source gamma et du filtre en fonction du temps, donnés à titre d'illustration du fonctionnement du spectromètre de la figure 1 mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Le procédé de spectroscopie Môssbauer selon l'inven- tion consiste à faire passer, suivant la flèche A, le rayonnement d'une source gamme 1 (figure 1) par un filtre 2 constitué d'une matière à spectre Môssbauer décomposé et ensuite par la matière à étudier 3, la source gamme 1, le filtre 2 et la matière à étudier 3 étant en mouvement synchrone. La source gamma 1 et le filtre 2 se déplacent avec une vitesse donnée constante et la matière à étudier 3 avec une accélération donnée constante. Le rayonnement gamme transmis par la matière à étudier 3 est enregistré par'un détecteur gamma à résonance 4. Le déplacement de la source gamma 1, du filtre 2 et de la-matière à étudier 3 s'effectue respectivement au moyen de modulateurs Doppler 5, 6 et 7 qui ont leurs entrées et leurs sorties reliées aux sorties et aux ent- rées respectives de blocs de commande 8, 9 et 10. Les autres entrées des blocs 8, 9 et 10 sont reliées aux sorties respectives d'un générateur de signaux de référence 11 dont la sortie de synchronisation est raccordée à l'entrée d'horloge d'un analyseur multicanal 12. L'entrée d'information de l'analyseur multicanal 12 est raccordée, à travers un analyseur monocanal 13, à la sortie d'un amplificateur 14. La sortie du détecteur à résonance 4 est reliée à l'entrée de l'amplificateur 14. Le meilleur choix pour amincir la raie expérimentale dans le spectre MOssbauer de la matière à étudier au moyen du filtrage du rayonnement gamma de la source consiste àréaliser le filtre 2 en une matière ayant une décomposition quadripolaire du spectre Môssbauer. Pour cette matière, on peut employer le bioxyde d'étain Sn02, ou un composé intermétallique du fer avec le silicium FeSi. Pour permettre l'analyse de la matière à étudier en rayonnement polarisé au cas o l'enregistrement se fait par un détecteur à résonance, on a adopté comme matière constitutive du filtre 2 une matière dont le spectre M6ss- bauer possède des composantes polarisées. A titre de telles matières, on peut se servir de fluorosilicate de fer hexahydraté FeSiF6.6H20, de fer carbonaté (sidérite) FeC03, de monocristaux de fluorosilicate de fer zinc obtenus par tirage d'une solution comportant 30% atomiques de fluorosilicate de fer hexahydraté FeSiF6.6H20 et 70% atomiques de fluorosilicate de zinc hexahydraté ZnSiF6.6H20 enrichis à 90% en isotope 57Fe, fer métalliquee -Fe. Le principe physique du procédé selon l'invention peut être compris à partir de ce qui suit. En cas général, l'on n'observe pas de condition d'interaction résonnante entre le rayonnement de la source l (figure 1) et les noyaux de la matière constitutive' du filtre 2 et du convertisseur du détecteur à résonance 4 comme c'est le cas des figures 2a, b, c, d, e o,en abscisses, on a l'énergie E (en eV) et en ordonnées, l'intensité I des raies (en nombre d'impuisions): I1 est l'intensité de la raie de rayonnement de la source 1 (figure 2a); 12 est l'intensité de la raie d'absorption du filtre 2 réalisé en une matière dont le spectre de Môssbauer a un dédoublement quadripolaire (figure 2b); I13 est l'intensité de la raie d'absorption du filtre 2 réalisé en une matière dont lé spectre de Môssbauer comporte des composantes polarisées (figure 2c); 14 est l'entensité de la raie de transmission de l'échantillon à étudier 3 (figure 2d) et 15 est l'intensité de la raie d'absorption du convertisseur du détecteur à résonance 4 (figure 2e). Les conditions d'interaction résonnante pour la détec- tion à résonance sont réalisées par superposition des centres d'intensité de la raie de rayonnement de la source I - I1 et de la raie d'absorption du convertisseur du détecteur à rasonance 4 - I5 due au déplacement de la source 1 à une vitesse donnée constante V1 (figure 2a) au moyen d'un modulateur Doppler 5 (figure 1), ce qui V correspond à un décalage énergétique A E = Eo. L égal à la différence de position énergétique des centres de la raie de rayonnement de la source 1 et de celle d'absorption du convertisseur du.détecteur 4 o. E0 est l'énergie des photons gamma, C est la vitesse dela lumière. Pour permettre le filtrage du rayonnement de la source l, le filtre 2, réalisé en une matière à décomposi- tion quadripolaire du spectre Mbssbauer et placé entre la source 1 et)a matière à étudier 3, est déplacé à une vitesse donnée constante V2 (figure 2b) au moyen d'un modulateur Doppler 6 (figure -1), ce qui revient à compenser le décalage énergétique des raies du filtre 2 et du convertisseur du détecteur à résonance 4. Le balayage du spectre Môssbauer obtenu s'opère par déplacement de la matière à étudier 3 au'moyen d'un modulateur Doppler 7 avec une accélération donnée - constante. La source gamma 1, le filtre 2 et la matière à étudier 3 se déplacent en synchronisme. Les figures 3a, b, c représentent les vitesses de déplacement V, V1 et V2 (en mm/s, en ordonnées) en fonction du temps t (en s, en abscisses): en a, la vitesse V de la matière à étudier 3; en b, la vitesse V1 de la source de rayonnement 1 et en c, la vitesse V2 du filtre 2; la zone utile de la mesure du spectre correspond à lalportion BC, la zone non utile étant CD. En rayonnement polarisé, le rôle du filtre 2 (figure 1), comme on l'a signalé plus haut, est tenu par une matière dont le spectre Môssbauer comporte des comcosantes olarisees. La fusion au centre a':nensité -e araie a'absorption Zu f e 2 ave calu: e la ae c'aosort ion ou conver: sseur ou dé:ec:eur à rsonance 4 s'effectue par déplacement du filtre 2 à une vitesse donnée constante V3 (figure 2c) ou V4, suivant la raie sur a=uel'e i. faut s'accorser dans le soec.re du fitre 2 Pour mieux faire comprend.re la présente invention, on donne ci-après les exemples spécifiques suivants de sa réalisation. Exemple 1 Un procédé de spectroscopie MSssbauer selon l'invention consiste à faire passer, suivant la f'lèche A (figure 1), le rayonnement d'une source gamma 1 à base de stannate de calcium CaSnO3 à déplacement isométrique par rapport au convertisseur de +0,45 mm/s, par un filtre 2 en une matière à décomposition quadripolaire ou spectre Méssbauer, notamment, en bioxyde SnC2 à un déOsacement isomer-iue par rapport au convertisseur de 0,45 mm/s et ensuite, par la matière à étudier 3, du stanna:e de sar-um 3aBn. En mâme témos, on oé:olace en syncnronisme la source gamma 1, le:e 2 et la matière à:udier 3. La source cgamma 1 et le.iltre 2 se aépolacenz a une v:tesse donnée constante la première à la vitesse h = -0,45 mm/s et le seconcà la vitesse V -,4 mm/s l - 2 ('e signe "-" marque cue la source I et le f'ilre 2, sur -a portion utile BC (fgcure 3), son en mouvement vers le convertisseur immooile), la matière à- étudier 3 étant déolacée avec une accélération donnée constante permettant le balayage du spectre dans la plage de vitesse de + 3 mm/s. Le rayonnement gamma transmis par la matière à. étudier 3 (figure 1) est enregistré par un détecteur gamma à résonance 4 sous forme o'un photomultiplicateur utilisant, pour convertisseur, un cristal scintillant à base de SnP207. La largeur mesurée de la raie expérimentale dans le spectre de la matière à étudier 3 est alors de 0>77 mm/s. Exemoie 2 Le procécé ce soec-roscooie M'ss'aue:- se'on i 'nven- ti:n de 'exemole 2 se fa.it par an'aoc-e avec le zrocédé de l'exempie 1 à cela près qu'ici, le filtre 2 'figure i) est en une matière cont le soectre Môssbauer comoorte des ccmoosantes polarisées. La source I est de 7Co en matrice C.u dont le dépla- cement isomérique par rapport au convertisseur de NaFeP205 du détecteur à résonance sous forme de compteur à décharge O gazeuse est de - 0,38 mm/s. Le filtre 2 est un monocristal de fluorosilicate de fer-zinc obtenu par tirage d'une solution comportant 30%' atomiques de fluorosilicate de fer hexahydraté FeSiF6.6H20 -e-t 70% atomiques de fluorosilicate de zinc hexahydraté ZnSiF 6 H20 enrichi à 90 en isotope 57Fe. L'une des raies polarisées du filtre 2 présente un déplacement isomé- trique nul par rapport à la raie ce rayonnement Gamma de la source I. Comme matière à étudier 3 on a uilisé ec:ement le flucrosis c=e ce fer zinc, Compte tenu ce ces connées, Zn cé^'ace la source 1 une vitesse donnée constante V. = + 0,38 mm/s, le f-ire 2, lui aussi, à une vites-se donnée constante V2 = + '0,8 mm/s, la matière à éudier 3 étant déplacée avec une accélération donnée constante assurant le balayage du spectre dans la plage ce vitesse oe -4 mm/s. La largeur de la raie exoérimentale es: -e 0,35 mm/s pour un effet de 25%. Le procédé de spectroscopie Môssbauer selon l'inven- tion permet d'étendre le domaine de l'enregistrement sé- lectif du rayonnement gamma de résonance et d'amincir la raie expérimentale dans le spectre Môssbauer enregistré de la matière à étudier. Il devient possible, de plus, avec le procédé selon l'invention, d'opérer l'analyse des matières en se basant sur l'effet de Msssbauer en rayonnement polarisé. - REVENDICATIONS - 1. Procédé de spectroscopie MSssbauer consistant à faire passer le rayonnement d'une source gamma (1) par une matière à étudier (3) lors du déplacement synchrone de la source gamma (1) et de la matière à étudier (3), la première (1) avec une vitesse donnée constante et la seconde (3) avec une accélération donnée constante, et à enregistrer le rayonnement gamma transmis par la matière à étudier (3) avec un détecteur gamma à résonance (4), caractérisé en ce qu'avant de traverser la matière à étudier (3), le rayonnement gamma passe par un filtre (2) en une matière à spectre M6ssbauer 'décomposé, ledit filtre (2) étant déplacé avec une vitesse donnée constante, en synchronisme avec le déplacement de la source gamma (1) et de la matière à étudier (3). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière constitutive du filtre (2) est une matière à décomposition quadripolaire du spectre Môssbauer. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière constitutive du filtre (2) est une matière dont le spectre Môssbauer comporte des composantes polarisées.