Brevet FR2620850A1 — publié le 19890324

La présente invention concerne l'appareillage destiné aux observations de la résonance gamma nucléaire et notam- ment les spectromètres de Môssbauer. L'invention peut être utilisée en physique, chimie, métallurgie, géologie et dans d'autres domaines de la science et de la technologie dans le but de l'analyse des matières dans lesquelles se produit une absorption réson- nante nucléaire. On connait un spectromètre de Môssbauer comprenant un émetteur gamma fixé sur la tige d'un vibreur, un absor- beur et un détecteur de rayons gamma disposés en succession dans le sens du rayonnement gamma, la sortie de ce détec- teur étant reliée à un analyseur multicanal par l'intermé- diaire d'un amplificateur et d'un discriminateur, l'entrée de signaux d'adresse de cet analyseur étant reliée à la sortie de signaux d'adresse d'un oscillateur d'impulsions, alors que la sortie de cet analyseur multicanal est bran- chée sur un dispositif de commande dont la sortie de signal de référence est reliée à travers un circuit comparateur et un amplificateur à la bobine pilote du vibreur dont le capteur de vitesse est, lui aussi, branché sur le circuit comparateur (S.M. Irkaev et autres, "Résonance gamma nuclé- aire, appareillage et méthodologie", 1970, MGU (Moscou), pages 115-117). L'inconvénient du spectromètre de Môssbauer ainsi réa- lisé est que la tige du vibreur et, donc, l'émetteur gamma, subissent des actions perturbatrices extérieures. Comme la tige du vibreur est fixée sur le corps de celui-ci au moyen d'une suspension à ressort, des actions sismiques et acous- tiques provoquent des mouvements oscillatoires de la tige. Il en résulte une distorsion de la raie de M ssbauer au cours de l'enregistrement du spectre de Môssbauer. On connait également un spectromètre de Môssbauer com- prenant un émetteur gamma fixé sur la tige d'un vibreur, ainsi qu'un absorbeur et un détecteur de rayons gamma dis- posés en succession dans le sens du rayonnement gamma, la sortie de ce détecteur étant reliée, à travers un bloc amplificateur et sélecteur d'amplitudes, à l'entrée d'in- formation d'un analyseur multic-;al dont l'entrée de signaux d'adresse et l'entrée du signal de départ sont branchées respectivement sur la sortie de signaux d'adresse et la sortie du signal de départ d'un oscillateur pilote dont la sortie du signal de référence est reliée à l'une des entrées d'un circuit comparateur dont l'autre entrée est branchée sur un capteur de vitesse du vibreur, alors que sa sortie est reliée à la bobine pilote du vibreur à travers un amplificateur du signal d'erreur et un amplifi- cateur de puissance. (Appareillage et technique de l'expé- rience, NI 5, 1967 (Moscou), G. Tomov, T. Ruskov, "Spectro- mètre de Môssbauer", page 138-142). Dans ce spectromètre de Môssbauer, l'émetteur gamma est fixé sur la tige du vibreur, alors que l'absorbeur est disposé sur un bâti dans le sens d'enregistrement du rayon- nement gamma de manière fixe par rapport au corps du vibreur. L'oscillateur pilote est relié à l'une des entrée du circuit comparateur, dont l'autre entrée est branchée sur un capteur de vitesse, alors que sa sortie est reliée à la bobine pilote du vibreur à travers un amplificateur du signal d'erreur et un amplificateur de puissance. Tout cela a pour conséquence que la précision de réa- lisation de la loi du mouvement de la tige du vibreur et de l'émetteur gamma est assurée par la valeur du signal délivré par le capteur de vitesse branché sur le circuit comparateur (réaction par vitesse) et par le facteur d'am- plification totale dela chaine: circuit comparateur, ampli- ficateur du signal d'erreur et amplificateur de puissance. Dans ce spectromètre de Môssbauer, l'influence des perturbations externes et notamment des perturbations acous- tiques f1, sismiques f2, électromagnétiques f3 ainsi que des perturbations f4 provenant des fluctuations des tensions d'alimentation conduit à la création d'une composante de vitesse de l'émetteur gamma par rapport à l'absorbeur: SA = VS VA' (1) o VSA est la composante de vitesse de la source gamma par rapport à l'absorbeur, VS est la composante de vitesse de la source gamma par rapport au bâti, VA est la composante de vitesse de l'absorbeur par rapport au bâti. Comme l'absorbeur est monté sur le bâti de manière fixe, la composante VA = 0. Donc VSA = VA, (2) o VSA est déterminée par l'expression VSA - Wi (S). fi (3) SA = 1 + k k2 Wm (S) ' o Wm(S) est la fonction de transfert du vibreur, Wi(S), S = 1,4 sont les fonctions de transfert de la perturbation i lors du déplacement de la tige du vibreur, k1 est le facteur d'amplification de l'amplicateur i du signal d'erreur, k k2 est le coefficient de conversion de l'amplifica- teur de puissance, S est un opérateur laplacien. Il ressort de l'expression (3) que VSA est directement proportionnelle à l'intensité des perturbations extérieures fi: i = 1, 2, 3, 4 et inversement proportionnelle au fac- teur d'amplification du circuit fermé de réaction par vi- tesse k1. k2.Wm(S). Le module de la fonction de transfert Wm(S) du vibreur diminue au fur et à mesure de l'accroissement de la fré- quence à la pente de 20 dB/déc. à partir de la fréquence de la première résonance mécanique du vibreur, et de 60 dB/déc. à partir de la fréquence de résonance propre de la tige. De ce fait, l'efficacité de la neutralisation des per- turbations extérieures fi influant sur VSA, efficacité déter- minée par l'expression (3), diminue brusquement avec l'aug- mentation de la fréquence. Il en résulte que dans la bande de fréquences supé- rieures à 50 Hz, le recours à la réaction par vitesse en vue de la neutralisation de l'influence des perturba- tions extérieures sur VSA est inefficace. Il est également à noter-que l'accroissement du fac- teur d'amplification de la boucle ouverte de réaction par vitesse est limité par la condition de stabilité déter- minée essentiellement par la rigidité finie de la tige du vibreur. De ce fait, le déplacement Doppler de l'énergie des quanta gamma résonnants proportionnel à la vitesse relative de la tige est fonction des perturbations exter- nes, ce qui, à son tour, conduit à un élargissement de la raie de M6ssbauer et à l'impossibilité d'obtenir la résolu- tion des décompositions fines à l'aide du spectromètre de Môssbauer ci-dessus décrit. On voit donc que les perturbations externes agissant sur la tige du vibreur du spectromètre de Môssbauer dimi- nuent la précision de mesure des spectres de Môssbauer. Le but de l'invention est donc de créer un spectromè- tre de M6ssbauer doté de blocs et de couplages électriques permettant de compenser l'influence des perturbations ex- ternes sur la loi de déplacement de la source gamma par rapport à l'absorbeur, en assurant ainsi l'indépendance du déplacement Doppler de l'énergie du rayonnement gamma réson- nant par rapport aux perturbations externes, ce qui permet- trait d'améliorer la précision de mesure des spectres de Môssbauer. Le but visé est atteint grâce à un spectromètre de Môssbauer comprenant une source gamma fixée sur la tige d'un vibreur principal, un absorbeur et un détecteur de rayonnement gamma disposés l'un après l'autre dans le sens du rayonnement gamma, la sortie de ce détecteur étant reliée, par un bloc d'amplification et de sélection des amplitudes, à l'entrée d'information d'un analyseur multi- canal dont l'entrée de signaux d'adresse et l'entrée du signal de départ sont reliées respectivement à la sortie de signaux d'adresse et à la sortie du signal de départ d'un oscillateur pilote dont la sortie du signal de réfé- rence est reliée à l'une des entrées d'un circuit compara- teur dont l'autre entrée est branchée sur un capteur de vitesse du vibreur principal et dont la sortie est reliée à la bobine pilote du vibreur principal par l'intermédi- aire d'un amplificateur du signal d'erreur et d'un ampli- ficateur principal de puissance, caractérisé selon l'in- vention en ce qu'il comprend un vibreur supplémentaire disposé, par rapport au vibreur principal, de façon que sa tige soit parallèle à la tige du vibreur principal, un amplificateur du signal de vitesse délivré par un capteur de vitesse du vibreur supplémentaire, dont l'entrée est reliée à ce capteur, et un amplificateur de puissance supplémentaire, dont l'entrée est branchée sur la sortie de l'amplifica- teur du signal de vitesse et dont la sortie est reliée à la bobine pilote du vibreur supplémentaire, et en ce que l'absorbeur est fixé sur la tige du vibreur supplémentaire. Ce mode de réalisation du spectromètre de Môssbauer selon l'invention permet de compenser l'influence des perturbations externes et d'éviter les erreurs de mesure du spectre de M6ssbauer, provoquées par ces perturbations. Les forces résultantes, le long du sens du déplacement des tiges des vibreurs, étant dans ce cas orientées dans le même sens, le déplacement relatif de la source gamma et de l'absorbeur ne subit aucune variation sous l'action de ces forces, c'est-à-dire que le déplacement Doppler de l'énergie du rayonnement gamma n'est fonction que de la loi de mouvement à laquelle obéit la source gamma. Cela permet d'assurer l'insensibilité du spectromètre selon l'invention par rapport aux perturbations extérieures et d'améliorer la précision de mesure du spectre de M6ss- bauer. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de sa réalisation, en se référant au dessin non limitatif annexé dans lequel: -la figure unique représente l'organigramme du spectro- mètre de Môssbauer selon l'invention. Le spectromètre de Môssbauer selon l'invention comprend une source gamma 1 fixée sur latige 2 d'un vibreur 3, ainsi qu'un absorbeur 4 et un détecteur 5 du rayonnement'gamma, disposés l'un après l'autre dans le sens A du rayonnement gamma, la sortie de ce détecteur étant reliée à l'entrée 7 d'information d'un analyseur multicanal 8 par l'intermédiaire d'un bloc 6 d'amplification et de sélection d'amplitudes. L'entrée 9 de signaux d'adresse et l'entrée 10 du signal de départ de l'analyseur multicanal 8 sont branchées respecti- vement sur la sortie 11 de signaux d'adresse et la sortie 12 du signal de départ d'un oscillateur pilote 13. La sortie 14 du signal de référence de l'oscillateur pilote 13 est reliée à l'une des entrées 15 d'un circuit comparateur 16, dont l'autre entrée 17 est branchée sur un capteur de vitesse 18 du vibreur 3. La sortie du circuit comparateur 16 est reliée à la bobine pilote 21 du vibreur 3 à travers un amplifica- teur 19 du signal d'erreur et un amplificateur 20 de puissance. L'absorbeur 4 est fixé sur la tige 22 d'un autre vi- breur 23 disposé, par rapport au vibreur 3, de façon que la tige 22 du vibreur 23 soit parallèle à la tige 2 du vibreur 3. Un capteur de vitesse 24 du vibreur 23 est bran- ché sur la bobine pilote 21 par l'intermédiaire d'un amplifi- cateur 25 du signal de vitesse et d'un amplificateur 26 de puissance. L'absorbeur 4 est fixé sur la tige 22 du vibreur 23 à l'aide d'un support 28. Le fonctionnement du spectromètre de M6ssbauer-selon l'invention est le suivant. Les impulsions délivrées par le détecteur 5 du rayonnement gamma sont amplifiées et sélectionnées en amplitude dans le bloc 6 et arrivent à l'analyseur multicanal 8 fonctionnant selon le mode de comptage successif multicanal et synchronisé par le signal de départ venant de l'oscil- lateur pilote 13. L'oscillateur pilote 13 élabore un signal de référence g, le circuit comparateur 16 calcule la diffé- rence entre le signal de référence g de vitesse et le signal YS délivré par le capteur de vitesse 18 du vibreur 3 et appliqué à l'entrée 17 du circuit comparateur 16. Le signal délivré par la sortie du circuit comparateur 16 arrive à la bobine pilote 21 du vibreur 3 à travers l'am- plificateur 19 du signal d'erreur et l'amplificateur 20 de puissance. Le signal yA,fourni par le capteur de vitesse 24 du vibreur 23,est appliqué à la bobine pilote 27 du vibreur 23 après avoir traversé les amplificateurs 25 et 26. Dans le spectromètre de Môssbauer selon l'invention se réalisent les relations suivantes: iE Wi (S).fi V = 1=11 (4) S = 1 + kl.k2.W m(S)' iz W!(S).f! i-1 i ', (5) VA 1 + kj.k.Wm (S) o W!(S) , i = 1,4 sont les fonctions de transfert i de la perturbation lors du déplacement de la tige 22 du vibreur supplémentaire 23, fi= fi, i = 1,4, kt est le facteur d'amplification de l'amplicateur du signal de vitesse, k2 est le coefficient de conversion de l'amplifi- cateur 26 de puissance, Wn(S) est la fonction de transfert du vibreur 23 déterminée par le rapport de la valeur du cou- rant de la bobine pilote 27 du vibreur 23 et de la valeur de la tension du signal du capteur de vitesse 24. Le fait que les vibreurs 3 et 23 soient identiques et que leurs tiges 2 et 22 soient parallèles conduit aux éga- lités suivantes: Wm (S) = Wm (S), (6) Wi(S) Wi(S), i = 1,2 Le fait que l'amplificateur 19 du signal d'erreur et l'amplificateur 25 du signal de vitesse, d'une part, et l'amplificateur 20 de puissance et l'amplificateur 26 de puissance, d'autre part, soient identiques donne les égalités: ki = k, i = 1,2, k i' 9, (7) Wi(S) = Wi(S), i = 3,4 Si les égalités (6), (7) sont réalisées, la valeur de VSA dans (1) est égale à zéro et ne dépend pas des pertur- bations externes. Le réglage du spectromètre de MOssbauer selon l'inven- tion consiste à régler le facteur d'amplification de l'am- plificateur 25 avec le signal de référence g = 0 de façon que la différence entre les signaux délivrés par le capteur de vitesse 18 du vibreur 3 et par le capteur de vitesse 24 du vibreur 23 en présence des perturbations externes soit minimale. Des mesures effectuées à l'aide du spectromètre de Môssbauer selon l'invention ont donné les résultats sui- vants. On a mesuré, à l'aide d'un interféromètre de laser, les déplacements de la source gamma 1 par rapport à l'ab- sorbeur 4. Dans le premier cas,l'absorbeur était monté de manière fixe sur le bâti et dans le deuxième cas, sur la tige 22 du vibreur 23. Les mesures ont été réalisées avec un niveau naturel des perturbations sismiques et acoustiques agissant sur les tiges 2 et 22 des deux vibreurs 3 et 23 et l'on a mesuré le nombre d'impuisions d'interférence dans les canaux choi- sis de l'analyseur multicanal 8. Les résultats obtenus sont représentés au tableau ci-dessous Tableau Nombre d'impulsions d'in- Nombre d'impulsions NO terférence dans le canal d'interférence dans le des dans le premier cas. canal dans le deuxième cas canaux Temps de mesure: 1 minute Temps de mesure: 1minute 520 16 123 468 22 256 534 14 630 507 9 925 562 11 Il ressort de ce tableau que l'efficacité de la sup- pression des perturbations externes dans le spectromètre de Môssbauer selon l'invention s'accroît nettement et que l'influence des perturbations externes est d'environ 25 fz:s plus faible que normalement. Le spectromètre de Mâssbauer selon l'invention peut être utilisé pour les mesures de précision des spectres de Môssbauer en présence de perturbations externes importantes, par exemple dans des conditions de production industrielle. R E V E N D I C A T I ON Spectromètre de Môssbauer du type comprenant une source gamma fixée sur la tige d'un vibreur principal, un absorbeur et un détecteur du rayonnement gamma dispo- sés l'un après l'autre dans le sens du rayonnement gamma, la sortie dudit détecteur étant reliée à travers un bloc d'amplification et de sélection d'amplitudes à l'entrée d'information d'un analyseur multicanal dont la sortie de signaux d'adresse et l'entrée du signal de départ sont branchées respectivement sur la sortie de signaux d'adresse et sur la sortie du signal de départ d'un oscillateur pilote dont la sortie du signal de référence est reliée à l'une des entrées d'un circuit comparateur, l'autre entrée étant branchée sur un capteur de vitesse du vibreur princi- pal et la sortie étant reliée à la bobine pilote du vibreur principal par l'intermédiaire d'un amplificateur du signal d'erreur et d'un amplificateur principal de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend un vibreur supplémentaire (23) disposé par rapport au vibreur principal (3) de manière que la tige (22) du vibreur supplémentaire (23) soit parallèle à la tige (2) du vibreur principal (3), un amplificateur (25) du signal de vitesse provenant d'un capteur de vitesse (24) du vibreur supplémentaire (23), dont l'entrée est reliée audit capteur (24), et un amplificateur (26) de puissance supplémentaire dont l'entrée est branchée sur la sortie de l'amplificateur (25) du signal de vitesse et dont la sortie est reliée à la bobine pilote (27) du vibreur supplémentaire (23), et en ce que l'absorbeur (4) est fixé sur la tige (22) du vibreur supplémentaire (23).