Brevet FR2696548A1 — publié le 19940408

La présente invention concerne une source de rayons X, et plus particulièrement mais non exclusivement une source de rayons X destinée à équiper des dispositifs d'analyse par diffraction de rayons X. L'invention concerne également un procédé pour produire une telle source ainsi qu'un dispositif d'analyse par diffraction de rayons X équipé d'une telle source. Les rayons X sont produits, notamment dans les dispositifs connus d'analyse par diffraction de rayons X, encore appelés diffractomètres, par bombardement d'une anticathode métallique par un faisceau d'électrons accélérés sous une forte différence de potentiel. Cette technique permet de produire des faisceaux de rayons X de forte puissance mais nécessite en contrepartie une installation lourde et encombrante pour générer la forte différence de potentiel nécessaire, à l'aide d'un transformateur, et pour refroidir l'anticathode métallique (95 % de l'énergie environ des électrons est transformée en chaleur) et le transformateur, généralement immergé dans un bain d'huile. Les sources de rayons X connues sont donc des installations difficilement transportables, d'une part en raison de leur encombrement et de leur poids, d'autre part en raison de la nécessité d'une source électrique suffisamment puissante pour les alimenter. De ce fait, les dispositifs connus utilisant des sources de rayons X, notamment les dispositifs d'analyse par diffraction de rayons X, ne sont pas employés sur le terrain par des géologues ou minéralogistes, ou dans le domaine spatial, c'est-à-dire embarqués dans des satellites, sondes ou stations orbitales. La présente invention a pour objet une source de rayons X qui soit facilement transportable. Selon l'invention, cette source de rayons X, qui convient notamment pour l'étude d'un échantillon par diffraction de rayons X, est caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée par un radio été ment. De préférence, le radioélément est déposé sur un support. Plus particulièrement, le radioélément utilisé pour l'étude d'un échantillon par diffraction de rayons X est de préférence l'isotope 55 du fer ("fie). La présente invention a également pour objet un procédé pour produire une source de rayons X telle que précitée. Selon un premier procédé conforme à l'invention, l'isotope 55 du fer est produit par transmutation du manganèse contenu dans une cible irradiée avec des deutons produits dans un accélérateur, puis séparé par voie chimique de la cible. Selon un deuxième procédé conforme à l'invention, l'isotope 55 du fer est produit par irradiation d'une cible comprenant du fer naturel, par un flux de neutrons dans une pile atomique. Avantageusement, l'isotope 55 du fer est déposé sur un support conducteur de l'électricité par voie électrochimique, de préférence en milieu chlorhydrique-citrique. La présente invention a également pour objet un dispositif d'analyse d'un échantillon par diffraction de rayons X, équipé d'une source de rayons X selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, non limitative de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue de dessus schématique illustrant le principe de l'analyse par diffraction de rayons X, - la figure 2 est une vue en coupe schématique et partielle d'un dispositif d'analyse par diffraction de rayons X, équipé d'une source de rayons X selon l'invention, le plan de la vue en coupe étant parallèle à un plan contenant une direction de référence et les rayons X diffractés observés, - les figures 3 et 4 sont des enregistrements montrant des pics de diffraction respectivement obtenus pour un même échantillon à l'aide d'une source de rayons X selon l'invention et d'une source de rayons X connue. La description qui va suivre concerne l'application d'une source de rayons X selon l'invention à l'analyse par diffraction de rayons X d'un échantillon. Bien entendu, on peut proposer, sans sortir du cadre de l'invention, de remplacer dans d'autres dispositifs d'analyse, de mesure, ou de contrôle, mettant en oeuvre des phénomènes physiques autres que la diffraction (par exemple l'absorption), les sources de rayons X classiques par une source de rayons X selon l'invention. L'analyse par diffraction de rayons X est une technique couramment utilisée en laboratoire pour identifier des échantillons cristallins. Elle consiste à envoyer sur un échantillon cristallin un faisceau de rayons X et à observer l'orientation, par rapport à une direction de référence, des rayons diffractés par les plans réticulaires de l'échantillon cristallin et leur intensité, afin de calculer des données concernant la structure cristalline de l'échantillon, permettant son identification. Plus précisément, lorsqu'un faisceau incident de rayons X, monochromatique et de longueur d'onde X bombarde un échantillon cristallin constitué de familles de plans réticulaires parallèles entre eux et équidistants de d(hkl) (où h, k, I sont des entiers désignant une famille de plans réticulaires), les positions angulaires 23 des rayons X diffractés par rapport à la direction d'incidence du faisceau satisfont à la loi de Bragg 2 d (hkl) sin8 = nX où n est un entier. La mesure précise des valeurs des angles 20 permet donc, de façon connue en soi, le calcul des distances réticulaires des plans diffractants d(hkl) nécessaires pour l'identification de l'échantillon. On connaît en particulier deux méthodes d'analyse par diffraction de rayons X: - la méthode dite de Debye-Scherrer, selon laquelle l'échantillon cristallin à analyser est réduit en poudre et enfermé dans un capillaire, l'enregistrement étant effectué au moyen d'un film photographique, - la méthode dite de "diffraction de poudre", mise en oeuvre par un dispositif tel que représenté sur la figure 1, selon laquelle l'échantillon est placé sur un support plan entraîné en rotation. La description qui suit se réfère plus particulièrement et uniquement à titre d'illustration, à un dispositif mettant en oeuvre cette deuxième méthode. On a représenté sur la figure 1 un faisceau de rayons X incident 1 convergeant en un point S situé sur un cercle de convergence 2 de centre C, dirigé sur une poudre d'un échantillon 3 disposée sur une face d'un support plan entraîné en rotation autour d'un axe 4 parallèle au plan du support, passant par le point C et perpendiculaire au plan d'observation, c est-à-dire perpendiculaire à un plan contenant les rayons X diffractés observés et une direction de référence par rapport à laquelle les positions angulaires des rayons X diffractés observés sont mesurées. Le support est entraîné par des moyens d'entraînement appropriés et connus de l'homme du métier à une vitesse angulaire w et la direction de référence considérée ici correspond à l'axe SC.Un détecteur 5, placé sur le cercle de convergence 2, détecte les rayons 6 diffractés par l'échantillon 3, convergeant en un point F du cercle de convergence, et délivre un signal 9 représentatif de l'intensité du rayonnement. Le détecteur 5 peut être constitué par un capteur mobile entraîné mécaniquement à une vitesse angulaire 2 en rotation autour de l'axe 4 de façon connue en soi ou bien par un capteur fixe, tel qu'un détecteur au gaz et à fil tendu, apte à observer un secteur angulaire du cercle de convergence 2.Des moyens 7 de traitement et d'enregistrement appropriés du signal 9 délivrent des données utiles concernant la structure cristalline de l'échantillon. I1 peut s'agir, comme schématiquement représenté, d'un enregistrement 8 où les positions angulaires des rayons X diffractés observés figurent en abscisse et leur intensité en ordonnée. On a représenté plus particulièrement sur la figure 2, en coupe schématique partielle dans un plan parallèle au plan d'observation, un dispositif 10 d'analyse par diffraction de rayons X. Ne sont pas représentés en particulier le détecteur et les moyens de traitement précités. L'échantillon cristallin à analyser 3, constitué par une poudre d'un matériau, contenu dans un récipient approprié, est disposé sur un support tournant autour d'un axe 4 à l'intérieur d'une enceinte Il munie d'un orifice d'aspiration 12 permettant la mise sous pression réduite du volume intérieur de l'enceinte. Une fenêtre d'observation 13 est ménagée sur un secteur de la circonférence de l'enceinte 11, cette fenêtre étant fermée par une plaque de bérylium 14, transparente pour le rayonnement X. Un détecteur de type connu, à gaz et à fil tendu, non réprésenté, est disposé à l'extérieur de l'enceinte pour observer les positions angulaires des rayons X diffractés par l'échantillon 3, sortant par la fenêtre 13 et la plaque 14. Une source 15 de rayons X conforme à l'invention, c'est-à-dire essentiellement constituée par un radioélément, est prévue dans l'enceinte. Des moyens de collimation 16 sont placés entre la source 15 et l'échantillon 3 pour produire un faisceau de rayons X dirigé sur l'échantillon 3. Ces moyens de collimation sont par exemple constitués de fentes dites de Soller, connues en elles-mêmes. Avantageusement, la source 15 et les moyens de collimation 16 sont montés à rotation autour de l'axe 4 de façon à pouvoir être déplacés vers la position représentée en pointillés, en vue par exemple d'effectuer un réglage des moyens de collimation 16.A titre indicatif, les distances entre la source et l'échantillon, ainsi qu'entre ce dernier et le détecteur sont voisines de 120 mm dans la réalisation décrite. De préférence, le radioélément choisi pour l'application d'une source de rayons X selon l'invention à l'analyse par diffraction de rayons X, est l'isotope 55 du fer, noté 55Fe. Ce radioélément émet des photons X de 5,9 keV, correspondant à une longueur d'onde de 2,1 A, particulièrement avantageuse puisque l'absorption par des corps tels que des oxydes, silicates et carbonates, ou des éléments tels que C, O, Na, Mg, Al, Si est faible à cette longueur d'onde. Par ailleurs, sa durée de demi-vie de 2,6 ans est suffisante pour conférer une durée de vie raisonnable à la source. De préférence, l'isotope 55 du fer est déposé sur un support. Le dépôt peut être effectué par tous moyens appropriés mais de préférence le support est conducteur de l'électricité et le radioélément est déposé par voié électrochimique sur ce support. Avantageusement, le support est constitué d'un métal tel que le cuivre ou l'or. Afin de réduire les phénomènes d'auto-absorption du rayon 55 X produit par 55 nement X produit par Fe, l'épaisseur de Fe déposé sur le support est de préférence inférieure à 30 um. Différentes géométries de supports peuvent être proposées. Dans une réalisation, le support est constitué par un fil métallique en cuivre ou en or, rectiligne et orienté perpendiculairement au plan d'observation. Le diamètre du fil doit être choisi suffisamment grand pour permettre le dépôt sur sa surface externe d'une quantité de radioélément suffisante pour produire un faisceau de rayons X d'intensité convenable. Le diamètre ne doit cependant pas être trop grand pour ne pas entraîner une perte de résolution par élargissement de l'ouverture angulaire du faisceau de rayons X produit. Le diamètre doit en outre, bien entendu, être suffisant pour conférer au fil la tenue mécanique nécessaire. Avantageusement, le diamètre du fil est compris entre 500 et 1000 um, de préférence voisin de 750 pm, et sa longueur est de préférence voisine de 10 mm. Le fil peut être monté à ses extrémités dans des micromandrins connus en eux-mêmes. En variante, dans une autre réalisation, le support peut être une plaque. De préférence alors, cette plaque est munie de moyens d'orientation de son plan autour d'un axe perpendiculaire au plan d'observation, de façon à pouvoir positionner la plaque dans l'orientation donnant les meilleurs résultats. L'isotope 55 du fer peut être produit par tous moyens appropriés, connus de l'homme de l'art, mais de préférence, l'isotope 55 du fer est produit selon l'une des deux méthodes suivantes - Par transmutation du manganèse contenu dans une feuille d'alliage Mn/Ni de 1 mm d'épaisseur irradiée avec des deutons de 25 MeV produits dans un accélérateur, pendant une durée comprise entre 300 heures et 500 heures, l'isotope 55 du fer ainsi produit étant séparé par voie chimique de la cible. Cette méthode permet d'obtenir du 55Fe d'activité élevée. - Par irradiation d'une cible comprenant du fer naturel, par un flux de neutrons dans une pile atomique. On a représenté sur les figures 3 et 4, deux enregistrements respectivement obtenus avec un dispositif d'analyse par diffraction de rayons X utilisant une source selon l'invention, d'activité voisine de 30 mci, et avec un dispositif d'analyse par rayons X utilisant une source de rayons X connue en elle-même. L'échantillon analysé est constitué de gibbsite, Al (OH)3, recouverte d'une lame mince monocristalline de graphite.Cet enregistrement fait apparaître quatre pics pincipaux P1, P2, P3, P4 dans un domaine angulaire 26 s'étendant entre 20 et 50 . La comparaison des deux enregistrements montre qu'une source de rayons X selon l'invention permet l'obtention d'un enregistrement sur lequel les pics principaux sont parfaitement identifiables, avec des amplitudes respectives de 6016, 339, 220 et 116 et avec un rapport signal sur bruit voisin de 10 environ pour ces pics, suffisant pour identifier l'échantillon cristallin. Le temps d'intégration est voisin de deux heures.La résolution angulaire est meilleure que 1". Les pics P1 et P2 correspondent en particulier à la diffraction des longueurs d'onde Kcl et Kss produites lors de la désintégration de l'isotope 55 du fer sur la lame de graphite. Comme cela a été mentionné précédemment, le 55Fe est déposé par voie électrochimique sur un support conducteur d'électricité. De préférence, on réalise ce dépôt en milieu chlorydrique-citrique dans des conditions voisines des conditions expérimentales suivantes Volume total = 21 ml, dont 3,5 ml HCl 0,1 M contenant le radioélément à déposer, 15 ml HCl 1 M, 2,5 ml d'une solution saturée d'acide citrique, Cathode en cuivre ou en or (diamètre : 0,7 mm, longueur : 10 mm), . Anode en Pt, . Conditions électriques: 6 V sous 200 mA. On obtient, dans ces conditions expérimentales, après une centaine d'heures d'électrolyse, un dépôt métallique homogène, bien adhérent, avec un rendement de dépôt supérieur à 95 %. Finalement, l'invention permet de substituer aux installations connues de production de rayons X, lourdes, encombrantes et à forte consommation d'énergie, des sources de rayons X de faible encombrement, légères et autonomes, afin de réaliser des dispositifs d'analyse, de mesure ou de contrôle utilisant des rayons X aisément transportables et pouvant être utilisés sur le terrain ou embarqués à bord d'équipements envoyés sur d'autres planètes ou astéroîdes. Par ailleurs, le rayonnement de freinage des électrons accélérés qui contribue au bruit de fond dans une installation connue, est absent dans l'invention, ce qui conduit à un meilleur rapport signal sur bruit, particulièrement intéressant pour les rayons diffractés de faible intensité. REVENDICATIONS 1/ Source de rayons X, convenant notamment pour l'étude d'un échantillon par diffraction de rayons X, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée par un radioélément. 2/ Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que le radioélément est déposé sur un support. 3/ Source selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le radioélément est l'isotope 55 du fer. 4/ Procédé pour réaliser une source de rayons X selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'isotope 55 du fer est produit par transmutation du manganèse contenu dans une cible irradiée avec des deutons produits dans un accélérateur, puis séparé par voie chimique de la cible. 5/ Procédé pour réaliser une source de rayons X selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'isotope 55 du fer est produit par irradiation d'une cible comprenant du fer naturel, par un flux de neutrons dans une pile atomique. 6/ Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'isotope 55 du fer est déposé sur un support conducteur de l'électricité par voie électrochimique. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dépôt est effectué en milieu chlorhydrique-citrique. 8/ Dispositif d'analyse d'un échantillon (3) par diffraction de rayons X, comprenant une source (15) de rayons X, des moyens de collimation (16) des rayons X émis par la source pour produire un faisceau de rayons X dirigé vers l'échantillon, et des moyens pour observer les positions angulaires des rayons X diffractés par l'échantillon par rapport à une direction de référence, caractérisé en ce que les rayons X sont produits par la désintégration de l'isotope 55 du fer d'une source radioactive contenant cet isotope. 9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source radioactive est obtenue par dépôt sur un support de l'isotope 55 du fer. 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support est conducteur de l'électricité et l'isotope 55 du fer est déposé par voie électrochimique. 11/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le support est constitué d'un matériau choisi dans la liste suivante : cuivre, or. 12/ Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'épaisseur du dépôt de l'isotope 55 du fer sur le support est inférieure à 30 llm. 13/ Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le support est constitué par un fil rectiligne orienté perpendiculairement à un plan contenant ladite direction de référence et les rayons diffractés observés. 14/ Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le diamètre du fil est compris entre 500 et 1000 llm. 15/ Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la longueur du fil est voisine de 10 mm. 16/ Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le support est une plaque. 17/ Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que la plaque est munie de moyens d'orientation de son plan autour d'un axe perpendiculaire à un plan contenant la direction de référence et les rayons X diffractés observés. 18/ Dispositif selon l'une des revendications 8 à 17, caractérisé en ce qu'il est embarqué à bord d'un équipement envoyé dans l'espace.