Brevet FR2765340A1 — publié le 19981231

PROCEDE DE MESURE DU GRAMMAGE DES COMPOSANTS D'UN MATERIAU COMPOSE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé pour mesurer simultanément le grammage des composants d'un matériau constitué de plusieurs composants, mélangés ou superposés, et de compositions atomiques différentes. Ce procédé trouve des applications dans le domaine médical, notamment pour la mesure de la teneur en calcium des os, dans le domaine chimique pour mesurer la teneur en charge de polymères et d'élastomères ou encore dans le domaine de la métallurgie pour déterminer le titre d'un métal dans un alliage. I1 trouve également des applications dans l'industrie pétrolière pour déterminer la composition de mélanges eau-huile et dans la plupart des domaines nécessitant une détermination de la teneur d'un composant dans un matériau composé. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour mesurer le grammage des composants d'un matériau, il est connu d'effectuer une analyse chimique d'un échantillon du matériau. Une telle analyse présente, néanmoins, l'inconvénient d'être longue, coûteuse et destructrice puisque, après l'analyse, l'échantillon de matériau ne peut plus être utilisé. Un autre procédé pour mesurer les grammages dans un matériau est le procédé biphotonique à énergies suffisamment distinctes. Ce procédé, utilisé notamment en ostéodensimétrie, repose sur l'utilisation de deux modes d'interaction rayonnement/matière - le mode d'interaction relatif à l'effet photoélectrique, qui se caractérisé par le fait que, pour certaines énergies photoniques, les courbes représentatives de l'absorption de chacun des composants d'un matériau présentent des discontinuités ; en outre, dans ce mode d'interaction, le coefficient d'absorption est prépondérant à de faibles énergies, essentiellement lorsque le composant considéré a un numéro atomique élevé ; et - le mode d'interaction relatif à effet Compton qui se caractérise par une variation relativement faible en fonction de l'énergie ; ainsi, dans ce mode d'interaction, lorsqu'il s'agit de corps simples, les courbes d'absorption sont proches les unes des autres, voire presque confondues. Ce procédé de mesure de grammages utilise donc ces deux modes d'interaction. Plus précisément, ce procédé consiste a choisir deux énergies El, E2 suffisamment distinctes l'une de l'autre : l'énergie El est choisie de façon à ce que l'un des composants ait pour effet prépondérant l'effet Compton et l'autre composant ait pour effet prépondérant l'effet photoélectrique. Le seuil au-dessous duquel l'absorption est due essentiellement à l'effet photoélectrique étant, pour la plupart des corps, de 30 KeV environ, l'énergie El doit donc être choisie supérieure à une valeur limite d'environ 30 keV. Quant à l'énergie E2, elle est choisie relativement élevée de façon à ce que le rapport des atténuations mesurées pour l'énergie E2 soit suffisamment différent du rapport des atténuations mesurées pour l'énergie El. Etant donné la valeur élevée choisie pour l'énergie E2, les effets liés à cette énergie E2 sont généralement des effets Compton pour les deux composants. Les coefficients d'absorption mesurés pour chaque composant à chacune des énergies El et E2 ainsi que les coefficients d'atténuation globale du matériau composé, mesurés pour chaque énergie El et E2 permettent d'écrire un système de deux équations à deux inconnues, où les inconnues sont les proportions de composants dans le matériau. La résolution de ce système permet de déterminer la teneur de chacun des composants dans le matériau composé. Sur la figure 1, on a représenté les courbes d'absorption obtenues par ce procédé pour les deux composants constituant le matériau composé à étudier. La courbe Ca représente l'absorption du premier composant du matériau composé et la courbe Cb représente l'absorption du second composant du matériau composé. Ces courbes étant tracées pour des valeurs d'énergie relativement élevées (supérieures à 30 keV), elles sont continues, c'est-à-dire sans aucune discontinuité. On a représenté, en outre, sur la figure 1 les énergies El et E2 suffisamment distinctes l'une de l'autre. Par exemple, dans une application où l'on utilise une source unique de 153Gd pour émettre des faisceaux d'énergie, les énergies El et E2 peuvent être choisies égales à, respectivement, 44 keV et 100 keV. L'énergie E2 étant généralement choisie supérieure à 50 keV, l'absorption du faisceau d'énergie E2 par un composant en faible proportion (par exemple l'un des composants d'un matériau formé de plusieurs couches superposées) est quasiment négligeable, ce qui fournit des mesures très imprécises et donc sans intérêt. L'inconvénient majeur de ce procédé est donc de ne pouvoir être utilisé que pour des matériaux comportant des composants en proportion suffisante. Un autre procédé connu pour mesurer la teneur en composants d'un matériau est le procédé dit de "k-egde". Ce procédé, ainsi que le procédé biphotonique décrit précédemment, sont divulgués dans différentes publications scientifiques et techniques. Ce procédé du k-edge utilise des rayonnements de faibles énergies c'est-à-dire des énergies de quelques keV. Avec de telles énergies, l'effet prépondérant est l'effet photoélectrique, pour l'un au moins des composants du matériau. A de telles énergies, la courbe d'absorption de l'un au moins des composants comporte une discontinuité. C'est cette discontinuité qui est mise à profit dans le procédé du k-edge. De façon plus précise, ce procédé consiste à choisir deux énergies E3 et E4 situées de part et d'autre de la discontinuité. Elles sont choisies très proches l'une de l'autre de façon à ce que l'écart entre elles ne dépasse guère les 1 i. Du fait de cette discontinuité, les coefficients d'absorption du composant, dont la courbe représentative comporte la discontinuité, sont très nettement différents l'un de l'autre bien que les énergies E3 et E4 soient très proches. Au contraire, pour le composant dont la courbe ne présente pas de discontinuité, les coefficients d'absorption sont quasiment égaux puisque les énergies sont très proches. Comme dans le procédé biphotonique décrit précédemment, la mesure de ces absorptions pour chaque composant pris individuellement -et la mesure de l'absorption globale mesurée pour chacune des énergies E3 et E4 permet d'écrire un système de deux équations à deux inconnues qui peut être résolu très simplement (par exemple, par soustraction membre à membre) puisque l'un des composants a des coefficients d'absorption identiques pour les deux énergies. On peut ainsi déterminer la quantité de chaque composant indépendamment de l'autre. Pour illustrer ce procédé, on a représenté sur la figure 2, les courbes d'absorption Cc et Cd de deux composants constituant le matériau composé à étudier. Sur la courbe Cc, on a représenté la discontinuité D correspondant à une énergie caractéristique E. De part et d'autre de cette énergie E sont référencées les énergies E3 et E4. Par exemple, dans le cas de la mesure du grammage d'oxyde de fer dans un polymère, l'énergie caractéristique E vaut environ 7,1 Kev, et les énergies E3 et E4 respectivement 6,9 et 7,3 Kev. Ce procédé étant mis en oeuvre pour de faibles énergies, il peut donc être utilisé pour des matériaux dont les composants sont de faible épaisseur. Cependant, la mise en oeuvre de ce procédé pour des matériaux de défilement nécessite d'émettre simultanément les deux faisceaux d'énergie E3 et E4. Or, ces énergies sont très proches l'une de l'autre, ce qui nécessite, pour les détecter, d'utiliser un détecteur présentant une très bonne résolution en énergie. I1 faut donc utiliser des détecteurs de type à germanium refroidi, dont le coût est fort élevé et qui rend le procédé lourd à mettre en oeuvre. En outre, ce procédé peut être mis en oeuvre pour des matériaux statiques ; dans ce cas, les faisceaux d'énergie peuvent être émis successivement et captés par un détecteur de résolution moyenne. Toutefois, pour que la lecture sur le détecteur puisse être réalisable, il faut utiliser une source particulière, de coût très élevé et, généralement, de courte durée de vie. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a justement pour avantage de remédier aux inconvénients des procédés décrits précédemment. A cette fin, elle propose un procédé de détermination du grammage des composants d'un matériau qui peut être mis en oeuvre pour des composants de faible épaisseur et qui ne nécessite que l'emploi de détecteurs à faible résolution, donc peu croûteux. Le matériau à étudier peut être composé d'un substrat organique (plastique, bois, etc.) ou d'un substrat minéral (métal, verre, etc.) et d'un additif à mesurer tel qu'un dépôt, une charge, une enduction ou un constituant mélangé. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de mesure du grammage de chaque composant d'un matériau composé comportant au moins un premier et un second composants de constitutions chimiques différentes et pour chacun desquels l'absorption d'énergie peut être représentée par une courbe d'absorption, l'une au moins de ces courbes comportant, pour une valeur d'énergie caractéristique, une discontinuité. Ce procédé consiste - à émettre, en direction du matériau composé, au moins deux faisceaux d'énergies différentes, l'une de ces énergies ayant une valeur suffisamment supérieure à la valeur d'énergie caractéristique et l'autre énergie ayant une valeur suffisamment inférieure à la valeur d'énergie caractéristique - à mesurer, pour chaque faisceau d'énergie émis, une atténuation globale du matériau composé ; et - à déterminer le grammage des composants du matériau à partir d'un système d'équations reliant, pour chaque valeur d'énergie, l'atténuation globale mesurée, le coefficient d'absorption des composants et le grammage de chacun des composants. Avantageusement, les coefficients d'atténuation globale sont mesurés simultanément au moyen de détecteurs à faible résolution. Selon un mode de réalisation de l'invention, les faisceaux d'énergies sont émis simultanément par deux sources radioactives émettant à des énergies suffisamment différentes. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les faisceaux d'énergies sont émis par un générateur de rayons X. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS la figure 1, déjà décrite, représente les courbes d'absorption de deux composants d'un matériau, utilisées dans le procédé biphotonique à énergies distinctes la figure 2, déjà décrite, représente les courbes d'absorption de composants d'un matériau, utilisées dans le procédé du "X-edge" ; et la figure 3 représente les courbes d'absorption de composants d'un matériau, utilisées dans le procédé de l'invention. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION Le procédé selon l'invention permet de déterminer le grammage des composants d'un matériau composé. Ce matériau composé peut comporter deux ou plusieurs composants de géométries variables, dont on cherche à déterminer la teneur. Le procédé de l'invention consiste tout d'abord à construire les courbes d'absorption des composants du matériau à étudier. Toutefois, s'il s'agit de matériaux courants dont les courbes d'absorption sont déjà connues, il est bien sûr inutile de les retracer, et on peut utiliser directement les valeurs lues sur ces courbes connues. Sur la figure 3, on a représenté un exemple de deux courbes d'absorption Ce et Cf représentant, respectivement, les coefficients d'absorption d'un premier matériau e et d'un second matériau f en fonction de l'énergie. Ce procédé de l'invention est mis en oeuvre pour des valeurs d'énergie telles que l'un des composants au moins comporte, à une énergie caractéristique E, une discontinuité. Sur cette figure 3, la discontinuité est référencée D. Ce procédé, qui met à profit l'existence de cette discontinuité D, consiste à émettre deux faisceaux de rayonnement y ou X ayant des énergies différentes. Ces énergies sont choisies de façon à être situées de part et d'autre de l'énergie caractéristique E ; elles sont en outre suffisamment différentes l'une de l'autre. Sur la figure 3, on a référencé par E5 et E6 ces deux énergies tout à fait distinctes et situées de part et d'autre de l'énergie caractéristique E. Le choix de ces énergies E5 et E6 relativement éloignées l'une de l'autre implique que les coefficients d'absorption mesurés, pour chacune de ces énergies E5 et E6, sur chacune des courbes Ce et Cf, diffèrent largement les uns des autres. Ainsi, même les coefficients d'absorption lus sur la courbe continue Cf pour l'énergie E5 et E6 sont distincts l'un de l'autre. On obtient de cette façon quatre coefficients d'absorption différents. Le procédé de l'invention consiste ensuite a mesurer l'atténuation globale de chacun des deux faisceaux d'énergie E5 et E6 par l'ensemble des composants c'est-à-dire par le matériau composé luimême. On obtient ainsi deux coefficients d'atténuation. En conséquence, il est possible d'écrire, avec les quatre coefficients d'absorption des composants et les deux coefficients d'atténuation globale, un système de deux équations linéaires à deux inconnues, dont les inconnues sont les quantités de chacun des composants dans le matériau composé. Ce système d'équation se traduit mathématiquement, par les expressions ci-dessous Àf lN = N e-8 Ve e-l6 Ces inconnues étant des inconnues logarithmiques, ces équations peuvent se résoudre en transformant les équations ci-dessus de la façon suivante Log(N5/N05)= es.Xe#- #5.Xf Log(N6/N06)=- ,.Xe#- #6./Xf où N5/N05 et N6/N06 représentent, respectivement, l'atténuation globale du matériau par chacune des énergies respectives E5 et E6. De façon plus précise, N5 et N6 représentent le nombre de coups mesurés par le détecteur pour les énergies E5 et E6, pendant le temps de mesure choisi, en présence du matériau composé et N05 et N06 représentent le nombre de coups mesurés par le détecteur pour les énergies E5 et E6 pendant le même temps de mesure mais hors présence des matériaux absorbants. Le rapport Ng/N05 ou N6/N06 représente donc l'atténuation globale du matériau composé. u u représente les coefficients d'absorption, ues étant le coefficient d'absorption du composant e pour une énergie E5, ue6 le coefficient d'absorption du composant e pour l'énergie E6, Pf5 le coefficient d'absorption du composant f pour l'énergie E5 et uf6 le coefficient d'absorption du coefficient f pour l'énergie E6. Xe et Xf représentent, respectivement, les inconnues du système c'est-à-dire les quantités de composants e et f dans le matériau composé. Pour résoudre ce système d'équation linéaire à deux inconnues, il y a toutefois une condition à respecter de façon à ce que les coefficients des inconnues Xe et Xf ne soient pas proportionnels deux à deux. Cette condition suppose que les deux composants du matériau à étudier présentent des coefficients d'absorption moyens suffisamment différents. C'est pourquoi, les énergies E5 et E6 sont choisies suffisamment distinctes l'une de l'autre de façon à ce que les coefficients d'absorption qui leurs correspondent soient suffisamment différents. Ces énergies E5 et E6 sont de plus choisies suffisamment distinctes l'une de l'autre de façon à ce que la discrimination entre les deux énergies puissent être détectée par un simple détecteur à faible résolution. Aussi, les détecteurs à faible résolution étant d'un coût très modéré, la mise en oeuvre de ce procédé est donc relativement peu coûteuse par rapport aux procédés de l'art antérieur. Avec ce procédé de l'invention, les faisceaux d'énergies peuvent être émis successivement ou simultanément. L'émission des faisceaux d'énergies peut se faire - soit en combinant deux sources radioactives judicieusement choisies pour leurs énergies d'émission suffisamment distinctes ; on peut utiliser par exemple des sources 55Fe, 238pu, 109Cd ou encore 210pu - soit au moyen d'une source unique qui émet à deux énergies différentes adaptées au grammage et au numéro atomique des composants à mesurer - soit en utilisant un générateur de rayons X qui émet des faisceaux de rayonnements X. Un tel générateur a pour avantage de permettre de mesurer des matériaux en défilement puisqu'il peut s'adapter aux cadences de production choisies, notamment pour les procédés d'induction, de revêtement et de traitement surfacique. Ce générateur de rayons X peut être complété d'un filtre à bande étroite permettant d'obtenir des piques correspondants aux énergies souhaitées ce qui assure une meilleure précision de la mesure. Dans certains cas, les matériaux composés constituent eux-mêmes des auto-filtres. On comprendra aisément, que la grande variété des sources d'émission qui peuvent être utilisées dans ce procédé sont un atout important puisqu'il est alors possible d'adapter les valeurs d'énergies aux types de mesures à effectuer, et donc aux types de composants compris dans le matériau à étudier. En outre, qu'ils soient émis successivement ou simultanément, les faisceaux d'énergies E5 et E6 peuvent être tous deux détectés successivement ou simultanément par un seul détecteur à faible résolution. Dans le cas d'émissions successives, on mesure les coefficients d'atténuation, à une première énergie puis à une seconde énergie, sur un détecteur courant. Dans le cas d'émissions simultanées, le détecteur est choisi de façon à permettre des lectures simultanées aux deux énergies considérées. Ce détecteur peut être, par exemple, un détecteur à scintillateur, ou bien des compteurs proportionnels à gaz, ou encore des diodes non refroidies, qui présentent l'intérêt d'être bon marché et facile d'emploi. Ce procédé a en outre l'avantage de permettre la détermination du grammage des composants d'un matériau pouvant avoir différentes géométries ces composants peuvent être, par exemple, linéaires, ou bien en forme de filament, ou bien surfaciques (en particulier en forme de nappe) ou encore de volumes complexes. Le procédé a de plus l'avantage de pouvoir être réalisé statiquement, notamment pour un échantillon de matériau de très petit volume, ou de façon continue,- notamment pour un produit en défilement, comme cela est très souvent le cas dans l'industrie. On peut en outre traiter les résultats des mesures par des moyens informatiques qui permettent, par exemple, de traduire en images la répartition des masses et des compositions. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre, par exemple, pour déterminer le grammage des composants d'une bande magnétique. Dans le cas où cette bande magnétique serait constituée de deux épaisseurs d'un substrat en polyester enduit d'une couche de 16 um d'oxyde de fer, les mesures pourraient être réalisées avec des énergies E5 et E6 d'environ 4,8 keV et 9,2 keV, émises par un générateur de rayons X et filtrées au moyen d'une feuille de titane ayant une discontinuité (dans la courbe d'absorption) pour une énergie caractéristique E d'environ 4,96 keV. Pour un tel exemple, les valeurs des coefficients d'absorption déterminées sur les différentes couches d'absorption pour les énergies E5 et E6 sont de 6 cm3/gr pour le substrat à une énergie haute E6, de 33 cm3/gr pour le substrat à l'énergie basse E5, de 100 cm3/gr pour l'oxyde de fer à l'énergie haute E6 et de 102 cm3/gr pour l'oxyde de fer à l'énergie basse E5. Pour ces énergies E5 et E6, les coefficients d'atténuation globale pour l'ensemble substrat/oxyde de fer sont, respectivement \1sE = 33 cm2g' 0E5 = 100 crn2g' p5E6=6cmrg 0E6 =102 cm1-g-1 Le rapport entre les coefficients d'absorption du substrat aux énergies basses (usE5) et haute (usE6) et les coefficients d'absorption de l'oxyde de fer aux énergies haute ( oE6) et basse (uoE5), équivaut environ à 5,5, ce qui peut s'écrire ainsi usE5 x uoE6 ~ 5,5 usE6 uoES Ce rapport est donc supérieur à 1, ce qui signifie que les mesures sont suffisamment précises pour déterminer l'épaisseur d'enduction de l'oxyde de fer. Cette épaisseur est de 16,1 um, ce qui correspond à un grammage de 0,00486 gr/cm3 avec une précision de 1% en 10 secondes. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du grammage de chaque composant d'un matériau composé comportant au moins un premier et un second composants (e, f) de constitutions chimiques différentes et pour chacun desquels l'absorption d'énergie peut être représentée par une courbe d'absorption (Ce, Cf), l'une au moins de ces courbes comportant, pour une valeur d'énergie caractéristique (E), une discontinuité (D), caractérisé en ce qu'il consiste, - à émettre, en direction du matériau composé, au moins deux faisceaux d'énergies différentes (E5, E6), l'une de ces énergies ayant une valeur suffisamment supérieure à la valeur d'énergie caractéristique et l'autre énergie ayant une valeur suffisamment inférieure à la valeur d'énergie caractéristique - à mesurer, pour chaque faisceau d'énergie émis, une atténuation globale du matériau composé (N5/No5 N6/No6) - à déterminer le grammage de chacun des composants du matériau (Xe, Xf) à partir d'un système d'équations reliant, pour chaque valeur d'énergie, l'atténuation globale mesurée, l'absorption et le grammage de chacun des composants. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coefficients d'atténuation globales sont mesurés au moyen d'un détecteur à faible résolution. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les faisceaux d'énergies sont émis simultanément par deux sources radioactives émettant à des énergies suffisamment différentes. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les faisceaux d'énergies sont émis par un générateur de rayons X.