Brevet FR2783127A1 — publié le 20000310

L'invention est relative a une nouvelle source de rayonnement X. Etat de la technique Dans le domaine des rayons X, on dispose de peu de sources de lumière puissantes et cohérentes, a l'exception des remarquables installations utilisant le rayonnement synchrotron. En faisant traverser au faisceau d'électrons des dispositifs tels que les "onduleurs" ou les "wiglers", on obtient des faisceaux de lumière cohérente accordable en énergie. Du fait de leur taille et de leur coût, ces "anneaux de stockage" ne sont présents qu'a quelques exemplaires à travers le monde. On peut aussi mettre a contribution les rayonnements de canalisation obtenu en faisant passer des particules a l'intérieur d'un réseau cristallin convenable. Cette méthode nécessite aussi des accélérateurs de particules de grande taille. Des machines de tailles plus raisonnable seraient d'une grande utilité dans de nombreux domaines de la recherche et de la technologie, notamment en radiocristallographie des protéines et des molécules biologiques. Lorsqu'un électron rapide pénètre dans un corps solide, il transforme son énergie cinétique en rayonnement de différentes façons: Emission de rayonnement de freinage, excitation de fluorescence X, émission de rayonnement Cerenkov et émission de rayonnement de transition au passage de l'interface entre le vide et le corps solide. (Nous ne parlerons pas du rayonnement de canalisation ni de rayonnement paramétrique) Le rayonnement Cerenkov se situe dans le spectre visible, et le rayonnement de freinage est caractérisé par sa faible directivité. De même que le rayonnement de fluorescence x, le rayonnement de freinage est assez fortement absorbé par la matière qui est le siège de son émission, ce qui rend impossible toute émission cohérente, sauf a utiliser des densités d'énergies prohibitives. Le rayonnement de transition X est émis par les électrons à l'entrée et à la sortie d'un corps solide, et ce rayonnement est d'autant plus intense que la permittivité de ce corps diffère de celle du vide. Le rayonnement de transition X a des propriétés de directivité très intéressantes: Il est émis selon un cône creux d'ouverture alpha= 1 /gamma (gamma étant le facteur de Lorentz de l'électron, c'est à dire l'énergie de cette particule divisée par sa masse au repos) L'intensité est maximum pour l'angle alpha, et nulle sur l'axe. (figure 1) On a songé à multiplier le nombre d'interfaces traversées par les électrons de façon à augmenter l'intensité du rayonnement émis. On a ainsi utilisé des empilements de feuilles minces de métal, de carbone ou de matière plastique. L'idéal serait de diminuer fortement leur épaisseur, puisque l'émission X se fait au voisinage de l'interface, et que la matière en surplus n'a plus qu'un rôle nuisible d'absorbant. Il faut cependant que les feuilles minces utilisées gardent un certaine résistance mécanique, d'autant qu'elles sont placées dans un faisceau de particules intense. De plus, le faisceau d'électrons est absorbé au fur et a mesure de la traversée des feuilles successives, et son énergie varie. Des équipes ont cependant observé une augmentation de la cohérence du faisceau de rayons X suivant le nombre de feuilles. Description de l'invention Principe: L'invention est caractérisée par un dispositif permettant l'interaction d'un faisceau d'électrons rapides avec une cible formée d'un réseau de traits de forme convenable gravés sur un support solide, l'angle d'incidence du faisceau par rapport au plan du réseau étant égal à l'inverse du facteur de Lorentz ou voisin de cet angle. On peut avec profit utiliser un réseau de diffraction conçu pour le domaine optique, bien que le phénomène utilisé n'ait rien à voir avec la diffraction. Remarquons que le caractère strictement parodique des traits n'a qu'une importance secondaire, ce qui simplifie la gravure des réseaux en vue de la réalisation de l'invention. Le réseau peut être périodique ou semni-périodique. On réalisera les réseaux sur une plaque métallique ou de matière plastique, ou d'une matière quelconque estampée au contact d'un réseau matrice et recouverte de métal ou d'un composé de permittivité convenable par dépot chimique, dépot en phase vapeur, galvanoplastie, pulvérisation sous vide. (Le dépôt en phase vapeur étant plus particulièrement adapté au dépôt de carbone sous forme tétraèdrique) On peut aussi graver le réseau sur un semi- conducteur. Les réseaux utilisés devront être parfaitement plans. On peut aussi graver les réseau à l'aide de lasers ou de faisceaux de particules. On peut aussi utiliser comme réseau un sillon hélicoïdal gravé sur un support de taille quelquonque, tel un disque, un cône ou un cylindre. (figure 4) Les génératrices de tels volumes devront être parfaitement linéaires. On peut aussi utiliser pour la réalisation de l'invention un enroulement de fils ou de fibres métalliques ou de matériaux convenables, attaqués sous incidence rasante par le faisceau d'électrons, ou bien des fils ou de fibres métalliques tissés, cette disposition permettant l'application dusdit tissu sur un support de forme appropriée, cylindrique ou conique. (Figure 3) On peut aussi utiliser le réseau formé par la tranche d'une liasse de feuilles métalliques ou de feuilles de matériau convenable déformée pour laisser apparaitre l'extrémité des feuilles selon un gradin formant le réseau recherché. On peut aussi utiliser la tranche de blocs de fibres minérales naturelles ou artificielles, ou des dépôts de sphérules de verre, de métal ou de plastique, de taille précise et fortement homogène, fixées sur un support plan. (Figure 3) Conmme on peut le voir sur la figure 2, les électrons qui frappent les parois des traits du réseau provoquent l'émission de photons de rayonnement de transition dont le maximum d'émission est situé sur un cône creux. Si l'angle d'incidence du faisceau d'électron est égal à alpha, une génératrice de ce cône est tangente au plan du réseau, et le rayonnement de transition est maximum selon cette génératrice. L'addition se fait de manière incohérente, mais dans certaine conditions d'intensité du faisceau d'électrons, une émission cohérente peut apparaitre. En effet, les centre émetteurs de rayonnement de transition sont les atomes perturbés par le passage d'un électron relativiste à la frontière entre la matière et le vide. Ces centres émetteurs ne préexistent pas, ni à la surface, ni à fortiori dans le matériau massif. On se trouve donc dans les conditions d'une inversion de population. L'émission du rayonnement de transition se fait selon un spectre d'énergie continu. Une ou plusieurs fréquences sont sélectionnées en fonction des paramètres suivants: La transmission à travers la matière du réseau doit être correcte d'une part (donc une longueur d'onde courte est sélectionnée) et on doit se trouver au voisinnage du maximum du spectre d'émission. Bien sur, il subsiste une absorption forte par la matière: l'émission cohérente peut avoir lieu dans les limites spatiales définies ci- dessous: Le maximum d'émission est situé entre les point a et le point b, c'est a dire dans la partie de la paroi qui est éclairée directement par le faisceau. (figure 2) Les échelons du réseau étant très fins, un partie non négligeable du faisceau traverse plusieurs échelons avant d'être absorbée, et l'émission de rayonnement à lieu aussi plus profondément dans les sillons du réseau. On a intérêt à focaliser les électrons selon un ligne étroite, de façon à augmenter l'intensité surfacique du faisceau. (figure 5) Cela provoque un échauffement important: il faut procéder en mode pulsé de façon à éviter de détruire le réseau. Il faut remarquer que les accélérateurs de particules fournissant un faisceau d'électron de l'énergie requise travaillent habituellement en mode pulsé. Le type d'accélérateur le plus pratique pour l'application considérée est le bétatron. Il en existe des modèles remarquablement compacts et relativement simples à établir. Un système d'extraction de faisceau et de focalisation sera adjoint, selon la technologie existante. On peut aussi utiliser d'autres modèles d'accélérateurs, notamment des accélérateurs ou l'émission d'électrons est commandée par une photocathode ou une cathode à avalanche. Dans ce cas, la focalisation selon une ligne pose encore moins de problèmes techniques. On peut faire avancer le réseau à chaque tir, de façon à utiliser à chaque tir une partie nouvelle de celui-ci. Ainsi, on peut augmenter l'intensité et aller jusqu'à la vaporisation d'une ligne perpendiculaire aux traits du réseau. (figure 5) On peut aussi utiliser, (figures 6 et 7) un réseau rotatif portant des traits sur la partie plane (d), constitué d'un disque, d'un cône ou d'un cylindre mobile autour d'un axe (c) sous l'action d'un moteur (g). Comme détaillé sur la figure 7, la chaleur due à l'impact du faisceau d'électrons (a) est ainsi répartie sur une large surface, et peut s'éliminer par rayonnement infrarouge absorbé par l'enceinte sous vide (i). La chaleur étant éliminée par une méthode de refroidissement appropriée tels que des tubes parcourus par de l'eau froide soudés (f) sur l'enceinte sous vide. On peut aussi utiliser un réseau rotatif, constitué d'un disque, d'un cône ou d'un cylindre mobile autour d'un axe et rempli d'un liquide tel que de l'eau ou du sodium liquide (h). La force centrifuge adjointe au changement de densité du fluide sous l'effet de l'échauffement est mise à contribution pour produire une circulation du fluide à travers l'ensemble mobile, augmentant la surface de rayonnement infrarouge. Le faisceau de rayons x (e) s'échappe selon la direction du plan du réseau. L'enceinte sous vide sera bien entendu noircie intérieurement. Focalisation Pour certaines applications, il peut être utile de disposer de rayons X convergeant en un point selon un faisceau focalisé. On peut générer un tel faisceau en utilisant un réseau gravé ou déposé sur la face interne d'un cylindre tronqué, l'angle d'ouverture de ce cylindre étant égal à 2 c. (figure 4) L'angle alpha étant très faible (de l'ordre de quelques degrés), le dispositif réel aura plutôt la forme d'une sorte de couronne cylindrique, le foyer étant situé au sommet du cône ou au voisinage du sommet. Le réseau conique sera avantageusement attaqué par un faisceau d'électrons creux. (figure 8) Le foyer distal constitue un avantage, en permettant de multiplier les sources de ce modèle, de façon à obtenir un champ de rayonnement convergeant autour d'une cible selon une géométrie sphérique. Dans ce domaine d'expériences, le rayonnement X mous comporte de nombreux avantages sur les faisceaux d'électrons, d'ions lourds et de lumière, en admettant qu'on soit capable d'usiner et de positionner les réseaux et leur faisceaux d'excitation avec la précision exigée par la taille des cibles. Il est théoriquement possible de faire interagir des électrons de très haute énergie avec les photons X convergeant au foyer, pour générer des photons de très haute énergie par conversion Compton inverse, dans des conditions plus favorables que pour les photons optiques. Les applications principales des rayons X obtenus par les dispositifs décrits ci-dessus sont la radiocristallographie, la gravure des circuits électroniques ou les études concernant la physique des milieux condensés. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour produire des rayons X caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau d'électrons rapides produit par un accélérateur et dirigé sur un réseau périodique ou quasi-périodique de telle façon que l'angle d'incidence du faisceau d'électrons avec le plan du réseau soit voisin de l'inverse du facteur de Lorentz des électrons incidents. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réseau est taillé, gravé ou estampé dans du métal ou gravé dans un semiconducteur. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réseau est constitué d'une surface de matière plastique estampée à l'aide d'un réseau matrice, ou gravée à l'aide d'un laser, ou gravée à l'aide d'un faisceau de particules. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le réseau est recouvert de métal ou carbone tétraèdrique. ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réseau est constitué de fils ou fibres métalliques bobinées sur un support, cylindrique ou conique ou constitué de fils ou fibres métalliques tissées. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réseau est constitué d'un dépôt de sphérules métalliques de taille précise et fortement homogène, lesdites sphérules étant fixées sur un support plan. 7) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce que les électrons sont focalisés sur le réseau selon une ligne perpendiculaire aux traits du réseau. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le réseau est constitué d'un disque rotatif, d'un cylindre rotatif ou d'un cone rotatif de façon à évacuer au mieux la chaleur produite par l'impact du faisceau. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le réseau est constitué d'un tronc de cone dont la génératrice fait avec un faisceau d'électrons non focalisé un angle égal à l'inverse du facteur de Lorentz des électrons incidents, ce dispositif permettant d'obtenir un faisceau focalisé de rayons X, le foyer étant situé au sommet du cone ou au voisinage du sommet. ) Application des rayons X obtenus par les dispositifs selon les revendications précédentes à la radiocristallographie ou à la gravure des circuits électroniques ou aux études concernant la physique des milieux condensés.