Brevet FR2797955A1 — publié le 20010302

MONOCHROMATEUR EN GRAPHITE PYROLITIQUE ET PROCEDE D'AMELIORATION DE L'ETALEMENT DU PAS DE RESEAU D'UN MONOCHROMATEUR EN GRAPHITE PYROLITIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne des monochromateurs en graphite pyrolitique et plus particulièrement un monochromateur en graphite pyrolitique fortement orienté ('GPFO') ("HOPG" en anglais)ainsi qu'un procédé permettant d'augmenter l'étalement du pas d ("d spacing spread" en anglais) d'un monochromateur GPFO. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Les monochromateurs en graphite sont des formes fortement orientées de graphite pyrolitique de grande pureté qui diffractent les rayons X et les neutrons afin de générer un faisceau monochromatique de rayons X et/ou de neutrons destinés à être utilisés dans un spectromètre pour mesurer les caractéristiques de matériaux cristallins. Les monochromateurs en graphite sont classés selon leur caractéristique d'étalement de mosaïque de neutrons. Chaque type connu de matériau GPFO présentera un pas de réseau différent connu de l'homme du métier en tant que " pas d " pour chaque étalement réel de mosaïque de neutrons. La réflectivité des neutrons des monochromateurs en graphite doit être élevée pour que ces derniers soient utilisés dans des instruments de diffusion des neutrons. A des angles de Bragg élevés, proches de 90 , l'intensité du faisceau diffracté est déterminée par l'étalement du pas de réseau, c'est-à- dire l'étalement du pas d du matériau GPFO dans le monochromateur. Le GPFO présente un étalement du pas d naturelle qui est suffisamment grande pour produire une forte luminosité dans des agencements de rétroréflexion. Des procédés visant à accroître davantage cet étalement du pas d sont très utiles pour fournir un flux de neutrons accru dans les instruments de rétrodiffusion. L'étalement de mosaïque ("mosaic spread" en anglais) est la mesure de la largeur totale de la moitié à l'intensité maximale de la réflexion d'un faisceau de rayons X à partir d'un échantillon de matériau GPFO lorsqu'il est tourné selon l'angle de Bragg afin de générer une courbe de diffraction de rayons X connue sous le nom de " courbe d'oscillation" ("rocking curve" en anglais). La courbe d'oscillation est un graphique présentant l'intensité des rayons X réfléchis en fonction de la distance angulaire à partir d'un plan de référence en utilisant la loi de Bragg pour déterminer la déviation angulaire. Ce calcul est effectué pour chaque échantillon de GPFO afin de permettre de mesurer sa plage d'étalement de mosaïque de telle sorte que chaque échantillon puisse être classé dans différentes plages standard d'étalement de mosaïque. Le brevet U.S. n 798 075, à la description duquel on pourra se référer, nous enseigne la façon de garantir un rendement du matériau GPFO pouvant atteindre 100%, présentant un étalement de mosaïque spécialement adapté à une quelconque plage étroite prédéterminée désirée à partir du matériau GFPO traité qui présente un étalement de mosaïque situé en dessous de la spécification d'étalement de mosaïque finale désirée pour le matériau. La présente invention concerne un procédé permettant d'augmenter d'étalement du pas d d'un monochromateur en graphite GPFO par la combinaison de deux ou plusieurs types classiques de matériaux GPFO pour former une structure GPFO composite formée de couches de matériaux GPFO distincts, chacun présentant un pas d moyen différent et étant orienté de telle sorte que les plans de ses couches soient parallèles l'un à l'autre. Par exemple, une classe ou un type de matériau GPFO déterminé de manière arbitraire, défini, aux fins de la présente invention, en tant que matériau GPFO de Type 1, a présenté un pas moyen entre les couches plus élevé ainsi qu'un plus grand étalement du pas de réseau, c'est-à-dire un étalement du pas situé au-dessus de la même plage de mosaïque par rapport à un second matériau en graphite GPFO plus ordonné, défini de façon arbitraire en tant que matériau GPFO de Type 2 afin de les distinguer l'un de l'autre. En mesurant la réflectivité des neutrons à 4,42 A, il s'est avéré que la réflectivité maximale ("peak reflectivity' en anglais) du matériau GPFO de Type 1 plus désordonné était 5 à 10% supérieure à celle du matériau GPFO de Type 2 appartenant à une classe plus ordonnée, et que le pas moyen entre les couches était supérieur d'environ 0,003 A. Les étalements du pas d de la classe de matériau GPFO plus désordonné étaient de 0,08 à 12% et celles de matériau appartenant à une classe plus ordonnée étaient de 0,03 à 0,07%. Il a été découvert, conformément à la présente invention, qu'en combinant les deux classes différentes de matériau GPFO afin de former une structure GPFO composite définie par la combinaison des deux classes différentes de matériau GPFO, chaque classe étant orientée l'une par rapport à l'autre de telle sorte que les plans de leurs couches soient parallèles, l'étalement du pas d augmenterait de 0,15 à 0,18%. La valeur Ad/d accrue devrait produire des intensités de faisceau de neutrons plus élevées dans certains typesod'instruments de rétrodiffusion. RESUME DE L'INVENTION Le procédé de la présente invention comprend les étapes consistant à sélectionner deux ou plusieurs matériaux GPFO ou plus, chacun présentant des pas moyens différents sur la même plage réelle d'étalement de mosaïque de neutrons et à combiner les deux matériaux ou plus afin de former une structure de monochromateur composite GPFO définie par la combinaison des deux matériaux GPFO ou plus orientés de façon à ce que les plans de leurs couches soient parallèles entre eux. Un monochromateur en graphite GPFO conformément à la présente invention comprend au moins deux matériaux GPFO, chacun présentant un pas moyen d différent dans un agencement dans lequel les matériaux GPFO sont empilés l'un au-dessus de l'autre pour former une structure composite dont les plans de ses couches sont dans une orientation parallèle l'un à l'autre. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les avantages de la présente invention apparaîtront à partir de la description détaillée qui suit lors de la lecture de cette dernière conjointement avec les dessins joints, sur lesquels: la figure 1 est un graphique de la réflectivité maximale et de l'étalement de mosaïque de neutrons pour deux types arbitraires de matériaux GPFO; et la figure 2 est un graphique de la variation du pas d sur la même plage d'étalement de mosaïque de neutrons pour les deux types arbitraires de matériaux GPFO utilisés sur la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le graphite est formé de plans de couches de rangées hexagonales ou de réseaux d'atomes de carbone. Ces plans de couches d'atomes de carbone agencés de manière hexagonale sont sensiblement plats et sont orientés de façon à être sensiblement parallèles et équidistants l'un par rapport à l'autre. Les couches parallèles sensiblement plates d'atomes de carbone sont désignées comme étant des plans basaux et sont groupées ou liées les unes aux autres dans des groupes agencés pour former des cristallites. Le graphique électrolytique ou traditionnel présente une orientation aléatoire par rapport aux cristallites. Le graphite très ordonné présente un degré élevé d'orientation de cristallite préférée. Par conséquent, le graphite peut être caractérisé comme étant un ensemble de structures stratifiées d'atomes de carbone comprenant deux axes principaux, à savoir, les axes " c" qui sont généralement appelés axes ou directions perpendiculaires aux couches de carbone et les axes ou directions " a " parallèles aux couches de carbone et transversales par rapport aux axes c. Les matériaux en graphite qui présentent un degré élevé d'orientation comprennent le graphite à l'état naturel ou le graphite pyrolytique ou synthétique. Le graphite pyrolytique est produit par pyrolyse d'un gaz carboné sur un substrat approprié à haute température. En résumé, le procédé de dépôt pyrolytique peut être réalisé dans un four chauffé réchauffé à plus de 1500 C et jusqu'à 2500 C et à une pression adaptée, dans lequel un gaz hydrocarboné tel que le méthane, le gaz naturel, l'acétylène, etc. est introduit dans le four chauffé et thermiquement décomposé à la surface d'un substrat de composition appropriée, tel que le graphite présentant une forme quelconque voulue. Le substrat peut être enlevé ou séparé du graphite pyrolytique. Le graphite pyrolytique peut ensuite être également soumis à un recuit thermique à haute température pour former un graphite pyrolytique fortement orienté appelé couramment matériau " GPFO " ("HOPG" en anglais) ou " GPT " ("TPG" en anglais). Aux fins de la présente invention, le graphite pyrolytique fortement orienté (GPFO) peut représenter du graphite pyrolytique qui a été recuit à haute température. Différents types ou classes de matériau GPFO peuvent être facilement formés à des températures de recuit différentes, de préférence à des températures proches de ou supérieures à 3000 C. Les matériaux de classe GPFO sont traditionnellement fabriqués sous forme de plaques plates, avec des formes à simple courbure ou des formes à double courbure. La structure et l'orientation préférée des plaques GPFO sont déterminées grâce à la diffraction de rayons X. Selon la présente invention, deux matériaux différents de classe GPFO ou plus sont sélectionnés, présentant des pas d différents, et combinés afin de former une structure composite, les plans basaux de chaque matériau étant orientés parallèlement l'un à l'autre. La structure composite peut simplement représenter deux matériaux GPFO sous la forme de plaques plates empilés l'un sur l'autre. La grande réflectivité des monochromateurs en graphite est très précieuse pour des applications dans de nombreux instruments de diffusion des neutrons. A des angles de Bragg élevés, l'intensité du faisceau diffracté est fortement influencée par la variation du pas d du matériau GPFO dans le monochromateur. Le GPFO présente un étalement du pas naturel d suffisamment important pour produire une grande luminosité dans des agencements de rétroréflexion. De récentes applications décrivent des analyseurs pour des instruments de rétrodiffusion au niveau de sources pulsées. CONDITIONS EXPERIMENTALES La réflectivité des neutrons a été mesurée sur des plaques de dimensions 25x20x2 mm découpées à partir de deux types différents de matériaux GPFO désignés respectivement dans la présente à titre arbitraire comme GPFO de Type 1 et GPFO de Type 2. Le GPFO de Type 1 a présenté un plus grand pas moyen entre les couches et une plus grande variation du pas de réseau que le matériau GPFO de Type 2 plus ordonné. Trois types de mesures ont été réalisées sur la totalité des échantillons: courbes d'oscillation de réflexion avec une large fenêtre de détection, courbes d'oscillation de réflexion à des divergences angulaire réduite, et des balayages 0-20 à très haute résolution. L'agencement expérimental se composait d'un monochromateur courbé en Si parfait (111) à un angle de départ proche des 90 degrés (longueur d'onde 4,42 A), d'une fente étroite (0,2 mm) située devant l'échantillon (à une distance de 3 cm) et de filtres de Si ou Be refroidi. Le rayon du monochromateur (4,76 m) était optimal pour obtenir une bonne résolution dans la diffraction des poudres à l'angle du détecteur correspondant à la réflexion (002) du GPFO. Les courbes d'oscillation de transmission et de réflexion ont été mesurées grâce à un faisceau propre filtré au Be. Les courbes de réflexion ont été mesurées en utilisant une large ouverture au niveau du détecteur. Les courbes de transmission ont été mesurées en utilisant une fente de 0,7 mm, 24,5 cm après l'échantillon, ce qui a donné une divergence angulaire inférieur à 0,1 degré. Pour les balayages 0-20, une résolution angulaire d'une minute d'angle a été obtenue en plaçant une fente étroite (0,2 mm)devant le détecteur. Les données des courbes d'oscillation de réflexion et de transmission ont été ajustées avec les courbes gaussiennes et les balayages 0-20 avec les fonctions de Voigt. Pour les balayages 0- , une correction a été apportée pour la résolution instrumentale en soustrayant une contribution gaussienne de 0,0183 degré à partir du composant gaussien de la fonction de Voigt. La largeur de la répartition du pas d (représentée par Ad/d) est liée à la largeur angulaire du balayage AO de 0-20 par l'intermédiaire de la relation Ad/d = cot A0. EXEMPLE 1 Quatre couches, chacune en GPFO de Type 1 et de Type 2 (présentant chacune une épaisseur de 0,25 mm) ont été alternativement empilées pour obtenir une structure en sandwich de 2 mm d'épaisseur composée de couches alternées des deux types de GPFO. L'étalement de mosaïque de neutrons à une longueur d'onde de 4,42 A s'élevait à 1,1 pour les deux types. L'étalement du pas d (Ad/d) du GPFO de Type 1 était de 0,11%. La valeur Ad/d du GPFO de Type 2 était de 0,07%. La valeur réelle Ad/d des types combinés (composites) s'élevait à 0,18%, ce qui représente une augmentation de 64% par rapport à la valeur Ad/d du GPFO de Type 1 prise seule. EXEMPLE 2 Une couche de GPFO de Type 1 et deux couches de GPFO de Type 2 (chacune de 0,67 mm d'épaisseur) ont été empilées ensemble, le GPFO de Type 1 se trouvant au centre de la pile, afin de former un monochromateur composite composé de 3 pièces d'une épaisseur totale de 2,0 mm. L'étalement de mosaïque de neutrons à 4,42 À était de 1,0 pour les deux types. La valeur réelle Ad/d des types combinés en combinaison s'élevait à 0,15%, ce qui représente une augmentation de 35% par rapport à la valeur Ad/d du GPFO de Type 1 prise seule. RESULTATS La figure 1 illustre la relation entre la réflectivité maximale et l'étalement réel de mosaïque de neutrons à 4,42 À pour les deux types de GPFO. La réflectivité maximale décroît légèrement en même temps que l'étalement de mosaïque réel sur une plage allant de 0,6 à 1,6 . Sur cette plage, le GPF0 de Type 1 plus désordonné présente une réflectivité 5 à 10% supérieure à celle du GPFO de Type 2 plus ordonné. Les nombres indiqués au niveau des points des données montrent également que la variation du pas d du GPFO de Type 1 est supérieure à celle des échantillons de GPFO de Type 2. La variation du pas d pour les GPFO de Type 1 et de Type 2 est tracée par rapport à l'étalement réel de mosaïque de neutrons de la figure 2. Cette figure montre aussi les résultats de deux monochromateurs composites (d'une épaisseur totale de 2 mm) réalisés en combinant des parties de GPFO de Type 1 et de Type 2 présentant une épaisseur et un étalement de mosaïque égales. Les valeurs Ad/d pour les composants alternés d'une structure en sandwich composée de huit parties s'élevaient à 0,11% pour le Type 1 et à 0,07% pour le Type 2. Les largeurs et séparations maximales ont produit une valeur réelle Ad/d de 0, 18% pour cette structure en sandwich. L'augmentation de la valeur Ad/d obtenue avec les types combinés pourrait permettre d'obtenir une intensité de neutrons supérieure pour certains types d'instruments de rétrodiffusion. REVENDICATIONS 1. Procédé pour accroître l'étalement réel du pas d d'un monochromateur en graphite GPFO comprenant les étapes consistant à combiner deux ou plusieurs matériaux GPFO, chacun présentant un pas moyen d différent afin de former une structure GPFO composite, les matériaux GPFO séparés étant orientés de façon à ce que les plans de leurs couches soient parallèles les uns aux autres. 2. Monochromateur en graphite GPFO comprenant au moins deux matériaux GPFO chacun présentant un pas moyen d différent dans un agencement selon lequel les matériaux GPFO sont empilés l'un au-dessus de l'autre afin de former une structure composite dans laquelle les plans de leurs couches sont parallèles l'un à l'autre.