Brevet FR2849930A1 — publié le 20040716

DISPOSITIF POUR PRODUIRE UN FAISCEAU PARALLELE AYANT UN FLUX INTENSE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne d'une manière générale un appareil pour produire un faisceau parallèle ayant un flux intense, grâce à l'agencement approprié de 10 miroirs et plus particulièrement, concerne un appareil pour produire un faisceau parallèle ayant un flux intense, dans lequel des éléments de composants optiques existants de cet appareil sont disposés d'une manière efficace, de telle sorte que le flux d'un faisceau de rayons X, d'un faisceau 15 de neutrons ou analogue augmente et que la divergence du faisceau de rayons X, du faisceau de neutrons ou analogue est réduite. DESCRIPTION DE L'INVENTION Etant donné que la lumière visible, un faisceau de rayons X ou un faisceau de neutrons permettent la sélection artificielle de longueurs d'onde, on les utilise pour analyser des structures dans les domaines du réseau 25 atomique de matériaux solides, pour un semiconducteur, pour un élément optique et en biochimie. Comme cela est représenté sur la figure 1, une lumière se propage radialement depuis une source de sorte que le flux de lumière est inversement proportionnel au carré de la 30 distance entre la source de lumière et un observateur. Cela signifie que les flux de lumière sont fortement réduits aux positions d'un échantillon et d'un détecteur qui sont utilisés pour analyser la structure d'un matériau. La figure 2 représente un diagramme d'un réflectomètre à 35 rayons X simple du type à fentes. En outre, dans les cas o on utilise des fentes pour une focalisation linaire (par exemple dans des réflectomètres servant à mesurer des films minces) et pour une focalisation ponctuelle (par exemple dans le cas d'une 5 diffraction à quatre cercles pour la mesure de monocristaux), les flux de lumière sont réduits de façon supplémentaire. Il en résulte que la plupart des laboratoires et des sociétés d'équipement ont continué à effectuer des 10 recherches pour intensifier le flux d'un faisceau et réduire la divergence d'un faisceau. En particulier, dans le domaine de la dispersion des neutrons, on utilise une source de neutrons froids et un guide de neutrons pour augmenter le flux d'un faisceau de neutrons présentant une 15 certaine longueur d'onde. Les figures 3a à 3c sont des vues illustrant un procédé pour produire un faisceau parallèle en utilisant un miroir de Goebel (sorte de miroir pour les rayons X) fourni par la société dite Bruker Co. (Allemagne) . La figure 3a 20 est une vue représentant l'agencement des miroirs de Goebel, la figure 3b est une vue illustrant le principe de production d'un faisceau parallèle en utilisant les miroirs de Goebel, et la figure 3c est un graphique représentant la réflectance mesurée en utilisant les miroirs de Goebel. 25 Dans le cas de l'utilisation de ces miroirs de Goebel, le flux de lumière est augmenté d'environ 20 fois celui obtenu en utilisant un simple appareil d'analyse aux rayons X, de sorte que les miroirs de Goebel sont largement utilisés. Ces miroirs de Goebel possèdent une géométrie 30 y2 y2 hyperbolique (- - = 1). Bien que le flux d'un faisceau a2 b2 puisse augmenter lorsque les miroirs de Goebel se rapprochent du centre d'une hyperbole, les miroirs de 35 Goebel ne peuvent pas être approchés d'une source de rayons X en raison de l'agencement d'un faisceau, et il est difficile de produire un faisceau linéaire complètement focalisé (faisceau linéaire En outre, dans un réacteur atomique produisant 5 des neutrons, il est difficile de rapprocher les miroirs pour les neutrons d'une position proche du centre d'une hyperbole (une source de neutrons) et il faut augmenter les tailles des miroirs pour empêcher la divergence d'un faisceau dans le cas de la réflexion du faisceau en 10 utilisant des miroirs disposés à une distance, de sorte qu'il n'existe aucun avantage du point de vue de l'accroissement du flux de lumière. Un autre procédé est mis en oeuvre en utilisant un tube capillaire comme représenté sur les figures 4a et 15 4b. Ce procédé peut être appliqué à la fois à un faisceau de neutrons et à un faisceau de rayons X étant donné qu'un faisceau, qui se disperse sur un grand angle, peut être focalisé et qu'un faisceau parallèle peut être aisément produit, et ce procédé peut être utilisé dans un espace 20 limité étant donné que le diamètre du tube capillaire peut être réduit. Cependant l'intensité d'un faisceau de neutrons ou d'un faisceau de rayons X est réduite en raison de réflexions multiples lorsque le faisceau de neutrons ou le faisceau de rayons X traverse le tube capillaire, et le 25 nombre de rayons dépend de l'épaisseur du tube capillaire. Ainsi l'efficacité du procédé est seulement 10 50 %. La réduction du diamètre (environ 5 50 micromètres) et l'épaisseur du tube capillaire sont un des facteurs principaux lors de la détermination de l'efficacité 30 d'utilisation d'un espace limité. Par ailleurs, la société dite X-ray Optical System Inc. a développé et commercialise de tels tubes capillaires, mais ces tubes capillaires sont très coteux. Un troisième procédé est mis en oeuvre par 35 focalisation d'un faisceau et production d'un faisceau parallèle de manière à ajuster les tailles des réseaux en remplaçant des réseaux cristallins avec des impuretés à gradation (Si -> Ge), ce qui requiert une commande complète pendant la croissance d'un cristal. Il existe un rapport 5 qui indique la solution apportée à un tel problème (A. Erko, F. Schaerfers, W. Gudat, N.V. Abrosimov, S.N. Rossolenko, V. Alex, W. Schroedoer, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A374 (1996) 408). Cependant il subsiste des difficultés techniques, et un faisceau diffracté par un 10 cristal est difficile à utiliser étant donné qu'il possède un flux faible par rapport à un faisceau réfléchi. Les figures Sa à 5e montrent des procédé pour focaliser des faisceaux et former des faisceaux parallèles grâce à l'utilisation de cristaux à gradation. Les figures 15 Sa et 5b représentent des miroirs qui utilisent simplement des cristaux à gradation, qui sont respectivement un miroir à grand angle et un miroir de focalisation. Les figures 5c à 5e montrent des dispositifs utilisant des cristaux dissymétriques à gradation, qui constituent respectivement 20 un dispositif de conditionnement de faisceau étroit, un collimateur symétrique et un collimateur ultime (voir P. Petrashen A. Erko, Graded SiGe crystals as X-ray colimators, Nuclear Instruments and Method in Physics research A467-468 (2001) 358-361. Lorsqu'on utilise ces procédés, les tailles des réseaux sont modifiées au moyen de la croissance des cristaux. C'est pourquoi il n'est pas nécessaire de faire fléchir des cristaux en utilisant une force physique étant donné que le cristal lui-même agit en tant que système de 30 coudage focalisateur, et des faisceaux parallèles peuvent être formés moyennant le découpage de cristaux dans des directions désirées et par conséquent moyennant l'ajustement d'angles d'incidence. RESUME DE L'INVENTION C'est pourquoi la présente invention a été mise au point en ayant en mémoire les problèmes indiqués plus 5 haut apparaissant dans l'art antérieur, et un but de la présente invention est de fournir un dispositif servant à produire un faisceau parallèle présentant un flux intense, dans lequel des miroirs sont disposés selon une disposition elliptique, ce qui permet d'accroître de façon efficace le 10 flux d'un faisceau de rayons X, d'un faisceau de neutrons ou analogues, et de produire un faisceau parallèle en réduisant la divergence du faisceau. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif pour produire un faisceau parallèle à 15 un flux intense, qui est à même de produire un faisceau parallèle à focalisation ponctuelle utilisant des miroirs ellipsodaux. Pour atteindre les objectifs indiqués précédemment, la présente invention fournit un dispositif 20 pour produire un faisceau parallèle ayant un flux élevé, comportant une source de lumière disposée en un premier point focal d'une première ellipse, un premier miroir disposé sur la première ellipse pour réfléchir un faisceau émis par la source de lumière, et agencé avec une forme 25 concave pour s'adapter à une section de la première ellipse, et un second miroir disposé en travers d'un trajet du faisceau réfléchi par le premier miroir, et agencé avec une forme convexe pour s'adapter à une section d'une seconde ellipse de sorte qu'un angle formé par deux droites 30 tangentes passant par chaque paire de points d'incidence de rayons voisins rencontrant respectivement le second miroir est égal à la moitié d'un angle formé par deux droites tangentes passant par chaque paire de points d'incidence de rayons voisins rencontrant respectivement le premier 35 miroir. De préférence le premier miroir peut être positionné à une extrémité d'un petit axe de la première ellipse, ou être positionné entre une extrémité d'un grand axe de la première ellipse et une extrémité d'un petit axe 5 de la première ellipse au voisinage d'un second point focal de la première ellipse. De préférence, les paramètres a' (une moitié d'une longueur du grand axe), b' (une moitié d'une longueur du petit axe) et e' (une distance entre un centre et un 10 point focal) de la seconde ellipse sont obtenus au moyen des équations suivantes S a' x 2 x a p S b - x 2 x b p e' l a'2 + bl2 o a et b sont des paramètres de l'ellipse de la première 20 ellipse, P une distance maximale entre les points d'incidence sur le premier miroir et une distance maximale entre les points d'incidence sur le second miroir. En outre la présente invention fournit un dispositif pour produire un faisceau parallèle possédant un 25 flux intense, comportant deux miroirs elliptiques à la place de quatre miroirs elliptiques, pour former un faisceau à points parallèles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée 30 ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant le principe d'un rayonnement de lumière; - la figure 2 est une vue représentant l'agencement d'un réflectomètre simple à rayons X du type à fente; - les figures 3a à 3c sont des vues illustrant un 5 procédé de production d'un faisceau parallèle moyennant l'utilisation de miroirs de Goebel fabriqués par la société dite Brucker Co.; - les figures 4a à 4c sont des vues illustrant un procédé utilisant des tubes capillaires fabriqués par la 10 société dite X-ray Optical System Inc.; - les figures 5a à 5e sont des schémas illustrant des procédés de focalisation d'un faisceau et de production d'un faisceau parallèle en utilisant des cristaux de SiGe à gradation; - la figure 6 est un schéma montrant la structure d'une ellipse; - la figure 7 est un schéma illustrant un principe de production d'un faisceau parallèle conformément à la présente invention; - la figure 8 est une vue à plus grande échelle d'un second miroir de la figure 7; - la figure 9 est une vue illustrant le principe de focalisation linéaire; - les figures 10a et 10b sont des vues illustrant 25 le principe de focalisation ponctuelle; - les figures lla et llb sont des vues représentant l'agencement de miroirs à neutrons; et - les figures 12a et 12b sont des vues données à titre d'exemples, dans lesquelles des miroirs sont disposés 30 différemment pour améliorer l'efficacité d'utilisation d'un espace. Le principe fondamental de la présente invention est de disposer des miroirs selon une disposition elliptique. La forme de réalisation de base de la présente 35 invention se compose de deux miroirs elliptiques. Comme cela est représenté sur la figure 6, à l'intérieur d'une limite réfléchissante elliptique, des faisceaux produits au niveau d'un point focal de la limite réfléchissante elliptique sont réfléchis par la limite 5 réfléchissante elliptique et dirigés vers l'autre point focal. Sur le dessin, Fl et F2 désignent les deux points focaux et on peut voir que les faisceaux produits au niveau du point focal Fl sont réfléchis par la surface réfléchissante intérieure de la limite elliptique 10 réfléchissante et sont dirigés vers l'autre point focal F2. Les références a, b et e sont des paramètres de l'ellipse et représentent respectivement la moitié de la longueur du grand axe, la moitié de la longueur du petit axe et la distance entre le centre de la limite réfléchissante 15 elliptique et un point focal. La figure 7 est un schéma illustrant schématiquement le principe de production d'un faisceau parallèle utilisant des miroirs elliptiques. Un dispositif pour la production d'un faisceau parallèle est constitué 20 par une source de lumière et par deux miroirs. La source de lumière est disposée au niveau d'un point focal 71 d'une première ellipse, le point focal de gauche dans l'exemple représenté sur la figure 7. Un premier miroir est disposé de manière à passer par des points de la première ellipse 25 72, dans cette forme de réalisation par les points , 0 et G de la première ellipse 72. Un second miroir est disposé de manière à passer par les points , et de la seconde ellipse 73. En supposant que les paramètres a, b et e de la 30 première ellipse 72 sont respectivement 100 mm, 50 mm et 86,6 mm, des rayons émis par le point focal gauche de la première ellipse 72 en direction des points D, .0 et Q forment des angles d'incidence de 320, 300 et 280 avec une droite de référence (axe x) qui s'étend respectivement du 35 point focal gauche au point focal droit. Le premier miroir est disposé sur les positions d'incidence de la première ellipse 72 comme décrit précédemment et est un miroir concave conformé de manière à être adapté à la première ellipse 72. Des rayons réfléchis 5 au niveau des points O, O et O de la première ellipse 72, c'est-à-dire les points O, et G situés sur le premier miroir, et dirigés vers un point focal droit de la première ellipse 72 font des angles de 280, 300 et 320 avec l'axe X. La raison de ceci est que des droites tangentes à 10 la première ellipse 72 au niveau des points O et O forment chacune un angle de 20 avec une droite tangente à la première ellipse 72 au niveau du point . En outre cela signifie que des lignes tangentes à la première ellipse 72 au niveau des points D, Q et O font toujours un angle de 15 300 avec les rayons incidents émis à partir du point focal gauche. Pour produire un faisceau parallèle, il faut disposer un autre miroir (un second miroir) en travers de trajets de rayons s'étendant en direction du point focal 20 droit de la première ellipse 72. Le second miroir est disposé sur une seconde ellipse 73 et est un miroir convexe conformé de manière à être adapté à la seconde ellipse 73. Par conséquent, lors de la première réflexion, les rayons sont réfléchis par une section concave de la première 25 ellipse 72, alors que lors de la seconde réflexion, les rayons sont réfléchis par une section convexe de la seconde ellipse 73. La figure 7 monter que le second miroir peut être disposé dans une position différente sur une ellipse 74 avec une forme différente. Les paramètres a', b', c' de l'ellipse du second miroir utilisés pour produire un faisceau parallèle peuvent être obtenus à partir de l'équation 1 suivante s a' - x 2 x a p S b' x 2 x b (1) p e' a'2 + bi2 P étant la distance entre O et O de la première ellipse 72 et S étant la distance entre @ et e de la seconde ellipse 73. Lorsque les longueurs du grand axe et du petit axe sont multipliés par 2 comme dans l'équation (1) cidessus, des droites tangentes à la seconde ellipse 73 au niveau des points et forment chacune un angle de, 10 15 avec une droite tangente à la première ellipse 72 au niveau du point G (en négligeant des erreurs), de sorte que des rayons réfléchis au niveau des points et sont parallèles à un rayon réfléchi au niveau du point O. C'est-à-dire que les formes d'ellipses sont 20 déterminées de telle sorte qu'un angle formé par deux droites tangentes passant par chacun des deux paires de points voisins respectifs D et , et et O de la première ellipse 72, est égal au double de l'angle formé par deux droites tangentes passant par chacune des deux 25 paires de points voisins et I, et O et V de la seconde ellipse 73. Avec ce procédé, la largeur d'un faisceau linéaire parallèle peut être ajustée, et on peut surmonter la limitation spatiale, qui est un inconvénient des miroirs de Goebel. La figure 8 est une vue à plus grande échelle 30 d'une partie sur laquelle le second miroir est positionné, et qui montre qu'un angle formé par deux droites tangentes formées par chacune des deux paires de points voisins et O, et O et de la seconde ellipse 73 est égal à 10. La figure 9 illustre un procédé de production 35 d'un faisceau linéaire parallèle, et les figures lOa et 10b il illustrent un procédé de production d'un faisceau ponctuel parallèle. Dans le cas du procédé pour produire un faisceau parallèle ponctuel, des troisième et quatrième miroirs sont 5 disposés de manière à présenter une différence angulaire de 900 avec les premier et second miroirs, et un faisceau linéaire produit par une réflexion deux fois plus élevée est focalisé dans une direction perpendiculaire au faisceau linéaire de manière à former un faisceau ponctuel. Par 10 conséquent, lorsqu'on utilise des miroirs elliptiques, quatre miroirs sont requis (se référer à la figure lOa). Dans le cas des miroirs pour neutrons ou de miroirs pour rayons X, le flux d'un faisceau est légèrement réduit à chaque réflexion du faisceau, de sorte qu'il est 15 nécessaire de réduire une perte du flux de lumière apparaissant au moment de la réflexion. Dans la présente invention, comme représenté sur la figure lob, deux miroirs elliptiques sont remplacés par un miroir ellipsodal de sorte qu'il est possible de réduire le nombre de réflexion 20 de quatre à deux. Le miroir pour rayons X (Mo/Si, W/C, W/Si) et le miroir pur neutrons (58Ni, Ni/Ti) possèdent des structures de films à couches multiples, dans lesquelles les couches de ceux matériaux sont superposées de façon répétée l'une sur l'autre, et une perte de réflectance peut 25 se produire en raison de la rugosité de surface et de l'imperfection d'une surface limite. Cependant une réflectance supérieure à 900 peut être obtenue en raison du développement récent de la technologie de dépôt de films. x2 y2 z2 Une équation générale d'ellipsode est - + - + - = 1. a2 b2 c2 Lorsque les quantités de divergence d'un faisceau sont les mêmes dans les directions de l'axe x et de l'axe z, x2 y2 z2 l'équation d'un ellipsode est - + - + - =1, un premier a2 b2 a2 miroir ellipsodal possédant la même courbure dans les 5 directions de l'axe x et de l'axe z peut être fabriqué, et un second miroir ellipsodal peut être conçu et fabriqué de la même manière que le premier miroir ellipsodal. Lorsque la quantité de divergence d'un faisceau sont différentes dans les directions de l'axe x et de l'axe z, un faisceau 10 est focalisé par le premier miroir ellipsodal qui satisfait à l'équation générale de l'ellipsode, puis un faisceau parallèle peut être formé par l'action de dispersion du second miroir ellipsodal. Une équation pour calculer les paramètres de l'ellipsode formé par le second 15 miroir peut être obtenue en développant l'équation 1 comme indiqué ci-dessous. S a' x 2 x a P S b - x 2 x b (2) p S c - x 2 x c P Les figures lla, llb, 12a et 12b sont des vues montrant des dispositions de miroirs, qui sont utilisées pour former des faisceaux linéaires en utilisant des miroirs pour neutrons ou des super-miroirs (F. Mezei, Comm. 30 Phys. 1, 81 (1976), F. Mezei et P. Dagleish, Comm. Phys. 2, 41 (1977)). La figure 1i représente un agencement dans lequel le premier miroir est disposé de manière à être symétrique par rapport à l'axe y d'une ellipse, la distance entre une 35 source de neutrons et l'extrémité arrière d'un trou horizontal est 3000 mm et la taille d'un super-miroir pour neutrons (Ni/Ti, 3M, base 4,75 A, angle de réflexion complète maximale - environ 30) et est égale à 382 Mm. La figure llb est une vue à plus grande échelle d'une partie sur laquelle les miroirs sont disposés. Dans ce cas, un espace étendu est requis pour focaliser un faisceau réfléchi par un premier miroir en utilisant un second miroir disposé sur le côté opposé, de sorte que le rendement d'utilisation d'un espace peut être 10 amélioré en plaçant le premier miroir dans une position proche du point focal de droite. La figure 12a montre un exemple dans lequel des miroirs sont disposés différemment pour améliorer l'efficacité d'utilisation d'un espace. Comme décrit 15 précédemment, un intervalle entre les premier et second miroirs est réduit par positionnement du premier miroir sur le côté droit d'une ellipse. Un premier miroir pour neutrons 121 est disposé à une distance de 1000 mm du petit axe d'une ellipse, un second miroir pour neutrons 122 est 20 disposé sur une partie droite supérieure de l'ellipse et une source est positionnée au niveau d'un point focal de gauche de l'ellipse. La figure 12b est une vue à plus grande échelle d'une partie sur laquelle des miroirs sont positionnés. Comme décrit précédemment, dans la présente invention, la focalisation linéaire et la focalisation ponctuelle d'un faisceau sont permises en raison de la disposition géométrique des miroirs de sorte qu'un accroissement du flux de lumière et la production d'un 30 faisceau parallèle sont possibles. En particulier un spectroscope utilisant des neutrons requiert essentiellement l'utilisation du dispositif pour produire un faisceau parallèle conforme à la présente invention étant donné qu'il n'est pas facile de 35 se rapprocher d'une source de lumière (une unité de fission nucléaire) et qu'un neutron a un flux faible comparé à un rayon X. Bien qu'un neutron soit avantageux pour l'analyse d'un matériau en raison de ses caractéristiques 5 particulières (moment magnétique et densité de longueur de dispersion irrégulière), par rapport à un rayon X, le neutron présente un inconvénient en ce qu'un temps de mesure excessivement long est nécessaire en raison de son faible flux, par rapport à un rayon X. Cependant le flux 10 d'un neutron peut être accru moyennant l'utilisation de l'agencement de miroir selon la présente invention de sorte qu'un plus grand nombre d'utilisateurs peuvent utiliser des spectroscopes à neutrons. Le principe de la présente invention peut être 15 utilisé dans la diffraction, la réflectométrie, la diffraction à haute résolution et avec des protéines faiblement dispersées dans un monocristal. Dans le cas de l'utilisation en liaison avec une technologie de tubes capillaires de l'art antérieur, le système selon la 20 présente invention est en outre efficace. Bien que les formes de réalisation préférées de la présente invention aient état décrites à titre d'illustration, les spécialistes de la technique noteront que différentes modifications, additions et substitutions 25 sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. REVENDI CATIONS 1. Dispositif pour produire un faisceau parallèle ayant un flux élevé au moyen d'un agencement elliptique de miroirs, comportant: une source de lumière disposée en un premier point focal (71) d'une première ellipse (72), un premier miroir disposé sur la première ellipse pour réfléchir un faisceau émis par la source de lumière, et agencé avec une forme concave pour s'adapter à une 10 section de la première ellipse, et un second miroir disposé en travers d'un trajet du faisceau réfléchi par le premier miroir, et agencé avec une forme convexe pour s'adapter à une section d'une seconde ellipse (73) de sorte qu'un angle formé par deux 15 droites tangentes passant par chaque paire de points d'incidence de rayons voisins rencontrant respectivement le second miroir est égal à la moitié d'un angle formé par deux droites tangentes passant par chaque paire de points d'incidence de rayons voisins rencontrant respectivement le 20 premier miroir. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier miroir est disposé à une extrémité d'un petit axe de la première ellipse (72). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans 25 lequel le premier miroir est disposé entre une extrémité d'un grand axe de la première ellipse (72) et une extrémité d'un petit axe de la première ellipse au voisinage d'un second point focal de la première ellipse. 4. Dispositif selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 3, dans lequel des paramètres a' (une moitié d'une longueur du grand axe), b' (une moitié d'une longueur du petit axe) et e' (une distance entre un centre et un point focal) de la seconde ellipse (73) sont obtenus au moyen des équations suivantes S a - x 2 x a P S b' - x 2 x b P e r 2 + b2 o a et b sont des paramètres elliptiques de la première ellipse (72), P est une distance maximale entre les points 10 d'incidence du premier miroir, et une distance maximale entre les points d'incidence du second miroir. 5. Dispositif pour produire un faisceau parallèle ayant un flux intense, comportant deux miroirs elliptiques à la place de quatre miroirs elliptiques, pour former un 15 faisceau parallèle à focalisation ponctuelle.