Brevet FR2941528A1 — publié le 20100730

L'invention est relative à un spectrographe travaillant dans le domaine des rayons X-UV (c'est-à-dire pour des rayonnements dont l'énergie E est comprise sensiblement entre quelques électron-volts et 1200 électron-volts, ce qui correspond à des longueurs d'onde À entre approximativement 1 et 250 nanomètres). Pour la suite on donne les définitions suivantes. La résolution d'un spectrographe est la quantité élémentaire d'énergie DE ou de longueur d'onde AA que le spectrographe est capable de discriminer. Le pouvoir résolvant PR d'un tel spectrographe est le rapport À/LÀ ou E/M (il est rappelé que l'énergie E et la longueur d'onde À d'un rayonnement sont liés par la relation E.À = 1239,8 pour E exprimé en électron-volts et À en nanomètres). La dispersion angulaire d'un réseau est la quantité dR/dÀ où R est l'angle de diffraction. La dispersion angulaire réciproque est la quantité dÀ/d3. L'efficacité d'un miroir est le rapport entre le nombre de photons réfléchis par le miroir et le nombre de photons interceptés par le miroir, et l'efficacité d'un réseau est le nombre de photons diffracté par le réseau, pour un ordre de diffraction donné, et le nombre de photons interceptés par le réseau. Enfin, l'acceptance angulaire du spectrographe correspond à l'angle solide du cône formé par les photons issus d'une source ponctuelle. L'acceptance effective tient compte de la réflectivité du miroir. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Le développement de tels spectrographes s'est accéléré ces vingt dernières années avec la disponibilité grandissante de sources synchrotron, permettant une analyse d'échantillons par diffusion quasi élastique et inélastique de photons provenant d'une telle source. A cet égard, l'utilisation de réseaux de diffraction est connue depuis au moins le XIXe siècle, et en particulier, des réseaux de diffraction sphériques fonctionnant selon la géométrie de Rowland. La source de rayonnement et le détecteur sont positionnés avec précision sur un cercle dont le diamètre est égal au rayon du réseau de diffraction sphérique. Ce dernier comporte des traits uniformément espacés et joue à la fois le rôle de diffuseur et le rôle de focalisateur. Cependant, cette configuration implique que le détecteur soit placé tangentiellement au cercle de Rowland, de sorte qu'il reçoive les rayonnements en incidence rasante. Les capteurs modernes de type CCD voient leur efficacité chuter lorsqu'ils travaillent de la sorte. Pour s'affranchir de la géométrie de Rowland il a été proposé de remplacer les traits uniformément espacés du réseau de diffraction sphérique par des traits gravés selon un pas variable. On peut obtenir ainsi une courbe focale redressée. En outre, la variation du pas des traits permet de compenser au moins partiellement les aberrations optiques. Un certain nombre d'instruments basés sur ce schéma sont en opération ou sont sur le point d'entrer en service. Cependant, le principal inconvénient de ce type d'instrument réside dans la correction médiocre des aberrations optiques d'ordre élevé pour des réseaux de diffraction sphérique de grande taille. Seules des portions courtes du réseau de diffraction peuvent être utilisées pour atteindre une résolution élevée, ce qui limite l'acceptance angulaire de l'instrument. De plus les corrections apportées par la variation du pas sont valables sur une plage d'énergie assez restreinte. Il est par ailleurs connu du document US 4 776 696 de séparer les fonctions de focalisation et de dispersion en prévoyant des miroirs focalisants sphériques et un réseau de diffraction, pouvant être plan, distinct des miroirs focalisants. Le réseau de diffraction comporte des traits à pas variable, ce qui permet de compenser la variation d'angle d'incidence des rayons qui frappent le réseau, et également de compenser les aberrations optiques générées par le miroir. Cependant, un tel spectrographe comporte certaines limitations. En effet, une augmentation de l'acceptance angulaire implique l'utilisation de grandes optiques. Mais les aberrations générées par un grand miroir sphérique ne peuvent être entièrement corrigées, de sorte que lorsque la taille du miroir augmente, ces aberrations conduisent en pratique à une résolution moindre. Qui plus est, une optimisation du couple miroir sphérique/réseau de diffraction à pas variable ne peut être menée que pour une énergie de rayonnement déterminée. Dans le domaine cousin des monochromateurs, il est connu du document US 4 553 253 d'utiliser un réseau de diffraction plan pour diffuser un rayonnement, puis de focaliser au moyen d'un miroir elliptique. Un miroir plan amont reflète la source de rayonnement pour la renvoyer sur le réseau de diffraction plan de sorte que les rayons diffractés semblent venir de l'un des foyers de la surface ellipsoïde définissant le miroir elliptique. Celui-ci focalise les rayonnements vers l'autre foyer de la surface ellipsoïde. La particularité de tels monochromateurs est de traiter le rayonnement provenant d'une source très lointaine et donc un faisceau quasi parallèle. De plus une fente étroite sélectionne le rayonnement de longueur d'onde désirée. Dans l'exemple illustré dans ce document, le réseau de diffraction est un réseau à pas constant à 1200 traits par millimètre.35 OBJET DE L'INVENTION L'invention vise à proposer un spectrographe permettant à la fois une grande résolution et une grande acceptance angulaire pour traiter une source fortement divergente. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, il est proposé un spectrographe comportant des moyens de focalisation d'un rayonnement secondaire émis par un échantillon éclairé par une source de rayonnement X-UV, suivis par des moyens de diffraction du rayonnement focalisé, dans lequel, selon l'invention, les moyens de diffraction comprennent un réseau de diffraction plan à traits s'étendant selon un pas variable, et les moyens de focalisation comprennent un miroir elliptique ayant une surface réfléchissante s'étendant selon une surface ellipsoïde, l'échantillon étant placé à l'un des foyers de la surface ellipsoïde. Ainsi, l'échantillon forme une source de rayonnement secondaire dont les photons sont réfléchis par le miroir elliptique vers le réseau de diffraction plan qui renvoie les photons diffractés vers un point focal qui s'avère être une image du deuxième foyer de la surface ellipsoïde, qui constitue ainsi une image virtuelle de la source. La variation du pas des traits du réseau de diffraction peut être choisie pour compenser la variation d'angle d'incidence du faisceau convergent de photons réfléchis par le miroir elliptique et abordant le réseau de diffraction. Contrairement au spectrographe de l'art antérieur à miroir sphérique et réseau de diffraction à pas variable, les inventeurs se sont aperçus que dans le spectrographe de l'invention, la disposition optimale des traits du réseau de diffraction à pas variable, celle qui minimise les aberrations optiques d'ordre élevé, est sensiblement indépendante de l'énergie du rayonnement incident, de sorte qu'un même réseau de diffraction peut couvrir un large spectre d'énergie de rayonnement. En outre, le placement de l'échantillon au premier foyer de l'ellipse fournit une image virtuelle au second foyer qui est quasi parfaite. Ainsi, il est possible d'utiliser des miroirs elliptiques longs et des réseaux de diffraction de longueur adaptée, dont toute la longueur peut être exploitée, ce qui permet une augmentation notable de l'ouverture de l'instrument. De préférence, les rayons diffractés par le réseau de diffraction sont reçus par un détecteur, placé en aval du réseau de diffraction. Selon un aspect particulier de l'invention, la gamme d'énergie que l'on souhaite détecter au moyen du détecteur est sélectionnée en faisant pivoter le réseau de diffraction autour d'un axe parallèle aux traits de celui-ci, ce qui a pour effet de modifier l'angle d'incidence des rayons atteignant le réseau de diffraction. Cette sélection est alors réalisée à angle de déviation constant. Il est également possible de sélectionner un angle de déviation différent en déplaçant le détecteur, de sorte qu'il est possible de sélectionner un nouveau couple d'angle d'incidence et d'angle de diffraction. Le changement d'angle de déviation conduit à un changement de la longueur focale (c'est-à-dire de la distance à laquelle les rayons diffractés sont focalisés). On déplacera alors avantageusement le détecteur de concert avec la rotation du réseau de diffraction afin que le plan du détecteur coïncide avec le plan focal dans lequel se forme l'image. En toute rigueur le détecteur doit alors être orienté de quelques degrés pour épouser le plan focal, mais en général, la profondeur de champ de la focalisation est suffisante pour permettre le maintien de la perpendicularité du plan du détecteur par rapport à l'axe focal, compte tenu de ses faibles dimensions. Les inventeurs ont en outre remarqué que la disposition optimale des traits du réseau de diffraction à pas variable, celle qui minimise les aberrations optiques d'ordre élevé pour une incidence donnée, reste valable pour un large intervalle d'angles incidences. Ainsi, un même réseau de diffraction permet de couvrir à la fois un large intervalle d'énergie et un large intervalle d'angles de déviation, ou, ce qui revient au même, un large intervalle d'angles de diffraction. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et des figures des dessins annexés, parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma de principe du spectrographe selon l'invention, les angles et le pas des traits sur le réseau de diffraction ayant été exagérés pour plus de clarté ; - la figure 2 est un schéma de principe du spectrographe de la figure 1, montrant le réseau de diffraction dans une position angulaire distincte correspondant à un angle de déviation différent ; - la figure 3 est un graphe illustrant l'acceptance du miroir elliptique utilisé en fonction de l'énergie du rayonnement incident ; - la figure 4 est un graphe illustrant l'efficacité absolue du réseau de diffraction à pas variable en fonction de l'énergie du rayonnement incident ; - la figure 5 est un graphe montrant la largeur à mi-hauteur de la gaussienne ajustée au mieux à l'image en fonction de l'énergie du rayonnement incident ; - la figure 6 est un graphe montrant, en fonction de la dispersion dans le plan focal, d'une part l'intensité de l'image sous forme d'une courbe, et d'autre part l'intensité par pixel sous forme de créneaux, pour différentes énergies de rayonnement. DESCRIPTION DETAILLEE DU PRINCIPE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le spectrographe de l'invention est associé à un faisceau de rayonnement du domaine X-UV 1, adaptés à l'examen de la structure électronique de matériaux complexes. Ce faisceau X-UV est généralement fourni par un synchrotron et est traité par un monochromateur de façon à fournir un faisceau intense de photons d'une énergie prédéterminée. Le faisceau X-UV ainsi calibré éclaire un échantillon 2. Les atomes de l'échantillon ainsi éclairé subissent des interactions électron-photon donnant lieu à l'émission de photons de diverses longueurs d'onde, soit identiques à celle du rayonnement incident (collisions élastiques), soit différentes (collisions inélastiques). L'échantillon 2 forme ainsi la source d'un rayonnement X secondaire, dont les photons sont diffusés dans toutes les directions. Il s'agit alors d'en récupérer le plus possible. A cet effet, on utilise un miroir collecteur 3, qui a une surface de réflexion s'étendant selon une surface ellipsoïde. On parlera ici de miroir elliptique 3. Il est à remarquer que l'échantillon 2 est placé précisément à l'un des foyers F1 de la surface ellipsoïde. Les photons issus de l'échantillon et se réfléchissant sur le miroir elliptique sont focalisés, selon une propriété géométrique bien connue, vers le second foyer F2 de la surface elliptique. Le second foyer F2 est le lieu d'une image quasi parfaite de la source, quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement utilisé. Le trajet des rayons focalisés par le miroir elliptique 3 est coupé par un réseau de diffraction plan à pas variable 4, disposé en travers du faisceau convergent vers le second foyer F2 comme illustré. Les rayons sont ainsi diffractés par le réseau de diffraction 4 vers un point focal F' qui est une image du foyer F2, de sorte que ce dernier fait office de source virtuelle. Comme cela est visible ici, les photons qui abordent le réseau de diffraction 4 à l'un de ses bords n'ont pas la même incidence que les photons qui abordent le réseau de diffraction à l'autre de ses bords. Ainsi, comme illustré, l'angle al est-il plus petit que l'angle a2. Il convient donc de choisir le pas des traits du réseau de diffraction 4 de façon à compenser cette différence d'angle d'incidence, et les éventuelles aberrations optiques induites par le miroir elliptique 3. Un détecteur 5, en l'occurrence ici un capteur CCD à plage de lumière uniforme, est disposé de sorte que son plan coïncide avec le plan focal P de formation de l'image. Selon un aspect particulier de l'invention, le réseau de diffraction plan 4 est monté rotatif, ici autour d'un axe médian Z (vu en bout sur la figure 2). La rotation du réseau permet de faire varier l'angle d'incidence du faisceau réfléchi par le miroir elliptique 3 et qui aborde le réseau de diffraction 4, et donc également l'angle de diffraction R des rayons diffractés par le réseau. Comme visible à la figure 2, le réseau de diffraction a été pivoté d'un angle i4r et le détecteur déplacé de sorte que l'angle de déviation est augmenté. L'augmentation ou la diminution de l'angle de déviation permet de varier la plage spectrale du rayonnement reçu par le détecteur 5 puisqu'il entraîne le changement de l'angle de diffraction R. Il s'agit d'un effet de zoom particulièrement intéressant et très simple à mettre en œuvre. Bien sûr, la rotation du réseau de diffraction 3 provoque un déplacement du point focal F', comme illustré à la figure 2. Il convient donc de déplacer le détecteur 5 de concert avec la rotation du réseau de diffraction 3 de sorte que le détecteur soit dans l'axe focal moyen, et que son plan coïncide avec le plan P' de formation de l'image au nouveau point focal F". Il est possible de déterminer une relation entre l'angle i de rotation du réseau de diffraction 4 et la position du point focal F, ainsi qu'entre ce même angle ij et la direction de l'axe focal moyen A. Il est donc possible de déterminer, pour chaque position angulaire du réseau de diffraction, la position optimale du détecteur 5. Ainsi il est très simple de lier de façon automatique la rotation du réseau de diffraction 4 avec le déplacement dans l'espace du détecteur 5. A cet effet, le détecteur 5 est de préférence monté sur un équipage mobile doté de divers degrés de liberté dont les déplacements sont asservis à la rotation du réseau de diffraction 4. De façon remarquable, il est ainsi possible de couvrir avec un même réseau de diffraction des rayonnements de 180 à 1500 électron-volts, avec une variation d'angle de déviation 28 d'environ 11 degrés (on rappelle que l'angle de déviation 20 est égal à la somme des modules de l'angle d'incidence a et de l'angle de diffraction R ou, ce qui revient au même, 20 = - R, puisque R est conventionnellement compté négativement). Dans une autre réalisation, les inventeurs ont réussi à couvrir la gamme d'énergie de 50 à 1500 électron-volts avec uniquement deux réseaux de diffraction différents tout en assurant une très haute résolution.35 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui suit concerne un spectrographe réalisé par les inventeurs au Laboratoire de Chimie Physique-Matière et Rayonnement de l'Université Pierre et Marie Curie/PARIS VI. Un faisceau de rayonnement X provenant d'une ligne de rayonnement synchrotron est focalisé en un point sur un échantillon, qui forme une source de rayonnement secondaire ayant une distribution en intensité de forme gaussienne avec un écart-type de sensiblement o = 1,1 micromètres, et émettant dans toutes les directions. Le miroir elliptique est taillé selon une surface ellipsoïde ayant un demi-grand axe de 1550 millimètres et un demi-petit axe de 61,38 millimètres. Le miroir elliptique est éloigné d'environ 900 millimètres de la source secondaire, qui est placée à l'un des foyers F1 de la surface ellipsoïde. Le miroir elliptique a une longueur de 250 millimètres et est placé relativement à la source secondaire de sorte qu'un rayonnement incident provenant de la source secondaire et atteignant le centre du miroir fasse un angle cl) = 87,5° par rapport à la normale du miroir en son centre. Le réseau de diffraction plan à pas variable qui intercepte les rayons réfléchis par le miroir elliptique est placé à sensiblement 200 millimètres de celui-ci. Seul le rayonnement diffracté en ordre externe (ordre négatif) est pris en considération. Le plan focal dans lequel est focalisée l'image de la source secondaire est situé à sensiblement 2000 millimètres du réseau de diffraction. L'angle d'incidence a sur le réseau est plus petit que le module de l'angle de diffraction p (on mesure les angles par rapport à la normale et par convention prend des valeurs négatives), de sorte que pour intercepter tout le rayonnement réfléchi par le miroir elliptique, la longueur du réseau nécessaire n'est que de 120 millimètres. Ainsi pour une longueur de réseau modérée on recueille le rayonnement intercepté par un miroir de plus de deux fois sa longueur. En contrepartie, l'angle diffracté reste à l'intérieur d'une fourchette limitée puisque 0 L'acceptance effective doit être corrigée de la réflectivité du miroir. Celle-ci dépend de l'angle d'incidence du rayonnement, de sa longueur d'onde et de la nature du revêtement. La figure 3 présente l'acceptance effective du miroir elliptique utilisé dans cet exemple de réalisation. 13 Pour connaître l'efficacité de l'instrument dans son ensemble il convient également de tenir compte de l'efficacité absolue du réseau. La figure 4 présente l'efficacité calculée (à l'aide du code de calcul NEPHIERE mis en ligne par le Canadian Light Source) d'un réseau de diffraction à pas variable de 1800 traits/millimètres dans différentes configurations rendues possible par l'invention. Le réseau est ici considéré blazé sous un angle de blaze eB = -1,5°. La condition de blaze est respectée si : a- eB= IRI+eB Pour un très haut pouvoir résolvant PR (PR > 104) obtenu pour R = -89,3°, l'efficacité du réseau chute vers les basses énergies mais le recouvrement avec un deuxième réseau destiné aux basses énergies est possible. Une meilleure efficacité est obtenue sur une gamme d'énergie importante en variant 8 de sorte que 8000 > PR > 5000. La meilleure efficacité est obtenue en donnant priorité aux conditions de blaze. 2/ RESOLUTION Le pouvoir résolvant dépend de la taille de la source, de la qualité des optiques et de la résolution du détecteur. Le pouvoir résolvant d'un système optique est souvent défini selon le critère de Rayleigh : deux raies spectrales séparées de LIA seront résolues si 8À = 2, 643.Qimage. (dÀ/dr) où oimage est l'écart type de la forme gaussienne ajustée au mieux à l'image. A l'ordre -1 le pouvoir résolvant est égal à : PR = A/iÀ = E/LE _ -(12398/E/d.cos(3) . (r/2,643.oimage) où r est la distance entre le centre du réseau et le détecteur. La figure 5 montre la largeur à mi-hauteur de la forme gaussienne admise pour obtenir un PR = 104 avec r = 2000 millimètres (il est à noter que la largeur à mi-hauteur est égale à 2, 35.6image) . Enfin, la figure 6 présente des simulations (réalisées à l'aide de SHADOW qui est un code de simulation pour optiques du domaine des rayons X-UV distribué par le Center for Nanotechnology, Université de Wisconsin) intégrant la taille de la source et les valeurs des erreurs de pente et de rugosité des optiques spécifiées pour le spectrographe. Ces simulations confirment qu'un pouvoir résolvant de 104 est atteint aux grandes énergies, et largement dépassé selon le critère de Rayleigh pour les plus faibles énergies. Aux deux extrêmes illustrés sur la figure, la largeur à mi-hauteur de la gaussienne ajustée à l'un des pics formant l'image est de 80 pm (pour 280 eV) et 34 pm (pour 930 eV). Finalement, alors qu'un pouvoir résolvant d'au moins 104 peut être obtenu avec le réseau de diffraction à pas variable mentionné dont le pas est de 1800 traits par millimètre au centre, la résolution dépendra quant à elle de performances du détecteur utilisé. Sur la figure 6, les rectangles formant des créneaux représentent une largeur de pixel de 13 pm. On mettra avantageusement en oeuvre des procédés connus pour réduire la taille effective des pixels si besoin est. Ceci se fait soit géométriquement par une légère rotation du détecteur soit électroniquement en mesurant la charge induite sur les pixels voisins. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe bien au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. REVENDICATIONS1. Spectrographe comportant des moyens de focalisation (3) d'un rayonnement secondaire émis par un échantillon éclairé par une source de rayonnement X, et des moyens de diffraction (4) du rayonnement focalisé, caractérisé en ce que les moyens de diffraction comprennent un réseau de diffraction plan à traits s'étendant selon un pas variable, et les moyens de focalisation comprennent un miroir elliptique ayant une surface réfléchissante s'étendant selon une surface ellipsoïde, l'échantillon étant placé à l'un des foyers (F1) de la surface ellipsoïde. 2. Spectrographe selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction est monté pivotant autour d'un axe (Z) parallèle à ses traits. 3. Spectrographe selon la revendication 2, comportant un détecteur (5) du rayonnement diffracté, le détecteur étant associé à des moyens de son déplacement asservi à une rotation du réseau de diffraction pour faire coïncider un plan de détection du détecteur avec un plan de formation (P) d'une image de l'échantillon après diffraction par le réseau de diffraction. 4. Procédé d'utilisation d'un spectrographe selon la revendication 3, dans lequel on provoque un pivotement du réseau de diffraction pour sélectionner une plage spectrale déterminée du rayonnement secondaire à analyser.