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La méthode PIXE

La méthode PIXE, pour « particle induced X-ray Emission », est une technique d’analyse basée sur le principe suivant : lors du passage de particules chargées dans la matière, les atomes sont excités et vont émettre des rayons X, caractéristiques des éléments présents dans l’échantillon. C’est une méthode multiélémentaire (lors d’une expérience, des informations sont obtenues sur l’ensemble des atomes présents, hormis les éléments les plus légers), rapide (section efficace de production de RX importante) et non destructive.
Avec des protons de quelques MeV, elle est déjà utilisée de manière routinière pour l’analyse des couches superficielles d’œuvres d’art comme ce qui est réalisé auprès de l’accélérateur AGLAE du musée du Louvre [1]. Avec des protons de hautes énergies, l’analyse d’échantillons à plus grande profondeur est possible avec une bonne sensibilité pour les éléments lourds [2]. Parmi les applications que nous avons identifiées figure l’étude de la corrosion sur des matériaux nucléaires.

Étude préliminaire
Dans un premier temps un travail théorique a été réalisé afin de déterminer les contraintes expérimentales associées aux différents projectiles utilisables. En effet, ARRONAX permet d’accélérer des protons à 17,5 MeV et entre 30 MeV et 70 MeV, des deutons entre 15 MeV et 35 MeV ainsi que des particules alphas à 68 MeV.

Au fur et à mesure que la particule incidente pénètre dans le matériau, elle perd de l’énergie jusqu’à s’y arrêter si l’épaisseur est suffisante (notion de parcours). On peut donc corréler simplement la profondeur à l’énergie des particules. On voit ainsi que l’on peut optimiser la production des RX pour différents matériaux : à haute énergie, la production de RX dans l’or est plus importante qu’à basse énergie ; avec des deutons de 16 MeV, on augmente la production de RX dans le titane. Si l’on souhaite sonder la matière, on aura des informations complémentaires entre les différentes énergies. Mais outre la section efficace de production des RX, il faut aussi tenir compte de leur interaction avec l’échantillon : il faut en effet qu’ils ressortent en nombre suffisant pour pouvoir être détectés. Les RX du titane ne pouvant pas parcourir plus de quelques centaines de µm dans un échantillon, il est donc préférable d’utiliser des deutons de 16 MeV plutôt que des protons de haute énergie. Cependant, pour rechercher de l’or, on pourra utiliser les protons de grande énergie car les RX peuvent parcourir plusieurs mm dans l’échantillon, nous pourrons avoir accès à de grandes profondeurs.
Cette étude nous a donc amené à développer la méthode PIXE « Particle induced X-ray Emission » en adaptant l’énergie ET le type de la particule en fonction des éléments recherchés.

Aspects expérimentaux
Les expériences PIXE se déroulent dans la salle AX d’ARRONAX. Le dispositif expérimental se compose d’un détecteur germanium ultra pur dédié à la mesure de RX placé dans un blindage adéquat. Ce détecteur est placé à 145° par rapport à l’axe du faisceau incident. Un axe de translation et une platine de rotation pilotable à distance permettent d’irradier plusieurs cibles d’affilée et de changer les conditions de tirs sans avoir besoin d’accéder dans le hall expérimental, permettant ainsi une augmentation de nos capacités d’analyse en réduisant le temps d’acquisition des données et une meilleure reproductibilité des conditions d’irradiation.

Afin d’éliminer les effets parasites, un blindage a été construit autour du détecteur de RX composé d’un multicouche plomb, cuivre et aluminium.

Un ensemble d’expériences a été réalisé :

  • Estimation de la sensibilité du dispositif PIXE sur ARRONAX A l’aide d’échantillons certifiés fournis par l’IAEA , nous avons déterminé la limite de détection (LD) de notre dispositif sur ARRONAX. La LD est minimale pour des noyaux de masses intermédiaires. Pour les noyaux légers, l’augmentation du bruit de fond et l’auto-absorption vont limiter notre LD tandis que pour les noyaux lourds, c’est la diminution de la section efficace de production des RX qui va la limiter. Malgré tout, on peut constater qu’avec le dispositif que nous avons développé et sur l’échantillon de référence, nous obtenons des LD de l’ordre de quelques ppm.
  • Mesure des sections efficaces d’ionisation à haute énergie Pour déterminer les concentrations des éléments dans un échantillon donné, on a besoin de connaitre les sections efficaces d’ionisation des couches atomiques internes (K, L). De nombreuses sections efficaces d’ionisation de la couche K existent à basses énergies (quelques MeV protons). Elles ont permis la validation du modèle théorique (ECPSSR) permettant de les reproduire de manière satisfaisante [3]. Ce modèle permet de prédire des valeurs à haute énergie, mais cela demande une validation expérimentale. Nous avons donc entamé des campagnes de mesures de sections efficaces d’ionisation de la couche K pour l’or et le cuivre à différentes énergies (34 MeV, 43 MeV, 53 MeV et 68 MeV).
  • Identification qualitative et quantitative des éléments d’un échantillon Dans le cadre d’une collaboration avec l’institut des matériaux Jean Rouxel de Nantes (IMN), nous avons étudié des échantillons de sodalites naturelles et artificielles. Ces pierres présentent un effet photochromique dont l’origine entre les échantillons naturels et artificiels est à étudier. Le premier travail a consisté à réaliser une analyse quantitative en utilisant un faisceau de particules alpha de 68 MeV et une intensité de 100pA. On a noté la présence de Gallium, Brome, Argent et iode dans les sodalites naturelles que l’on ne retrouve pas dans les sodalites synthétique.
  • Identification d’échantillons multicouches De manière à préparer la mesure des profils en profondeur, nous avons commencé par travailler sur des assemblages multicouches. Il s’agit de mettre en œuvre les outils permettant de remonter à l’ordre des couches ainsi qu’à l’épaisseur de chaque couche. En utilisant le rapport Kα/Kβ des différents matériaux présents, il est possible de remonter à la séquence des différentes couches. En effet, ces RX ont des énergies différentes et seront donc affectés différemment par les épaisseurs de matériaux situés entre le point d’émission du RX et le détecteur (phénomène d’auto absorption). De plus, en utilisant une mesure des rayons gammas émis par les noyaux radioactifs créés lors des interactions nucléaires du faisceau avec les différents matériaux, on peut obtenir une information sur les différents éléments présents. Cette mesure se fait off-line et ne requiert donc pas de temps de mesure supplémentaires avec le faisceau. En utilisant une feuille de référence et en tenant compte des différentes couches présentes, on peut déterminer l’épaisseur de chacune des couches présentes.

Perspectives
L’ensemble de ces éléments nous ont permis d’acquérir de l’expérience et du savoir faire sur la technique PIXE. Nous avons ainsi mis en place une stratégie d’étude qui nous permet d’adapter le projectile et son énergie à l’analyse que l’on souhaite réaliser. Ainsi les éléments légers et moyens (20 < Z < 35) seront préférentiellement analysés à l’aide de deutons de 16 MeV ou des protons de 17 MeV alors qu’on préférera utiliser les protons de haute énergie pour les éléments lourds.
Elle nous a aussi permis d’identifier les améliorations et développements supplémentaires nécessaires pour atteindre notre objectif de mesure de la concentration en profondeur.
Les mesures réalisées avec les échantillons certifiés et les sodalites ont montré la nécessité d’avoir une bonne connaissance de la matrice (dans laquelle sont recherchés les éléments présents en petite quantité). La technique PIXE ne nous permettant pas d’identifier les éléments de Z < 13, nous devons lui adjoindre une autre technique, PIGE pour « Particle induced gamma ray emission ». Ces 2 techniques sont complémentaires. Pour cela nous avons mis en œuvre un dispositif de mesure gamma utilisant un germanium ultra pur portable et son blindage. Les premiers tests ont permis d’optimiser le blindage nécessaire et de mettre en évidence notre capacité d’identifier les éléments légers présents dans un échantillon certifié contenant de l’oxygène, du silicium, de l’aluminium, du sodium et du calcium. Il nous faut poursuivre ce travail sur la quantification de ces éléments.
De manière à remonter à la courbe de concentration en fonction de l’épaisseur, il est nécessaire de disposer d’un ensemble de données complémentaires. Pour cela, nous devons réaliser plusieurs expériences avec le même échantillon dans lesquelles nous faisons varier l’un des paramètres suivants : type du projectile, énergie du projectile, angle de l’échantillon. La platine de rotation, visible sur la figure 3 (à droite) nous permet de faire cela de manière aisée. De manière à traiter l’ensemble de ces données, un logiciel d’analyse est en cours de développement.

Bibliographie :
[1] http://www.c2rmf.fr/homes/home_id21888_u1l2.htm
[2] A. Denker, W. Bohne, J. Opitz-Coutureau, J. Rauschenberg, J.Röhrich and E.Strub,
Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B239, 65-70 (2005).
[3] S. J. Cipolla, An improved version of ISICS : a program for calculating K-, L- and M-shell cross sections from PWBA and ECPSSR theory using a personal computer,
Comput. Phys. Commun. 179 (2008) 616