Analyse dispersive en longueur d'onde

L'analyse spectrale d'un rayonnement électromagnétique fait souvent intervenir une dispersion angulaire dépendant de la longueur d'onde ; c'est l'analyse dispersive en longueur d'onde.

Pour la lumière visible, il existe deux manières de faire : avec un prisme ou avec un réseau de diffraction optique (Un réseau de diffraction est un dispositif optique composé d'une série de fentes parallèles (réseau en transmission), ou de rayures réfléchissantes (réseau en réflexion). Ces traits sont espacés de...).

Pour les rayons X, cela se fait par diffraction sur un monocristal ; en anglais, la méthode porte alors le nom de WDS ou WDX pour wavelength dispersive X-ray spectrometry, et WDXRF pour l'application en spectrométrie de fluorescence X (La spectrométrie de fluorescence X (SFX ou FX, ou en anglais XRF pour X-ray fluorescence) est une méthode d'analyse chimique élémentaire utilisant une propriété physique de la matière, la...).

Cas de la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.)

Dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) par un prisme

La vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène...) dans le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice...), donc l'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme coefficient dans les...) n, dépend de sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...). En conséquence, l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de déviation par la réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre...) varie lui aussi en fonction de la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...). On peut ainsi déterminer le spectre lumineux.

Dispersion par un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...)

Un réseau est un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de plans qui réfléchissent ou laissent passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) le rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.). Les rayonnements réfléchis, sous forme d'ondes, interfèrent les uns avec les autres. Dans le cas d'une interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en...) constructrice, lorsque les ondes se superposent, on capte le rayon. Si l'interférence est destructrice, alors les ondes ont une amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...) et donc s'annulent. La condition pour que les ondes s'ajoutent dépend de le distance entre les plans, caractéristiques de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :).

Une longueur d'onde donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) va faire des interférences constructrices dans plusieurs directions ; ces directions sont appelées " ordre de diffraction "

Voir l'article détaillé Réseau de diffraction optique.

Spectromètres de type Littrow, le montage de Czerny-Turner.

Réseau plan ou courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales...) (voir Focalisation).

Méthodes combinées

L'inconvénient du réseau est la présence de plusieurs ordre de diffraction par longueur d'onde ; l'ordre 2 ou 3 d'une longueur d'onde peut se superposer à l'ordre 1 d'une autre longueur d'onde. Pour éviter ce problème, on peut mettre un prisme après le réseau, avec une déviation perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et...) à la déviaiton du réseau (c'est-à-dire nue déviation parallèle aux traits du réseau).

On peut ainsi séparer les différents ordres.

Cas des rayons X

Principe

Séparation des longueurs d'onde par diffraction sur un cristal
Séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est...) des longueurs d'onde par diffraction sur un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...)

On prend un monocristal de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) connues et stables. Les rayons X diffractent sur ce cristal, le principe est le même que la séparation du spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil...) par un réseau (par exemple un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) compact). On récolte alors l'intensité du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) en fonction de la déviation 2θ du faisceau.

L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) h·ν des photons diffractés avec une déviation 2θ est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par la loi de Bragg (Lorsque l'on bombarde un cristal avec un rayonnement dont la longueur d'onde est de l'ordre de la distance inter-atomique il se produit un phénomène de diffraction. Les conditions de...)

2 \cdot d \cdot \sin{\theta} = n \cdot \lambda

où λ est la longueur d'onde de la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...), d est la distance interréticulaire du plan cristallin diffractant, et n est un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) entier appelé " ordre de diffraction ", ainsi que par la loi de Planck (La loi de Planck définit la distribution de luminance énergétique monochromatique du rayonnement thermique du corps noir en fonction de la température thermodynamique.)

E = h \cdot \nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}

h est la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille des quanta. Elle joue un rôle central dans la mécanique quantique et a été nommée...), ν est la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) et c est la vitesse (On distingue :) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...). Ce principe fut découvert en 1912 par Max von Laue, et fut développé par W.H. et W.L. Bragg en 1915.

Le principe est le même que la méthode d'analyse cristalline par diffraction de rayons X, sauf que dans ce cas-là, on a un spectre de rayons X connu et un cristal inconnu, alors qu'en analyse spectrale (L'analyse spectrale est une méthode utilisée en physique pour déterminer les caractéristiques d'un phénomène observé. L'intensité du phénomène en fonction du...), on a un spectre inconnu mais un cristal connu.

Cristaux analyseurs

Les cristaux analyseurs les plus courants sont fait de fluorure de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) (LiF), coupé (Un coupé est une voiture fermée, à deux portes (parfois trois avec hayon ou quatre comme l'ont fait certains constructeurs américains) et possédant deux, quatre ou cinq places. Il est caractérisé par la forme...) pour faire diffracter les plans (200) ou les plans (220) (LiF 200 ou LiF 220), le germanium, ainsi que des cristaux composites (multicouche).

Détecteurs

Il existe deux types de détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...). Pour les faibles énergies (grandes longueurs d'onde), on utilise un compteur proportionnel (Les compteurs proportionnels à gaz sont des détecteurs de radiations ionisantes, qui ont un très bon rendement pour les photons de faible énergie.). C'est un compteur contenant du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) (un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) argon-méthane). On établit une haute tension (La tension est une force d'extension.) entre un fil et la paroi du détecteur ; lorsqu'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) pénètre dans le gaz, il provoque des ionisations, les charges créées migrent sous l'effet de la haute tension, ce qui crée des pics de courant. Les impulsions créées sont proportionnelles à l'énergie des photons (d'où le nom du détecteur), mais la précision n'est pas suffisante pour pouvoir séparer les énergies ; elle permet cependant de filtrer une partie du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) en sélectionnant certaines hauteurs d'impulsion avec un discriminateur. Il est similaire à un compteur Geiger-Müller, mais travaillant à une haute-tension plus faible. Chaque pic de courant est appelé " coup "

L'autre type de détecteur est un détecteur dit " à scintillation " (ou " scintillateur "). Le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) frappe un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous...) qui émet un photon lumineux (flash de lumière) par effet Compton, l'écran est en général en iodure de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps...) dopé au thallium NaI(Tl). L'intensité lumineuse est détectée par un photo-multiplicateur (PM) classique. Chaque flash de lumière est appelé un " coup ".

L'intensité des rayons X est exprimée en " coups ", on utilise également souvent le taux de comptage en " coup par seconde " (cps). C'est une unité arbitraire. Le nombre de coups est proportionnel au nombre de photons qui passent par le détecteur.

Spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange...) séquentiel ou simultané

On distingue deux types de spectromètres :

  • les spectromètres séquentiels : le cristal analyseur et le détecteur sont mobiles ; en changeant leur position, on détermine l'angle de diffraction (goniomètre) et on sélectionne ainsi la longueur d'onde observée ;
  • les spectromètres simultanés ou spectromètres multicanaux : plusieurs paires de cristaux-détecteurs sont positionnées autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de l'échantillon, les positions — donc les angles — sont fixés ; ainsi, on mesure plusieurs longueurs d'onde simultanément, mais on ne peut en mesurer qu'un nombre limité, et toujours les mêmes.

Les spectromètres séquentiels ont en général une optique inversée : c'est le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé...) de l'échantillon qui assure le placement de la face analysée contre le masque du porte échantillon, donc la face analysée est toujours au niveau de référence. Cependant, en cas de rupture de l'échantillon, la chute risque d'endommmager le tube ou bien le module d'analyse.

Les spectromètres simultanés sont en général utilisé en suivi de production : on recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) toujours les mêmes éléments et la cadence de mesure est importante. De fait, la préparation des échantillons doit être très reproductible, et l'on peut donc estimer que l'on maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) l'épaisseur des échantillons. De ce fait, on peut adopter une optique " directe " (le tube est au-dessus de l'échantillon), ce qui limite les conséquences en cas de rupture de l'échantillon.

Détermination de l'intensité

Les photons d'une raie ayant tous la même longueur d'onde, la raie devrait figurer comme un " bâton " sur le spectre. Toutefois, en raison des imperfections des appareils, elles figurent sous la forme d'un pic ayant une forme de cloche (profil globalement gaussien). Certains photons de la raie sont donc détectés pour des déviations 2θ légèrement différentes de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) (loi de Bragg) ; pour prendre tous les photons en compte, il faut donc considérer la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes....) du pic (partie de la surface au-dessus du fond). Par ailleurs, certains photons détectés proviennent d'autres phénomènes (essentiellement diffusion Rayleigh (La diffusion Rayleigh est un mode de diffusion des ondes (par exemple électromagnétiques ou sonores) dont la longueur d'onde est très supérieure à la taille des particules diffusantes. On parle de diffusion élastique, car cela se fait...) et diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de la longueur d'onde du photon par la diffusion....) du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) du tube, et probablement Bremsstrahlung des photoélectrons), ce qui forme le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.).

Dans le cas de l'analyse dispersive en énergie, la forme du pic est entièrement déterminée par l'optique (notamment les collimateurs et la cristal analyseur), elle est donc identique pour des conditions de mesure données. Ainsi, la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) nette est proportionnelle à la surface, et l'on peut donc utiliser la hauteur nette pour déterminer l'intensité. Ceci peut se faire de deux manières :

  • soit on mesure le pic en balayage (scan measurement), on determine le sommet du pic en ajustant une parabole (La parabole est l'intersection d'un plan avec un cône lorsque le plan est parallèle à l'une des génératrices du cône. Elle est un type de courbe dont les nombreuses...) (fitting) autour des quelques points les plus hauts (typiquement 5 ou 7 points) ; le fond est déterminé en ajustant un polynôme ;
  • soit on mesure en positions fixes (fixed positions measurement) : on mesure uniquement le point (Graphie) situé au sommet du pic, et un ou plusieurs points pour le fond.

L'avantage des mesures en positions fixes est le gain de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), qui permet d'avoir un rapport signal sur bruit excellent pour un temps de mesure très court. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle est sensible aux déviations de la position du pic : dérèglement de l'appareil, variation dimensionnelle des cristaux (par exemple dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à...) en cas de mauvaise climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de poussières, etc.) d’un local pour des raisons de confort...) de la chambre de mesure). Par ailleurs, si l'on a un élément inattendu dans l'échantillon (par exemple pollution), on peut avoir un pic à un endroit où l'on mesure le fond.

En 1989, Wil de Jongh (un employé de Philips qui créa sa propre entreprise, Omega Data System—ODS) créa une nouvelle méthode de mesure baptisée UniQuant, consistant à mesurer 115 points en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) et pour tout quel que soit le nombre d'éléments. L'algorithme est propriétaire, mais selon toute évidence, lorsque le programme calcule qu'un élément est absent, le point ayant servi à le mesurer est pris comme mesure de fond. Le fond est ainsi déterminé par des points discrets, en prenant en compte l'origine physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) du fond et les pics d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...).

L'étalonnage du pic passe par 0 (la hauteur nette du pic doit être nulle lorsque l'élément est absent). On constate toutefois dans certains cas une ordonnée à l'origine :

  • soit due à une interférence : un élément différent émet une raie proche en énergie, et l'on a omis de corriger cet effet ;
  • soit due à un problème de préparation : une partie de l'élément disparaît lors de la préparation (par exemple se volatilise ou bien reste " collé " dans la vaisselle), ou bien la préparation apporte une pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].) en élément (par exemple lors du broyage) ;
  • soit due à une fluorescence interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable...) de l'appareil (par exemple, les lames de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...) du collimateur (Un collimateur est un dispositif optique permettant d'obtenir un faisceau de rayons de lumière parallèles à partir d'une source de lumière. Ce mot vient du latin...) provoquent un signal de cuivre).

Lorsque l'on mesure toujours le même type d'échantillon (par exemple cas du suivi de production), on peut estimer que le bruit de fond est toujours constant. On peut donc se contenter de mesurer uniquement le sommet et de travailler en hauteur brute de pic ; l'étalonnage présente alors une ordonnée à l'origine correspondant à ce fond. Cette méthode est celle utilisée dans les appareils simultanés (multicanal).

Page générée en 0.822 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique