Schéma de principe de la microsonde nucléaire
La microsonde nucléaire est un outil d’analyse non destructif permettant la caractérisation élémentaire d’échantillons de nature solide de provenances très diverses, et ce à l’échelle du micromètre : interfaces et grains de matériaux de synthèse, monocouches cellulaires, inclusions dans des échantillons géologiques terrestres et extra-terrestres…
L'accès à l'appareil se fait par "demande d'expérience soumise à expertise et évaluation par un comité".
La méthode repose sur la détection et la spectrométrie des rayonnements émis par l’interaction d’un microfaisceau d’ions légers avec les atomes composant les éléments majeurs et trace des échantillons.
Au Laboratoire d'Etude des Eléments Légers (LEEL), ce faisceau est produit par un accélerateur de particules (A) de type Van de Graaff de de tension maximale 3.75 MV . Différentes particules peuvent être produites : 1H+, 2H+, 3He+, 4He+. Le faisceau est ensuite dirigé vers l’une des deux voies d’analyses disponibles (B), puis mis en forme et focalisé sur l’échantillon à analyser (C).
Le faisceau peut être balayé sur l’échantillon, et il est ainsi possible de construire des images élémentaires à l’aide des spectres collectés par les différents détecteurs entourant l’échantillon.
Les interactions faisceau-atomes de l’échantillon sont de deux natures :
- Electronique ; en cas d’ionisation en couche profonde, l’ion ainsi créé émet un rayon X caractéristique, cette technique s’appelle PIXE (Proton Induced X-ray Emission). Cette technique est plus particulièrement sensible pour les éléments lourds, à partir de Z=16.
- Nucléaire ; si la collision noyau-noyau est élastique, la particule incidente est diffusée, on parle alors de RBS (Rutherford BackScattering). L’énergie de cette particule est fonction du noyau diffusant et de la profondeur où a eu lieu l’interaction.
La technique ERDA (Elastic recoil detection analysis) consiste à détecter par transmission ou en incidence rasante le noyau de recul (léger) de la cible, éjecté après irradiation par un ion plus lourd, tel l’hélium. Cette technique est la seule qui permette un dosage précis en hydrogène dans les matériaux sans nécessiter l’utilisation de standards.
En cas de collision inélastique, l’interaction est une réaction nucléaire, on parle alors de NRA (Nuclear Reaction Analysis). Ce type d’interaction génère l’émission de fragments de noyaux sous forme de particules chargées et de rayons γ. Ces deux techniques sont plus favorables aux Z légers, avec parfois une sensibilité isotopique, permettant le recours au traceurs isotopiques.
Une autre caractéristique de cette technique est la résolution en profondeur (dans le cas d'interactions nucléaires). Il est ainsi possible de mettre en oeuvre des techniques de microscopie 3D (tomographie) pour certains éléments légers.
Microsonde nucléaire du NIMBE/LEEL.
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