Présentation

Article

1 - NOTIONS DE BASE

2 - L’ATOME FLUORESCENT

3 - SECTIONS EFFICACES

4 - BRUIT DE FOND CONTINU

5 - FLUORESCENCE SECONDAIRE

Article de référence | Réf : P2557 v1

Sections efficaces
Émission X induite par particules chargées (PIXE) : théorie

Auteur(s) : Philippe MORETTO, Lucile BECK

Date de publication : 10 déc. 2003

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

La technique d'analyse PIXE est une méthode d’analyse multiélémentaire très sensible, qui repose sur l’utilisation de particules chargées comme projectiles pour induire l’émission de fluorescence X. Elle est utilisée pour déterminer la présence d’une espèce chimique élémentaire (information en Z) indépendamment de toute influence de son environnement chimique. Cet article présente les bases théoriques de l’émission X induites par des particules chargées.  

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

Auteur(s)

  • Philippe MORETTO : Professeur à l’université Bordeaux 1 Centre d’études nucléaires de Bordeaux-Gradignan

  • Lucile BECK : Enseignant-chercheur à l’Institut des sciences et techniques nucléaires Commissariat à l’énergie atomique (Saclay)

INTRODUCTION

L’utilisation de particules chargées comme projectiles pour induire l’émission de fluorescence X date de 1970 . Johansson utilise alors un faisceau intense de protons de quelques MeV, délivré par un accélérateur électrostatique.

En étudiant le spectre des photons X émis à l’aide d’un détecteur de type Si(Li), il pose les bases d’une méthode d’analyse multiélémentaire très sensible : la technique PIXE (« Particle Induced X-ray Emission ») ; littéralement « émission X induite par particules chargées ». Cette sensibilité est due essentiellement à l’intensité des faisceaux de particules disponibles, à leur pouvoir ionisant et, surtout, à l’excellent rapport signal/bruit de fond, bien meilleur à l’époque que celui obtenu avec des tubes à rayons X ou des faisceaux d’électrons.

Aujourd’hui, cette technique d’analyse est devenue une méthode de base lorsqu’il s’agit de déterminer la présence d’une espèce chimique élémentaire (information en Z) indépendamment de toute influence de son environnement chimique. Elle fournit une information quantitative absolue en termes de masse par centimètre carré d’échantillon et permet l’analyse de traces en routine dans de nombreux domaines d’applications : sciences de la vie et environnement, caractérisation physico-chimique des matériaux, archéométrie... Ces applications seront détaillées dans la deuxième partie (article Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications).

Les avantages plus particulièrement associés à l’émission X induite par particules chargées sont les suivants :

  • une très bonne sensibilité, en analyse de routine, sur la majeure partie du tableau périodique (Z > 10), avec une limite relative inférieure de détection de l’ordre de 10-6 g/g et une limite absolue en masse de 10-16 g lorsqu’elle est employée à l’aide d’un faisceau microscopique. Cette limite peut être optimisée sur une zone particulière du tableau périodique en choisissant l’énergie des particules incidentes et le type de raies X détectées (raie K ou L). Dans ces conditions, cette valeur ne varie pas plus d’un ordre de grandeur (entre 10-5 et 10-6 g/g) sur le domaine 10 < Z < 92 ;

  • une très grande sûreté. L’identification des raies X est non ambiguë et les interférences spectrales généralement limitées ;

  • c’est une technique d’analyse non destructive pour la plupart des matériaux ;

  • le couplage possible avec d’autres techniques d’analyses par faisceaux d’ions, telles la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS« Rutherford Backscattering Spectrometry »...) ou l’analyse par réaction nucléaire (NRA, « Nuclear Reaction Analysis. ») qui peuvent apporter, lors d’une même manipulation des informations complémentaires ;

  • le peu d’influence de la matrice sur l’analyse PIXE peut cependant être interprétée comme une limitation. En effet, aucun renseignement sur l’environnement chimique de l’élément détecté (spéciation) n’est accessible, pas plus que d’information isotopique. Il faut également noter que la nécessité de placer les échantillons sous vide, pour l’irradiation, pose problème pour des tissus vivants hydratés. Il faut alors avoir recours à des techniques de préparation sophistiquées, soit une minéralisation lors d’analyses classiques, soit des méthodes cryogéniques de type cryofixation/lyophilisation ou coupes minces congelées (20 µm d’épaisseur) pour les applications en imagerie par microfaisceau. Enfin, et bien qu’elle soit par nature non destructive, la principale limitation de cette technique vient des dommages éventuels occasionnés par le dépôt d’énergie dans l’échantillon des ions de plusieurs MeV. Ce problème est particulièrement aigu en microfaisceau où le volume d’interaction ne dépasse pas quelques µm3.

Cet article a pour but de montrer les possibilités analytiques de la méthode PIXE. Cette première partie est consacrée aux bases théoriques de l’émission X induites par des particules chargées. Une seconde partie, présentée séparément Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications, comprend les informations pratiques de l’analyse : instrumentation, détermination des concentrations et applications.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-p2557


Cet article fait partie de l’offre

Techniques d'analyse

(290 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation

3. Sections efficaces

3.1 Section efficace d’ionisation par particules chargées

Des particules chargées légères (proton ou alpha) sont le plus souvent utilisées comme projectiles. Dans la gamme d’énergie considérée, soit 0,5 à 5 MeV par nucléon, les modèles théoriques permettant de rendre compte de l’ionisation des couches atomiques profondes sont basés sur l’interaction coulombienne entre un électron lié et le noyau de la particule chargée incidente. On parle alors de collision rapide ou directe et les partenaires de la collision peuvent être considérés comme des charges ponctuelles. Parmi les modèles les plus couramment employés, on peut citer l’approximation de Born en ondes planes (Plane Wave Born Approximation) , l’approximation semi-classique (Semi-Classical Approximation, SCA) , ou encore l’approximation du choc binaire (Binary Encounter Approximation, BEA) .

La probabilité d’ionisation d’une couche atomique est décrite par la section efficace d’ionisation σi. Les valeurs prédites par les différents modèles théoriques sont en général en bon accord (± 30 %) avec les données expérimentales, ce qui semble satisfaisant si l’on note que les variations en fonction du numéro atomique Z de l’atome ionisé peuvent atteindre 3 à 4 ordres de grandeur (figure 7). Elles rendent compte en particulier :

  • de la décroissance rapide de σi en fonction du numéro atomique Z...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Techniques d'analyse

(290 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Sections efficaces
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - JOHANSSON (T.B.), AKSELSON (R.), JOHANSSON (S.A.E.) -   X-ray analysis: elemental trace analysis at the 10−12 level  -  . Nucl. Instr. and Meth. B84, p. 141-143 (1970).

  • (2) - JOHANSSON (S.A.E.), JOHANSSON (T.B.) -   Analytical applications of particle induced X-ray emission  -  . Nucl. Instr. and Meth. B137, p. 473-516 (1976).

  • (3) - MITCHELL (I.V.), BARFOOT (K.M.) -   Particle induced X-ray emission analysis, applications to analytical problems  -  . Nuclear Science Applications, sec 6, 11, no 2, p. 101-162 (1981).

  • (4) - COHEN (D.D.), CLAYTON (E.) -   Ion induced X-ray emission in ion beams for materials analysis  -  . Bird J.R. et Williams J.S. éd., p. 209-260 Academic Press (1989).

  • (5) - ANDERSEN (H.H.), ZIEGLER (J.F.) -   Stopping powers and ranges in all elements  -  . vol. 3 et 4 Pergamon Press, New York (1977).

  • (6) - LEO (W.L.) -   Techniques...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Techniques d'analyse

(290 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS