Spec 2

Spectroscopie X

Alexandre Simionovici, LGIT, OSUG

© SAS, M1-2006

Interaction photon-matière

e-

Processus du 1er ordre: - Effet photo-électrique - Diffusion: élastique (E=E0) inélastique (E<E0) - Génération de paires e+e(E> 2 x 0.511 MeV)

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e+

Processus d’interaction µm (Pb)

© SAS, M1-2006

I0 E0

Z ρ

I

Dét.

Attenuation du faisceau

x

dI / I !µ x = ct = µ " I = I0 e dx Loi de Beer-Lambert Comme µlin (cm-1) = µ (Ζ, Ε, ρ) µm= µ/ρ (cm2/g) © SAS, M1-2006

Photoionisation

! PI # Z ( E " E K / L / M ) 4

© SAS, M1-2006

"3

Fluorescence X 150 eV < E < 120 keV

photoionisation en couche K/L/M - σPI - rendement de fluorescence - ωKLM - rap. de branchement α/(α+β) -

# fluo = # PI " K / L / M $ ! © SAS, M1-2006

Transitions X n=2 -> 1: Transition Kα 2p  1s n=3,4,… -> 1 Transition Kβ 3p  1s

n=3,4,… -> 2 Transition Lα 3p  1s Bande de valence

Seuil d’ionisation E=0

n=3 M (3p) E≈ - 47 eV n=2 L (2p) E≈ - 720 eV

Transition Kβ 3p  1s E= -47+7112 ≈ 7060 eV

Transition Kα 2p  1s E= -720+7112≈ 6400 eV n=1 K (1s) E≈ - 7112 eV

© SAS, M1-2006

Notation spectroscopique Trou K – 1s1/2 : transitions Kα,β Trou L – 2s1/2; 2p1/2; 2p3/2 : transitions Lα,β,γ Trou M – 3s1/2; 3p1/2; 3p3/2 3d3/2; 3d5/2 : transitions Mα,β,γ,ζ

© SAS, M1-2006

Sections efficaces de fluorescence σ

Incertitudes dans les valeurs tabulées des sections efficaces de fluorescence pour les raies Kα et Lα

M.O. Krause et al., ORNL-5399 © SAS, M1-2006

Rendement de fluorescence ω Processus : R = radiatif (fluorescence) A = Auger (emission d’éléctrons) CK = Coster-Kronig (emission d’éléctrons) Principe d'incertitude de Heisenberg : ! = largeur naturelle (eV)

" = durée de vie (s) !" =! ! tot = ! R + ! A + ! CK # ! ! ! $ = R ; a = A ; f = CK ! ! ! $ +a+ f =1

Exemple : ΓGa= 1.82 eV K 0.76 eV LIII

© SAS, M1-2006

Rend. ω: M.O. Krause, J. Phys. Chem. Ref. Data 8, 307-327, 1979 Larg. Γ: M.O. Krause, J.H. Oliver, J. Phys. Chem. Ref. Data 8, 329-337, 1979

Rapport de branchement ν 1000

K! = K! + K "

800

Intensit_ relative

$

K !

sans fluo secondaire avec fluo secondaire

Ga K"

600

As K"

400

Ga K!

200

L! $ = L! + L" + L# + Ll L !

As K! 0

8

9

10

11

12

Energie (keV)

Lα

Au

Lβ

Kα/Kβ ≈ 10 ÷ 4 Lα/Lβ ≈ 2 ÷1 © SAS, M1-2006

Ll

Tables de ν : S.I.Salem et al., ADNDT 14, 91-109, 1974

Lγ

Spectres de fluorescence EDX = Energy Dispersive X-rays WDX = Wavelength Dispersive X-rays

WDX – rés. ≈ 2 eV

EDX – rés. ≈ 150 eV

Analyse multiélémentaire symultanée © SAS, M1-2006

Profils de raies: L, G ou V Lorentziennes : L=

H ! x # x0 " 1+ 4$ % & ' L (

2

Gaussiennes :

G=He

!

4ln 2( x ! x0 )2 "G 2

"G = 8ln 2 ! # 2.354 ! ! # 1.064 H "G 4 ln 2

S = H "G

Profile Voigt : !V "

(

1 ! L + ! 2 L + 4! 2G 2

© SAS, M1-2006

)

Largeurs de raies mesurées

Largeur instrumentale = ! L " !G ΓG ≈ 120 – 300 eV ∼√E dét. SSD : Si(Li), Ge SSD=Solid State Det.

© SAS, M1-2006

Quantification Source E0, N0 det α

β

X dx

D

dN = N 0 e

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µ x ' o sin"

µ fl x

' ( Fl sin ! c # $ K % ( EK ) dx e 4&

Quantification en fonction de l’épaisseur D ' D ( µ fl sin ! + µ0 sin " ) sin ! sin " ci #i N A fl ( 1 ' e N = N0 $ % sin " A 4& µ fl sin ! + µ 0 sin "

Cible mince : D ≈ 0; exp(-x)=1-x

ci !i N A fl & D N = N0 " # Ai 4$ sin %

Cible infinie : D = ∞; exp(-∞) = 0 N = N 0

Cible intermédiaire : D>0

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ci !i N A fl ' 1 " # sin $ Ai 4% µ fl sin & + µ 0 sin $

?

Longueur d’analyse LA LA ≡ L10atten L10atten ≡ long. d’atténuation de 90 % 10 10/Si Élément !!!!!latten ( µ m)!!!latten ( µ m)!!E(keV ) !!!Si!!!!!!!!!!!!!!!!30!!!!!!!!!!!!!!30!!!!!!!!!!!1.74 !!Ca!!!!!!!!!!!!!!100!!!!!!!!!!!!!!!18!!!!!!!!!!3.69 !!Fe!!!!!!!!!!!!!!!!42!!!!!!!!!!!!!!!80!!!!!!!!!!6.40 !!Zn!!!!!!!!!!!!!!!!70!!!!!!!!!!!!!190!!!!!!!!!!8.64 !!As!!!!!!!!!!!!!!!115!!!!!!!!!!!!!350!!!!!!!!10.54 !!!!U !!!!!!!!!!!!!!!!15!!!!!!!!!!!!!730!!!!!!!!13.61

!!Mo!!!!!!!!!!!!!!120!!!!!!!!!!!!1500!!!!!!!17.48 © SAS, M1-2006

Fluorescence X

Couplage

 non-destructive, non-invasive

Micro-RAMAN

 pas (peu) de préparation

MOLC

 In situ (HP, HT, BT, B, in-vivo)

Tomographie X

 sensible : ag / ppb

MEB

 multi-élémentaire, rés. (> 0.5 µm)

ICPMS

 quantitative (std, M-C)

SR-IRM

 pénétration (centaines de µm)  couplable/chainable

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Localisation / Identification Analyse quantitative des traces Spéciation / Cristallinité, Minéralogie Imagerie (1 2 3 ?)D