TECHNIQUE DE LA REFLEXION TOTALE

INTRODUCTION

Quand on envoie un faisceau de lumière dans un système dispersif, il se décompose en une suite continue ou discontinue de radiations (spectre) dont chacune possède une énergie et une longueur d’onde bien définie. En spectroscopie X, lorsqu’un élément « i » d’un échantillon est excité par une source excitatrice monochromatique, il revient à l’état stable et émet des rayons X dans toutes les directions. Ces rayonnements émis sont reçus par le détecteur et analysés suivant leur énergie par un spectromètre à énergie dispersive. L’analyse par fluorescence X à réflexion totale (TXRF) est une autre forme de fluorescence X à énergie dispersive. Son principe a été publié, en 1971, par YONEDA et HORUICH. [ 2 ] Grâce à cette technique, on peut avoir un niveau de bruits de fond très faible. La limite de détection peut descendre jusqu’à une dizaine de nanogrammes avec cette méthode. Cette technique est récente, elle est conçue spécialement pour les analyses des échantillons liquides. Mais elle peut être utilisée pour les analyses des échantillons biologiques, géologiques ou minéralogiques après les avoir dissous. Pour observer la réflexion totale, il faut que le rayon primaire incident à l’échantillon soit d’un angle inférieur à l’angle critique. C’est la condition fondamentale de cette méthode. Depuis 1992, l’Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires (I.N.S.T.N.) utilise la technique d’analyse par fluorescence X à réflexion totale.

PRINCIPE GENERAL DE LA REFLEXION TOTALE

Description du spectromètre

Le spectromètre à réflexion totale est composé d’un tube cathodique source des rayons X, d’un collimateur, d’un réflecteur de séparation et d’un détecteur. Un rayon collimaté provenant d’un tube à rayon X est orienté de façon à obtenir une incidence primaire à travers le premier réflecteur de séparation et qui va frapper à son tour la surface plane du réflecteur porte – échantillon sous un angle inférieur ou approximativement égal à l’angle critique Oc sous lequel on observe la réflexion totale.

Rôles des accessoires

Chaque accessoire a un rôle important. Leur arrangement géométrique sert à minimiser le bruit de fond provenant de la radiation primaire, du réflecteur porte-échantillon et les impuretés de l’anode. En effet : a) Le tube à rayons X assure la production des rayons incidents.Le collimateur, muni de deux fentes parallèles, sert à obtenir une radiation presque tangente au réflecteur de séparation. c) Le réflecteur de séparation Rs a pour rôle, d’éliminer le rayonnement de freinage diffus (ou bremsstrahlung) à haute énergie. d) Le porte – échantillon (deuxième réflecteur) Rp produit une deuxième réflexion totale de raies X non absorbés par les éléments du réflecteur de séparation. e) Le détecteur reçoit toutes les radiations X caractéristiques de l’élément excité dans l’échantillon. Il est placé le plus près de l’échantillon perpendiculairement au plan optique du porte-échantillon Rp afin de réduire encore le bruit de fond car les raies caractéristiques en traversant l’air provoque le phénomène de « brmesstralung ». 2-3- Influence de l’angle d’incidence On peut observer la réflexion totale quand le rayonnement provient d’un milieu optiquement plus dense et arrive à un angle plus fin, c’est à dire que l’angle d’incidence O est inférieur à l’angle critique c Figure 5. Technique de réflexion totale 14 L’angle critique c est donné par la formule : (3.1) La varie inversement à l’énergie. i) Si l’angle d’incidence  est inférieur à c nous observons la réflexion totale. ii) Si  est égal à c, les rayons X se propagent le long de la surface du réflecteur, on a l’émergence rasante. iii) Les raies X sont réfractées dans le milieu quand l’angle d’incidence est nettement supérieur à l’angle critique.

Les différents effets

On peut arranger l’emplacement géométrique de façon à diminuer le trajet du rayonnement dans le but d’éliminer le maximum de rayons parasites. En considérant que les réflecteurs porte échantillons sont des substances en quartz (SUPRASIL) de densité ρ = 2.5 10 kg/m3 et que le réflecteur de séparation a de la forme d’un parallélogramme de dimensions : 50x20x5 mm3 . [ 6 ] On peut obtenir un angle critique de 1.9 mrad pour ce type de réflecteur qui est. Pour avoir alors la réflexion totale, il faut que l’angle d’incidence des rayons primaires soit inférieur à cet angle. L’insertion du réflecteur sous un angle  < c dans la trajectoire des rayons primaires influe sur la distribution spectrale des rayons réfléchis. Le porte échantillon de forme circulaire a une surface lisse, plane. L’échantillon en couche mince se trouve en son centre. L’interaction du porte échantillon Rp avec les faisceaux de rayons X se manifeste de deux façons : – sur la partie sans échantillon, le flux de photon est entièrement réfléchi, – dans la partie contenant l’échantillon, les raies y sont absorbées. Elles vont exciter tous les éléments pour produire les raies de fluorescence. Pour réduire le bruit de fond on peut rapprocher la fenêtre du détecteur le plus près possible de l’échantillon.