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Réalisation d`un spectromètre à fluorescence X portable

1. 119 Figure 72 ASIC Arquimea configur en spectrom tre de radiation 120 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 7 LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 Comparaison radio isotope tube X eeeeeeseeeees Tableau 2 Comparaison des principaux d tecteurs X Tableau 3 Mesure de la BLR sur flux constant 0 eee eeeeees Tableau 4 Stabilit temporelle sur une longue p riode Tableau 5 Principales raies K et L du plomb Tableau 6 R sultats affich par le logiciel GoldTester Tableau 7 Epaisseurs des d p ts LIFT par ajout de couches successives Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Peer cc ccccccccccccce Pec cccccccccccccccce Pec cccccccccccccccce Pec cccccccccccccccce Pec ccc cc ccccccccccce Page 8 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 1 Introduction Le but de ce travail est la r alisation d un spectrom tre fluorescence X portable La fluorescence X ou XRF pour X Ray Fluorescence est une technique de spectroscopie qui remonte la premi re partie du XX si cle son tude d taill e fut notamment entreprise par Hevesy 1 d s 1932 afin de l utiliser comme m thode d analyse qualitative et quantitative Les appareils de XRF portables Field Portable XRF ou FPXRE sont commercialement disponibles depuis les ann es 90 les
2. 8 040 keV et Ka 8 046 keV du cuivre en fonction de l paisseur du coating pour 13 chantillons entre 3 et 1500 nm Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 93 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 200000 Fit r 0 9963 150000 I counts 100000 50000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Coating thickness nm Figure 54 Intensit de fluorescence en fonction de l paisseur du coating Les paisseurs des coatings ont t mesur es par lipsom trie pour les paisseurs inf rieures 100 nm la pr cision de la mesure est de 2 Pour les paisseurs sup rieures 100 nm les mesures ont t faites par profilom trie optique avec une erreur de 10 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 94 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable L analyseur multi canal avait son seuil au canal 600 soit 4 keV de mani re viter la fluorescence de l argon de l air Le temps mort du convertisseur analogique num rique de l analyseur multi canal tait lt 10 La mesure de l intensit du pic de fluorescence a t faite en soustrayant le bruit de fond que l on consid re de forme trap zo dale net area La figure suivante illustre ce principe de calcul de l intensit Net area Background Intensity counts Energy A U Figure 55 Intensit de fluorescence calc
3. Universit amp de Li ge Realisation d un spectrometre a fluorescence X portable Th se de doctorat pr sent e par Alain CARAPELLE Je tiens remercier David Strivay d avoir accept de diriger ce travail De m me mes remerciements vont galement aux membres du comit de th se Pierre Rochus et Serge Habraken pour avoir consacr une partie de leur temps ce travail Je tiens aussi exprimer ma reconnaissance toutes les personnes qui m ont aid et sp cialement aux membres du personnel du Centre Spatial de Li ge et de l Institut de Physique Nucl aire Atomique et de Spectroscopie qui ont collabor de pr s ou de loin ce travail A titre posthume je remercie le Professeur Garnir qui fut le promoteur original de ce travail et qui nous a quitt trop t t Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 2 TABLE DES MATIERES 1 INTRODUCTION 1 1 PHILOSOPHIE DE DEVELOPPEMENT 1 2 TRAVAUX PRECEDENTS SOURCES D INSPIRATION 2 PRINCIPES PHYSIQUE DE BASE 2 1 INTERACTIONS RAYONS X MATIERE 2 2 POSITION DES PICS DE FLUORESCENCE X 2 3 INTENSIT DES PICS DE FLUORESCENCE X 2 4 PHENOMENES PARTICULIERS 2 4 1 EFFETS DE MATRICE 2 4 2 SENSIBILIT A BASSE ENERGIE 2 4 3 SENSIBILITE A HAUTE ENERGIE 2 4 4 PILE UP ET TEMPS MORT 2 4 5 G OM TRIE D EMISSION 3 CONTRAINTES ET CHOIX DES L MENTS POUR LA REALISATION DE L APPAREIL 3 1 SPECTROSCOPIE A DISPERSION D ENERGIE OU A DISPERSION
4. readin ParametresX SpectreXName readin ParametresX TempsMesureString readin ParametresX comportnumString readin ParametresX ThresholdString closefile ParametresX comportnum StrToInt comportnumString TempsMesure StrToInt TempsMesureString Threshold StrToInt ThresholdString device PMCA_AUTO_DETECT powerupres PmcaPowerUp comportnum affichage du resultat de PmcaPowerup If powerupres gt 0 then begin StaticText1 Font Color clGreen StaticText1 Caption OK End else Begin StaticText1 Font Color clRed StaticText1 Caption Problem error code IntToStr powerupres End refresh affichage du resultat de PmcaConnect connectres PmcaConnect comportnum 1 15200 PMCA_AUTO_DETECT If connectres gt 0 then begin StaticText2 Font Color clGreen StaticText2 Caption OK End else Begin StaticText2 Font Color clRed StaticText2 Caption Problem error code IntToStr connectres End refresh affichage du num ro de s rie du MCA serialnumber PmcaGetSerialNumber If serialnumber gt 0 then begin StaticText3 Font Color clGreen StaticText3 Caption IntToStr serialnumber End Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 148 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable else Begin Static Text3 Font Color clRed Static Text3 Caption Problem error code IntToStr connectres End refresh set group to 1
5. Page 9 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable interpr ter le spectre obtenu Pour faciliter cette t che on pourra utiliser un logiciel sp cialis de traitement de spectre XRF comme WinAxil 2 Le Pr Van Espen l auteur WinAxil a montr 3 que notre appareil tait compatible pour le traitement des spectres avec son logiciel 1 2 Travaux pr c dents sources d inspiration Bien que la XRF ait t utilis e dans le spatial pr c demment ce n est pas ce domaine qui fut la source d inspiration principale de ce travail Citons quand m me l instrument APXS Alpha Proton X Ray Spectrometer utilis sur les Rovers Martien Sojourner Mission Mars Pathfinder Spririt et Opportunity Cet instrument est le successeur de ceux utilis s sur les sondes russes Vega et Phobos L instrument APXS utilise plusieurs sources radioactives de Cm pour une activit totale de 30 mCi L instrument mesure les alphas r trodiffus s et la XRF induite La figure suivante montre le sch ma de cet instrument pr iin APXS Front View 7 Electronics X Ray Detector A Ray Detector Alpha Detectors Collimator Alpha Source Door Contact Ring Alpha Detector with collimator Alpha Source Contact Ring Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 10 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 1 Sch ma du spectrom tre APXS source site web du J
6. angle de d tection du faisceau de photons X de fluorescnce par rapport au plan de l chantillon ugs le coefficient d att nuation massique l nergie E nergie des photons de fluorescence tudi s p la densit de l chantillon et d l paisseur de l chantillon L intensit de fluoresence en fonction de l paisseur se r sume donc une courbe de la forme I d A 1 e784 15 illustr e a la figure suivante Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 96 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 5 D 2 gt LL x x lt 20 25 Thickness A U Figure 56 Intensit th orique de fluorescnce en fonction de l paisseur du d p t L effet combin de l intensit th orique de la figure pr c dente et du pile up illustr a la Figure 5 partie gauche est mod lis par une parabole voir Figure 54 4 4 2 Nouvel algorithme de choix de la r gion d int r t Lorsque que l on se base sur l intensit de XRF d une raie l un des probl mes est la d finition pr cise de la position de la raie c d le choix des valeurs E et E dans la figure pr c dente Le choix de cette r gion d int r t ROI ou Region Of Interest est critique car il influence directement la valeur de l intensit calcul e par l quation pr c dente Dans la pratique un certain nombre de ph nom nes peuvent affecter la position et la largeur de la
7. bx c 21500 a ON 21000 b 0 ae i NOT CALIBRATED o i i i i 500 1000 1500 2000 ee 0 Energy A U Left 1248 Di Signal 1 16001 1 Peak region channels Right 1443 gt Number of calibration standards 0 Calibration curve LINEAR CALIBRATION PARABOLIC CALIBRATIO Change calibration equation parameters l 1 1 I 1 O CLOSE SETTINGS WINDOW 2 4 6 8 10 Signal Intensity 1 The Supervisor can specify another measurement unit this unit will be used in the main window 2 Results of the fitting after calibration according to the equation ax2 bx c where r is the correlation coefficient 3 The indication NOT CALIBRATED is shown before calibration After calibration the indication will be CALIBRATION OK If the indication OLD CALIBRATION is shown this means that no calibration has been done since the application has been launched It is recommended to do a new calibration each time the application is launched use old calibration at your own risks 4 Position of the measured peak The Left value is the X axis position of the beginning of the peak and the Right value is the X axis position of the end of the peak 5 The Supervisor has to specify the number of calibration measurements at least two measurements are needed for a linear calibration and at least three are needed for a parabolic calibration 6 Perform a linear calibration the a parame
8. de la tension du tube Nous choisissons donc les raies les plus intenses dont l nergie est comprise entre 5 et 17 5 keV Comme expliqu au chapitre 2 3 plus l nergie augmente moins il y a de raies pr sentes Il est donc plus int ressant pour un atome donn de regarder dans la mesure du possible ses raies hautes nergies Vu leurs nergies seules les trois premi res raies du Tableau 5 pourront tre excit es par un tube X de 35 kV comme celui que nous utilisons De plus vu le Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 85 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable faible cart en nergies des raies Lg et Lg la r solution d un d tecteur portable ne permet pas de les s parer Dans la pratique avec notre appareil nous obtenons le spectre pr sent sur la figure suivante avec les param tres de mesure suivants Tension du tube X 35 kV Courant du tube X 13 pA Temps de mesure 60 s Echantillon de peinture avec 1 040 0 064 mg cm de Pb chantillon National Institute of Standards and Technology SRM 2573 MCA avec 1024 canaux Seuil du MCA canal 10 Mesure r alis e sans balayage a l He 14000 12000 10000 8000 I counts 6000 4000 2000 0 00 5 00 10 00 15 00 20 00 25 00 Energy keV Figure 49 Spectre de XRF d un chantillon de peinture avec 1mg cm de Pb Th se de doctorat pr sent e par Alain C
9. if GetTickCount TickCount gt TempsMesure 1000 then fini true end until fini PAsyncStop 1 StopResult PmcaAsyncStopAcquisition PAsyncStop WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait StopResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 beep CurrentLiveTimeResult PmcaAsyncGetLiveTime CurrentLiveTime repeat Begin WaitResult PmcaWait CurrentLiveTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult gt 0 StaticText8 Caption IntToStr CurrentLiveTime refresh CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 Stop tube X XRayTube value False getdataresult PmcaGetData spectre 0 8191 GraphData vararraycreate 0 8191 varSingle Affichage de l histogram for i 0 to 8191 do GraphDatali spectreli CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 refresh ymax 10 axe y avec y max 10 for yi 1100 to 7500 do recherche du haut pt entre canal 1100 et 7500 Begin if spectre yi gt ymax then ymax spectre yi end CWGraph1 Axes Item 2 Maximum Ymax re scale axe y avec haut pt entre canal 1100 et 2500 CWGraph1 Refresh StaticText9 Font Color clGreen StaticText9 Caption Done Sauvegarde du spectre Assignfile XRaySpectrum SpectreXName Rewrite XRaySpectrum SpectreXName Writeln XRaySpectrum X Ray Spectrum by A Carapelle C CSL 2002 for i 0 to 8191 do Writeln XRaySpectrum IntToStr spectre i Closefile XRaySpectrum Th se de doctorat pr sent e par A
10. type TForm1 class TForm Bar TCWSlide Buttonl TButton Labell TLabel Label2 TLabel procedure Button1Click Sender TObject procedure FormCreate Sender TObject private Private declarations Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 152 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable public Public declarations end var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button1Click Sender TObject begin Application Terminate end procedure TForm1 FormCreate Sender TObject var ParametresX SpectreX textfile SpectreXName comportnumString fempsMesureString ThresholdString plouf tmp string TempsMesure i pic 1 left pic lright pic2left pic2right carats tmpint integer tmpintext extended Normalisation rapportpics tmpreal real IsGold Boolean Spectre array 0 8191 of integer Som1 Som2 Somme longint begin application ProcessMessages refresh Bar Value 0 Bar Refresh Lecture des param tres de la mesure application ProcessMessages refresh Assignfile ParametresX C RBS PIXE Programmation GoldTester ParametresX csl Reset ParametresX readIn ParametresX SpectreXName readin ParametresX TempsMesureString readin ParametresX comportnumString readin ParametresX ThresholdString closefile ParametresX TempsMesure StrTolnt TempsMesureString Lecture du spectre application ProcessMessages refresh Assignfile SpectreX C RBS PIXE
11. 1000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 rotary solenoid open LedRouge value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 7 X ray tube On XRayTube value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 5000 do Application ProcessMessages Start Acquisition StartAcquisitionResult PmcaStartAcquisition 1 If StartAcquisitionResult lt 0 then showmessage PmcaStartAcquisition error number IntToStr StartAcquisitionResult StaticText7 Font Color clGreen StaticText7 Caption Started refresh fini false CurrentLiveTime 0 i 0 TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 150 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable repeat Begin Lecture du Livetime pour voir si acquisition finie Application ProcessMessages if GetTickCount TickCount gt TempsMesure 1000 then fini true end until fini PAsyncStop 1 StopResult PmcaAsyncStopAcquisition PAsyncStop WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait StopResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 beep CurrentLiveTimeResult PmcaAsyncGetLiveTime CurrentLiveTime repeat Begin WaitResult PmcaWait CurrentLiveTimeResult application Proc
12. 3 z ESS Cy WO ms 1 On NO Om mm NO Din PRE LI ue u w ue te ate GAIN SETTING MAY 20 ae aa Saas ES rst i 4 e L Z S a 2 Li oa 8 5 F PTS oF SHORT CIRCUITEQ 5V UNUSED INPUT MUST BE MAX OC INPUT WITH MAX GAIN Figure 41 Sch ma de principe de l amplificateur de mise en forme premi re partie Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 70 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable E E 2 Qo be 3 2 ao te m i DOM a Pee a4 A ue ae ee To a m 1 lt lt x Si i is es 8 gt 2 gt gt eo 5 E t 23 aw r A Li D gt oe x oO a ost z Be F8 Pe tz 1 eo sg VAGOAAZS AE Figure 42 Sch ma de principe de l amplificateur de mise en forme deuxi me partie Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 71 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Le design utilis pour notre amplificateur de mise en forme n est pas le seul possible D autres am liorations peuvent aussi tre apport es un tage RC suppl mentaire une d tection automatique du seuil dans la restauration de la ligne de base Le circuit utilis permet de r aliser un appareil XRF de petite taille portable avec un co t de composants de la cha ne d acquisition lectronique assez faible 3 5 4 L analyseur multi canal Le signal de sortie de l
13. Detectors 2011 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record 71 Vahid Esmaeili sani et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 665 2011 11 14 72 E Baldinger et al Advances in Electronics and Electron Physics Volume 8 1956 Pages 255 315 73 M Makarewicz et al Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Vol 224 No 3 2000 649 654 74 V Osorio Areva Canberra communication priv e Li ge Octobre 2006 64 65 66 67 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 183
14. For i Left to Right do GrossArea GrossArea A i NetArea Round GrossArea A Left 1 A Right 1 N 1 0 5 Result NetArea end Fin du code de la NetArea Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 169 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Fonction grossArea D but du code de la fonction MainForm grossArea function TMainForm GrossArea A StandardSpectrum Left Integer Right integer Integer Var i NetArea N integer Gross longint Begin Gross 0 N Right Left Right Right 1 pour faire comme soft Amptek Left Left 1 For i Left to Right do Gross Gross A i Result Gross end Fin du code de la GrossArea procedure TMainForm Button2Click Sender TObject begin dummy HMD_Cleanup Application Terminate end Action quand on clicke sur le boutton seetings procedure TMainForm Button4Click Sender TObject begin V rification si advanced user If Edit1 Text lt gt AllowedAdvancedUser then Begin Beep Showmessage Only supervisor allowed to access advanced settings Exit end MeasurementTime StrToInt Edit3 Text SettingsForm visible True end 7 Action qa l ouverture de la mainform procedure TMainForm FormCreate Sender TObject var config TextFile S string begin ComPort 0 ComPort1 0 ComPort2 0 CalibA 0 CalibB 0 CalibC 0 RCarre 0 PercentDeadTime 0 Intensity 0 Me
15. In that case the calibration is obtained by an extrapolation of the calibration curve Therefore the calibration could not be valid The measurement should be examined with common sense For example if the calibration has been made between 10 and 20 mg m a measurement of 21 mg m is probably accurate but a measurement of 0 001 mg m or 20000 mg m with the same calibration should not be considered accurate Remark about the flux The flux gives information on the fluorescence flux During the calibration the software makes a linear fitting of the flux in the calibration range If within the calibration range the flux of a particular measurement is very different from the linear fitting this means that the whole fluorescence flux has changed a lot This can come from a change of the matrix composition and or the presence of a contaminant A rule of the thumb to remember is If within the calibration range the dead time changes a lot indication 12 in red there could be a matrix composition variation and or a contaminant Further laboratory investigations are suggested Settings window The settings window is only accessible by the Supervisor through a password Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 127 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 5 SettingsForm aax FINDER100 Settings Last measurement XRF spectrum Unit name mg m e0 zo Calibration parameters ax
16. PmcaDII dll Function PmcaAsyncSetThreshold result PInteger threshold integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaAsyncStopAcquisition result PInteger integer stdcall external PmcaDIL dll var MainForm TMainForm CalibA CalibB CalibC RCarre PercentDeadTime FitDeadTimeA FitDeadTimeB FitDeadTimeRCarre double Intensity ComPort ComPort1 ComPort2 PicLeft PicRight i seuil CurrentLiveTimeResult DeadTime PAsyncStop MeasurementTime PSetThreshol dResult CurrentLiveTime SetThresholdResult CurrentNetArea NumberOfCalib DLLError dummy MaxAcquisitionTime PSetAcquisitionTimeRes ult integer OperatorName AllowedAdvancedUser ConnectionType UnitName ErrorAmptek tmpstr String IsCalibrated MeasureFinished LowSignal OutOfCalib IsNetArea IsLogSpec boolean CurrentSpectrum CurrentStandardSpectrum StandardSpectrum CurrentExtendedSpectrum ExtendedSpectrum SpectrumFilePosition string MeasuredThickness MaxOfCalibRange MinOfCalibRange real CalibValue array 1 100 of real MeasuredValue array 1 100 of real DeadTimeCalib array 1 100 of real MinCalib Value MaxCalib Value RangeCalibValue DeltaDeadTime real XRaySpectrum XRaySpectrumLog textfile CalibrationParameter textfile NumberOfSpectrum IdealRoiLeft IdealRoiRight DeltaRoiLeft DeltaRoiRight BestRoiLeft BestRoiRight integer BestLinRsquarre BestParaRsquarre real j NumberOfRoiTested integer AllSpec array 1 20 1 8192 of longint NetAreaArray array
17. alisation d un spectrom tre fluorescence X portable tmpstr c LogSpec FormatDateTime SP_ dddd_ mmmm_d_yyyy Date at FormatDateTime hh_nn_ss Time Assignfile XRaySpectrumLog tmpstr Rewrite XRaySpectrumLog Writeln XRaySpectrumLog IntToStr TempsMesure Writeln XRaySpectrumLog IntToStr Round deadtime TempsMesure 100 for i 0 to 8191 do Writeln XRaySpectrumLog IntToStr spectre i Closefile XRaySpectrumLog end end Fonction stop Function TMainForm EmergencyStop integer var ErrorResult integer Begin ErrorResult 0 MainForm CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 Stop tube X MeasureFinished true end Fonction ReadSpectrum D but du code de la fonction MainForm ReadSpectrum function TMainForm ReadSpectrum ExtendedSpectrum Var SpecFile TextFile TempS string i integer TempSpectrum ExtendedSpectrum Begin AssignFile SpecFile SpectrumFilePosition Reset SpecFile For i 1 to 8194 do Begin ReadIn SpecFile TempS TempSpectrum i StrToInt TempS end CloseFile SpecFile Result TempSpectrum end Fin du code de la ReadSpectrum Fonction NetArea D but du code de la fonction MainForm NetArea function TMainForm NetArea A StandardSpectrum Left Integer Right integer Integer Var i NetArea N integer GrossArea longint Begin GrossArea 0 N Right Left Right Right 1 pour faire comme soft Amptek Left Left 1
18. amplificateur de mise en forme est directement envoy dans un analyseur multi canal Multichannel Analyzer ou MCA Son r le est de num riser l amplitude du signal gaussien de sortie de l amplificateur de mise produit chaque d tection d un photon X Pour cela un circuit du maintien du maximum de l amplitude Peak amp Hold est connect un convertisseur analogique num rique ADC qui fournira une num risation de l amplitude Un MCA contient aussi une m moire une logique de contr le pour par ex r initialiser le Peak amp Hold la fin de la conversion de l ADC et un syst me de communication avec un ordinateur ext rieur Dans notre cas nous avons utilis un MCA commercial Amptek MCA8000A sa petite taille permettait de l int grer facilement dans notre appareil Comme tout MCA le probl me de temps mort lors de la num risation dead time est pr sent mais il peut tre facilement r duit en diminuant l intensit du tube X et par cons quent l intensit du signal XRF et donc la fr quence des photons X d tect s Cette diminution d intensit tant compens e par une augmentation du temps de mesure Cela permet aussi de diminuer le probl me de pile up Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 72 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 5 5 Les circuits annexes alimentation et contr le du tube 3 5 5 1 Les alimentations Notre appareil comporte aus
19. autres atomes de la cible mesur e composants de l appareil gaz atmosph riques la fluorescence basse nergie des atomes l gers est aussi difficile mesurer cause de l absorption par l Ar de l air de la fen tre du d tecteur du fait que le d tecteur n est pas sensible aux tr s basses nergies principalement cause du bruit thermique lectronique D une mani re g n rale plus l l ment est lourd plus la XRF pourra le d tecter et le quantifier facilement Le probl me pratique est pour les l ments lourds avec des raies de XRF bien espac es hautes nergies de disposer d une source d excitation assez nerg tique et d un d tecteur capable de mesurer avec une pr cision suffisante l nergie lev e des ces photons X de fluorescence 2 4 Ph nom nes particuliers La spectrom trie XRF est sujette beaucoup de ph nom nes particuliers Sans tre exhaustif citons en quelque uns qui ont influenc la r alisation de l appareil pr sent dans ce travail Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 20 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 2 4 1 Effets de matrice La quantit de photons d excitation qui va atteindre l atome que l on souhaite tudier va d pendre de la matrice dans laquelle il se trouve Si l atome tudi ne se trouve pas en surface les atomes de la matrice pr sents entre lui et la source d excitation vo
20. begin SelectGroupResult PmcaSetGroup 1 If SelectGroupResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error number IntToStr SelectGroupResult getdataresult PmcaGetData spectre 0 8191 beep GraphData vararraycreate 0 8191 varSingle Affichage de l histogram for i 0 to 8191 do GraphDatali spectreli CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 refresh end procedure TForm1 FormActivate Sender TObject var device PmcaDeviceType connectres powerupres serialnumber TempsMesure integer comportnum longint SpectreXName comportnumString TempsMesureString ThresholdString string ParametresX SpectreX textfile ClearResult SetAcquisitionTimeResult SetGainResult SetThresholdResult StartAcquisitionResult integer SelectLiveTimerResult MaxAcquisitionTime SetPriorityResult PSetThresholdResult PGetStatusResult PSetAcquisitionTimeResult integer WaitResult StopResult PAsyncStop SelectGroupResult PClearDataAndTime CurrentLiveTimeResult GetStatusResult integer spectre SpectreType GraphData variant startchannel numberofchannel getdataresult ymax yi i CurrentLiveTime Threshold integer fini boolean XRaySpectrum textfile begin refresh application ProcessMessages refresh Assignfile ParametresX C RBS PIXE Programmation IsInvar ParametresX csl Reset ParametresX readin ParametresX SpectreXName readin ParametresX TempsMesureString readin ParametresX comportnumString readin ParametresX Threshold
21. lectronique r alis e en composants classiques Les principaux gains sont le poids la taille et une l g re diminution de la consommation lectrique ce qui dans notre cas n est pas critique car la majorit de la consommation provient du tube X 5 3 Utilisation d un processeur de signal num rique L augmentation rapide de la puissance des processeurs sp cialis s en traitement num rique du signal Digital Signal Processor ou DSP permet d envisager de traiter directement le signal de sortie du pr amplificateur pour obtenir l nergie d pos e par les photons X dans le d tecteur Ce type de processeur est disponible commercialement pour la spectrom trie depuis quelques ann es par ex Canberra Lynx Digital Signal Analyzer s ries ORTEC DPSEC ou Amptek DP35 L utilisation d un DSP permet de d velopper des algorithmes de traitement intelligent pour par exemple r duire le probl me de pile up 71 Des DSP sont aussi utilis s avec des syst mes utilisant des d tecteur SDD XGLAB EDX 8100 Nous avons r alis des essais avec le DSP Amptek de g n ration pr c dente DP4 mais le nombre important des param tres qu utilise l algorithme ne rend pas son utilisation facile et il n a pas apport de gain significatif par rapport notre lectronique analogique L avantage de l utilisation des DSP est la possibilit de les programmer avec des logiciels complexes ce qui en fait aussi leur principal inconv nien
22. solution d un SDD sssssesesse 51 Figure 23 Principe g n ral de la cha ne d acquisition lectronique 53 Figure 24 Principe du convertisseur courant tension 53 Figure 25 Convertisseur courant tension utilis dans le d tecteur SDD 54 Figure 26 Signal la sortie de l tage de conversion charge tension 55 Figure 27 D tection du photon dans la zone de d pl tion eee eeeeeeeeeee 56 Figure 28 Sch ma de principe du pr ampli 57 Figure 29 Signal de type infinite cusp vescacecassnnssvexoee denecsaessnvadtenensceanssnegneccecees 58 Figure 30 Circuit diff rentiateur classique eesceesceceseeeesseceeneecnaeeeseeeeaees 60 Figure 31 Undershoot de l amplificateur 0 ee eee eseceseeeeneeceseeecnaeeesneeenees 60 Figure 32 Signal la sortie de l tage CR de l amplificateur de mise en forme61 These de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 5 Figure 33 Influence du r seau de mise en forme CR RC sur le rapport signal SUT DAC Re ee ea 63 Figure 34 Condensateur en sortie du montage CR RC6 0 00 eee eeseeeeneeeeeeee 64 Figure 35 Illustration de la d rive de la ligne de base sur un signal carr 64 Figure 36 Probleme de la restauration de la ligne de base avec un signal BAAS SES Mes ne nn nn Sd ach ea tele eu rues de mA a ne 65 Figure 37 D rive de la ligne de base pour un sig
23. 1 20 of longint BestNetAreaArray array 1 20 of longint FitA FitB FitC FitRCarre double Spec spectrum implementation uses SettingsUnit MeasurementUnit Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 166 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable R DFM Fonction DoMeasure Function TMainForm DoMeasure integer var ErrorResult PClearDataAndTime TempsMesure ClearResult WaitResult Threshold TickCount SetAcquisitionTimeResult integer var spectre SpectreType Begin ErrorResult 0 ErrorResult PmcaPowerUp ComPort1 If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaPowerUp error code inttostr ErrorResult ErrorResult 0 ErrorResult PmcaConnect ComPort1 115200 PMCA_AUTO_DETECT If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaConnect error code inttostr ErrorResult ErrorResult 0 ErrorResult PmcaGetSerialNumber If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaGetSerialNumber error code inttostr ErrorResult ErrorResult 0 ErrorResult PmcaSetGroup 1 If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error code inttostr ErrorResult ErrorResult 0 ErrorResult PmcaSetGain 8 190 If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaSetGain error code inttostr ErrorResult ErrorResult 0 PClearDataAndTime 1 ClearResult PmcaAsyncClearDataAndTime PClearDataAndTime WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait ClearResult application ProcessMessages en
24. A New parameter A FloatToStr CalibA CalibB StrToFloat InputBox Calibration parameter B New parameter B FloatToStr CalibB CalibC StrToFloat InputBox Calibration parameter C New parameter C FloatToStr CalibC StaticText1 Caption FloatToStrF CalibA ffExponent 4 2 StaticText2 Caption FloatToStrF CalibB ffExponent 4 2 StaticText3 Caption FloatToStrF CalibC ffExponent 4 2 StaticText4 Caption Not applicable refresh end Procedure affichage dernier spectre procedure TSettingsForm Button4Click Sender TObject var i max integer begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 179 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable CurrentExtendedSpectrum MainForm ReadSpectrum GraphData vararraycreate 1 8192 varSingle For i 1 to 8192 do GraphData i CurrentExtendedSpectrum i 2 max 0 For i PicLeft 10 to PicRight 10 do Begin if CurrentExtendedSpectrum i gt max then max CurrentExtendedSpectrum i end max round 1 2 max CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 Axes Item 1 Minimum PicLeft 1000 CWGraph1 Axes Item 1 Maximum PicRight 1000 CWGraph1 Axes Item 2 Maximum max CWGraph1 Refresh CWGraph1 Cursors Item 1 XPosition BestRoiLeft CWGraph1 Cursors Item 2 XPosition BestRoiRight For i 1 to 4096 do CurrentStandardSpectrum i CurrentExtendedSpectrum i 2 StaticText8 Caption IntToStr MainForm NetArea CurrentStandardSpectrum PicLeft
25. Color clGreen Static Text3 Caption IntToStr serialnumber End else Begin Static Text3 Font Color clRed Static Text3 Caption Problem error code IntToStr connectres End refresh set group to 1 SelectGroupResult PmcaSetGroup 1 If SelectGroupResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error number IntToStr SelectGroupResult set gain to 8192 SetGainResult PmcaSetGain 8 190 If SetGainResult lt 0 then showmessage PmcaSetGain error number IntToStr SetGainResult Async Clear Data and Time PClearDataAndTime 1 ClearResult PmcaAsyncClearDataAndTime PClearDataAndTime WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait ClearResult application ProcessMessages end Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 137 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable until WaitResult 0 beep If waitresult 0 then Begin StaticText5 Font Color clGreen StaticText5 Caption Cleared End refresh If ClearResult lt 0 then showmessage PmcaClearDataAndTime error number IntToStr ClearResult Select PLiveTimer SelectLiveTimerResult PmcaSelectLiveTimer If SelectLiveTimerResult lt 0 then showmessage PmcaSelectLiveTimer error number IntToStr SelectLiveTimerResult Async Set Acquisition Time in second MaxAcquisitionTime 0 PSetAcquisitionTimeResult 1 WaitResult 1 SetAcquisitionTimeResult PmcaAsyncSetAcquisitionTime PSetAcquisitionTimeResult MaxAcqu
26. DeltaRoiLeft do Begin for currentright IdealRoiRight DeltaRoiRight to IdealRoiRight do Begin For i 1 to NumberOfSpectrum do Begin for j 1 to 8192 do CurrentStandardSpectrum j AllSpec i j if IsNetArea then NetAreaArray i MainForm NetArea CurrentStandardSpectrum currentleft currentright else NetAreaArray i MainForm GrossArea CurrentStandardSpectrum currentleft currentright end FitA 0 FitB 0 FitC 0 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 177 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable FitRCarre 0 NumberOfRoiTested NumberOfRoiTested 1 CurveFit1 Init for i 1 to NumberOfSpectrum do CurveFit1 EnterStat Value NetAreaArray i CalibValue i CurveFit1 CalcParabolFit FitA FitB FitC FitRCarre MaxOfl 0 for i 1 to NumberOfSpectrum do if NetAreaArray i gt MaxOfl then MaxOfl NetAreaArray i If FitRCarre gt BestParaRsquarre then si fit meilleur que pr c dent Begin BestParaRsquarre FitRCarre BestRoiLeft currentleft BestRoiRight currentright CalibA FitC CalibB FitB CalibC FitA RCarre BestParaRsquarre For i 1 to NumberOfSpectrum do BestNetAreaArray i NetAreaArray 1 end end end fin auto ROI Affichzge r sultats beep if BestParaRsquarre 0 then showmessage Parabolic curvature or increase error linear calibration recommended StaticText1 Caption FloatToStrF CalibA ffExponent 4 2 Affichage des r sultats StaticText2 Ca
27. FloatToStrF MeasuredThickness ffExponent 4 2 affichage du r sultat de la mesure StaticText5 Caption IntToStr Intensity affichage de l intensit Isgnal de la mesure warning low signal If Intensity lt 100 then Begin StaticText6 Visible True LowSignal True end warning measurement out of calibration range If MeasuredThickness gt MaxOfCalibRange or MeasuredThickness lt MinOfCalibRange then Begin StaticText8 Visible True OutOfCalib True end warning dead time gt 110 dead time lors de la calibe a corriger DeltaDeadTime ABS Spectrum 2 FitDeadTimeA MeasuredThickness FitDeadTimeB StaticText9 Caption FloatToStr DeltaDeadTime If DeltaDeadTime FitDeadTimeA MeasuredThickness FitDeadTimeB 0 00001 gt 0 1 then StaticText9 Font Color clRed end Action quand on clicke sur le boutton save value procedure TMainForm Button3Click Sender TObject var spectrum ExtendedSpectrum StandardSpectre StandardSpectrum i integer SaveFile TextFile begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 172 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable spectrum ReadSpectrum For i 1 to 8192 do StandardSpectre i spectrum i 2 Intensity NetArea StandardSpectre PicLeft PicRight MeasuredThickness CalibA Sqr Intensity CalibB Intensity CalibC AssignFile SaveFile Finder 100Report txt Append SaveFile Writeln SaveFile Date DateToStr Now
28. Imonitor amp Vimonitor qui permettent de v rifier le point de fonctionnement exact Imonitor Va de 0 4 VDC 0 V correspondant 0 uA et 4 V correspondant 100 uA V monitor Va de 1 3 5 VDC 1 V correspondant 10 kV et 3 5 V correspondant 35 kV Le circuit de contr le de tube X va donc g n rer les signaux de contr le et r cup rer les signaux de monitoring Les tensions sont g n r es par de simples r gulateurs de tension de type LM324 Les valeurs des signaux de contr le sont fix es par des r sistances variables 3 5 6 La batterie Tout l appareil fonctionne sur batterie celle ci fournit une tension continue aux circuits d alimentation La tension acceptable par les circuits d alimentation est comprise entre 8 et 15V Nous avons utilis des batteries rechargeables Ni Cd pr vues pour l outillage lectroportatif 14 4V 2 4 Ah Nos tests ont montr que ce type de batterie Ni Cd permet de supporter le pic de courant lors du d clenchement du tube X L autonomie est de plusieurs heures en utilisation standard et le remplacement de ce type de batterie par une batterie charg e ne prend que quelques secondes Un t moin LED sur le boitier de l appareil renseigne sur l tat de charge de la batterie Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 74 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 6 R alisation pratique Comme on d sire r aliser un appareil portati
29. Labell TLabel BarNi TCWSlide StaticText2 TStaticText StaticText3 TStaticText procedure Button1Click Sender TObject procedure FormCreate Sender TObject private Private declarations public Public declarations end var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button1Click Sender TObject begin Application Terminate end procedure TForm1 FormCreate Sender TObject var Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 162 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable ParametresX SpectreX textfile SpectreXName comportnumString fempsMesureString ThresholdString plouf tmp string TempsMesure i picFeleft picFeright picNileft picNiright concint tmpint integer tmpintext extended Normalisation rapportpics tmpreal concreal concfe concni real NoINVAR Boolean Spectre array 0 8191 of integer SomFe SomNi Somme concfeint concniint longint begin application ProcessMessages refresh BarFe Value 0 BarFe Refresh BarNi Value 0 BarNi Refresh Lecture des param tres de la mesure application ProcessMessages refresh Assignfile ParametresX C RBS PIXE Programmation IsInvar ParametresX csl Reset ParametresX readIn ParametresX SpectreXName readin ParametresX TempsMesureString readin ParametresX comportnumString readin ParametresX ThresholdString closefile ParametresX TempsMesure StrTolnt TempsMesureString Lecture du spectre
30. Programmation GoldTester GoldSpectrum Reset SpectreX readin SpectreX plouf for i 0 to 8191 do Begin readin SpectreX tmp Spectre i StrToInt tmp End Closefile SpectreX Traitement des donn es Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 153 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Normalisation si tps mesure lt gt 120s Normalisation 60 TempsMesure for i 0 to 8191 do Begin tmpint Spectre i tmpreal tmpint Normalisation 1 98 Spectre i Round tmpreal end s it Gold Som1 0 Som2 0 pic Lleft 4900 pic lright 5800 pic2left 5800 pic2right 6800 for i piclleft to pic lright do Som1 Som1 Spectre i for i pic2left to pic2right do Som2 Som2 Spectre i rapportpics Som1 Som2 if rapportpics lt 1 01 then Begin showmessage It may not be Gold Application terminate end if rapportpics gt 1 4 then Begin showmessage It may not be Gold Application terminate end Quality test Somme Som1 Som2 carats Round 24 Somme 1022397 Bar Value carats Bar Refresh end end 8 3 D tection de l Invar Le premier programme IsInvarMAC_X lance le programme de contr le du spectrom tre et d acquisition du spectre la fin de l acquisition le logiciel d analyse IsInvarAnalyse est lanc automatiquement Du point de vue de Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 154 R alisation d un
31. Writeln SaveFile Time TimeToStr Time Writeln SaveFile Operator Edit1 Text Writeln SaveFile Sample Name Edit2 Text Writeln SaveFile Calibration parameters Writeln SaveFile A FloatToStr CalibA Writeln SaveFile B FloatToStr CalibB Writeln SaveFile C FloatToStr CalibC Writeln SaveFile r2 FloatToStr RCarre Writeln SaveFile dead time FloatToStr PercentDeadTime Writeln SaveFile Measured Value FloatToStr MeasuredThickness Writeln SaveFile Unit UnitName if LowSignal Then Writeln SaveFile LOW SIGNAL else Writeln SaveFile Signal intensity normal if OutOfCalib Then Writeln SaveFile Measurement out of calibration range else Writeln SaveFile Measurement inside calibration range Writeln SaveFile s Writeln SaveFile CloseFile SaveFile ShowMessage File Saved end end unit SettingsUnit interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB math2 CWDAQControlsLib_TLB Type ExtendedSpectrum array 1 4098 of Integer spectre tpsmort seuil StandardSpectrum array 1 4096 of Integer spectre seul type TSettingsForm class TForm Label2 TLabel Edit1 TEdit Buttonl TButton Button2 TButton Button3 TButton Label3 TLabel Label4 TLabel Label5 TLabel
32. application ProcessMessages refresh Assignfile ParametresX C RBS PIXE Latest proto spet 2003 LeadPaintChecker V2 0 ParametresX csl Reset ParametresX readin ParametresX SpectreXName readin ParametresX TempsMesureString readin ParametresX comportnumString readin ParametresX ThresholdString readin ParametresX astring Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 141 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable readin ParametresX bstring readin ParametresX cstring readin ParametresX dstring readin ParametresX estring readin ParametresX bruitstring readin ParametresX piclleftstring readin ParametresX piclrightstring readin ParametresX pic2leftstring readin ParametresX pic2rightstring readin ParametresX minusbckg closefile ParametresX TempsMesure StrToInt TempsMesureString a StrToFloat astring b StrToFloat bstring c StrToFloat cstring d StrToFloat dstring e StrToFloat estring bruit StrToInt bruitstring piclleft StrTolnt piclleftstring pic lright StrToInt pic rightstring pic2left StrTolnt pic2leftstring pic2right StrTolnt pic2rightstring If minusbckg Y then reducebckg True Lecture du spectre application ProcessMessages refresh Assignfile SpectreX C RBS PIXE Latest proto spet 2003 LeadPaintChecker V2 0 LeadPaintSpectrum Reset SpectreX readIn SpectreX plouf premi re ligne pas int ressante for i 0 to 8191 d
33. arit maximum de l analyseur multi canal utilis MCA8000A Amptek est de 0 6 donn e constructeur Comme cette non lin arit n est pas constante mais d pend de plusieurs facteurs amplitude du signal num riser fr quence des signaux temp rature elle est difficile estimer pr cis ment e La mesure de l nergie d un photon X tant faite par la num risation d un signal analogique si celui ci varie la mesure variera aussi Donc toutes les causes de variations non d sir es de l amplitude du signal analogique vont amener des probl mes de choix de la ROI Pour la partie analogique elles sont nombreuses restauration de la ligne de base voir chapitre 3 5 3 2 correction du p le z ro voir Figure 31 diff rents bruits lectroniques voir chapitre 3 4 3 4 variation de gain des amplificateurs Les contributions des ces sources dans la possible variation de la mesure de l nergie des photons X sont difficile estimer avec pr cision Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 98 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Pour toutes ces raisons il est difficile de choisir une ROI de mani re univoque et pr cise Nous proposons 58 donc d utiliser la puissance de calcul des ordinateurs actuels pour tester toutes les possibilit s dans un interbal donn pour le choix de la ROI et de ne retenir que celle qui donne la meilleur courbe de calibration du
34. basse nergie les tr s nombreuses raies de fluorescence se recouvrent parfois De plus la g n ration thermique d lectrons dans le d tecteur contribue un bruit tr s basse nergie Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 21 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Le bruit ou les raies nombreuses mais peu int ressantes basse nergie peut tre ignor lors de la num risation du signal gr ce au seuil de l analyseur multi canal 2 4 3 Sensibilit haute nergie En plus de pouvoir disposer d une source d excitation assez nerg tique pour exciter les raies de fluorescence hautes nergies il faut disposer d un d tecteur capable de mesurer l nergie des photons Ce n est pas toujours possible car pour que l on puisse mesurer l nergie d un photon X avec pr cision il faut qu il d pose toute son nergie dans le d tecteur On doit donc disposer d un d tecteur d assez grande taille pour arr ter le photon X 2 4 4 Pile up et temps mort Comme pour la spectrom trie gamma le d tecteur utilis en XRF est sujet au ph nom ne de temps mort c est le temps pendant lequel l ensemble du spectrom tre n est pas m me de traiter correctement l arriv e d un photon soit cause du pile up soit pour une autre raison par exemple la saturation d un ampli Le pile up peut se sch matiser comme suit lorsqu un deuxi me photon arrive
35. d un spectrom tre fluorescence X portable GraphData Y i GraphDataX i CalibB CalibC end CWGraph2 Plots Item 2 PlotXvsY GraphDataX GraphDataY end Calibration parabolique procedure TSettingsForm Button2Click Sender TObject var NumberOfCalib i j currentleft currentright integer var CalibValue array 1 100 of real var Measured Value array 1 100 of real var MinCalib Value MaxCalib Value RangeCalib Value MaxOfl real var tempval string begin NumberOfCalib StrToInt Edit2 Text If NumberOfCalib lt 3 then for i Begin showmessage For parabolic calibration at least 3 calibration points needed Exit end 1 to NumberOfCalib do Begin tempval InputBox Calibration sample number IntToStr i Value for sample IntToStr i If tempval Then exit CalibValue i StrToFloat tempval 0 000000001 Showmessage Place the sample IntToStr i and press OK MESURE DLLError MainForm DoMeasure MeasureFinished False CurrentExtendedSpectrum MainForm ReadSpectrum DeadTimeCalib i CurrentExtendedSpectrum 2 For j 1 to 8192 do Begin CurrentStandardSpectrum j CurrentExtendedSpectrum j 2 AllSpec i j CurrentStandardSpectrum j remplissage tableau allspec end end d but auto ROI NumberOfSpectrum NumberOfCalib BestRoiLeft 0 BestRoiRight 0 BestParaRsquarre 0 NumberOfRoiTested 0 for currentleft IdealRoiLeft to IdealRoiLeft
36. d p t de Ti de 3nm d paisseur sur un substrat de silicium monocristallins Si wafer Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 113 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Coups canal E keV Figure 68 Comparaison spectrom trique pour un d p t de Ti de 3nm sur un subtrat de Si On peut voir sur les trois figures pr c dentes que le fond du spectre partie continue hors pics provenant du tube d croit plus rapidement pour les hautes nergies au dessus de 20 keV pour notre appareil Cela provient de la taille de la zone active du d tecteur 300 um pour notre appareil contre 500 um pour l appareil CEA L efficacit de d tection haute nergie est donc meilleure pour l appareil CEA voir par exemple Figure 14 On voit aussi que la r solution a basse nergie est moins bonne pour notre appareil cela vient de la restauration de la ligne de base qui est moins efficace seuil constant pour des pulses de faible amplitude Pour la Figure 68 le spectre de notre appareil a t prix avec une intensit de la source plus importante que celle de l appareil CEA Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 114 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 5 Pistes d am liorations possible Nous allons voquer quelques pistes d am lioration de notre appareil en nous basant soit sur des r sultats de mesures soit sur des pistes promett
37. de d tections de type nucl aires Dans notre cas d tecteur SDD Ketek PNSensor elle est de 300 us Pour notre montage le principe suivant est utilis 42 VGGC D tecteur D p Out Figure 25 Convertisseur courant tension utilis dans le d tecteur SDD Les tr s faibles courants de fuites vers n importe quel potentiel fixe du transistor effet de champ Field Effect Transistor ou FET remplacent la r sistance de d charge du convertisseur courant tension classique Le FET a une haute imp dance ce qui permet d viter qu il perturbe le circuit en amont dans notre cas le d tecteur Dans la pratique le FET et le condensateur se trouvent dans le bo tier du d tecteur SDD A la sortie de cet tage de conversion courant tension on aura donc un signal tension en fonction du temps qui ressemblera ceci Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 54 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 26 Signal la sortie de l tage de conversion charge tension L amplitude de chaque mont e abrupte du signal typiquement quelques mV est proportionnelle au nombre de charges qui apparaissent aux bornes du d tecteur lors du passage d un photon X Comme celui ci est proportionnel la quantit de paires lectrons trous e h cr es dans la zone de d pl tion lors du passage d un photon X et que le nombre de paires e h est proportio
38. du Peltier auquel il est coupl thermiquement La photo suivante montre le boitier compl tement termin avec les l ments l int rieur gauche et l appareil complet ferm droite Figure 47 Boitier complet termin Les diff rents logiciels sont r alis s sur un simple PC portable afin d avoir une interface utilisateur largement compr hensible La figure suivante montre un sch ma g n ral de l appareil Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 78 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Sample Multichannel analyzer Computer Figure 48 Sch ma g n ral de l appareil 3 7 R sum des caract ristiques du spectrom tre x Y Buy 1 e Source d excitation tube rayons X miniature avec alimentation HT Moxtek Miniature Bullet X Ray tube S N 431 Fen tre en Be Anode en Ag U de 10 35 kV I de O 100 uA Taille du spot 0 4 x 0 9 mm spot off center 0 6 mm 35 KV 40 uA Stabilit de l intensit 3 e D tecteur rayons X de type Silicon Drift Detector Ketek Silicon Drift Detector ID s31 06 06 02 serial number 01996 Donn es fabricant Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 79 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Boitier TO8 Surface active 5 mm Fen tre d entr e en DuraBeryllium de 8 um Collimateur en Zr de 2 4 mm de diam tre FWHM mesur e 5 895 keV sur une
39. efficace totale d absorption photo lectrique donn e par T TR T 4 Avec Tx la section efficace d absorption photo lectrique pour les lectrons de la couche K 7 la section efficace d absorption photo lectrique pour les lectrons de la couche L La Figure 3 montre 10 la variation de la section efficace du coefficient d absorption massique u avec l nergie dans le cas de quelques atomes Le coefficient d absorption massique est li au coefficient d absorption lin aire par la formule suivante H HP 5 On voit donc grace aux quations 5 et 2 que la section efficace totale d interaction est proportionnelle au coefficient d absorption massique Les variations brusques correspondent aux nergies de liaison des lectrons des diff rentes couches Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 15 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Lorsqu un des lectrons des couches internes est ject sa place laiss e vacante peut tre combl e par un lectron venant d une couche sup rieure la transition se fait avec mission d un photon dont l nergie correspond la diff rence d nergie entre les deux couches lectroniques impliqu es C est ce photon mis qui sera tudi en XRF 107 10 108 10 1077 107 u cm g o w 10 10 10 100 1000 10000 Photon energy eV Figure 3 Evolution du coefficient d absorption mas
40. la ligne de base De cette mani re l air sous la courbe qui sera consid r e ne sera compt e que lorsque le signal sera inf rieur a ce seuil le baseline drift sera donc plus petit Cette situation est illustr e sur la figure suivante Surfaces 1 2 surface 3 Figure 39 D tails de la correction de la d rive de la ligne de base Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 67 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Dans la pratique pour obtenir cela on utilisera un transistor Q1 sur laFigure 42 la place du switch Le transistor cessera d tre conducteur quand un comparateur U7 v rifiera que l on a bien d pass le seuil voulu celui ci tant r gl par une r sistance variable R58 De la m me mani re que pour l tage CR nous utilisons les diodes D9 D11 pour viter d avoir une saturation et un recovery time associ de l ampli U7 qui sert de comparateur Notons aussi la pr sence de R38 en parall le avec la r sistance switch e R39 Son r le est d viter qu cause de tr s faible courant de fuite on se retrouve un moment un faible potentiel positif qui serait au dessus du seuil de d clenchement du switch Ce qui am nerait tout le syst me un tat bloqu La figure suivante montre les valeurs mesur es de la d rive de la ligne de base pour des signaux de diff rentes hauteurs en sortie de l amplificateur de mise en forme et
41. leur environnement mol culaire En effet les lectrons impliqu s dans la XRF sont des lectrons des couches internes et non les lectrons de valence qui Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 17 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable eux interviennent dans les liaisons chimiques Ceci n est pas tout fait vrai pour les lectrons des couches K des l ments l gers et des couches L et M des l ments plus lourds Les effets peuvent tre de trois types changement d nergie de la fluorescence changement de l intensit et distorsion de la forme du pic dans le spectre Les changements d nergie sont de l ordre de quelques eV 9 p9 donc largement inf rieur la r solution en nergie de notre appareil 136 eV de m me la distorsion de la forme du pic sera trop faible pour tre vue avec notre appareil La diminution d intensit sera noy e dans les effets de matrice 2 3 Intensit des pics de fluorescence X En raison des transitions non radiatives principalement les missions d lectrons Auger des lectrons mis gr ce l nergie qu ils ont acquis lors de la d sexcitation de l atome toutes les d sexcitations ne produisent pas un photon X Il existe des mod les th oriques qui permettent de calculer les intensit s de fluorescence X mais dans la pratique ce sont des donn es mesur es exp rimentalement qui sont le plus souvent utilis es 9 p1
42. noise series parallel 1 F log shaping time Figure 21 Influence du shaping time sur le bruit Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 50 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 3 5 Taux de comptage Les d tecteurs SDD sont capables de mesurer un flux de photons X tr s important jusqu 10 photons seconde Dans ce cas la r solution est de 250 eV mesur e 5 9 keV ce qui correspond un AF E de 4 2 On voit dans le Tableau 2 que les autres d tecteurs capables de recevoir un flux gal ou sup rieur 10 photons seconde ont une moins bonne r solution Lorsqu on utilise un SDD avec un flux tr s important il faut tenir compte de la baisse de r solution La figure suivante donne l volution de la largeur mi hauteur mesur e sur le pic 5 9 keV sur un spectre X d une source de Fe pour diff rents shaping time il faut videment que celui ci diminue lorsque le flux augmente pour viter le pile up en fonction du flux incident 40 300 280 V 260 ni E 240 o 220 T shaping time w 200 gt 450 nsec 180 340 nsec rs by 210 nsec 100 nsec 160 70 nsec 140 0 200 400 600 800 1000 incoming rate kcps Figure 22 Influence du flux incident sur la r solution d un SDD Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 51 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 3 6 D gradation sous irradiation Lorsq
43. p415 par a i Avec V la tension de polarisation la constante di lectrique du mat riau e la charge de l lectron et N la concentration en impuret On voit donc que pour que la zone de d pl tion d un semi conducteur soit importante et puisse arr ter compl tement un photon X pour en mesurer l nergie sa puret doit l tre aussi Depuis le d but des ann es 80 il est possible d obtenir du Ge d une grande puret Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 38 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable et de fabriquer ainsi des d tecteurs appel HPGe High Purity Germanium Les concentrations en impuret atteintes sont de l ordre de 10 atomes cm ce qui correspond une concentration inf rieure une part pour 10 Dans ce cas avec une polarisation de moins de 1000 V on obtiendra une zone de d pl tion de 1 cm 24 Ce type de d tecteur a une r solution de 20 a 30 fois meilleure que celle d un d tecteur scintillation de type NaI T1 25 Les HPGe avec la meilleure r solution pour la XRF obtiennent une FWHM de 145 eV 5 9 keV Canberra Low Energy Germanium Detector GLO55 Les HPGE n cessitent un refroidissement l azote liquide pendant leur fonctionnement ce qui les rends peu utilisable pour un spectrom tre portable 3 4 2 6 Photodiode avalanches Les diodes avalanches Avalanche Photodiodes ou APD sont le seul type de semi conducteu
44. pr sente l avantage de r sister l humidit et aux moisissures En cas de d gradation les cailles et ou poussi res r sultantes peuvent tre ing r es par les jeunes enfants avec un risque d intoxication au Pb appel e aussi saturnisme En France on estime 46 qu aux alentours de 0 11 des enfants de 1 6 ans ont une plomb mie sup rieure 100 ug l seuil de l intoxication soit environ 4400 enfants Des dispositions l gales ont t prises afin de r duire ce probl me de sant publique et la pr valence nationale du saturnisme infantile chez les moins de 6 ans est pass e de 84 000 en 1995 4 400 en 2008 Cette diminution consid rable montre l efficacit des actions de pr vention men es depuis 15 ans en particulier l interdiction du plomb dans les peintures et l essence 46 La l gislation impose 47 lors de la vente ou de la location d un bien l tablissement d un Constat de Risque d Exposition au Plomb CREP Ce constat doit tre tabli en mesurant que les concentrations en plomb dans les peintures sont inf rieures ou sup rieures la norme de 1 mg cm Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 83 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 4 1 2 Appareils de mesures Les mesures de concentration en plomb dans les peintures sont r alis es avec des appareils de XRF portables source radio isotope Lors de l apparition d appareil util
45. rose est compos de 75 d or de 20 de cuivre et de 5 d argent Un il exerc pourra reconnaitre peu pr s la composition de l alliage sa couleur La figure suivante 53 donne une estimation de la couleur en fonction de la composition Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 89 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Silver 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Copper Ag wt Cu Cu Figure 51 Couleur de l or en fonction sa composition Historiquement le probl me de mesure de puret de l or aurait t la base de la d couverte de la pouss e d Archim de lorsque le roi Hi ron II lui demanda 54 de v rifier la puret de l or d une couronne de forme irr guli re Il est int ressant de constater que plus de 2200 ans plus tard certains appareils de mesure se basent sur le m me principe pour mesurer la puret de l or par ex GOLD KARAT TESTER GK 300 En dehors des tests destructifs r action chimique Il existe des appareils simples bas s sur la mesure de la r sistance lectrique pour mesurer la puret de l or par ex RS Mizar M24 Electronic Gold Tester Mais les mesures pr cises de puret de l or en test non destructif sont tr s souvent r alis es par XRF et une s rie impressionnante de machines sont disponibles pour cela Quickshot XRF QSX 79T Gold Tester Skyray XRF EDX 600 Napco Precision Instrument Gold Tester NAP7800 Thermo Scientific Niton DXL D
46. se base sur la d tection des raies de diff rents l ments Ni Cr Mo et sur les intensit s de ces derni res 9 p161 la figure suivante reprend cet algorithme dans sa totalit non pas pour en donner tous les d tails mais pour montrer sa complexit Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 107 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Pegs _ ae D L lt Lia it L Fa TIREE rt eee ip Figure 63 Algorithme de classification des 13 alliages m talliques Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 108 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Notre appareil est donc capable de classifier diff rents alliages Il semble par contre plus efficace d utiliser les apprentissages par r seaux de neurones 9 p162 pour trouver un algorithme optimal 4 5 3 Probl matique RoHS dans le spatial Afin de diminuer la pollution et de responsabiliser les producteurs la directive europ enne RoHS 2002 95 CE compl t e par la directive sur les d chets de 2008 2008 98 EC limite l utilisation de six substances dangereuses le plomb le mercure le cadmium le chrome hexavalent les polybromobiph nyles et les polybromodiph nyl thers Les concentrations maximales de ces substances sont de 0 1 par unit de poids de mat riau homog ne sauf pour le cadmium o la limite est de 0 01 65 Les fabricants de composants s
47. t Surfaces gales Figure 36 Probl me de la restauration de la ligne de base avec un signal gaussien Cela am nera donc une erreur al atoire Pour un signal r el si on regarde un grand nombre de pulses on aura un signal ressemblant a la figure suivante 13 p282 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 65 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable hi Nee A ATA OA Figure 37 D rive de la ligne de base pour un signal r el La hauteur mesur e des signaux par l analyseur multicanal la sortie de l amplificateur de mise en forme sera donc entach e d une erreur et in fine la mesure d nergie du spectrom tre se fera avec une moins bonne pr cision Nous devons donc ajouter notre circuit un dispositif pour att nuer autant que faire ce peut ce ph nom ne Pour cela on utilisera un interrupteur switch qui d connectera la r sistance de la Figure 34 pendant la majeur partie du pulse gaussien Ce switch se d clenchera au del d un certain seuil sup rieur au bruit quand le switch est ouvert il ne peut y avoir de courant au travers de la r sistance et la tension moyenne ne doit pas tre nulle annulant ainsi le probl me de base line restoration Le principe est illustr dans la figure suivante Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 66 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 38 Correction de la d rive de
48. type de celle illustr la Figure 54 Pour cela l utilisateur devra d finir une zone sur le spectre o il est certain d observer la raie tudi e et l ordinateur essayera toutes les possibilit s de ROI dans cette zone Cette zone sera d finie par quatre param tres Eiet la plus basse nergie laquelle la ROI peut commencer E ignt la plus haute nergie laquelle la ROI peut se terminer Aer l cart par rapport a Eier qui d finit la zone de d but de la ROI l utilisateur est certain que le d but du pic ne peut donc tre une plus grand nergie que Elet Atert Avignt l cart par rapport Ein qui d finit la zone de fin de la ROI l utilisateur est certain que la fin du pic ne peut donc tre a une plus petite nergie que E ignt Aright La figure suivante d taille ces quatre param tres Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 99 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Intensity counts E E oe is Energy A U Figure 57 D finition des param tres pour le choix automatique de le ROI Lors de la r alisation de la courbe de calibration l ordinateur va donc essayer toutes les ROI possibles dont les bornes inf rieures sont comprises entre Ej et Eiet Ain et les bornes sup rieurs sont comprises entre Eight Aright t Exignt Pour chacune de ces ROI l ordinateur va calculer un ajustement de courbe fitting parabolique et il ch
49. valexp d exp e Somme If concreal lt 0 then Lead False error sqrt Som1 Som1 sqrt Som2 Som2 statistical error error 100 error error error 11 62 error on value use for calib if Lead False then Begin Label7 Visible False Label8 Visible False StaticText3 Visible False StaticText3 caption FloatToStrF error ffGeneral 5 2 StaticText4 caption FloatToStrF valexp ffGeneral 5 2 StaticText5 Caption IntToStr Som1 StaticText6 Caption IntToStr Som2 StaticText1 Caption IntToStr Som1 Som2 end else Begin StaticText3 caption FloatToStrF error ffGeneral 5 2 StaticText4 caption FloatToStrF valexp ffGeneral 5 2 StaticText5 Caption IntToStr Som1 StaticText6 Caption IntToStr Som2 StaticText1 Caption IntToStr Som1 Som2 end end Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 143 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 8 2 Mesure du titre de l or Le premier programme GenericAcquisition cr e un fichier de configuration ParametresX et lance le programme de contr le du spectrom tre et d acquisition du spectre MCA X Gold la fin de l acquisition le logiciel d analyse GoldAnalyse est lanc automatiquement Du point de vue de l utilisateur il suffit de cliquer sur GenericAcquisition exe et tout se d roule automatiquement 8 2 1 Logiciel de d part GenericAcquisition unit GenericAcquisition interface uses Windows Me
50. 017 Z ineoret Senerser Ss A RE a Ma em ae T 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 o Figure 6 Intensit de fluorescence en fonction de l angle Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 24 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Nous avons choisi de positionner notre d tecteur 45 par rapport au faisceau incident Nous sommes ainsi tr s proche du maximum d intensit surtout pour des cibles paisses ce qui sera la principale utilisation de notre appareil Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 25 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 Contraintes et choix des l ments pour la r alisation de l appareil Dans ce chapitre nous d crivons les contraintes et justifions le choix des diff rents l ments pour la r alisation pratique de l appareil de XRF Ce processus n a pas t direct et des essais erreurs ont permis d am liorer les choses A titre d illustration la figure suivante montre trois r alisations successives de l appareil Version 1 Version 2 Version 3 Figure 7 Versions successives de l appareil 3 1 Spectroscopie dispersion d nergie ou dispersion de longueur d onde Il existe deux possibilit s pour faire une mesure d nergie des rayons X en XRF la dispersion en nergie Energy Dispersive X Ray Fluorescence ou EDXRF ou la dispersion en longueur d onde Wavelenght Dispersive X
51. 3 4 3 2 permettraient de mesurer facilement des raies de XRF jusqu 25 keV Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 122 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 6 Conclusions Nous avons r alis un spectrometre XRF portable a haute r solution en utilisant un d tecteur de type SDD et en r alisant des lectroniques adapt es ce qui au d but de ce travail n avait pas encore t r alis par d autres Nous avons montr que notre appareil permettait de r pondre un certain nombre de besoins en adaptant le logiciel L utilisation d un ordinateur standard permis de programmer les logiciels en utilisant des librairies d j disponibles ajustement de courbe contr le du MCA et du tube X et d avoir une interface utilisateur simple utilisable par un non sp cialiste Nous avons impl ment un algorithme original de recherche automatique de la meilleure ROI et le r sultat le plus remarquable est la possibilit de mesurer des paisseurs de coatings jusqu une paisseur de quelques atomes La r p tabilit des mesures est limit e par les fluctuations de l intensit de la source d excitation le tube X mais nous avons montr qu on peut l am liorer d un facteur au moins gal deux en passant de 3 1 3 en monitorant la XRF d un talon et en renormalisation le spectre de l chantillon tudi Il y a des pistes d am liorations pour notre sys
52. 4 La figure suivante 11 montre l volution de l intensit des s ries K L et M en fonction du num ro atomique Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 18 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 1 0 K 0 8 v 0 6 gt L oO 2 o S 2 04 0 2 M 0 20 40 60 80 100 Atomic Number Figure 4 Intensit de fluorescence en fonction du num ro atomique On peut aussi utiliser des expressions analytiques empiriques tel quel 12 wg 3 3704 x 1071 6 0047 x 107 x Z 3 3133 8 x 1073 x Z 3 92154 x 107 x Z3 Pour la couche K avec ox d fini comme suit ox 9 Avec 1 le nombre total de photons de fluorescence mis par l chantillon et n le nombre de vacances dans la couche k Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 19 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable La Figure 4 permet de voir une des principales limitations de la fluorescence X les l ments l gers ont des faibles intensit s de fluorescence La XRF n est donc pas la m thode de choix pour la d tection d atomes tr s l gers Ce probl me pour les l ments l gers est encore accentu par deux autres ph nom nes les fluorescences des l ments l gers se passent basse nergie l o les raies sont les plus nombreuses voir par ex 10 table 1 21 Il est donc difficile de les distinguer parmi le nombre important des autres raies
53. 5 3 L amplificateur de mise en forme 3 5 3 1 Principe g n ral En th orie 24 p652 le signal id al que l on devrait mesurer pour avoir le meilleur rapport sur bruit est un signal appel infinite cusp c est un signal th orique de largeur infinie qui cro t exponentiellement pour arriver un point de d riv e infinie puis qui d croit exponentiellement L quation de se signal est donn e 43 par net 2 avec A l amplitude du signal mesurer et t la constante de temps de tage diff rentiateur CR voir plus loin Ce type de signal est illustr la figure suivante avec t 1 et A 1 Figure 29 Signal de type infinite cusp Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 58 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Dans la pratique ce signal n est pas utilisable pour deux raisons principales Ce signal est infiniment pointu d riv e infinie en un point ce qui ne permet pas de mesurer son amplitude et donc l nergie du photon X sans utiliser des m thodes complexes d largissement de pulses pulse stretching Le temps de retour z ro est infini en th orie ou tr s long en pratique ce qui pose un norme probl me de pile up Le signal utilis dans la pratique pour la majorit des lectroniques de type nucl aires modules NIM par exemple est une Gaussienne dont la hauteur est proportionnelle au signal issu du pr ampli On u
54. 80 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Entr e accept e signaux avec des shapping time minimum de 100 ns Taille maximum des spectres 16384 canaux Acquisition autonome Communication avec ordinateur RS 232 haute vitesse jusqu 115 2 kbps Dimensions 165 x 71 x 20 mm poids lt 300 g Poids lt 300 g e Carat ristiques spectrom triques Stabilit en nergie lors de mesures succesives Sur une courte p riode de temps 10 mesures successives sur chantillon NIST 2573 position en canal sur une gamme de 1024 canaux de la raie La 10 55 keV du Pb position calcul e par ajustement d une Gaussienne 201 202 201 201 201 201 201 200 200 200 Sur une longue p riode de temps position en canal sur 8192 des pics du Cu et de l Ar Date de la mesure Ar Ka 2 95 keV Cu Ka 8 04 keV Cu Kg 8 905 keV 9 1 2008 431 1220 1362 6 3 2008 423 1226 1366 13 8 2008 419 1224 1360 Tableau 4 Stabilit temporelle sur une longue p riode Stabilit en intensit des 10 mesures successives sur chantillon NIST 2573 de la raie La 10 55 keV du Pb intensit de fluorescence en nombre de coups 37312 40533 38679 39633 41331 39522 39062 38419 39550 38101 Variation o moyenne de 3 e R p tabilit des mesures d paisseur des coatings pire cas Avec balayage l He courbe de calibration sur 7 chantillons de 0 27 mg m r
55. Ce type de d tecteur est refroidi par un Peltier int gr pour am liorer sa r solution en nergie Gr ce tous ces avantages ce type de d tecteur est un candidat id al il a d ailleurs t utilis sur mars par le Roover de la mission Pathfinder Mais les d tecteurs Si PIN sont maintenant d pass e en termes de r solution nerg tique par les d tecteurs SDD pr sent s au paragraphe 3 4 2 9 la FWHM a 5 9 keV pour un d tecteur Si PIN est de 145 eV contre 123 eV pour les meilleurs SDD actuels Bruker XFlash 5010 3 4 2 8 D tecteurs Si Li Les d tecteurs Si Li fonctionnent sur le m me principe que les Si PIN 13 p235 La diff rence vient de la m thode de fabrication la zone intrins que est obtenue par la diffusion de Li dans le semi conducteur Ce type de technologie permet d obtenir des d tecteurs avec une zone active plus grande jusqu 15mm 13 p235 que les Si PIN La FWHM 5 9 keV d un Si Li est de l ordre de 145 eV Canberra SSL12145 En utilisation les Si Li doivent travailler basse temp rature typiquement celle de l azote liquide pour compenser le bruit thermique important d la grande taille de leur zone active cette contrainte thermique ne permettent pas de les utiliser dans un spectrom tre EDXRE portable 3 4 2 9 Les d tecteurs SDD En 1984 Gatti 29 propose un nouveau design de d tecteur X qui sera connu plus tard sous le nom de Silicon Drift Detector SDD Dans son travai
56. DE LONGUEUR D ONDE 3 2 SOURCE D EXCITATION 3 3 FONCTIONNEMENT D UN TUBE RAYONS X 3 4 D TECTEURS DE RAYONS X 3 4 1 ABSORPTION DANS L AIR ET DANS LA FEN TRE DU D TECTEUR 3 4 2 PRINCIPES PHYSIQUES DE DETECTION 3 4 3 CARACT RISTIQUES DU D TECTEUR SDD 3 5 CHAINE D ACQUISITION LECTRONIQUE 3 5 1 LA CONVERSION COURANT TENSION EN SORTIE DE D TECTEUR 3 5 2 LE PRE AMPLI 3 5 3 L AMPLIFICATEUR DE MISE EN FORME 3 5 4 L ANALYSEUR MULTI CANAL 3 5 5 LES CIRCUITS ANNEXES ALIMENTATION ET CONTR LE DU TUBE 3 5 6 LA BATTERIE 3 6 R ALISATION PRATIQUE 3 7 R SUM DES CARACT RISTIQUES DU SPECTROMETRE 4 MESURES EXP RIMENTALES 4 1 PEINTURES AU PLOMB 4 1 1 POSITION DU PROBL ME 4 1 2 APPAREILS DE MESURES Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle 13 17 18 20 21 21 22 22 24 26 26 27 30 33 33 36 45 52 53 56 58 72 73 74 75 79 83 83 83 84 Page 3 4 1 3 LE GAIN AMENE PAR NOTRE APPAREIL 4 2 MESURE DU TITRE DES ALLIAGES D OR 4 3 VERIFICATION DE L INVAR 4 4 MESURES D EPAISSEURS DES DEPOTS EN COUCHES MINCES COATING 4 4 1 ETAT DES CHOSES 4 4 2 NOUVEL ALGORITHME DE CHOIX DE LA REGION D INTERET 4 4 3 R SULTATS DES MESURES 4 5 AUTRES UTILISATIONS DE LA XRF 4 5 1 MESURE POUR LES D P TS LIFT 4 5 2 CLASSIFICATION DES ALLIAGES METALLIQUES 4 5 3 PROBL MATIQUE ROHS DANS LE SPATIAL 4 6 COMPARAISONS SPECTROMETRIQUES 5 PISTES D AM LIORATIONS POSSIBLE 5 1 REPRO
57. DUCTIBILIT DES MESURES 5 2 AM LIORATION DE LA CHA NE LECTRONIQUE 5 3 UTILISATION D UN PROCESSEUR DE SIGNAL NUM RIQUE 5 4 UTILISATION D UN TUBE X HAUTE ENERGIE 1O CONCLUSIONS IN ANNEXE MODE D EMPLOI DU LOGICIEL DE MESURE DE COATINGS ANNEXES CODES SOURCES DES LOGICIELS DEVELOPPES 100 8 1 MESURE DE PLOMB DANS LES PEINTURES 8 1 1 LOGICIEL DE D PART LEADPAINTCHECKERGENERICACQUISITION 8 1 2 LOGICIEL D ACQUISITION MCA_X_LEADPAINT 8 1 3 LOGICIEL DE TRAITEMENT LEADANALYSE 8 2 MESURE DU TITRE DE L OR 8 2 1 LOGICIEL DE DEPART GENERICACQUISITION 8 2 2 LOGICIEL D ACQUISITION MCA_X_GOLD 8 2 3 LOGICIEL DE TRAITEMENT GOLDANALYSE 8 3 DETECTION DE L INVAR 8 3 1 LOGICIEL DE DEPART ISINVARMAC_X 8 3 2 LOGICIEL DE DEPART ISINVARANALYZE 8 4 MESURE D EPAISSEUR DES COATINGS Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle 87 89 92 93 93 97 102 104 104 107 109 112 115 115 120 121 122 123 124 132 132 132 134 140 144 144 145 152 154 155 162 164 Page 4 LISTE DES FIGURES Figure 1 Sch ma du spectrom tre APXS source site web du JPL 11 Figure 2 APXS sur le Roover Sojourner source site web de la NASA 11 Figure 3 Evolution du coefficient d absorption massique avec l nergie du photon NOT E SR RS RS RTS rst noi cea eae 16 Figure 4 Intensit de fluorescence en fonction du num ro atomique 19 Figure 5 Influ
58. FT Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 105 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable La courbe utilis e pour le fitting est une parabole pour les m mes raisons que pr c demment La raie XRF utilis e est la raie La 9 713 keV de l or le choix de la ROI a t r alis gr ce l algorithme pr sent la Figure 58 Les d p ts ont t r alis s en tirant plusieurs reprises pour d poser sur le substrat receveur plusieurs couches d or L paisseur totale de chaque point de mesure r sulte donc de l ajout successif de plusieurs couches de d p ts Nombre de couches paisseur totale um l 0 21 2 0 31 3 0 57 4 0 67 5 0 98 Tableau 7 Epaisseurs des d p ts LIFT par ajout de couches successives La figure suivante montre les images prises par microscopie lectronique balayage des d p ts compos s de une ou plusieurs couches Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 106 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable CAS L AWD 7 2mm 5 00kV x80 Figure 62 Image par microscopie lectronique balayage des d p ts LIFT 4 5 2 Classification des alliages m talliques La XRF est r guli rement utilis e pour la classification d alliages m talliques Niton XL3t par ex Nous avons donc r alis un algorithme 64 de classification pour un jeu de 13 chantillons Ce type d algorithme
59. Finished false CurrentLiveTime 0 i 0 TickCount GetTickCount TempsMesure MeasurementTime While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages repeat Begin Application ProcessMessages MeasurementForm visible True if GetTickCount TickCount gt TempsMesure 1000 then MeasureFinished true end until MeasureFinished MeasurementForm Visible False PAsyncStop 1 ErrorResult PmcaAsyncStopAcquisition PAsyncStop WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait ErrorResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 beep CurrentLiveTimeResult PmcaAsyncGetLiveTime CurrentLiveTime repeat Begin WaitResult PmcaWait CurrentLiveTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult gt 0 deadtime TempsMesure 1000 CurrentLiveTimeResult MainForm CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 Stop tube X TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages ErrorResult PmcaGetData spectre 0 8191 Assignfile XRaySpectrum c HMD_SPEC txt Rewrite XRaySpectrum c HMD_SPEC txt Writeln XRaySpectrum IntToStr TempsMesure Writeln XRaySpectrum IntToStr Round deadtime TempsMesure 100 for i 0 to 8191 do Writeln XRaySpectrum IntToStr spectre i Closefile XRaySpectrum MeasureFinished true if IsLogSpec then log de tout les spectres Begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 168 R
60. Function PmcaGetDeviceType PmcaDeviceType stdcall external PmcaDil dil Function PmcaGetSerialNumber integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaGetData result PSpectreType channel count integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearData integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaClearTime integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearDataAndTime integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncClearDataAndTime result PInteger integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSelectLiveTimer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSetAcquistionTime time integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaSetPriority port integer integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaAsyncSetAcquisitionTime result PInteger time integer integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaWait id integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaSetGroup group integer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSetGain gain integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaDisconnect integer stdcall external PmcaDII dil Function PmcaTerminateCom integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaStartAcquisition setStamp integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaStopAcquisition integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaAsyncGetLiveTime result PInteger integer stdcall external
61. IO1 TCWDIO Edit3 TEdit StaticText10 TStaticText Label16 TLabel StaticText11 TStaticText Label17 TLabel StaticText12 TStaticText Label18 TLabel function NetArea A StandardSpectrum Left Integer Right integer Integer function GrossArea A StandardSpectrum Left Integer Right integer Integer function ReadSpectrum ExtendedSpectrum function DoMeasure integer function EmergencyStop integer procedure Button2Click Sender TObject procedure Button4Click Sender TObject procedure FormCreate Sender TObject procedure Button Click Sender TObject procedure Button3Click Sender TObject private Private declarations public Public declarations end Appel des fonctions ext rieurs de la DLL Function HMD_Init nCom integer integer stdcall external HmdFunc dll Function HMD_Status integer stdcall external HmdFunc dll Function HMD_Start_Measure nTime integer nSeuil integer integer stdcall external HmdFunc dll Function HMD_Emergency_Stop integer stdcall external HmdFunc dll Function HMD_Cleanup integer stdcall external HmdFunc dll Appel DLL Amptek Function PmcaConnect port baudRate integer device PmcaDeviceType integer stdcall external PmcaDIl dil Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 165 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Function PmcaPowerUp port integer integer stdcall external PmcaDll d1l
62. L X Amptek Il est possible d utiliser ce dispositif pour la r alisation d un spectrom tre 15 Le fait qu il faille attendre plusieurs cycles pour obtenir suffisamment de rayons X pour avoir un signal XRF satisfaisant est n anmoins un probl me car les cycles font de 2 5 minutes Il est plus simple avec un tube rayons X d augmenter le courant dans la limite du courant maximum acceptable pour le tube Ceci tant dit l utilisation de plusieurs composants COOL X assembl s dans une g om trie appropri e pourrait tre une bonne piste pour la XRF portable Dans la pratique les deux seules sources d excitation facilement utilisables pour un appareil portable sont les radio isotopes et les tubes X miniatures Il y a quelques ann es avant 2001 les appareils portables utilisaient uniquement des sources d excitation radio isotopes bien que ce type d appareils soit toujours disponibles s rie Niton XLi par exemple ils sont en perte de vitesse par rapport aux appareils a tube a rayons X pour des raisons videntes de gestions des sources radioactives contraintes l gales blindage accr ditation et formation du personnel stockage de Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 29 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable l appareil recyclage en fin de vie On peut r sumer les avantages et inconv nients des sources radio isotopes par rapport aux tubes X de la mani re s
63. Label6 TLabel Label7 TLabel Button5 TButton StaticText1 TStaticText StaticText2 TStaticText StaticText3 TStaticText StaticText4 TStaticText Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 173 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable CWGraph1 TCWGraph Label8 TLabel Label9 TLabel Edit2 TEdit CWGraph2 TC WGraph Label10 TLabel CurveFit1 TCurveFit Labell 1 TLabel Label12 TLabel Label13 TLabel StaticText5 TStaticText StaticText6 TStaticText StaticText7 TStaticText Button4 TButton Label14 TLabel StaticText8 TStaticText Labell 5 TLabel procedure Button5Click Sender TObject procedure Button 1Click Sender TObject procedure Button2Click Sender TObject procedure FormCreate Sender TObject procedure Button3Click Sender TObject procedure Button4Click Sender TObject private Private declarations public Public declarations end var GraphData GraphDataX GraphDataY variant var SettingsForm TSettingsForm implementation uses MainUnit MeasurementUnit R DFM procedure TSettingsForm Button5Click Sender TObject var i integer begin A la fermeture de la settingform on fit deadTime f If IsCalibrated then Begin end SettingsForm visible False UnitName Edit1 Text MainForm StaticText2 Caption UnitName MainForm Refresh end Calibration lin aire procedure TSettingsForm Button 1 Click Sender TObje
64. Messages WinExec MCA_x_Gold SW_SHOWNORMAL application ProcessMessages Application Terminate end end 8 2 2 Logiciel d acquisition MCA_X_Gold unit Unitl interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB CWDAQControlsLib_TLB var TickCount Longint type PmcaDeviceType PMCA_AUTO_DETECT PMCA_ 8000 PMCA_8000A type TForm1 class TForm StaticText1 TStaticText StaticText2 TStaticText Labell TLabel Label2 TLabel Label3 TLabel Button2 TButton Label4 TLabel Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 145 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable StaticText3 TStaticText CWGraph1 TCWGraph StaticText4 TStaticText StaticText5 TStaticText Label6 TLabel Label8 TLabel Label9 TLabel Label10 TLabel StaticText6 TStaticText Labell 1 TLabel StaticText7 TStaticText StaticText8 TStaticText Label7 TLabel StaticText9 TStaticText StaticText10 TStaticText Label12 TLabel StaticText1 1 TStaticText StaticText12 TStaticText Label13 TLabel LedVerte TC WButton Label14 TLabel LedRouge TCWButton Labell 5 TLabel XRayTube TCWButton CWDIO1 TCWDIO Buttonl TButton procedure Button2Click Sender TObject procedure Button3Click Sender TObject procedure FormActivate Sender TObject procedure Button 1Click Sender TObj
65. PL L image suivante montre l APXS sur le Rover Sojourner pendant une mesure sur le rocher Yogi image Nasa Figure 2 APXS sur le Roover Sojourner source site web de la NASA L id e de d part de ce projet tait d utiliser une source radio isotope alpha pur le 10Po comme source d excitation pour obtenir des spectres PIXE Proton Induced X Ray Emission Ce principe a t d montr par Pappalardo 4 en utilisant un d tecteur Si Li Les d tecteurs Si Li n cessitent un refroidissement l azote liquide ce qui rend le syst me peu portable n cessit d utiliser un Dewar pour stocker l azote liquide et peu autonome en fonction de la consommation d azote liquide Notre id e fut donc de remplacer le d tecteur Si Li par un d tecteur semi conducteur int grant un refroidisseur Peltier afin de gagner en portabilit et en autonomie Cette derni re tant uniquement limit e par la capacit de la batterie Les travaux de Pappalardo se basaient sur l utilisation d une source de Po Le gros avantage du Po est qu il n met que des alpha d une nergie de 5 407 MeV Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 11 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable ce qui limite les contraintes de blindage m me en cas d utilisation d une source tr s active De plus sa demi vie de 138 4 jours permet une utilisation raisonnable de l appareil Enfin bi
66. PicRight end end Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 180 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable BIBLIOGRAPHIE 1 G Hevesy Chemical Analysis by X Rays and Its Applications Nature New York McGraw Hill Book Co Inc London McGraw Hill Publishing Co Ltd 1932 2 B Vekemans K Janssens L Vincze F Adams and P Van Espen X Ray Spectrometry 23 1994 p 278 3 P Van Espen communication priv e Anvers 2006 4 L Pappalardo Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms 150 1999 576 580 5 B L Doyle Nuclear Instruments and Methods 218 1983 29 32 6 G Chene S Bols T Dupuis A Marchal F Mathis H P Garnir and D Strivay Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms 273 2012 208 212 7 J de Sanoit L Pappalardo and C Marchate Brevet d invention FR2779865 1998 8 R Eisberg and R Resnick Quantum physics of atoms molecules solids nuclei and particles Second Edition John Wiley amp Sons USA 1985 p 49 9 R E Van Grieken and A A Markowicsz Handbook of X Ray Spectrometry Second Edition practical spectroscopy series volume 29 Marcel Dekker Inc New York 2002 p 19 10 A Thompson et al X Ray data booklet Third Edition Octobre 2009 Center for X Ray optics and advanced light source LBNL PUB 490 Lawrence Berkeley National Labo
67. Ray Fluorescence ou WDXRF La premi re se base sur la perte d nergie du photon X dans un d tecteur Si Li Si PIN SDD et l analyse du signal de ce dernier pour obtenir un spectre en nergie La seconde utilise le principe de diffraction des ondes par un r seau comme en lumi re visible pour mesurer l nergie grace un d tecteur mobile ou plus souvent le r seau pourra effectuer une rotation autour d un axe et Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 26 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable le d tecteur sera fixe la position angulaire du faisceau diffract permettant de calculer son nergie Dans la pratique on utilisera un cristal la place du r seau car la distance entre les plans ou mailles du cristal sont de l ordre de grandeur n cessaire la diffraction des rayons X En mati re de r solution l avantage va la WDXRF Pour peu que les d placements m caniques soit pr cis on peut atteindre une r solution de 5eV voir moins pour les meilleurs appareils de laboratoire En EDXRF les bons d tecteurs permettent d atteindre typiquement 130 eV Du point de vue intensit de la fluorescence mesur e l avantage va l EDXRE car dans le cas de la WDXRF le cristal de diffraction n a un rendement que de l ordre du pourcent Dans le cas d un appareil portable il serait assez difficile de pouvoir utiliser des m canismes de d placement tr s pr
68. SelectGroupResult PmcaSetGroup 1 If SelectGroupResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error number IntToStr SelectGroupResult set gain to 8192 SetGainResult PmcaSetGain 8 190 If SetGainResult lt 0 then showmessage PmcaSetGain error number IntToStr SetGainResult Async Clear Data and Time PClearDataAndTime 1 ClearResult PmcaAsyncClearDataAndTime PClearDataAndTime WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait ClearResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 beep If waitresult 0 then Begin StaticText5 Font Color clGreen StaticText5 Caption Cleared End refresh If ClearResult lt 0 then showmessage PmcaClearDataAndTime error number IntToStr ClearResult Select PLiveTimer SelectLiveTimerResult PmcaSelectLiveTimer If SelectLiveTimerResult lt 0 then showmessage PmcaSelectLiveTimer error number IntToStr SelectLiveTimerResult Async Set Acquisition Time in second MaxAcquisitionTime 0 PSetAcquisitionTimeResult 1 WaitResult 1 SetAcquisitionTimeResult PmcaAsyncSetAcquisitionTime PSetAcquisitionTimeResult MaxAcquisitionTime repeat Begin WaitResult PmcaWait SetAcquisitionTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 If waitresult 0 then Begin StaticText6 Font Color clGreen StaticText6 Caption Reset preset IntToStr TempsMesure s End refresh Asynce set threshold PSetThresholdResult 1 WaitResult 1 SetThreshol
69. String closefile ParametresX comportnum StrToInt comportnumString TempsMesure StrToInt TempsMesureString Threshold StrToInt ThresholdString device PMCA_AUTO_DETECT powerupres PmcaPowerUp comportnum affichage du resultat de PmcaPowerup If powerupres gt 0 then begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 157 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Static Text1 Font Color clGreen Static Text1 Caption OK End else Begin Static Text1 Font Color clRed Static Text1 Caption Problem error code IntToStr powerupres End refresh affichage du resultat de PmcaConnect connectres PmcaConnect comportnum 15200 PMCA_AUTO_DETECT If connectres gt 0 then begin StaticText2 Font Color clGreen StaticText2 Caption OK End else Begin StaticText2 Font Color clRed StaticText2 Caption Problem error code IntToStr connectres End refresh affichage du num ro de s rie du MCA serialnumber PmcaGetSerialNumber If serialnumber gt 0 then begin StaticText3 Font Color clGreen StaticText3 Caption IntToStr serialnumber End else Begin StaticText3 Font Color clRed StaticText3 Caption Problem error code IntToStr connectres End refresh set group to 1 SelectGroupResult PmcaSetGroup 1 If SelectGroupResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error number IntToStr SelectGroupResult set gain to 8192 SetGai
70. TCWButton L2 TCWButton StaticText3 TStaticText Label7 TLabel Label8 TLabel StaticText4 TStaticText Label12 TLabel Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 140 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Label13 TLabel Label11 TLabel Label14 TLabel Label15 TLabel StaticText5 TStaticText StaticText6 TStaticText Label3 TLabel StaticTextl TStaticText procedure Button 1Click Sender TObject procedure FormCreate Sender TObject private Private declarations public Public declarations end var Form1 TForm1 testi integer Lead Lead1 Lead2 Lead3 fini reducebckg Boolean implementation R DFM procedure TForm1 Button1Click Sender TObject begin Application Terminate end procedure TForm1 FormCreate Sender TObject var ParametresX SpectreX textfile SpectreXName comportnumString fempsMesureString astring bstring cstring bruitstring ThresholdString plouf tmp string TempsMesure i j k pic lleft pic right pic2left bruit pic2right concint tmpint integer tmpintext extended pic Lleftstring pic rightstring pic2leftstring pic2rightstring minusbckg dstring estring string Normalisation rapportpics tmpreal concreal a b c d e valexp error moy test moybckg real Spectre array 0 8191 of integer Som1 Som2 Somme longint begin application ProcessMessages refresh reducebckg False Lecture des param tres de la mesure
71. ThresholdResult Threshold repeat Begin WaitResult PmcaWait SetThresholdResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 If waitresult 0 then Begin StaticText12 Font Color clGreen StaticText12 Caption Set to IntToStr Threshold End refresh ouverture des shutters et lancement du tube X ouverture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 linear solenoid open LedVerte Value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 rotary solenoid open LedRouge value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages fermeture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 fermeture rotary solenoid LedRouge value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 159 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 fermeture linear solenoid LedVerte value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages ouverture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 linear solenoid open LedVerte Value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages C
72. V Notons aussi que ce type de d tecteur a aussi t d velopp pour une utilisation dans le spatial avec un imageur spectrom tre avec une r solution de 2 5 eV 23 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 37 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 2 4 D tecteur scintillation Les d tecteurs scintillation sont g n ralement utilis s en spectrom trie gamma Le principe de fonctionnement se base sur le fait que certains mat riaux mettent un flash lumineux lorsqu ils sont frapp s par un rayonnement ionisant ou une particule Le scintillateur est connect tube photomultiplicateur PM dont la photocathode coupl e optiquement via un joint optique au scintillateur produit des lectrons Ceux ci seront multipli s par les dynodes successives du PM fournissant en sortie un signal une charge lectrique qui sera proportionnelle l nergie d pos e dans le d tecteur par l v nement ionisant le nombre de photons de scintillations tant proportionnel l nergie d pos e le nombre d lectrons produits par la photocathode et le signal en sortie du PM garderont la proportionnalit Leur encombrement leur poids et leur mauvaise r solution en nergie ne les rendent pas int ressants pour un appareil EDXRF portable haute r solution 3 4 2 5 D tecteurs semi conducteur ultra pur Dans un semi conducteur l paisseur de la zone de d pl tion est donn e 24
73. WDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 rotary solenoid open LedRouge value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 7 X ray tube On XRayTube value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 5000 do Application ProcessMessages Start Acquisition StartAcquisitionResult PmcaStartAcquisition 1 If StartAcquisitionResult lt 0 then showmessage PmcaStartAcquisition error number IntToStr StartAcquisitionResult StaticText7 Font Color clGreen StaticText7 Caption Started refresh fini false CurrentLiveTime 0 i 0 TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages repeat Begin Application ProcessMessages if GetTickCount TickCount gt TempsMesure 1000 then fini true End end until fini PAsyncStop 1 StopResult PmcaAsyncStopAcquisition PAsyncStop WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait StopResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 beep CurrentLiveTimeResult PmcaAsyncGetLiveTime CurrentLiveTime repeat Begin WaitResult PmcaWait CurrentLiveTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult gt 0 StaticText8 Caption IntToStr CurrentLiveTime Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 160 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable refre
74. a reproductibilit des mesures a t test e en r alisant dix mesures successives du m me coating Pour une couche de 1200 nm de Ti sur un alliage de fer la d viation standard sur l ensemble des dix mesures est de 3 3 de l paisseur Ce chiffre est a comparer a la stabilit du flux de rayons X issu du tube celle ci est de 3 donn e du fabricant et confirm e par nos mesures voir chapitre 5 1 On voit donc que la stabilit de notre syst me vient principalement des fluctuations de la source d excitation et que le reste du spectrom tre n introduit que tr s peu de nouvelles fluctuations Nous avons aussi mesur la reproductibilit dans l un des pires cas que nous avons pu tester une mesure d un coating de Zr d une paisseur de 1 2 nm 8 mg m Comme la fluorescence du Zr est 2keV nous avons d travailler sous balayage d h lium M me dans ces conditions une s rie de 10 mesures donne une d viation standard de 5 8 On peut supposer que la l g re diminution de la r p tabilit vient en grande partie de la stabilit du balayage l h lium nous avons simplement laiss d biter faiblement de l h lium venant d une bouteille sous pression 200 bars via un simple d tendeur La stabilit du d bit d un tel d tendeur est de l ordre de 2 3 60 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 102 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable L algorithme de re
75. aDIl dll Function PmcaSetGain gain integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaDisconnect integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaTerminateCom integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaStartAcquisition setStamp integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaStopAcquisition integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaAsyncGetLiveTime result PInteger integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaAsyncSetThreshold result PInteger threshold integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncStopAcquisition result PInteger integer stdcall external PmcaDI1 dll var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button2Click Sender TObject var DisconnetResult TerminateResult integer begin DisconnetResult PmcaDisconnect If DisconnetResult lt 0 then showmessage PmcaDisconnect error number IntToStr DisconnetResult TerminateResult PmcaTerminateCom If TerminateResult lt 0 then showmessage PmcaTerminateCom error number IntToStr TerminateResult Application ProcessMessages Application Terminate end Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 156 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable get spectrum procedure TForm1 Button3Click Sender TObject var spectre SpectreT ype GraphData variant startchannel numberofchannel getdataresult SelectGroupResult i integer
76. al start again the calibration and do not Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 130 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable forget to change the sample between the calibration measurements This message can also appear in case of hardware problem For parabolic calibration at least 3 calibration points needed You should specify at least three calibration points to do a parabolic calibration Change calibration parameters at your own risk calibration no more valid Only a reminder Maintenance Low Battery signal When red indicator blinks it means that the battery level is low and that it can cause bad measurement Change the battery Do not forget to switch off the Finder 100 unit before changing the battery Before changing the battery you must turn off the attached mini computer by clicking on Start gt Turn Off your Computer and click on the Turn off button Wait for a complete shut down of the computer Turn off the Finder 100 unit replace the battery turn on the Finder 100 unit and switch on the mini computer Measurement with He flux in special stand configuration For some specific measurements it can be necessary to use a He flux to avoid fluorescence X ray absorption in the air In this case the calibration sequence and the measurements should be made exactly under the same flux conditions For this place the FINDER 100 on the special stand and connec
77. application ProcessMessages refresh Assignfile SpectreX C RBS PIXE Programmation IsIN V AR IsINV ARSpectrum Reset SpectreX readIn SpectreX plouf premi re ligne pas int ressante for i 0 to 8191 do Begin readin SpectreX tmp Spectre i StrToInt tmp End Closefile SpectreX Traitement des donn es Normalisation si tps mesure lt gt 120s Normalisation 60 TempsMesure for i 0 to 8191 do Begin tmpint Spectre i tmpreal tmpint Normalisation Spectre i Round tmpreal end Fe et Ni concentration concreal 0 SomFe 0 SomNi 0 picFeleft 3 182 picFeright 3782 picNileft 3700 picNiright 4300 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 163 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable for i picFeleft to picFeright do SomFe SomFe Spectre i for i picNileft to picNiright do SomNi SomNi Spectre i rapportpics SomFe SomNi if rapportpics gt 2 AND rapportpics lt 3 then NoINVAR False Else NoINVAR True Quality test concfe 100 SomFe 2647488 concni 100 SomNi 3 188599 concint Round concreal StaticText1 Caption FloatToStrF concfe ffGeneral 5 2 concfeint round concfe BarFe Value concfeint BarFe Refresh StaticText2 Caption FloatToStrF concni ffGeneral 5 2 concniint Round concni BarNi Value concniint BarNi Refresh If NoINVAR True then StaticText3 Caption It is not INVAR else StaticT
78. ar Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 49 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable l mission des photons est celle de Poisson et que l on devrait parler du param tre plut t que de fr quence On devrait donc essayer d avoir le shaping time le plus petit possible pour viter l empilement de deux ou plusieurs signaux ph nom ne de pile up Mais la r duction du shaping time augmente aussi le bruit cause du bruit s rie du pr amplificateur 36 typiquement provoqu par le bruit thermique dans le FET du d tecteur D un autre c t si le shaping time augmente en plus du probl me de pile up le bruit parall le augmentera Ce bruit parall le provient des sources en parall les avec le d tecteur courant de fuite du d tecteur courant de fuite de la gate du FET bruit thermique de la r sistance de contre r action du pr ampli Il existe aussi un bruit ind pendant du shaping time qui diminue quand la fr quence augmente et qui est proportionnel a la capacit du d tecteur 37 38 39 d o l int r t en plus de ce qui est expliqu au chapitre 3 4 3 1 d avoir une faible capacit pour le d tecteur Ce bruit est appel en 1 f ou bruit rose provient par exemple des captures rel ches de charges l entr e du FET 24 p654 La figure suivante 24 p654 illustre l influence du shaping time sur les bruits parall les s ries et en 1 f log
79. arapelle Page 86 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Cette figure permet notamment de voir la raie L du plomb 10 55 keV et la raie r sultante de la superposition de Lg et Lg du plomb 12 61 keV D apr s le certificat officiel du National Institute of Standards and Technology fourni avec l chantillon SRM 2573 celui ci est pr par par l ajout d une quantit connue de chromate de plomb PbCrO dans un process de production industriel de peinture Il est donc normal d observer les raies K et Kg 5 415 et 5 947 keV du chrome Comme le process original utilis est une process industriel r el il est normal de voir la pr sence de titane via ses raies Ky 4 5 keV car les peintures moderne utilisent le dioxyde de titane T10 comme pigment en remplacement du plomb Le pic K de l argon atmosph rique est aussi pr sent Ce spectre permet aussi de voir l effet du seuil du MCA 0 6 keV Il est int ressant de voir que le rapport d intensit La Lg Lg est de 0 67 ROI des canaux 191 210 et 230 255 alors que le rapport th orique voir tableau pr c dent est de 0 7 Cette diff rence s explique principalement par le spectre d mission du tube X Si on voulait tre exhaustif il faudrait aussi tenir compte de l absorption de l Ar de Pair voir Figure 11 de l absorption de la fen tre du d tecteur et de la r ponse en nergie de celui ci mais dans le cas
80. asuredThickness 0 DecimalSeparator UnitName mg m OperatorName 7 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 170 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable IsCalibrated False LowSignal False OutOfCalib False ConnectionType NotChoosed Lecture du fichier de configuration fichier cfg dans le r pertoire courant AssignFile config cfg Reset config ReadIn config S StaticText3 Caption S Matrice name ReadIn config S StaticText4 Caption S d pot name ReadIn config S seuil StrToInt S MCA seuil ReadIn config S PicLeft StrToInt S IdealRoiLeft PicLeft ROI left ReadIn config S PicRight StrToInt S IdealRoiRight PicRight ROI Right ReadIn config S DeltaRoiLeft StrToInt S delta left ReadIn config S DeltaRoiRight StrTolnt S Delta right ReadIn config S AllowedAdvancedUser S Allowed advanced user ReadIn config S MeasurementTime StrToInt S measurement time ReadIn config S SpectrumFilePosition S Position du fichier spectres ReadIn config S ComPort1 StrToInt S ComPort1 port com USB ReadIn config S ComPort2 StrToInt S ComPort2 port com Bluetooth ReadIn config S StaticText11 Caption S If S N then IsNetArea true Netarea if S G then IsNetArea False or gross area ReadIn config S StaticText12 Caption S If S Y then IsLogSpec true lo
81. atives nous ont fait rechercher d autres sources d excitations pour la XRF L apparition commerciale de tube rayons X miniature a r solu notre probl me Les bases de notre projet taient donc tablies tube rayons X miniature et d tecteur haute r solution semi conducteur refroidi par Peltier Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 12 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 2 Principes physique de base Ce chapitre va rappeler quelques points de th orie de la fluorescence X et d tailler les choix de design utilis s pour notre instrument 2 1 Interactions rayons X mati re Comme le syst me d velopp dans le cadre de ce travail se base sur la mesure de l nergie des rayons X par un d tecteur fixe de petite taille nous passerons sous silence la cristallographie qui se base sur la diffraction et qui a donc besoin d un d tecteur de type imageur ou de syst me de d placement du d tecteur De m me comme notre travail se concentre sur la partie rayons X du spectre lectromagn tique nous ne nous int resserons pas aux nombreuses possibilit s de spectroscopie utilisant des rayonnements lectromagn tiques autres que les rayons X Dans le cas des rayons X lorsque des photons interagissent avec la mati re les principaux ph nom nes qui se produisent sont e Diffusion de Rayleigh ou diffusion lastique le rayonnement incident est d vi sans perdre d n
82. ayTube TCWButton CWDIO1 TCWDIO Button TButton Label5 TLabel Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 134 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable procedure Button2Click Sender TObject procedure Button3Click Sender TObject procedure FormActivate Sender TObject procedure Button1Click Sender TObject private Private declarations public Public declarations end Appel des fonctions ext rieures de la DLL type SpectreType array 0 8191 of longword PSpectreType SpectreType Plongword LongWord PInteger Integer Function PmcaConnect port baudRate integer device PmcaDeviceType integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaPowerUp port integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaGetDeviceType PmcaDeviceType stdcall external PmcaDil dil Function PmcaGetSerialNumber integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaGetData result PSpectreType channel count integer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaClearData integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearTime integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearDataAndTime integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncClearDataAndTime result PInteger integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaSelectLiveTimer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSetAcquistionTime time integer
83. ayonnement incident lectromagn tique Dans ce cas un lectron est ject Dans les deux ph nom nes pr c dents le rayonnement incident est absorb par la cible Notons aussi que d autres ph nom nes peuvent intervenir lorsque des rayons X ou gamma interagissent avec la mati re effet Auger cr ation de paires mais comme ces ph nom ne sortent du domaine de la XRF ils ne seront pas d taill s ici D une mani re g n rale on notera que l absorption des rayons X par la mati re est gouvern e par la loi 9 cas d un faisceau incident mono nerg tique non divergent traversant une cible mince I het 1 Avec J et I respectivement l intensit du faisceau incident et du faisceau att nu apr s passage dans la cible mince d paisseur x u est le coefficient d att nuation epi 1 T 5 A lin aire en cm il est donn par l quation suivante Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 14 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable No 2 Avec Op cm atome la section efficace totale d interaction d un photon avec la cible p g cm la densit du mat riau composant la cible N A est le nombre d atomes g avec Nole nombre d Avogadro 6 023 x 107 et A le poids atomique Oro est donn par l quation suivante Otot T OR O 3 Avec Op et dc les sections efficaces de diffusion Rayleigh et de diffusion de Compton t est la section
84. calcul e en Net area 95 Figure 56 Intensit th orique de fluorescence en fonction de l paisseur du d p t RS a ea lal i Se en Sa een 97 Figure 57 D finition des param tres pour le choix automatique de le ROI 100 Figure 58 Algorithme de recherche de la ROI 2 101 Figure 59 Raie du Ti 4 511 keV pour des d p ts minces ee eeeeeeeeeeeee 103 Figure 60 Principe des d p ts LIFT ses 104 Figure 61 Mesure XRF de d p ts LTPT 22asn sn 105 Figure 62 Image par microscopie lectronique balayage des d p ts LIFT 107 Figure 63 Algorithme de classification des 13 alliages m talliques 108 Figure 64 Ph nom ne de Whiskers vu au microscope lectronique 110 These de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 6 Figure 65 Spectre XRF des connecteurs SWAP 111 Figure 66 Comparaison spectrom trique pour l chantillon NIST SRM 2573 en dues eee nie SAR Ut DAT eb als eet PEE EEEE 112 Figure 67 Comparaison spectrom trique pour une feuille d or pur de 50 raa iTO O o EN nee Re da tele nr en les ee Pete eee Rene 113 Figure 68 Comparaison spectrom trique pour un d p t de Ti de 3nm sur un subtract de Sie PP oe ea 114 Figure 69 Setup de mesure pour le monitoring du tube 117 Figure 70 Spectre XRF pour l tude de re normalisation eee eeeeeeeeeeeee 118 Figure 71 Effet de la p riode de re normalisation
85. ce diff rentes fr quences Cette mesure est r alis e avec un g n rateur de fr quence qui fourni un signal p riodique donc on simule un flux constant dont la statistique n est pas celle de Poisson Il est int ressant de voir qu il faut monter une fr quence de 18 kHz quelque soit la hauteur du signal pour commencer mesurer une d rive de la ligne de base Cela signifie donc que le ph nom ne de BLR perturbera peu des mesures o le nombre de photons est de l ordre de 18000 par seconde soit 1 millions de photons par minute Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 68 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 180 gt E v 1 2 T 2 160 oom 25V 2 3 y o A 4 A A e 140 X 45V LA T v 2 amp 120 a 100 80 60 40 20 0 T 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Fr quence du signal constant kHz Figure 40 Mesure de la d rive de la ligne de base pour diff rentes fr quences et amplitudes Apres ce circuit de restauration de la ligne de base se trouve un ampli de gain 10 US et le signal est pr sent la sortie de l amplificateur de mise en forme Les 2 figures suivantes donnent le sch ma complet de notre amplificateur de mise en forme Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 69 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 8B azi CA esi esd g 4 824
86. cence X portable 60000 50000 40000 I counts 30000 20000 Cu Kg 10000 Pb L wie PULSER 10 00 15 00 20 00 25 00 Energy keV Figure 70 Spectre XRF pour l tude de re normalisation Afin de v rifier l effet de cette renormalisation nous avons refait la m me exp rience dix fois de suite et nous avons tudi l influence du param tre X la dur e de chaque p riode en secondes sur la reproductibilit des mesures La figure Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 118 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable suivante montre l volution de la d viation standard en pour des s ries de dix mesures pour diff rentes valeurs de X 3 9 3 2 9 2 1 9 0 5 Standard deviation for 10 measurements 0 25S 4s 6S 10s 12s no treatment Delay between re normalisation Figure 71 Effet de la p riode de re normalisation On voit que la renormalisation permet de passer d une r p tabilit de 3 1 31 renormalisation toutes les 6 secondes dans le meilleur des cas Il n y a pas de tendance claire dans nos mesures pour fixer la valeur de la renormalisation II serait utile d am liorer ces mesures pour trouver une valeur optimum pour ce param tre via par exemple un setup qui fera un essai exhaustif de toutes les valeurs par pas de 0 1seconde On voit n anmo
87. cherche de la meilleure ROI montre ici toute son utilit pour des d p ts tr s minces titre d illustration la figure suivante montre un zoom sur la raie XRF K du Ti 4 511 keV pour diff rentes paisseurs Ti K 4 51 keV 450 400 4 350 300 250 Intensity 200 150 na vw MAMA LL por 50 550 600 650 700 750 800 850 Energy channel number Figure 59 Raie du Ti 4 511 keV pour des d p ts minces Il est tr s difficile de dire l 1l quel est le meilleur choix de ROI l ordinateur choisira la meilleure en les testant toutes Nous avons pu mesurer des d p ts de 2 mg m de Ti ce qui correspond une paisseur de 0 44 nm Le rayon atomique du Ti tant est de 0 146 nm 61 le d p t mesur avait donc une paisseur de 3 atomes On peut donc estimer que notre appareil est capable de mesurer des d p ts de quelques atomes d paisseur Nous ne tenons pas compte de la cristallisation ou non lors du d p t il faudra alors tenir compte de la taille de la maille cristalline Notons quand m me que notre appareil mesure la XRF d une zone de quelques mm l paisseur mesur e est donc Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 103 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable l paisseur moyenne de cette zone et nous ne comptons donc pas les atomes individuellement Le d tail de l in
88. cis de petite taille qui r sisterait aux manipulations de l appareil sans atteindre un co t tr s important Donc malgr l avantage ind niable de la WDXRF en ce qui concerne la r solution spectrale nous avons choisi d utiliser le principe d EDXREF pour notre appareil De plus l avantage de la WDXRF de pouvoir mesurer des photons de plus hautes nergies ne nous Concerne pas car nous utilisons un tube X de 35 kV comme source d excitation ce qui limite l nergie de la XRF que nous pourront induire 3 2 Source d excitation Dans le cadre de la r alisation d un appareil portable nous ne pouvons bien sur pas utiliser des sources fixes comme un acc l rateur de particules en utilisation directe du faisceau comme en PIXE par exemple ou en utilisation indirecte du rayonnement X produit par effet synchrotron Bien qu il soit en th orie possible d utiliser un faisceau d lectrons ce type d excitation n est pas utilisable dans le cadre de test non destructif Non Destructive Testing ou NDT Nous souhaitons pouvoir utiliser notre appareil pour les mesures d paisseur de coatings utilis s notamment en optique et le test doit donc tre non destructif Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 27 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Citons aussi pour m moire les tincelles comme source d excitation par exemple le Metal Scan A de chez Angstr m Inc Ces derni r
89. ct var i j currentleft currentright integer tempval string begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 174 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable NumberOfCalib StrToInt Edit2 Text If NumberOfCalib lt 2 then for i Begin showmessage For linear calibration at least 2 calibration points needed Exit end 1 to NumberOfCalib do Begin tempval InputBox Calibration sample number IntToStr i Value for sample IntToStr i If tempval Then exit CalibValue i StrToFloat tempval 0 000000001 Showmessage Place the sample IntToStr i and press OK MESURE DLLError MainForm DoMeasure MeasureFinished False CurrentExtendedSpectrum MainForm ReadSpectrum DeadTimeCalib i CurrentExtendedSpectrum 2 For j 1 to 8192 do Begin CurrentStandardSpectrum j CurrentExtendedSpectrum j 2 AllSpec i j CurrentStandardSpectrum j remplissage tableau allspec end end debut Auto ROI NumberOfSpectrum NumberOfCalib BestRoiLeft 0 BestRoiRight 0 BestLinRsquarre 0 NumberOfRoiTested 0 for currentleft IdealRoiLeft to IdealRoiLeft DeltaRoiLeft do Begin for currentright IdealRoiRight DeltaRoiRight to IdealRoiRight do Begin For i 1 to NumberOfSpectrum do Begin for j 1 to 8192 do CurrentStandardSpectrum j AllSpec i j if IsNetArea then NetAreaArray i MainForm NetArea CurrentStandardSpectrum currentleft currentright els
90. d until WaitResult 0 beep If waitresult lt 0 then showmessage PmcaAsyncClearDataAndTime waitresult error code inttostr WaitResult refresh If ClearResult lt 0 then showmessage PmcaClearDataAndTime error number IntToStr ClearResult ErrorResult 0 ErrorResult PmcaSelectLiveTimer If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaSelectLiveTimer error number IntToStr ErrorResult MaxAcquisitionTime 0 PSetAcquisitionTimeResult 1 WaitResult 1 SetAcquisitionTimeResult PmcaAsyncSetAcquisitionTime PSetAcquisitionTimeResult MaxAcquisitionTime repeat Begin WaitResult PmcaWait SetAcquisitionTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 PSetThresholdResult 1 WaitResult 1 Threshold seuil SetThresholdResult PmcaAsyncSetThreshold PSetThresholdResult Threshold repeat Begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 167 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable WaitResult PmcaWait SetThresholdResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages MainForm CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 7 X ray tube On TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages ErrorResult PmcaStartAcquisition 1 If ErrorResult lt 0 then showmessage PmcaStartAcquisition error number IntToStr ErrorResult Measure
91. dResult PmcaAsyncSetThreshold PSetThresholdResult Threshold repeat Begin Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 149 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable WaitResult PmcaWait SetThresholdResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 If waitresult 0 then Begin StaticText12 Font Color clGreen StaticText12 Caption Set to IntToStr Threshold End refresh ouverture des shutters et lancement du tube X ouverture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 linear solenoid open LedVerte Value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 rotary solenoid open LedRouge value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages fermeture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 fermeture rotary solenoid LedRouge value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 fermeture linear solenoid LedVerte value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages ouverture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 linear solenoid open LedVerte Value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt
92. dans le d tecteur avant que le traitement du premier ne soit compl tement termin leur signaux vont se superposer et provoquer un signal double ou triple si trois photons se suivent rapidement ce signal sera inexploitable Ce ph nom ne est d au fait que les signaux analogiques de l amplificateur de mise en forme voir chapitre 3 5 3 ont une certaine dur e de m me le temps de collection des charges dans le d tecteur n est pas nul Comme la XRF est un ph nom ne qui suit la statistique de Poisson le moment d mission du photon de XRF est al atoire et il est donc toujours possible qu un deuxi me photon arrive dans le d tecteur avant que le premier ne soit compl tement trait ou pendant un temps mort Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 22 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable S1 on consid re que les temps morts ou pile up sont cumulatifs extendable dead time on peut montrer 13 que le taux de comptage mesur en fonction du taux de comptage r el suit la courbe suivante k T observed count rate Wt m true rate Figure 5 Influence du temps mort sur la fr quence mesur e avec t le temps mort qui suit le traitement d un v nement k le nombre d v nements mesur s par le syst me T la dur e de la mesure donc k T est la fr quence des v nement mesur s et m la fr quence r elle des v nements On voit que pour que la fr quence mesur e augm
93. de la calibration avec algorithme de recherche automatique de la ROI 0 999 Dix mesures successives d paisseur de l chantillon le moins pais 8 mg m de Zr paisseurs mesur es mg m 9 382 9 41 8 881 9 164 9 193 9 121 9 712 8 323 9 76 10 37 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 81 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Variation o moyenne de 5 8 e Autres caract ristiques du spectrom tre A ration forc e par ventilateur incorpor Signal de commande du tube en TTL pas de rayons X en l absence d un niveau haut TTL Poids machine batterie incluse 3 840 kg hors ordinateur Batterie rechargeable Ni Cd 14 4 V 2 4 Ah Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 82 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 4 Mesures exp rimentales Comme expliqu au chapitre 1 1 notre appareil va utiliser diff rents logiciels pour diff rentes applications Dans ce chapitre nous allons d tailler les principales applications test es et les r sultats exp rimentaux obtenus Les codes sources des diff rents logiciels d velopp s sont donn s dans les annexes 4 1 Peintures au plomb 4 1 1 Position du probl me Le plomb a t largement utilis 44 comme composant dans les peintures la c ruse hydrocarbonate de plomb dans les habitats jusqu en 1949 L hydrocarbonate de plomb dont la formule chimique est 45 PbCO Pb OH
94. des raies 10 et 12 keV ces param tres interviennent peu Dans le cas des appareils radio isotopes les raies K peuvent aussi tre excit es Ce qui permet vu leurs nergies entre 74 et 87 keV que les photons de XRF ne soient pas absorb s pas une couche de peinture neuve recouvrant celle au plomb D ou la conclusion du LNE qui ne recommande pas les appareils tube X disponible actuellement Il est videment possible qu l avenir des tubes assez nerg tiques et assez l gers permettent de revenir sur cet tat de fait 4 1 3 Le gain amen par notre appareil L utilisation des appareils test s lors de l valuation du LNE montre que la calibration qui donne l intensit de XRF en fonction de la concentration de plomb est une fonction lin aire cela peut tre d duit de la phase de calibration qui se r alise sur deux chantillons seulement Cette calibration n est pas id ale car le Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 87 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable plomb vu son Z lev a des intensit s de fluorescence tr s lev es voir Figure 4 ce qui am ne une saturation due au pile up comme expliqu au chapitre 2 4 4 Ceci est bien confirm par nos propres mesures le nombre de coups pour les canaux du pile up est de l ordre de 1 5E9 pour des intensit s de fluorescence de l ordre de 12000 et ce bien que nous ayons utilis une intensit proche du m
95. e NetAreaArray i MainForm GrossArea CurrentStandardSpectrum currentleft currentright end FitA 0 FitB 0 FitRCarre 0 NumberOfRoiTested NumberOfRoiTested 1 CurveFit1 Init for i 1 to NumberOfSpectrum do CurveFit1 EnterStatValue NetAreaArray i CalibValue i CurveFit1 CalcLinFit FitA FitB FitRCarre If FitRCarre gt BestLinRsquarre and FitA gt 0 then si fit meilleur que pr c dent et droite croissante Begin BestLinRsquarre FitRCarre BestRoiLeft currentleft BestRoiRight currentright CalibB FitA CalibC FitB RCarre BestLinRsquarre For i 1 to NumberOfSpectrum do BestNetAreaArray i NetAreaArray 1 end Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 175 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable end end fin auto ROI Affichzge r sultats beep CalibA 0 StaticText1 Caption FloatToStrF CalibA ffExponent 4 2 Affichage des r sultats StaticText2 Caption FloatToStrF CalibB ffExponent 4 2 StaticText3 Caption FloatToStrF CalibC ffExponent 4 2 StaticText4 Caption FloatToStrF RCarre ffExponent 4 2 StaticText5 Caption IntToStr BestRoiLeft StaticText6 Caption IntToStr BestRoiRight IsCalibrated True StaticText7 Font Color clGreen StaticText7 Caption CALIBRATION OK sauvegarde de la calibration Assignfile CalibrationParameter CalibrationParameter Rewrite CalibrationParameter Writeln CalibrationParameter Cal
96. e N est appel e intrins que Positive Intrinsic Negative ou PIN diode Si elle est constitu en Si elle sera appel e Si PIN diode Lorsqu un photon X traverse la zone active de cette diode quand elle est polaris e il y cr e des paires lectrons trous qui feront apparaitre une charge lectrique aux bornes de la diode Ce type de construction permet d obtenir une diode qui lorsqu elle est polaris e en inverse avec une tension de l ordre de 180 V pr sente une tr s faible capacit Ce type de d tecteur a donc beaucoup d avantages faible capacit donc d croissance rapide du signal et un signal important voir chapitre 3 4 3 1 et un faible bruit voir chapitre 3 4 3 4 grande zone active la zone non dop e qui peut donc arr ter des photons X de grande nergie La figure suivante donne la courbe de r ponse en nergie d une diode Si PIN 1 Transmission 7 Interaction in Through Si PIN detector Be Window A gt 1 3 mil Be oe a oil er 1 2 mil Be K 1 gt 1 mil Be 2 L fe m A W 501 Photoelectric Probability Full Energy Deposition gt K lines of selected elements F Ne NaMgAI SIP S Ar Ga Ti OrFeNiZnGe Br Sr Mo AgSb Ba Ta A b W Fm 0 i 0 0 1 pan E E tt tt pt ttt ALY 1 10 100 Energy keV Figure 14 Courbe de r ponse en nergie d une diode Si PIN Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 40 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable
97. e ces p riodes de X secondes calculer un facteur de renormalisation qui sera le rapport du nombre de photons de XRF du Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 115 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable cuivre pendant cette p riode divis par le nombre de photons de XRF du cuivre pendant la 1 p riode 4 Pour chacune des p riodes calculer un nombre de photons de XRF renormalis pour le plomb en divisant le nombre de photons de XRF du plomb pendant cette p riode par le facteur de renormalisation pour cette p riode calcul au point 2 5 Additionner le nombre de photons de XRF renormalis pour le plomb pour toutes les p riodes de la mesure Ce qui donne une intensit de XRF renormalis e pour toute la mesure D un point de vue exp rimental un probl me apparait pour la r gularit des p riodes En effet dans un premier temps nous avons r alis nos mesures en interrogeant l analyseur multi canal la fin de chaque p riode pour qu il renvoie les donn es Mais pendant cette interrogation l analyseur multi canal doit continuer traiter les pulses qu il continue recevoir et de ce fait il ne r pond pas imm diatement notre demande pour transmettre les donn es ant rieures Nous avons mesur des d lais de r ponse qui pouvaient varier de plusieurs dixi mes de secondes c d beaucoup trop pour r aliser des mesures pr cises Nous avons contourn le probl me
98. e conformant cette r glementation il est maintenant tr s difficile de trouver des composants ne respectant pas celle ci Cela pose un probleme pour le spatial en particulier en ce qui concerne le plomb cause du probl me des whiskers 66 Les whiskers moustaches en fran ais sont un ph nom ne m tallurgique qui va par exemple amener la croissance de filaments d tain qui peuvent causer des disfonctionnements La figure suivante montre une image de ce ph nom ne Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 109 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 64 Ph nom ne de Whiskers vu au microscope lectronique La pr sence de plomb permet de diminuer ce ph nom ne Les normes de l Agence Spatiale Europ enne ESA ECSS Q 60 ECSS Q 70B ECSS Q 70 08B ECSS Q 70 71 ECSS 23500 interdisent donc l utilisation d tain pur sans plomb Nous avons donc utilis notre appareil pour nous assurer de la pr sence de plomb dans le connecteur de l instrument SWAP 67 embarqu sur le satellite belge Proba 2 La figure suivante montre les spectres de XRF obtenus Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 110 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Brk o 5000 SWAP connector 1 COTE SWAP connector 2 4000 3000 I counts 2000 1000 15 00 20 00 25 00 30 00 Energy keV 0 00 Figu
99. ect private Private declarations public Public declarations end Appel des fonctions ext rieures de la DLL type SpectreType array 0 8191 of longword PSpectreType SpectreType Plongword LongWord Plnteger Integer Function PmcaConnect port baudRate integer device PmcaDeviceType integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaPowerUp port integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaGetDeviceType PmcaDeviceType stdcall external PmcaDil dil Function PmcaGetSerialNumber integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaGetData result PSpectreType channel count integer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaClearData integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearTime integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearDataAndTime integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncClearDataAndTime result PInteger integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaSelectLiveTimer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSetAcquistionTime time integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaSetPriority port integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaAsyncSetAcquisitionTime result PInteger time integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaWait id integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaSetGroup group integer integer stdcall externa
100. elerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 686 2012 31 37 24 Glenn F Knol Radiation Detection and Measurement Fourth Edition John Wiley amp Sons USA 2010 25 Why High Purity Germanium HPGe Radiation Detection Technology is Superior to Other Detector Technologies for Isotope Identification S Hitch et al ORTEC May 2006 White Paper 26 M Moszynski et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 442 2000 230 237 27 Y Yatsu et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 564 2006 134 143 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 181 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 28 S Kishimito et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 513 2003 193 196 29 E Gatti et al Nuclear Instruments and Methods 225 1984 608 604 30 P Rehak et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 248 1986 367 378 31 Silicon Drift Detector Module Setup and operation Rev 2000 09 Ketek GmbH 32 Burkhard et al Handbook of Practical X ray Fluorescence Analysis Springer Verlag Berlin 2006 p227 33 D M Scholsser et al Instr
101. en ins rant dans les signaux re us par l analyseur multi canal une base de temps stable C est cette derni re qui permettra de conna tre exactement la longueur de chaque p riode pour en tenir compte dans notre calcul de renormalisation Cette base de temps est un g n rateur de pulse Canberra Pulser 807 qui tait connect sur l entr e n gative de l amplificateur de mise en forme comme illustr sur la figure suivante Cette base de temps va produire un pulse d amplitude connue une fr quence stable stabilit meilleure que 0 01 La mesure de la hauteur du pic produit par ce pulser dans le spectre XRF pendant une p riode donn e nous permet donc de calculer exactement la dur e de cette p riode La figure suivante donne le sch ma de l exp rience r alis e Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 116 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Pre amp Amp gt D Pulser Negative Canberra pulse output 807 X Ray detector copper wire Multichannel analyzer Figure 69 Setup de mesure pour le monitoring du tube Le spectre obtenu pendant ce type de mesure est donn la figure suivante on peut y voir la raie L 10 55 keV du plomb la raie K 8 04 keV du cuivre qui sert d talon et le pic du pulser qui sert de base de temps Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 117 R alisation d un spectrom tre fluores
102. en que les mesures ne soient pas r alis es sous vide nous esp rions pouvoir obtenir des informations par Rutherford Back Scattering RBS en utilisant un d tecteur PIPS Les travaux de Doyle 5 ont montr que les mesures RBS pression atmosph rique taient possibles De plus il est courant de r aliser des mesures RBS l air avec un faisceau de particules qui sort d un acc l rateur dans le cas par exemple d chantillon de grande taille par ex en arch om trie 6 L extr me toxicit chimique et radiologique du Po font que la source utilis e doit tre scell e afin d viter toute contamination La m thode d encapsulation de la source doit n anmoins laisser passer les alphas Ce probl me a t r solu par le Commissariat l Energie Atomique CEA fran ais Saclay et fait l objet d un brevet 7 La source utilis e par Pappalardo est de ce type Nous nous sommes donc procur une source de ce type mais en raison de la l gislation en mati re de radioprotection nous avons d nous limiter une source de faible activit 20 uCi D s lors les temps de mesure pour obtenir un signal acceptable taient de plusieurs dizaines de minutes De plus dans la pratique l acquisition et le transport de sources de Po n cessitent des d marches administratives assez lourdes D s lors ces trois l ments temps de mesure long fournisseur unique de la source cause du brevet et lourdeurs administr
103. ence du temps mort sur la fr quence mesur e 23 Figure 6 Intensit de fluorescence en fonction de l angle 24 Figure 7 Versions successives de l appareil 26 Figure 8 Spectre X produite le COOL X d Amptek 00 eeeeeesseeeeneeeeeeee 28 Figure 9 Photo du COOL X Amptek ss 29 Figure 10 Spectre typique d un tube rayons X uo eee eeeeeeeseeceseeeeseeeeeeeesees 31 Figure 11 Coefficient d absorption massique de l Argon et de l Helium en fonction de NCE OG ora E ee nn end ete Utes 34 Figure 12 Transmission de la fen tre d entr e du d tecteur eee eeeeee 35 Figure 13 Film photographique comme d tecteur de rayons X la premi re adiographie oso rests ess SC ee el de ct rer 36 Figure 14 Courbe de r ponse en nergie d une diode Si PIN 40 Fig re 15 3 DD Mine aires SR Ra ee E aAa AEEA 42 Figure 16 SDD circulaire x intents erin ie ediciones 43 Figure 17 Principe de fonctionnement du SDD eee eeeeesseceeneeenseeeeeeeeeees 45 Figure 18 Efficacit quantique de conversion des photons jusqu a 10 keV pour une zone de d pl tion de 300 microns d un SDD 46 Figure 19 Efficacit s quantique pour une zone de d pl tion de 450 et 900 TAC EONS CANS DES DD Stern er dt 47 Figure 20 Influence de la temp rature sur la r solution en nergie d un SDD 48 Figure 21 Influence du shaping time sur le bruit 50 Figure 22 Influence du flux incident sur la r
104. ent mode Avalanche 0 1 50 20 0 001 108 photodiode CCD 0 1 70 n a n a n a Superconducting 0 1 4 lt 0 5 100 5 x 103 Image plate 4 80 n a n a n a 4 Maximum count rate is limited by space charge effects to around 10 photons s per cm Tableau 2 Comparaison des principaux d tecteurs X Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 44 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 3 Caract ristiques du d tecteur SDD 3 4 3 1 Capacit L anode centrale du d tecteur SDD est la plus petite possible afin de diminuer sa capacit Un transistor effet de champ FET est aussi int gr lors de la r alisation du semi conducteur afin d viter d ajouter une capacit parasite lors de la connexion un pr amplificateur externe Il est important d avoir la capacit la plus petite possible pour deux raisons principales Le shaping time optimum pour la minimisation du bruit lectronique de l amplificateur de mise en forme diminue avec la capacit 24 p507 et un shaping time petit permet d avoir un taux de comptage plus lev pour une valeur de pile up donn e voir chapitre 2 4 4 Les charges produites dans le d tecteur vont produire un signal en tension gale a Q C avec Q la quantit de charges produites et C la capacit du d tecteur comme sur la Figure 17 31 0Q C det Figure 17 Principe de fonctionnement du SDD Th se de doctorat pr sent e par Ala
105. ente lorsque la fr quence r elle augmente on doit se trouver dans la partie gauche du graphique c d satisfaire met 10 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 23 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Pour cela on doit avoir le t le plus petit possible dans notre cas il s agit du shaping time voir chapitre 3 5 3 1 et du temps de conversion du convertisseur analogique num rique de l analyseur multi canal Pour une valeur de t donn e on peut aussi satisfaire l in quation pr c dente en diminuant le flux de photons donc la valeur de m qui atteint le d tecteur Il y a deux moyens simples d y arriver en XRF loigner le d tecteur de l chantillon analyser diminution du flux proportionnelle l inverse du carr de la distance Diminuer l intensit de la fluorescence X en diminuant l intensit de la source d excitation dans notre cas l intensit du tube X c d son courant 2 4 5 G om trie d mission L mission de photons dans la XRF n est pas isotrope il faut donc en tenir compte pour la position du d tecteur afin d obtenir le meilleur signal en tenant compte des contraintes g om triques inh rentes un appareil portable La figure suivante 9 p7 montre l intensit d mission en fonction de l angle pour diff rentes paisseurs de la cible de l aluminium 60 gt Lee gas on eee E gt a l O NS 0
106. ergie On peut sch matiser ce ph nom ne comme suit le champ lectrique oscillant que constitue le rayonnement lectromagn tique va d former le nuage lectronique des atomes le centre de masse des charges n gatives va donc osciller par rapport au noyau positif ce dip le oscillant sera donc la source d un rayonnement lectromagn tique dit de Rayleigh e Diffusion Compton ou diffusion in lastique le rayonnement incident c de une partie de son nergie un lectron faiblement li Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 13 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Dans ce cas le rayonnement voit sa longueur d onde augmenter perte d nergie Ces deux ph nom nes Compton et Rayleigh ne provoquent pas l absorption du rayonnement incident A basse nergie la diffusion de Rayleigh domine l effet Compton devient pr pond rant quand l nergie augmente Par exemple pour le plomb la diffusion de Rayleigh domine pour des nergies inf rieures 10 eV 8 e Si l nergie du rayonnement incident n est pas trop grande c a d inf rieur l nergie n cessaire pour extraire un lectron typiquement quelques eV il peut amener un ou des lectrons de l atome cible dans un des tat s d nergie s sup rieur s l atome est alors excit e Si l nergie est suffisante on aura une ionisation appel e effet photo lectrique dans le cas d un r
107. es ne permettent videment pas des tests non destructifs et les spectres mis se situent principalement dans le visible et vu la bri vet du ph nom ne si il y a des photons X produits leur nombre est trop faible pour donner un signal suffisant dans un d tecteur de petit dimension Il existe une possibilit 14 d utiliser des cycles de r chauffements refroidissements dans un cristal pyro lectrique un mat riau pyro lectrique est un mat riau dans lequel un changement de temp rature entraine une variation de polarisation lectrique pour cr er des champs lectrique localement intenses capable d acc l rer des lectrons Lorsque ceux ci sont arr t s des rayons X sont produits comme dans un tube rayons X voir chapitre suivant La figure suivante montre le spectre cumul sur 90 cycles de r chauffements refroidissements des photons X produits avec ce type de dispositif source Amptek Counts End Point Ener gy N 0 5 10 15 20 25 30 35 Energy keV Figure 8 Spectre X produite le COOL X d Amptek Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 28 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Ce type de dispositif est tr s compact de la taille d un composant lectronique de boitier TO 8 voir figure suivante et consomme tr s peu d lectricit moins de 300 mW Ce type de dispositif est disponible commercialement COOL X d Amptek Figure 9 Photo du COO
108. esktop MAXSELL XRF GOLD TESTER Bruker S1 Titan Innov X Delta SQINDUSTRY XRF Gold Analyzer SQ 8800 Olympus Delta Inspector XRF SST 7077 Notre appareil n am ne donc pas de r elle nouveaut mais la mesure du titre de l or tait un bon test de faisabilit pour prouver le concept d un seul appareil dont l utilisation est choisie par l utilisation d un logiciel sp cifique pour Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 90 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable chaque application Les fluorescences principales de l or sont La 9 713 keV et Lg 11 44 keV celles du cuivre sont K 8 048 keV et Kg 8 905 keV et celles de largent sont La 2 984 keV Lz 3 151 keV Ka 22 196 keV et Kg 24 94 keV Vu la r solution de notre d tecteur les raies de l or sont donc bien distinctes de celles de l argent et du cuivre Le seuil de l analyseur multi canal est choisi pour supprimer les fluorescences moins nerg tiques de l or et du cuivre Nous avons donc r alis le logiciel GoldTester qui donne directement le titre en carat de l or Le temps de mesure est de 60 secondes Le code du logiciel est donn l annexe 8 2 3 le logiciel calcule la concentration en or se basant sur la somme des intensit s des raies L et Lg de l or il va aussi v rifier que le rapport des intensit s de ces deux raies correspond bien celui de l or La figure suivante montre l inte
109. essMessages end until WaitResult gt 0 StaticText8 Caption IntToStr CurrentLiveTime refresh CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 Stop tube X XRayTube value False CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 fermeture rotary solenoid LedRouge value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 fermeture linear solenoid LedVerte value False getdataresult PmcaGetData spectre 0 8191 GraphData vararraycreate 0 8191 varSingle Affichage de l histogram for i 0 to 8191 do GraphDatali spectreli CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 refresh ymax 10 axe y avec y max 10 for yi 2500 to 7500 do recherche du haut pt entre canal 2500 et 8000 Begin if spectre yi gt ymax then ymax spectre yi end CWGraph1 Axes Item 2 Maximum Ymax re scale axe y avec haut pt entre canal 2500 et 8000 CWGraph1 Refresh StaticText9 Font Color clGreen StaticText9 Caption Done Sauvegarde du spectre Assignfile XRaySpectrum C RBS PIXE Programmation GoldTester SpectreXName Rewrite XRaySpectrum SpectreXName Writeln XRaySpectrum X Ray Spectrum by A Carapelle C CSL 2002 for i 0 to 8191 do Writeln XRaySpectrum IntToStr spectre i Closefile XRaySpectrum Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 151 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable StaticText10 Fo
110. esult i integer begin SelectGroupResult PmcaSetGroup 1 If SelectGroupResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error number IntToStr SelectGroupResult getdataresult PmcaGetData spectre 0 8191 beep GraphData vararraycreate 0 8191 varSingle Affichage de l histogram for i 0 to 8191 do GraphData i spectre i CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 refresh end procedure TForm1 FormActivate Sender TObject var device PmcaDeviceType connectres powerupres serialnumber TempsMesure integer comportnum longint SpectreXName comportnumString TempsMesureString ThresholdString string ParametresX SpectreX textfile Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 147 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable ClearResult SetAcquisitionTimeResult SetGainResult SetThresholdResult StartAcquisitionResult integer SelectLiveTimerResult MaxAcquisitionTime SetPriorityResult PSetThresholdResult PGetStatusResult PSetAcquisitionTimeResult integer WaitResult StopResult PAsyncStop SelectGroupResult PClearDataAndTime CurrentLiveTimeResult GetStatusResult integer spectre SpectreType GraphData variant startchannel numberofchannel getdataresult ymax yi i CurrentLiveTime Threshold integer fini boolean XRaySpectrum textfile begin refresh application ProcessMessages refresh Assignfile ParametresX C RBS PIXE Programmation GoldTester ParametresX csl Reset ParametresX
111. euses mais non encore explor es exp rimentalement dans le cadre de ce travail 5 1 Reproductibilit des mesures Comme expliqu au chapitre 4 4 3 la reproductibilit des mesures est de 3 Cette variation provient essentiellement de la variation d intensit de la source d excitation le tube X Une id e serait donc de monitorer ces fluctuations de la source pour renormaliser les mesures de XRF Pour cela nous proposons de placer dans le champ de vue de l instrument un talon dont nous allons mesurer en permanence la fluorescence La variation de cette fluorescence de l talon sera donc le reflet des fluctuations d intensit du tube X Nous devons choisir un talon dont l nergie de XRF est proche de celle de l chantillon tudi pour viter d tre influenc par les variations du spectre d mission du tube X qui proviennent des variations de la haute tension qui alimente celui ci Nous avons choisi de tester notre id e sur la raie L 10 55 keV du plomb d un chantillon NIST2573 de peinture au plomb 1 04 mg m L talon choisi est la raie Ka 8 04 keV du cuivre Dans la pratique nous avons simplement plac un fin fil de cuivre dans le champ de vue de l instrument Le principe de la mesure est donc 1 Mesurer simultan ment la fluorescence du plomb et du cuivre 2 Toutes les X secondes calculer le nombre de photons de XRF du cuivre d tect s pendant cette p riode 3 Pour chacune d
112. ext3 Caption It is INVAR end end 8 4 Mesure d paisseur des coatings unit MainUnit interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWDAQControlsLib_TLB CWUIControlsLib_TLB D finition de type Type ExtendedSpectrum array 1 8194 of Integer spectre tpsmort seuil StandardSpectrum array 1 8192 of Integer spectre seul Spectrum array 1 8191 of longint spectre seul type SpectreType array 0 8191 of longword PSpectreType SpectreType Plongword LongWord Plnteger Integer type PmcaDeviceType PMCA_AUTO_DETECT PMCA_ 8000 PMCA_8000A type TMainForm class TForm Labell TLabel Label2 TLabel Button1 TButton Label3 TLabel StaticText1 TStaticText StaticText2 TStaticText Button2 TButton Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 164 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Button3 TButton Label4 TLabel StaticText3 TStaticText StaticText4 TStaticText Button4 TButton Label5 TLabel Label6 TLabel Editl TEdit Label14 TLabel Label7 TLabel StaticText5 TStaticText StaticText6 TStaticText SaveDialog TSaveDialog StaticText7 TStaticText Label9 TLabel Label8 TLabel Edit2 TEdit StaticText8 TStaticText Label10 TLabel StaticText9 TStaticText Labell 1 TLabel Label12 TLabel Label13 TLabel Label15 TLabel CWD
113. f on doit assembler les diff rents l ments de la mani re la plus compacte possible Pour cela un mod le CAO 3D des diff rents l ments a t r alis On peut ainsi essayer diff rentes combinaisons et voir l effet avant r alisation Il faut n anmoins tenir compte de la contrainte de g om trie entre le tube X et le d tecteur d finie au chapitre 2 4 5 afin d optimiser le signal de XRF La photo suivante montre les l ments avant leur montage en haut gauche le pr ampli et le d tecteur au milieu gauche la haute tension et le tube X droite le circuit d alimentation l ampli le MCA et une batterie non d finitive Figure 43 Diff rents l ments avant leur montage Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 75 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable L utilisation d un logiciel de CAO permet aussi la r alisation d un support pour les diff rents l ments et d un boitier sur mesure en polym re fritt par un moyen de prototypage rapide La photo suivante montre le support int rieur gauche r alis par prototypage rapide et les l ments mont s sur le support int rieur droite et la partie poign e de l appareil qui contient la batterie d finitive Figure 44 Support interne et batterie poign e La figure suivante montre le mod le 3D CAO utilis pour la fabrication du support interne une mod lisation des diff rents s
114. g spectrum if S N then IsLogSpec False do not log spectrum CloseFile config lecture de la calibration pr c dente Assignfile CalibrationParameter CalibrationParameter Reset CalibrationParameter ReadIn CalibrationParameter S CalibA StrToFloat S ReadIn CalibrationParameter S CalibB StrToFloat S ReadIn CalibrationParameter S CalibC StrToFloat S ReadIn CalibrationParameter S RCarre StrToFloat S ReadIn CalibrationParameter S BestRoiLeft StrToInt S ReadIn CalibrationParameter S Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 171 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable BestRoiRight StrToInt S CloseFile CalibrationParameter end procedure TMainForm Button1Click Sender TObject var spectrum ExtendedSpectrum StandardSpectre StandardSpectrum i integer begin temps de mesure MeasurementTime StrTolnt Edit3 Text d but de la mesure showmessage Place sample DLLError DoMeasure StaticText6 Visible False MeasureFinished False spectrum ReadSpectrum PercentDeadTime spectrum 2 100 StaticText7 Caption FloatToStr PercentDeadTime For i 1 to 8192 do StandardSpectre i spectrum i 2 if IsNetArea then Intensity NetArea StandardSpectre BestRoiLeft BestRoiRight else Intensity GrossArea StandardSpectre BestRoiLeft BestRoiRight MeasuredThickness CalibA Sqr Intensity CalibB Intensity CalibC StaticText1 Caption
115. gative Le circuit RC utilis comportera 3 tages n 6 car chaque tage on int gre deux fois gr ce la pr sence de deux ensembles RC il utilisera aussi des amplificateurs diff rentiels U3 U4 et US Tous du type OPA671 voir Figure 41 mont s dans trois filtres successifs du type Sallen et Key qui se comportent chacun comme int grateur deux p les On consid re g n ralement que l utilisation de 4 int grations est suffisante pour obtenir une Gaussienne 24 p631 Si on utilise trop peu d tages d int grations le rapport signal sur bruit de l ensemble du spectrom tre se d grade La figure 24 p652 suivante montre l volution de ce rapport pour plusieurs configurations de type CR RC DL signifie Delay Line ou ligne retard Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 62 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable S N Infinite cusp 1 000 Triangular 930 TOUS DL RC 911 CR RC 858 SN i CR RC 136 CR RC 725 CR RC 709 Figure 33 Influence du r seau de mise en forme CR RC sur le rapport signal sur bruit 3 5 3 2 La restauration de la ligne de base Afin de supprimer toute composante continue on utilise un condensateur C30 sur la Figure 42 en sortie du circuit CR RC le montage type est illustr la figure suivant Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 63 R alisation d un spec
116. ibA Writeln CalibrationParameter CalibB Writeln CalibrationParameter CalibC Writeln CalibrationParameter RCarre Writeln CalibrationParameter BestRoiLeft Writeln CalibrationParameter BestRoiRight Closefile CalibrationParameter refresh Il Affichage double graphe GraphDataX vararraycreate 1 NumberOfCalib varSingle GraphDataY vararraycreate 1 NumberOfCalib varSingle MaxCalibValue 0 MaxOfCalibRange 0 MinOfCalibRange 0 for i 1 to NumberOfCalib do Begin If BestNetAreaArray i gt MaxCalib Value Then MaxCalibValue BestNetAreaArray i If CalibValue i gt MaxOfCalibRange Then MaxOfCalibRange CalibV alue i GraphDataX i BestNetAreaArray i GraphDataY i CalibValue i end MinCalibValue MaxCalib Value MinOfCalibRange MaxOfCalibRange for i 1 to NumberOfCalib do If BestNetAreaArray i lt MinCalib Value Then MinCalibValue BestNetAreaArray i for i 1 to NumberOfCalib do If CalibValue i lt MinOfCalibRange Then MinOfCalibRange Calib Value i d but graph CWGraph2 Plots Item 1 PlotXvsY GraphDataX GraphDataY MaxCalibValue MaxCalib Value 1 1 MinCalib Value MinCalibValue 0 9 RangeCalibValue MaxCalibValue MinCalib Value GraphDataX vararraycreate 1 100 varSingle GraphDataY vararraycreate 1 100 varSingle For i 1 to 100 do Begin GraphDataX i MinCalib Value i 1 RangeCalib Value 99 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 176 R alisation
117. ifi e La figure suivante donne le sch ma du pr ampli Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 56 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 28 Sch ma de principe du pr ampli Le condensateur d entr e de cet tage permet de s affranchir du fait que l on ne conna t pas exactement le z ro du signal l information importante est l amplitude de la mont e abrupte du signal chaque photon X d tect Cette variation passe au travers du condensateur Le premier amplificateur diff rentiel AD 845 est utilis comme amplificateur simple avec un gain de 10 La r sistance R24 permet de diminuer la constant de temps de d croissance en passant de 300 us 22us Le deuxi me amplificateur diff rentiel LT1363 est utilis comme driver de ligne avec un gain ajustable de 1 11 en fonction de la valeur de R23 pour permettre de transmettre le signal via un c ble vers le module suivant l amplificateur de mise en forme Dans la pratique la carte du pr ampli est aussi utilis e pour fournir les diff rentes tensions de polarisations des anneaux du SDD via de simples diviseurs de tension Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 57 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable r alis s avec des r sistances La carte comporte aussi les composants n cessaires la lecture de la sonde de temp rature int gr e au SDD 3
118. ime Threshold integer fini boolean XRaySpectrum textfile begin refresh application ProcessMessages refresh Assignfile ParametresX C RBS PIXE Latest proto spet 2003 Lead Paint Checker ParametresX csl Reset ParametresX readin ParametresX SpectreXName readin ParametresX TempsMesureString readin ParametresX comportnumString readin ParametresX ThresholdString closefile ParametresX comportnum StrToInt comportnumString TempsMesure StrToInt TempsMesureString Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 136 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Threshold StrTolnt ThresholdString device PMCA_AUTO_DETECT powerupres PmcaPowerUp comportnum affichage du resultat de PmcaPowerup If powerupres gt 0 then begin StaticText1 Font Color clGreen StaticText1 Caption OK End else Begin StaticText1 Font Color clRed StaticText1 Caption Problem error code IntToStr powerupres End refresh affichage du resultat de PmcaConnect connectres PmcaConnect comportnum 15200 PMCA_AUTO_DETECT If connectres gt 0 then begin StaticText2 Font Color clGreen StaticText2 Caption OK End else Begin StaticText2 Font Color clRed StaticText2 Caption Problem error code IntToStr connectres End refresh affichage du num ro de s rie du MCA serialnumber PmcaGetSerialNumber If serialnumber gt 0 then begin Static Text3 Font
119. in Carapelle Page 45 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 3 2 R ponse en nergie Etant donn la taille de la zone de d pl tion et la courbe de transmission en nergie de la fen tre du d tecteur la r ponse en nergie est limit e La limitation base nergie est donn e par la transmission de la fen tre d entr e comme illustr sur la Figure 12 et la limitation haute nergie est d e la taille de la zone active du d tecteur la zone de d pl tion Pour une zone de d pl tion de 300 um comme celle pr sente dans le d tecteur que nous utilisons l efficacit est de 90 pour des photons 10 keV et elle tombe 50 pour des photons de 15 keV 32 La figure suivante montre l efficacit quantique de conversion des photons jusqu 10 keV pour une zone de d pl tion de 300 um d un SDD 32 p227 va zok D f 5 _ a i 06 4 c z ag Q f 5 Saad B 6 02 f a 100 1000 10000 Energy eV Figure 18 Efficacit quantique de conversion des photons jusqu 10 keV pour une zone de d pl tion de 300 microns d un SDD Ce type de d tecteur permet donc de mesurer valablement dans le meilleur des cas avec balayage l h lium l nergie de photons entre 1 et 15 keV Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 46 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable A l avenir il sera possible d augmenter l nergie maxima
120. inimum pour la source d excitation courant du tube de 13 uA avec des chantillons de seulement 1 mg cm de plomb c d le minimum l gal Pour r soudre ce probl me nous avons donc utilis un polyn me du second degr une parabole comme courbe de calibration ce qui est une bonne approximation de la partie gauche de la Figure 5 Nous avons test notre logiciel avec des chantillons du National Institue of Standard and Technologies NIST allant de 0 5 6 mg cm de plomb 50 Notre logiciel n a pas montr de saturation la Figure 50 montre notre courbe de calibration parabolique le r obtenu est de 0 9996 L intensit de XRF utilis e est la somme des intensit s des Lg et Lg Lg 80000 Fit r2 0 9996 70000 60000 50000 40000 I counts 30000 20000 10000 0 T 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 Pb concentration mg cm Figure 50 Calibration avec un polyn me du second degr pour la Pb dans les peintures Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 88 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Lors d une visite au LNE en janvier 2004 il a t confirm 51 que notre appareil permettait de r soudre le probl me de saturation N anmoins les tests des appareils disponibles commercialement ont t effectu s fin 2003 notre appareil est donc arriv trop tard pour cette s rie de tests et de plus n tant qu un prototype non disponib
121. ins que cette piste est prometteuse car elle permet d am liorer la r p tabilit d un facteur au moins 2 passage de 3 1 3 These de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 119 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 5 2 Am lioration de la cha ne lectronique Il est possible d int grer toute la cha ne d acquisition lectronique se situant apr s le pr amplificateur dans un circuit int gr d di Application Specific Integrated Circuit ou ASIC Dans son programme Cosmic Vision PESA a demand la firme Arquimea 69 de d velopper un ASIC configurable r sistant aux radiations 300 KRad qui pourrait tre configur pour diff rentes charges utiles CCD d tecteur de radiation spectrom tre de radiation ADC DAC amplificateur bas bruit filtre La configuration spectrom tre de radiation devrait th oriquement convenir pour notre appareil Elle est illustr e la figure suivante COMMON BLOCKS Figure 72 ASIC Arquimea configur en spectrom tre de radiation Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 120 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Il existe m me des ASIC sp cialement optimis s pour les d tecteurs SSD 70 L int r t principal de l utilisation des ASICs est de r duire le co t de production pour la fabrication en grande s rie mais ils n am nent pas de gains des caract ristiques par rapport une
122. integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaSetPriority port integer integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaAsyncSetAcquisitionTime result PInteger time integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaWait id integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaSetGroup group integer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSetGain gain integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaDisconnect integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaTerminateCom integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaStartAcquisition setStamp integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaStopAcquisition integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncGetLiveTime result PInteger integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncSetThreshold result PInteger threshold integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncStopAcquisition result PInteger integer stdcall external PmcaDI1 dll var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button2Click Sender TObject var DisconnetResult TerminateResult integer begin DisconnetResult PmcaDisconnect If DisconnetResult lt 0 then showmessage PmcaDisconnect error number IntToStr DisconnetResult Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 135 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable TerminateResult PmcaTer
123. ion de l nergie 18 nn peut voir que l He est 100 1000 fois plus transparent aux rayons X que l Ar pour les rayons X de basse nergie entre 1 et 10 keV Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 33 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Coefficient d absorption massique cm g 1000 1000 100 100 10 10 1 1 0 1 i 0 1 0 001 0 01 0 1 Energie du photon MeV Figure 11 Coefficient d absorption massique de l Argon et de l Helium en fonction de l nergie Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 34 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Le d tecteur de rayons X utilis est refroidi par un Peltier Pour viter la condensation de l humidit de l air il est scell dans un boitier rempli d une atmosph re neutre azote sec Le passage des photons se fait via un collimateur en Zr avec une fen tre en DuraBerylium de 8 um d paisseur La figure suivante 19 donne la courbe de transmission de cette fen tre 1 0 0 8 L 8 um Be 0 6 1 um Duracoat window transmission 0 2 F 100 1000 10000 X ray energy eV Figure 12 Transmission de la fen tre d entr e du d tecteur Cela montre une fois de plus que la r ponse en nergie du spectrom tre est mauvaise basse nergie m me si elle est un peu am lior e par le flushing l He Th se de doctorat pr sent e pa
124. iques permet de renseigner correctement la plupart des situations courantes sous r serve d un bon fonctionnement des appareils et du respect de crit res de performances En l tat actuel du march les appareils utilisant une source radioactive appareils source peuvent exciter les couches L et K du plomb alors que les appareils utilisant un tube rayons X appareils tube ne peuvent exciter que la couche L Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 84 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Les nergies des principales raies L et K de XRF du Pb sont donn es dans le tableau 49 suivant D nomination Energies keV Intensit U A Le 10 55 100 Le 12 612 50 Le 12 621 20 Ka 72 792 50 ess 74 221 150 Ko 74 956 100 Kg 84 436 13 Kg 84 922 88 KB 87 222 11 Kg 87 351 11 Tableau 5 Principales raies K et L du plomb Les autres raies K et L ont des intensit s inf rieures ou gales 10 et on peut donc consid rer qu elles ne sont pas assez intenses compar es aux 10 raies donn es dans le tableau pr c dent pour tre utiles en XRF Nous ne nous int ressons pas aux raies M du plomb 2 34 keV pour deux raisons Le tube que nous utilisons ne peut fonctionner qu des tensions comprises entre 10 et 35 kV et comme expliqu au chapitre 3 3 l id al est d tudier des raies dont l nergie est la moiti
125. isant de tubes X la DGNSR autorit fran aise responsable pour la radioprotection a marqu sa pr f rence pour ces derniers pour des raisons videntes de radioprotection pas de rayonnement l arr t pas de recyclage de la source pas risque de contamination Dans ce cadre le Laboratoire National d Essai LNE a t mandat pour v rifier si les appareils 4 tube X pouvaient tre aussi performants que les appareils radio isotopes pour la mesure du plomb dans les peintures L tude 48 d taill e montre deux faiblesses des appareils tube X Les appareils test s montrent un ph nom ne de non lin arit puis de saturation le rapport dit Peintures fortes concentrations en plomb les appareils tube montrent assez rapidement un ph nom ne de non lin arit puis de saturation 48 p16 Les mesures de peintures au plomb recouvertes par un couche paisse d une autre peinture ne contenant pas de plomb ne sont pas satisfaisantes le rapport pr cise Couches de peinture au plomb masqu es par un rev tement pais les essais avec rev tement cr pi sont particuli rement r v lateurs de l inad quation des appareils tube dans cette situation les rayonnements sont totalement absorb s et conduisent l expression syst matique de faux n gatifs toutes concentrations de plomb 48 p16 et la solution propos e pour ce deuxi me point En revanche la d tection des raies K plus nerg t
126. isitionTime repeat Begin WaitResult PmcaWait SetAcquisitionTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 If waitresult 0 then Begin StaticText6 Font Color clGreen StaticText6 Caption Reset preset IntToStr TempsMesure s End refresh Asynce set threshold PSetThresholdResult 1 WaitResult 1 SetThresholdResult PmcaAsyncSetThreshold PSetThresholdResult Threshold repeat Begin WaitResult PmcaWait SetThresholdResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 If waitresult 0 then Begin StaticText12 Font Color clGreen StaticText12 Caption Set to IntToStr Threshold End refresh lancement du tube X ouverture shutters CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 X Ray tube On XRayTube value True TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 3000 do Application ProcessMessages Start Acquisition StartAcquisitionResult PmcaStartAcquisition 1 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 138 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable If StartAcquisitionResult lt 0 then showmessage PmcaStartAcquisition error number IntToStr StartAcquisitionResult StaticText7 Font Color clGreen StaticText7 Caption Started refresh fini false CurrentLiveTime 0 i 0 TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages repeat Begin Application ProcessMessages
127. l Gatti propose un d tecteur qui permet d obtenir une information sur la position du photon incident Pour cela il utilise un semi conducteur avec une configuration des zones p et n comme illustr es 13 p238 la Figure 15 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 41 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Electron Potential cw on EE og LO Wo x Figure 15 SDD lin aire Dans cette configuration le potentiel lectrique donn sur la m me figure oblige les charges cr es par le photon X dans la diode polaris e tre collect es sur la premi re zone n sup rieure qui sert d lectrode collectrice dans la pratique les lectrodes sont une zone d oxyde de silicium r alis es sur chaque zone dop e Le temps de d rive drift en anglais et proportionnel la position du photon incident La r solution spatiale obtenue peut atteindre 4 um sur une zone de d rive de plusieurs millim tres 30 Pour notre spectrom tre nous souhaitons une mesure de l nergie Dans ce cas nous utiliserons un SDD dans sa configuration cylindrique comme illustr e sur la Figure 16 24 p506 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 42 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable arge p backside diode Individual p drift rings Figure 16 SDD circulaire Dans cette configuration l anode collectrice est le centre du d tecteur e
128. l PmcaDIl dll Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 146 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Function PmcaSetGain gain integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaDisconnect integer stdcall external PmcaDII dil Function PmcaTerminateCom integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaStartAcquisition setStamp integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaStopAcquisition integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaAsyncGetLiveTime result PInteger integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaAsyncSetThreshold result PInteger threshold integer integer stdcall external PmcaDII dil Function PmcaAsyncStopAcquisition result PInteger integer stdcall external PmcaDI1 dll var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button2Click Sender TObject var DisconnetResult TerminateResult integer begin DisconnetResult PmcaDisconnect If DisconnetResult lt 0 then showmessage PmcaDisconnect error number IntToStr DisconnetResult TerminateResult PmcaTerminateCom If TerminateResult lt 0 then showmessage PmcaTerminateCom error number IntToStr TerminateResult Application ProcessMessages Application Terminate end get spectrum procedure TForm1 Button3Click Sender TObject var spectre SpectreType GraphData variant startchannel numberofchannel getdataresult SelectGroupR
129. lain Carapelle Page 139 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable StaticText10 Font Color clGreen StaticText10 Caption Done beep Aancement du logiciel de traitement application ProcessMessages WinExec LeadAnalysePr SW_SHOWNORMAL application ProcessMessages TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages end procedure TForm1 Button1Click Sender TObject emergency stop var StopResult DisconnetResult TerminateResult integer begin StopResult PmcaStopAcquisition Stop acquisition If StopResult lt 0 then showmessage PmcaStopAcquisition error number IntToStr StopResult DisconnetResult PmcaDisconnect If DisconnetResult lt 0 then showmessage PmcaDisconnect error number IntToStr DisconnetResult TerminateResult PmcaTerminateCom If TerminateResult lt 0 then showmessage PmcaTerminateCom error number IntToStr TerminateResult CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 Stop tube X XRayTube value False While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages Application ProcessMessages end end 8 1 3 Logiciel de traitement LeadAnalyse unit LeadAnalyse interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB type TForm1 class TForm Buttonl TButton Labell TLabel Label2 TLabel Label4 TLabel L1
130. le commercialement il n entrait pas dans les crit res pour tre test De plus il ne r sout pas le probl me de mesure de peinture au plomb sous une couche de peinture neuve sans plomb En f vrier 2004 le LNE publi les circulaires DGS 2004 55 et 2004 10 UHC QC 6 qui d conseillent l utilisation des appareils tube X actuellement disponibles pour les mesures officielles de peintures au plomb Nous nous sommes concentr s sur le cas de la France mais des l gislations similaires existent dans d autres pays Le logiciel que nous avons d velopp est donn l annexe 8 1 LeadPaintCheckerGenericAcquisition et LeadAnalyze 4 2 Mesure du titre des alliages d or Une utilisation possible de la XRF est la mesure du titre de l or Le titre est un syst me de mesure de la puret Pour l or on utilise le carat qui d signe la fraction de la masse en 1 24 d or dans l chantillon L or pur est donc de l or 24 carats un alliage dont X 24 de la masse est compos d or est appel or X carats par exemple 1g d or 18 carats contient 0 75 g d or L or pur donc 24 carats est un m tal noble tr s mall able et ductile il est plus souvent utilis en alliage pour augmenter sa solidit Les m taux ajout s l or pur pour obtenir les diff rents alliages sont le plus souvent l argent et le cuivre Par exemple l or jaune est constitu 52 de 75 d or de 12 5 d argent et de 12 5 de cuivre l or
131. le mesurable avec un d tecteur SDD car en 2010 Schlosser 33 a propos un SDD avec une zone active de 900 um d paisseur r alis e en empilant deux SDD de 450 um La figure suivante montre le gain en passant d une zone de d pl tion de 450 um courbe en pointill e une zone de d pl tion de 900 um courbe en trait continu SDD 900um SDD 450um Quantum Efficiency 100 1000 10000 Energy eV Figure 19 Efficacit s quantique pour une zone de d pl tion de 450 et 900 microns dans un SDD 3 4 3 3 Effet de la temp rature Dans un cas id al la charge cr e aux bornes de la zone de d pl tion polaris e lors du passage d un photon X serait le reflet exact de l nergie d pos e par le photon Dans la r alit les lectrons suivent la statistique de Maxwell Boltzmann leur dispersion en nergie augmente donc avec la temp rature Ce ph nom ne peut th oriquement tre annul en se pla ant pr s du z ro absolu ce qui possible en Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 47 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable utilisant de l h lium liquide Dans la pratique pour des raisons de co t les d tecteurs sont refroidis l azote liquide cas des d tecteurs Si Li ou utilisent des refroidisseurs Peltier cas des d tecteurs Si PIN ou SDD Ce bruit thermique est donc toujours pr sent De plus la g n ration thermique d lectrons dans la zone acti
132. lication ProcessMessages end procedure TForm1 Button1Click Sender TObject emergency stop var StopResult DisconnetResult TerminateResult integer begin StopResult PmcaStopAcquisition Stop acquisition If StopResult lt 0 then showmessage PmcaStopAcquisition error number IntToStr StopResult DisconnetResult PmcaDisconnect If DisconnetResult lt 0 then showmessage PmcaDisconnect error number IntToStr DisconnetResult TerminateResult PmcaTerminateCom If TerminateResult lt 0 then showmessage PmcaTerminateCom error number IntToStr TerminateResult CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 Stop tube X XRayTube value False CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 fermeture rotary solenoid LedRouge value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 161 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 fermeture linear solenoid LedVerte value False Application ProcessMessages end end 8 3 2 Logiciel de d part IsInvarAnalyze unit IsInvarAnalyse interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB type TForm1 class TForm BarFe TCWSlide Buttonl TButton Label2 TLabel StaticText1 TStaticText Label3 TLabel Label4 TLabel
133. m tre fluorescence X portable public Public declarations end Appel des fonctions ext rieures de la DLL type SpectreType array 0 8191 of longword PSpectreType SpectreType Plongword Long Word PInteger Integer Function PmcaConnect port baudRate integer device PmcaDeviceType integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaPowerUp port integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaGetDeviceType PmcaDeviceType stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaGetSerialNumber integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaGetData result PSpectreType channel count integer integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearData integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaClearTime integer stdcall external PmcaDI1 dll Function PmcaClearDataAndTime integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaAsyncClearDataAndTime result PInteger integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaSelectLiveTimer integer stdcall external PmcaDIl dll Function PmcaSetAcquistionTime time integer integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaSetPriority port integer integer stdcall external PmcaDil dil Function PmcaAsyncSetAcquisitionTime result PInteger time integer integer stdcall external PmcaDII dll Function PmcaWait id integer integer stdcall external PmcaDIl dil Function PmcaSetGroup group integer integer stdcall external Pmc
134. minateCom If TerminateResult lt 0 then showmessage PmcaTerminateCom error number IntToStr TerminateResult Application ProcessMessages Application Terminate end get spectrum procedure TForm1 Button3Click Sender TObject var spectre SpectreType GraphData variant startchannel numberofchannel getdataresult SelectGroupResult i integer begin SelectGroupResult PmcaSetGroup 1 If SelectGroupResult lt 0 then showmessage PmcaSetGroup error number IntToStr SelectGroupResult getdataresult PmcaGetData spectre 0 8191 beep GraphData vararraycreate 0 8191 varSingle Affichage de l histogram for i 0 to 8191 do GraphData i spectre i CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 refresh end procedure TForm1 FormActivate Sender TObject var device PmcaDeviceType connectres powerupres serialnumber fempsMesure integer comportnum longint SpectreXName comportnumString fempsMesureString ThresholdString string ParametresX SpectreX textfile ClearResult SetAcquisitionTimeResult SetGainResult SetThresholdResult StartAcquisitionResult integer SelectLiveTimerResult MaxAcquisitionTime SetPriorityResult PSetThresholdResult PGetStatusResult PSetAcquisitionTimeResult integer WaitResult StopResult PAsyncStop SelectGroupResult PClearDataAndTime CurrentLiveTimeResult GetStatusResult integer spectre SpectreType GraphData variant startchannel numberofchannel getdataresult ymax yi i CurrentLiveT
135. n comprise de 300 g e Oxford instrument Optima 98017 avec tension maximum de 45 kV et un courant maximum de 45 uA une anode en Rh et un poids haute tension comprise de 350 g Notons que la disponibilit commerciale de tubes X transportable de tr s haute nergie permet d envisager moyennant l utilisation d un d tecteur ad quat la d tection des raies jusqu 160 keV par ex GemX 160 de X RIS 14 kg batterie incluse Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 32 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 D tecteurs de rayons X Pour r aliser un spectrom tre EDXRE il faut bien s r un d tecteur capable de mesurer l nergie des photons X de fluorescence Ce chapitre va expliquer le choix du d tecteur et les param tres importants prendre en compte 3 4 1 Absorption dans l air et dans la fen tre du d tecteur Les photons de XRF doivent traverser l atmosph re ambiante et la fen tre d entr e du d tecteur avant d atteindre la zone sensible de celui ci L air ambiant contient de l Ar 0 934 en volume 17 or celui ci absorbe les photons X de base nergie Si on souhaite observer des fluorescences basse nergie on replacera l Ar atmosph rique en injectant un balayage par flux flushing d He entre le spectrom tre et l chantillon La figure suivante montre le coefficient d absorption massique en cm g de l Ar et de l He en fonct
136. nResult PmcaSetGain 8 190 If SetGainResult lt 0 then showmessage PmcaSetGain error number IntToStr SetGainResult Async Clear Data and Time PClearDataAndTime 1 ClearResult PmcaAsyncClearDataAndTime PClearDataAndTime WaitResult 1 repeat Begin WaitResult PmcaWait ClearResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 beep If waitresult 0 then Begin StaticText5 Font Color clGreen StaticText5 Caption Cleared Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 158 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable End refresh If ClearResult lt 0 then showmessage PmcaClearDataAndTime error number IntToStr ClearResult Select PLiveTimer SelectLiveTimerResult PmcaSelectLiveTimer If SelectLiveTimerResult lt 0 then showmessage PmcaSelectLiveTimer error number IntToStr SelectLiveTimerResult Async Set Acquisition Time in second MaxAcquisitionTime 0 PSetAcquisitionTimeResult 1 WaitResult 1 SetAcquisitionTimeResult PmcaAsyncSetAcquisitionTime PSetAcquisitionTimeResult MaxAcquisitionTime repeat Begin WaitResult PmcaWait SetAcquisitionTimeResult application ProcessMessages end until WaitResult 0 If waitresult 0 then Begin StaticText6 Font Color clGreen StaticText6 Caption Reset preset IntToStr TempsMesure s End refresh Asynce set threshold PSetThresholdResult 1 WaitResult 1 SetThresholdResult PmcaAsyncSetThreshold PSet
137. nal r el 66 Figure 38 Correction de la d rive de la ligne de base 67 Figure 39 D tails de la correction de la d rive de la ligne de base 67 Figure 40 Mesure de la d rive de la ligne de base pour diff rentes fr quences CDD Se a EE Nan teen ones 69 Figure 41 Sch ma de principe de l amplificateur de mise en forme premi re parte ree Sn Re Re MA re te one 70 Figure 42 Sch ma de principe de l amplificateur de mise en forme deuxi me DURS here ee E ee de 71 Figure 43 Diff rents l ments avant leur montage 75 Figure 44 Support interne et batterie poign e 76 Figure 45 Mod le CAO utilis pour l optimisation g om trique et la r alisation en prototypage rapide SR A a RE rot ter lens eee 11 Figure 46 Mod le CAO partie poign e ss T11 Figure 47 Boitier complet termin 58h ereanninss 78 Figure 48 Sch ma g n ral de l appareil 79 Figure 49 Spectre de XRF d un chantillon de peinture avec 1mg cm de Pb 86 Figure 50 Calibration avec un polyn me du second degr pour la Pb dans les D TENTE AN NE D ND Et 88 Figure 51 Couleur de l or en fonction sa composition 90 Figure 52 Interface utilisateur du logiciel GoldTester 91 Figure 53 Interface utilisateur du logiciel IsInvar 0 0 eee eeeceeeeeeeseeeeneeeeeees 93 Figure 54 Intensit de fluorescence en fonction de l paisseur du coating 94 Figure 55 Intensit de fluorescence
138. nnel l nergie d pos e par le photon X dans la zone de d pl tion l amplitude de chaque mont e du signal en sortie du circuit de conversion courant tension est donc proportionnelle l nergie du photon X Ceci n est bien s r valable que si le photon X a perdu toute son nergie dans la zone de d pl tion Pour que ce soit le cas il faut que celle ci soit assez grande pour arr ter compl tement le photon typiquement 300 um pour des photons jusqu 10 keV 42 De m me lorsque la g om trie du d tecteur et de la source X est telle que le photon X ne traverse pas la totalit de la zone de d pl tion par exemple le photon traverse le coin du d tecteur comme illustr la figure suivante Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 55 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable run ZAGHE Ce DETECTEUR Figure 27 D tection du photon dans la zone de d pl tion le photon ne d posera pas toute son nergie et le nombre de charges produites sera beaucoup plus faible que l nergie r elle du photon cr ant un signal parasite qui contribue augmenter le bruit basse nergie pr sent dans toute mesure d nergie de rayons X r alis e avec ce type de d tecteur 3 5 2 Le pr ampli Le module suivant appel pr ampli par les fabricants est en r alit un ampli de tension La forme du signal reste donc la m me sa sortie elle est juste ampl
139. nt Color clGreen StaticText10 Caption Done beep Aancement du logiciel de traitement application ProcessMessages WinExec GoldAnalyse SW_SHOWNORMAL application ProcessMessages TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do Application ProcessMessages end procedure TForm1 Button1Click Sender TObject emergency stop var StopResult DisconnetResult TerminateResult integer begin StopResult PmcaStopAcquisition Stop acquisition If StopResult lt 0 then showmessage PmcaStopAcquisition error number IntToStr StopResult DisconnetResult PmcaDisconnect If DisconnetResult lt 0 then showmessage PmcaDisconnect error number IntToStr DisconnetResult TerminateResult PmcaTerminateCom If TerminateResult lt 0 then showmessage PmcaTerminateCom error number IntToStr TerminateResult CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 Stop tube X XRayTube value False CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 fermeture rotary solenoid LedRouge value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 fermeture linear solenoid LedVerte value False Application ProcessMessages end end 8 2 3 Logiciel de traitement GoldAnalyse unit Gold Analyse interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB
140. nt absorber une partie du faisceau incident Le nombre de photons X sera donc moindre De plus les atomes de la matrice vont eux aussi produire de la XRF qui va son tour servir de source de photons pour exciter l atome tudi Il recevra donc moins de photons d excitation que si il tait seul pr sent ou pr sent en surface et il recevra en plus d autres photons X dont l nergie ne sera pas la m me l nergie sera celle des diff rentes fluorescences induites dans le matrice que ceux de la source De la m me mani re les photons de fluorescence produits par l atome tudi pourront totalement ou en partie tre r absorb s par la matrice si il ne se trouve pas en surface Pour toutes ces raisons il est difficile de r aliser des mesures quantitatives pr cises d un atome donn lorsque la matrice qui le contient est variable par contre si la matrice est fixe une calibration initiale permet des mesures tr s pr cises C est une des raisons qui fait que la XRF n est pas une m thode magique que certains voudraient pour quantifier avec une grande pr cision n importe quel atome dans n importe quelle matrice 2 4 2 Sensibilit basse nergie Comme expliqu au paragraphe 2 3 c est basse nergie que le nombre de raies de fluorescence est le plus nombreux Ceci ajout au fait que les raies ont une largeur naturelle et que le spectrom tre a une r solution en nergie donn e fait qu
141. o Begin readin SpectreX tmp Spectre i StrToInt tmp End Closefile SpectreX Traitement des donn es Normalisation si tps mesure lt gt 5s Normalisation 5 TempsMesure for i 0 to 8191 do Begin tmpint Spectre i tmpreal tmpint Normalisation Spectre i Round tmpreal end Soustraction du background entre les 2 Pics If reducebckg then Begin moybckg 0 for i piclright to pic2left do moybckg moybckg Spectre i moybckg moybckg pic2left pic lright for i 0 to 8191 do Spectre i Spectre i Round moybckg end s it Lead Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 142 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable testi 3 Lead False Lead 1 False Lead2 False Lead3 False concreal 0 Som1 0 Som2 0 for i piclleft to pic right do Som1 Som1 Spectre i for i pic2left to pic2right do Som2 Som2 Spectre i fini False moy 0 test Som1 pic lright pic Left if Som1 pic lright pic lleft gt bruit then Lead 1 True if Som2 pic2right pic2left gt bruit then Lead2 True Lead3 True moy 0 for i piclright to pic2left do moy moy Spectre i moy moy pic2left pic lright if moy gt bruit then Lead3 False L1 Value False L2 Value False L1 Value Lead1 L2 Value Lead2 L1 Update L2 Update if Lead1 and Lead2 and Lead3 then Lead True Else Lead False Quality test Somme Som1 Som2 concreal a Somme Somme b Somme c
142. oduit un rayonnement de freinage Bremsstrahlung qui sert de source de rayons X L anode produira aussi des rayons X sous formes de raies mono nerg tiques produites par le m me type de ph nom ne que la XRF cause de l excitation provoqu e par l impact du faisceau d lectrons on les appelle raies caract ristiques de l anode Les param tres importants sont donc la tension d acc l ration entre l anode et la cathode c est elle qui fixera l nergie des rayons X produits et l intensit du courant d lectrons acc l r s L intensit du flux de rayons X produit sera proportionnelle ce courant Le spectre des rayons X la sortie du tube sera semblable celui illustr sur la figure suivante 16 400 mA 10 1 0 re gt 5 0 8 08 2 pi 06 06 Mi gt gt 5 04 04 D u T 02 T 02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Energy kV Energy kV Figure 10 Spectre typique d un tube rayons X Sur la figure pr c dente la partie gauche montre l influence du courant du tube sur le spectre mis et la partie droite montre l influence de la tension du tube sur le spectre mis Sur la partie gauche de la figure la tension d acc l ration est de 80 kV En vertu du principe de conservation de l nergie il est normal que les photons produits aient une nergie inf rieure ou gale a 80 keV Notons que le maximum d intensit du spectre se situe app
143. oisira la ROI dont le fitting donne le meilleur r La figure suivante donne l algorithme utilis Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 100 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable E1 E left E2 E right A right BestRSquarre 0 Proceed to parabolic fitting r from fitting gt BestRSqu arre BestRSquarre r BestE1 E1 BestE2 E2 increase E2 by one channe E2 E right A right increase E1 by one channe E1 gt E left Yes Figure 58 Algorithme de recherche de la ROI Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 101 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Ce type de proc dure implique de r aliser plusieurs centaines de fitting de paraboles sur une dizaine de points Bien que le nombre de calculs soit norme le temps de calcul sur un ordinateur actuel processeur 1 GHz est inf rieur une seconde Le code source du programme est donn en annexe 4 4 3 R sultats des mesures L utilisation de l algorithme donn au chapitre pr c dent a permis de mesurer 59 une s rie de coatings r alis au CSL chez Arcelor chez Aleris Les coatings test s sont Cu Al Mg Ti Cr S Ru Zr dans une gamme d paisseur allant de 1 a 2000 nm Pour les l ments l gers Mg Zr Al et S les mesures ont t faites sous balayages d h lium car les fluorescences de ces l ments sont situ es basses nergies L
144. om tre La valeur de la r sistance variable R34 sera ajust e une fois pour toute gr ce la visualisation sur un oscilloscope du signal de sortie de l amplificateur de mise en forme L ajustement d pend de la constante de temps du convertisseur courant tension A la sortie de l tage CR le signal de la Figure 26 sera donc transform en signal du type t Figure 32 Signal la sortie de l tage CR de l amplificateur de mise en forme Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 61 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Cet tage CR a donc supprim la composante d croissance exponentielle lente Pour tre complet signalons aussi que nous avons ajout les diodes D6 et D7 pour cr ter le signal en court circuitant quand le signal d passe un certain seuil ce qui peut arriver avec un signal d entr e de grande amplitude et ou si la fr quence des signaux d entr e augmente trop la r sistance de contre r action de l ampli diff rentiel U2 utilis pour le circuit CR ce qui permet de faire retomber son gain 1 et d viter d arriver un tat de saturation de l ampli La saturation de l ampli est viter car on devrait attendre un temps de r cup ration recovery time apr s la fin de la saturation avant que l ampli soit de nouveau utilisable De mani re sym trique les diodes D4 et DS font le m me effet en cas de signal de trop grande amplitude n
145. omb guide pratique publi par Agence R gionale de Sant du Centre Direction sant publique et environnementale France www centre direccte gouv fr IMG pdf guide_plomb pdf 47 En droit frangais Articles L 1334 1 L 1334 12 et R 1334 1 R 1334 13 du code de la Sant Publique Articles L 271 4 L 271 6 et R 271 1 R 271 5 du code de la Construction et de l Habitation Arr t du 19 ao t 2011 relatif au constat de risque d exposition au plomb Arr t du 25 avril 2006 relatif aux travaux en parties communes n cessitant l tablissement d un constat de risque d exposition au plomb 48 D tection du plomb dans les peintures anciennes avis de l afsse rapport du groupe de travail juin 2005 http www afsset fr upload bibliotheque 030910471281085341763257295499 detection_plomb_peintures pdf 49 J W Mayer and E Rimini Jon Beam Handbook for Material Analysis Academic Press Inc New york 1977 50 https www s nist gov srmors view_cert cfm srm 2573 D Oster LNE Paris 22 janvier 2004 communication priv e http fr wikipedia org wiki Or Ibid http fr wikipedia org wiki Pouss C3 A9e_d 27 Archim C3 A8de 55 Metals handbook Desk Edition 8th Edition edited by H E Boyeret al Carnes Publication Services USA May 1995 56 C Wyon D Delille J P Gonchond F Heider L Kwakman S Marthon I Mazor A Michallet D Muyard L Perino Gallice J C Royer A Tokar Thin Solid Films 450 2004 84 89 57 L M
146. ous ensembles a permis une optimisation g om trique avant la fabrication Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 76 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 45 Mod le CAO utilis pour l optimisation g om trique et la r alisation en prototypage rapide L int gration de la batterie et le passage des fils d alimentation est aussi r alis en CAO avant fabrication La figure suivante montre le mod le CAO pour la partie poign e Figure 46 Mod le CAO partie poign e Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 77 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Pour la r alisation pratique on doit aussi tenir compte des contraintes thermiques impos es par le refroidisseur Peltier du d tecteur si on veut viter une d gradation de la r solution du spectrom tre voir chapitre 3 4 3 3 Une fois ces contraintes int gr es le syst me est mont mais ne fonctionne pas correctement Il appara t que les parasites lectromagn tiques g n r s par la haute tension 35 kV d alimentation du tube X perturbent compl tement les signaux issus du d tecteur les signaux la sortie du d tecteur ont des amplitudes de l ordre du mV La solution consiste blinder compl tement le boitier de la haute tension et du pr ampli avec du cuivre Le blindage en cuivre du pr ampli servant galement pour vacuer la chaleur produite la face chaude
147. ow Follow the indications o place the sample N and press Ok enter calibrated value for sample 1 press Ok o place the sample N 1 and press Ok enter calibrated value for sample 2 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 129 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable press Ok To see the spectrum click on 10 in Settings Window Click on Close settings window 13 in Settings Window Click on Measure 6 in Main Window Click on Save value if needed 10 in Main Window Repeat last two steps for another measurement Click on Quit 11 in Main Window Error Messages DLL error COM Port not available or already used Verify the COM Port configuration of the computer DLL error COM Device not connected on COM Port The COM Port configuration is correct but the hardware is not connected DLL error Measure refused by hardware Hardware problem contact your FINDER 100 distributor DLL error clean up failed non initialize Software problem contact your seller Only supervisor allowed to access advanced settings The initials of the supervisor and password must be used to allow access to change settings and calibration For linear calibration at least 2 calibration points needed You should specify at least two calibration points to do a linear calibration Same measurement twice Calibration will be false Two consecutive measurements are identic
148. pectre Le logiciel calcule que le rapport des concentrations de fer et nickel correspond bien a de l Invar et affiche le r sultat Ce logiciel ne r pond pas une demande particuli re il est une fois de plus une preuve de faisabilit de concept d un seul appareil dont l utilisation est choisie par l utilisation d un logiciel sp cifique La figure suivante montre l interface utilisateur de ce logiciel 1 2 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 92 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable INVAR Analpre AmE IsINVAR Analyse result 100 0 0 0 tis not INVAR ee Quit Cp CR 2002 by A Crepe Figure 53 Interface utilisateur du logiciel IsInvar 4 4 Mesures d paisseurs des d p ts en couches minces coating 4 4 1 Etat des choses Le Centre Spatial de Li ge dispose d un d partement de d p t en couche mince plus commun ment appel coating ce qui nous a permis de disposer facilement de coating de diff rentes paisseurs L id e tait de v rifier que notre spectrom tre XRF permet de mesurer pr cis ment moyennant une phase de calibration l paisseur d un coating donn 56 Nous avons donc mesur l intensit de fluorescence d un d p t de cuivre sur un substrat de silicium monocristallins Si wafer La figure suivante donne l intensit de fluorescence de la raie r sultante de la superposition des raies 49 K 8 026 keV Ka
149. premiers mod les utilisaient des sources d excitation radio isotopes puis plus tard des tubes rayons X miniature R cemment une s rie d avanc es technologiques d veloppement de d tecteurs X semi conducteur haute r solution ne n cessitant pas de refroidissement l azote liquide disponibilit de tube rayons X miniature fiables augmentation de la vitesse des convertisseurs analogique num rique possibilit d embarquer une puissance de calcul importante ont permis le d veloppement rapide et l am lioration de performances des FPXRF Ces derniers peuvent dans bien des cas remplacer les appareils de laboratoire et permettent donc d envisager de nouvelles applications sur le terrain Ce travail d crit la r alisation d un de ces appareils 1 1 Philosophie de d veloppement Ce projet a t d velopp de la mani re suivante un seul mat riel est accompagn de plusieurs logiciels L id e est que le logiciel puisse permettre d utiliser l appareil pour diff rentes applications mesures d paisseur de coatings d tection de d passement du seuil l gal de plomb dans les peintures Notre appareil n est donc pas universel il doit tre adapt en changeant de logiciel l application voulue N anmoins notre appareil peut tre utilis en tant que spectrom tre sans aucun logiciel particulier L utilisateur devra alors lui m me Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle
150. ption FloatToStrF CalibB ffExponent 4 2 StaticText3 Caption FloatToStrF CalibC ffExponent 4 2 StaticText4 Caption FloatToStrF R Carre ffExponent 4 2 StaticTextS Caption IntToStr BestRoiLeft Static Text6 Caption IntToStr BestRoiRight IsCalibrated True Static Text7 Font Color clGreen Static Text7 Caption CALIBRATION OK sauvegarde de la calibration Assignfile CalibrationParameter CalibrationParameter Rewrite CalibrationParameter Writeln CalibrationParameter CalibA Writeln CalibrationParameter CalibB Writeln CalibrationParameter CalibC Writeln CalibrationParameter RCarre Writeln CalibrationParameter BestRoiLeft Writeln CalibrationParameter BestRoiRight Closefile CalibrationParameter refresh Il Affichage double graphe GraphDataX vararraycreate 1 NumberOfCalib varSingle GraphDataY vararraycreate 1 NumberOfCalib varSingle MaxCalibValue 0 MaxOfCalibRange 0 MinOfCalibRange 0 for i 1 to NumberOfCalib do Begin If BestNetAreaArray i gt MaxCalib Value Then MaxCalibValue BestNetAreaArray i Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 178 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable If CalibValue i gt MaxOfCalibRange Then MaxOfCalibRange CalibValue i GraphDataX i BestNetAreaArray i GraphDataY i CalibValue i end MinCalibValue MaxCalibValue MinOfCalibRange MaxOfCalibRange for i 1 to NumberOfCalib do If Be
151. r Alain Carapelle Page 35 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 2 Principes physiques de d tection Dans ce chapitre nous allons donner les principes physiques de fonctionnement des principaux d tecteurs de rayons X Le but est de montrer la pertinence du choix de notre d tecteur sans rentrer dans le d tail de la physique de tous les d tecteurs 3 4 2 1 Films photographiques Historiquement les films photographiques furent les premiers tre utilis s comme d tecteur de rayons X Wilhelm R ntgen qui d couvrit les rayons X en r alit il ne les a pas d couvert mais fut le premier les tudier en d tails en 1895 utilisa d ailleurs d j un film photo la m me ann e pour r aliser une radiographie 20 de la main de sa femme voir figure suivante AE Sur ques Et an pt men orj Felner CAD Fi Fu es movi FE neat tS Figure 13 Film photographique comme d tecteur de rayons X la premi re radiographie Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 36 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Il est remarquable que plus d un si cle plus tard les films photographiques soient encore parfois utilis s en radiographie Les films sont videment des imageurs et ne peuvent donc pas tre utilis s pour mesurer directement l nergie des rayons X Il serait n anmoins possible de les utiliser en WDXRF mais l tape chimique de d veloppemen
152. r qui produit un ph nom ne d amplification directement dans sa structure interne Les paires lectrons trous cr es dans la jonction par un photon X incident sont multipli es par un ph nom ne d avalanche analogue ce qui ce passe dans un d tecteur gaz si une tension de polarisation suffisante 457 5V pour un gain de 40 pour la diode Hamamatsu APD SPL2407 est appliqu e l acc l ration des porteurs de charge dans le champ lectrique va permettre de cr er de nouvelles paires lectrons trous Dans ce cas le signal produit sera sup rieur au bruit lectronique Pour avoir un signal de bonne qualit ce type de diode doit tre l g rement refroidi jusqu 20 C ce qui est facilement r alisable avec un Peltier Les APD de grandes tailles permettent de mesurer des photons X jusqu une nergie de 20 keV 26 Ce type de d tecteur a un temps mort tr s court 4 5 ns par pulse mais sa r solution n est pas excellente 377 eV 5 9 keV 27 et ne suffit donc pas pour r aliser un spectrom tre EDXREF haute r solution Il peut par contre tre utilis en en combinant plusieurs pour r aliser un d tecteur sensible la position Position Sensitive Device ou PSD 28 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 39 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 3 4 2 7 Diode Si PIN Une diode constitu e d une zone non dop e comprise entre une zone dop e P et une zone dop
153. raie tudi e en voici quelques uns e Si la raie choisie est bien isol e il n y aura pas de trop de difficult pour choisir E et Ey C est h las assez rarement le cas il y a souvent d autres Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 97 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable raies de la matrice ou m me du spectrom tre lui m me qui peuvent appara tre Ces raies parasites si elles sont trop proches par rapport la r solution du d tecteur de la raie tudi e vont largir celle ci On risque donc de choisir une ROI qui ne refl te pas uniquement le coating tudi e La largeur de la raie tudi e d pendra de la r solution du d tecteur qui d pend de la temp rature voir chapitre 3 4 3 3 et donc de la temp rature ambiante ou du temps d utilisation si la puissance thermique g n r e par le Peltier n est pas correctement vacu e e Un autre point probl matique est la conversion analogique num rique dans l analyseur multi canal celle ci n est jamais parfaite En effet la conversion entre le signal analogique d entr e de l analyseur multi canal et sa version num ris e transmise l ordinateur il y aura toujours une petite non lin arit au moins gale 1 LSB Least Significant Bit c d l erreur absolue th orique minimum pour n importe quelle conversion analogique num rique dans la pratique elle sera sup rieure Par exemple la non lin
154. rator AC Sample Name test Calibration parameters A 0 B 0 C 0 r 1 delta flux with calibration 5 2 Measured Value 0 Unit mg m II LOW SIGNAL Measurement out of calibration range The Calibration parameters are the result of the data fitting procedure during the calibration The delta flux gives information on the fluorescence flux for advanced user The last message gives information on the measurement condition in this case a low signal has been detected and measurement is outside calibration range 11 Quit the application 12 Difference between the current flux value and the flux value reached during the calibration fitted with a linear regression If this indication is in red it means that the delta flux is more than 10 In that case the measurement could be inaccurate 13 Flux of the measurement 14 Direct signal count Others indication in the main window Two other indications can appear in the main window I LOW SIGNAL This indication is displayed if the direct signal count is less than 100 Measurement out of calibrated range This indication is displayed when the measurement obtained is not in the range of the calibration samples It s up to the operator or Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 126 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable the supervisor to decide about the validity of the measurement
155. ratory University of California 11 R Jenkins X Ray Fluorescence Spectrometry Second Edition A series of monographs on analytical chemistry and its application volume 152 John Wiley amp Sons Inc New York 1999 p 6 12 Hanke W et al X ray Spectrum 14 1 43 1985 13 W R Leo Techniques for nuclear and particles physics experiments A how to approach Second Revised Edition Springer Verlag Berlin 1994 p123 14 J D Brownridge and S Raboy Journal of Applied Physics Vol 86 No 1 July 1999 15 Hiroyuki Ida and Jun Kawai X Ray Spectrometry 34 225 229 2005 16 P Cherry and A Duxbury Practical Radiotherapy Physics and Equipment 2nd Edition Wiley Blackwell Hoboken NJ USA 2009 17 R D Weast CRC Handbook of Chemistry and Physics 67th edition CRC Press Inc Boca Raton Florida USA 1986 18 XCOM Photon Cross Sections Database NIST Standard Reference Database 8 XGAM M J Berger et al NIST PML Radiation and Biomolecular Physics Division http www nist gov pml data xcom index cfm 19 Ketek GmbH Allemagne Mode d emploi du d tecteur SDD version 9905 20 http commons wikimedia org wiki File First_medical_X ray_by_Wilhelm_R C3 B6ntgen_of_his_wife_Anna_Bertha_Ludwig 27s_hand_ _18951222 gif 21 K D Irwin et al Applied Physics Letters 69 1945 1996 22 J N Ullom et al Applied Physics Letters 87 19 2005 23 S Lotti et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Acc
156. re 65 Spectre XRF des connecteurs SWAP La pr sence des raies Laet Lg du plomb confirme bien la pr sence de ce dernier La raie La l or est aussi pr sente car ce type de connecteur CP2 SA110 G1 TG30 de chez 3M poss de des contacts sur lesquels une couche d or de 30 um a t d pos e Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 111 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 4 6 Comparaisons spectrom triques Afin de comparer notre appareil d un point de vue purement spectrom trique nous avons pris les spectres des m mes chantillons avec notre appareil et un autre appareil du m me type 68 Les r sultats sont donn s sous forme de spectres bruts pas de traitement par un logiciel notre appareil est not CSL dans les figures suivantes et l autre appareil est not CEA La figure suivante montre le r sultat pour l chantillon NIST SRM 2573 de peinture avec 1 040 0 064 mg cm de plomb 104 103 Coups canal 102 E keV Figure 66 Comparaison spectrom trique pour l chantillon NIST SRM 2573 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 112 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable La figure suivante montre le r sultat pour une feuille d or pur de 50 um d paisseur Coups canal E keV Figure 67 Comparaison spectrom trique pour une feuille d or pur de 50 microns La figure suivante montre le r sultat pour un
157. re du fichier ParametresX csl Closefile ParametresX refresh application ProcessMessages Il Lancement de MCA_x refresh application ProcessMessages i gettickcount Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 133 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable repeat if gettickcount gt i 2500 then application processMessages until gettickcount gt i 5000 beep application ProcessMessages WinExec MCA_x_LeadPaint SW_SHOWNORMAL application ProcessMessages Application Terminate end end 8 1 2 Logiciel d acquisition MCA_X_LeadPaint unit Unitl interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB CWDAQControlsLib_TLB var TickCount Longint type PmcaDeviceType PMCA_AUTO_DETECT PMCA_ 8000 PMCA_8000A type TForm1 class TForm StaticText1 TStaticText StaticText2 TStaticText Labell TLabel Label2 TLabel Label3 TLabel Button2 TButton Label4 TLabel StaticText3 TStaticText CWGraph1 TC WGraph StaticText4 TStaticText StaticText5 TStaticText Label6 TLabel Label8 TLabel Label9 TLabel Label10 TLabel StaticText6 TStaticText Labell 1 TLabel StaticText7 TStaticText StaticText8 TStaticText Label7 TLabel StaticText9 TStaticText StaticText10 TStaticText Label12 TLabel StaticText11 TStaticText StaticText12 TStaticText Label13 TLabel XR
158. rface utilisateur de ce logiciel GoldAnalyze x Gold Quality Tester CH No Gold Detected Quit Figure 52 Interface utilisateur du logiciel GoldTester CICR 2008 by ACanpule Le tableau suivant montre l influence du temps de mesure sur les r sultats affich par le logiciel Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 91 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable chantillon Temps de mesure s R sultat 24 carats 60 24 24 carats 10 24 18 carats 60 19 18 carats 10 18 14 carats 60 15 14 carats 10 14 Tableau 6 R sultats affich par le logiciel GoldTester 4 3 V rification de l InVar Un autre logiciel simple a t d velopp pour v rifier qu un chantillon est bien constitu d Invar L Invar est un alliage de fer 64 et de nickel 36 qui a la particularit d avoir un coefficient de dilatation tr s faible 55 1 4x10 m m K Le logiciel v rifie simplement la pr sence des raies les plus intenses du fer et du nickel Les trois fluorescences les plus intenses 49 du fer sont K 6 39 keV Ky 6 398 keV et Ka 6 403 keV Vu la r solution de notre d tecteur ces trois raies sont confondues sur le spectre Les trois fluorescences les plus intenses du nickel sont Ky a 7 46 keV Ka 7 471 keV et Ky 7 477 keV Vu la r solution de notre d tecteur ces trois raies sont aussi confondues sur le s
159. roximativement la moiti de la tension d acc l ration D o la r gle empirique en XRF si l on veut exciter une raie de Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 31 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable fluorescence l nergie E en keV on r glera la tension d acc l ration du tube X 2 E kVolts Il sera de toute fa on impossible d exciter des raies de fluorescence dont l nergie est sup rieure la tension d acc l ration du tube dans notre cas 35 kV tube Moxtek Miniature Bullet L avantage de l utilisation d un tube X miniature est que vu son faible courant 100 uA maximum dans notre cas et la faible tension d acc l ration 35 kV maximum dans notre cas il n y a pas besoin de tous les raffinements anode tournante bain d huile fen tre lat rale filtres pr sents sur les mod les plus gros Il existe aussi d autres mod les de tubes X miniatures disponibles commercialement par exemple e Amptek Mini X avec une tension maximum de 50 kV et un courant de 5 uA 200 uA une anode en Ag ou en Au et un poids haute tension comprise de 360 g e Moxtek MAGNUM avec une tension maximum de 50 kV et un courant maximum de 200 LA une anode en Ag W Au Pd Ta ou Rh et un poids haute tension comprise de 350 g e Amptek Eclipse III avec une tension maximum de 30 kV et un courant maximum de 100 uA une anode en Ag et un poids haute tensio
160. se est lanc automatiquement Du point de vue de l utilisateur il suffit de cliquer sur LeadPaintCheckerGenericAcquisition exe et tout se d roule automatiquement 8 1 1 Logiciel de d part LeadPaintCheckerGenericAcquisition unit GenericAcquisitionLeadPaintChecker interface Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 132 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls type TForm1 class TForm Labell TLabel Button1 TButton Button2 TButton Label8 TLabel Label10 TLabel Label2 TLabel Editl TEdit Label3 TLabel procedure Button2Click Sender TObject procedure Button 1Click Sender TObject private Private declarations public Public declarations end var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button2Click Sender TObject begin Application Terminate end procedure TForm1 Button1Click Sender TObject var ParametresX ParametresAlpha textfile i integer begin refresh application ProcessMessages cr ation du fichier ParametresX cs Assignfile ParametresX ParametresX csl Rewrite ParametresX Writeln ParametresX LeadPaintSpectrum Nom du spectre X Writeln ParametresX Edit1 text Temps de mesure Writeln ParametresX 1 Comm port canal X Writeln ParametresX 2500 Seuil Spectre X Fermetu
161. se the same measurement time for calibration and measurement otherwise the calibration will be false 4 Operator identification name initials will be written in the Saved values report The supervisor initials are needed to access the settings window 5 Name of the current sample This name is only written in the Saved values report 6 Click this button to start a measurement The following window will then appear In case of emergency it is possible to stop the measurement by clicking the EMERGENCY STOP button In that case the X Ray flux will be interrupted and the measurement will be canceled no spectrum is saved 7 Result of the measurement according to the calibration 8 Measure unit the unit can be changed by the supervisor in the settings window 9 Settings window only the supervisor is allowed to display the settings window 10 Save the value in the Saved values report Any new action on save value button will append the new value to the report The report is a file text named Finder100Report txt and located in the same directory as the specific application executable Each executable application program is stored in a specific directory Here is an example of the text report Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 125 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable FINDER100 Measurement Report Date 26 10 2005 Time 15 51 11 Ope
162. sh CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 3 Stop tube X XRayTube value False CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 fermeture rotary solenoid LedRouge value False TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 1000 do Application ProcessMessages CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 fermeture linear solenoid LedVerte value False getdataresult PmcaGetData spectre 0 8191 GraphData vararraycreate 0 8191 varSingle Affichage de l histogram for i 0 to 8191 do GraphData i spectre i CWGraph1 PlotY GraphData CWGraph1 refresh ymax 10 axe y avec y max 10 for yi 2500 to 7500 do recherche du haut pt entre canal 2500 et 8000 Begin if spectre yi gt ymax then ymax spectre yi end CWGraph1 Axes Item 2 Maximum Ymax re scale axe y avec haut pt entre canal 2500 et 8000 CWGraph1 Refresh StaticText9 Font Color clGreen StaticText9 Caption Done Sauvegarde du spectre Assignfile XRaySpectrum SpectrexName Rewrite XRaySpectrum SpectreXName Writeln XRaySpectrum X Ray Spectrum by A Carapelle C CSL 2002 for i 0 to 8191 do Writeln XRaySpectrum IntToStr spectre i Closefile XRaySpectrum StaticText10 Font Color clGreen StaticText10 Caption Done beep Aancement du logiciel de traitement application ProcessMessages WinExec Isinvaranalyse SW_SHOWNORMAL application ProcessMessages TickCount GetTickCount While GetTickCount TickCount lt 2000 do App
163. si une s rie de circuits annexes d alimentation Les alimentations fournissent les tensions suivantes e 12V 12V et OV r gul s en tension pour l amplificateur et le pr ampli e 2 V r gul en courant 0 6A pour le Peltier refroidisseur int gr au boitier du d tecteur e 160V r gul en tension pour l alimentation des ponts diviseurs qui fournissent les tensions de polarisations des anneaux du SDD 3 5 5 2 Le controle du tube X Le tube rayons X est aliment par une haute tension HT ajustable qui fournit une tension entre 10 et 35 kV avec un courant de 0 100 uA Cette HT est fournie avec le tube par le fabricant de ce dernier Moxtek Les param tres de cette HT sont fix s par deux signaux de commandes Ieontroy pour le courant et Veontro pour la tension il faut aussi fournir la puissance cette HT En r sum les tensions fournir a cette HT sont e 12 V DC pour la puissance Fono 0 4 VDC comme signal de commande pour fixer le courant de la HT 0 V correspondant 0 uA et 4 V correspondant 100 uA la relation de correspondance est lin aire Viontroi 3 5 VDC comme signal de commande pour fixer la tension de la HT 1 V correspondant 10 KV et 3 5 V correspondant 35 KV la relation de correspondance est lin aire Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 73 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable La HT renvoie des signaux de monitoring
164. sique avec l nergie du photon incident Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 16 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 2 2 Position des pics de fluorescence X Les niveaux d nergies des lectrons tant quantifi s l nergie du photon XRF mis est donn e par la diff rence d nergie entre les deux niveaux impliqu s dans la transition L nergie de chacun des niveaux est donn e par la formule suivante 9 p9 6 EB GS en du 1 i Rh n n3 1 1 4n 2 ox Z dn jE D IU 1 s s 1 n 21 1 3 2 2 Avec h la constante de Planck n le nombre quantique principale 1 le nombre quantique azimutal s le nombre quantique de spin j le nombre quantique du moment angulaire total j I s S et dns des constantes d crans qui doivent tre introduites pour tenir compte des autres lectrons R est la constante de Rydberg valable pour les l ments de Z gt 5 et a la constante de structure fine donn e par 27e 7 hc A avec e la charge de l lectron et c la vitesse de la lumi re Les mod les th oriques sont bas s sur la m canique quantique et notamment sur les r gles de transitions interdites et autoris es Al 1 Aj 0 ou 1 Il existe des raies qui ne r pondent pas a ces r gles mais leurs intensit s sont tr s faibles et elles sont donc peu utilis es en XRF Terminons en signalant que l nergie de fluorescence des atomes est tr s peu affect e par
165. source de Fe en fonction de la temp rature mesur avec un taux de comptage de 1500 coups s et une temp rature ambiante de 22 C 173 eV 20 C shaping time de 0 25 us 143 eV 0 C shaping time de 1 us 140 eV 10 C shaping time de 1 us 136 eV au refroidissement maximum shaping time de 1 us Rapport signal sur bruit 400 a 600 e Amplificateur de mise en forme shaping amplifier Mise en forme par un circuit par CR RC Compensation du p le z ro ajustable P Z cancelation Circuit de restauration de la ligne de base BLR restoration avec une d rive mesur e en sortie de l amplificateur donn e par la tableau suivant pour diff rentes fr quences d un flux constant et des signaux de diff rentes hauteurs 18 kHz 30 kHz 50 kHz 100 kHz 150 kHz Signal de 1 V 1045 mV 1345 mV 2845 mV 60 5 mV 9045 mV Signal de 2 5 V 15 5 mV 2545 mV 4045 mV 8045 mV 130 5 mV Signal de 4 V 2045 mV 3045 mV 5045 mV 11045 mV_ 16045 mV Signal de 4 5 V 15 5 mV 2545 mV 5045 mV 12045 mV 16045 mV Tableau 3 Mesure de la BLR sur flux constant 2 e Analyseur multi canal Conversion analogique num rique par approximation successives Temps de conversion lt 5 us gt 200000 coups Lin arisation a chelle glissante Non lin arite diff rentielle lt 0 6 Donn es fabricant Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page
166. spectrom tre fluorescence X portable l utilisateur il suffit de cliquer sur IsInvarMAC_X exe et tout se d roule automatiquement 8 3 1 Logiciel de d part IsInvarMAC_X unit IsInvarMAC_X interface uses Windows Messages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls OleCtrls CWUIControlsLib_TLB CWDAQControlsLib_TLB var TickCount Longint type PmcaDeviceType PMCA_AUTO_DETECT PMCA_ 8000 PMCA_8000A type TForm1 class TForm StaticText1 TStaticText StaticText2 TStaticText Labell TLabel Label2 TLabel Label3 TLabel Button2 TButton Label4 TLabel StaticText3 TStaticText CWGraph1 TCWGraph StaticText4 TStaticText StaticText5 TStaticText Label6 TLabel Label8 TLabel Label9 TLabel Label10 TLabel StaticText6 TStaticText Labell 1 TLabel StaticText7 TStaticText StaticText8 TStaticText Label7 TLabel StaticText9 TStaticText StaticText10 TStaticText Label12 TLabel StaticText11 TStaticText StaticText12 TStaticText Label13 TLabel LedVerte TC WButton Label14 TLabel LedRouge TCWButton Labell 5 TLabel XRayTube TCWButton CWDIO1 TCWDIO Buttonl TButton procedure Button2Click Sender TObject procedure Button3Click Sender TObject procedure FormActivate Sender TObject procedure Button 1Click Sender TObject private Private declarations Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 155 R alisation d un spectro
167. ssages SysUtils Classes Graphics Controls Forms Dialogs StdCtrls type TForm1 class TForm Labell TLabel Button1 TButton Button2 TButton Label8 TLabel Label10 TLabel Label2 TLabel Edit1 TEdit Label3 TLabel procedure Button2Click Sender TObject procedure Button1Click Sender TObject private Private declarations public Public declarations end var Form1 TForm1 implementation R DFM procedure TForm1 Button2Click Sender TObject begin Application Terminate Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 144 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable end procedure TForm1 Button1Click Sender TObject var ParametresX ParametresAlpha textfile i integer begin refresh application ProcessMessages cr ation du fichier ParametresX csl Assignfile ParametresX ParametresX csl Rewrite ParametresX Writeln ParametresX GoldSpectrum Nom du spectre X Writeln ParametresX Edit1 text Temps de mesure Writeln ParametresX 1 Comm port canal X Writeln ParametresX 2500 Seuil Spectre X Fermeture du fichier ParametresX csl Closefile ParametresX refresh application ProcessMessages Lancement de MCA_x refresh application ProcessMessages i gettickcount repeat if gettickcount gt i 2500 then application processMessages until gettickcount gt i 5000 beep application Process
168. stNetAreaArray i lt MinCalib Value Then MinCalibValue BestNetAreaArray i for i 1 to NumberOfCalib do If Calib Value i lt MinOfCalibRange Then MinOfCalibRange Calib Value i d but graph graph CWGraph2 Plots Item 1 PlotXvsY GraphDataX GraphDataY MaxCalibValue MaxCalibValue 1 1 MinCalibValue MinCalib Value 0 9 RangeCalibValue MaxCalibValue MinCalibValue GraphDataX vararraycreate 1 100 varSingle GraphDataY vararraycreate 1 100 varSingle For i 1 to 100 do Begin GraphDataX i MinCalib Value i 1 RangeCalib Value 99 GraphData Y i GraphDataX i GraphDataX i CalibA GraphDataX i CalibB CalibC end CWGraph2 Plots Item 2 PlotXvsY GraphDataX GraphDataY end Actions faire l ouverture de la settings form procedure TSettingsForm FormCreate Sender TObject begin StaticText5 Caption IntToStr IdealRoiLeft StaticText6 Caption IntToStr IdealRoiRight StaticText1 caption FloatToStrF CalibA ffExponent 4 2 StaticText2 Caption FloatToStrF CalibB ffExponent 4 2 StaticText3 Caption FloatToStrF CalibC ffExponent 4 2 StaticText4 Caption FloatToStrF RCarre ffExponent 4 2 StaticText7 Caption OLD CALIBRATION end Procedure change calibration prameters procedure TSettingsForm Button3Click Sender TObject begin beep showmessage Change calibration parameters at your own risk calibration no more valid 1 CalibA StrToFloat InputBox Calibration parameter
169. t il faut parfaitement maitriser les diff rents param tres et algorithmes pour que les DSP montrent leur pleine puissance Les lectroniques analogiques utilis es en spectrom trie sont tudi es en d tails depuis presque soixante ans 72 et l influence des diff rents param tres et du design est bien connue tandis que les syst mes DSP sont d velopp s depuis seulement une quinzaine d ann es les diff rents algorithmes utilis s sont encore en plein d veloppement Dans certains Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 121 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable cas 73 les syst mes analogiques se montrent encore sup rieurs m me si l avenir les syst mes de types DSP prendront certainement l avantage Ils ne nous semblent pas encore assez mature l heure actuelle cette opinion est partag e 74 par certains industriels du milieu du nucl aire On peut donc penser que dans quelques ann es un appareil comme le n tre comportera un DSP mais l heure actuelle cela nous semble encore un peu trop t t 5 4 Utilisation d un tube X haute nergie Une autre possibilit d am lioration est d utiliser un tube X de plus haute nergie sans aller jusqu un tube 14 kg et 160 kV voir chapitre 3 3 il existe maintenant des tubes miniatures de 50 kV Amptek Mini X Moxtek Magnum 50 kV qui associ s un d tecteur SDD avec une zone active de 900 um voir chapitre
170. t me DSP automatisation de la renormalisation mais en l tat actuel notre appareil r pond d j la demande de certains utilisateurs RDCS par ex et permet de d montrer sur plusieurs applications les performances obtenues Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 123 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 7 Annexe mode d emploi du logiciel de mesure de coatings Introduction applications Main Window The purpose of the present user s manual is to describe the use of the FINDER 100 Dedicated software is available for each application The user interface is the same for all the Thickness layer measurement Substrate Electrozingue lt Measured Layer z Measurement time l6 seconds Operator DL lt _ Sample name Test lt 6 Measured signal Tot al flux 0 stl ae ave value aut FINDER 100 V1 03 Cel Measure Value 000 lt O mg m lt 0 OO o IF DELTA FLUX IN RED Delta flux with calibrations 0 0 0 5 EEE AN V 103 C AC2006 1 Name of the substrate for a specific application Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 124 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 2 Name of the layer to be measured Tips 1 amp 2 are the indicators to identify which application software is applicable Each set Substrate and Measured layer is unique 3 Measurement time U
171. t it to a He bottle not supplied The flux is to be gently adjusted to avoid a too high pressure of He on the detector window very fragile Once the flux has been adjusted it shall not be changed for the whole sequence of measurement as a variable partial pressure could mislead the operator Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 131 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 8 Annexes codes sources des logiciels d velopp s D une mani re g n rale le contr le de l analyseur multi canal se fait par l utilisation d une librairie de type Application Programming Interface API fournie par le fabricant Amptek Tous les d tails et les commandes de cette API sont disponibles sur le site d Amptek l adresse http www amptek com mcasoft html Le contr le du tube X se fait par l envoi d un signal TTL g n r par une carte d entr e sortie num rique National Instrument DAQCard DIO 24 Les commandes logicielles sont simplement Pour d marrer le tube X CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 1 Pour arr ter le tube X CWDIO1 Ports Item 0 SingleWrite 0 8 1 Mesure de plomb dans les peintures Le premier programme LeadPaintCheckerGenericAcquisition cr e un fichier de configuration ParametresX et lance le programme de contr le du spectrom tre et d acquisition du spectre MCA _ X LeadPaint la fin de l acquisition le logiciel d analyse LeadAnaly
172. t les anneaux concentriques servent a g n rer le champ lectrique ad quat Toutes les charges g n r es par le passage du photon X dans la diode polaris e sont donc collect es par l anode centrale La charge collect e est proportionnelle l nergie perdue par le photon X Dans la pratique les anneaux concentriques doivent tre polaris s avec une tension ad quate afin d obtenir le potentiel comme illustr la Figure 16 Ces polarisations sont r alis es par de simples ponts diviseurs r alis s avec des r sistances voir chapitre 3 5 5 1 La r solution en nergie du SDD utilis est de 136 eV 5 9 keV source de calibration de 2 Fe Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 43 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Comme le d tecteur doit tre refroidi il est conditionn dans un bo tier scell sous une atmosph re neutre azote sec pour viter la condensation de l humidit de l air ambiant Le tableau 10 suivant reprend une comparaison des principaux d tecteurs Energy AE E at Dead Maximum range 59 keV time event count rate Detector keV us h Gas ionization 0 2 50 n a n a 101ta current mode Gas proportional 0 2 50 15 0 2 106 Multiwire and 3 50 20 02 10 mm2 microstrip proportional Scintillation 3 10 000 40 0 25 2x 10 Nal T Energy resolving 1 10 000 2 1 0 5 30 5 x 10 semiconductor Surface barrier 0 1 20 n a n a 108 curr
173. t photographique ne permet pas une utilisation pratique 3 4 2 2 Dispositif transfert de charge Mieux connu sous leur abr viation CCD Charge Coupled Device ce type de senseur d image est devenu l un plus r pandu actuellement Bien qu il existe des CCD sensibles au rayons X par d tection directe ou indirecte via un cran phosphorescent le probl me est le m me que pour les films photographiques on devrait les utiliser dans un spectrom tre de WDXRF pour pouvoir les utiliser 3 4 2 3 Microcalorim tre En 1996 Irwin 21 a d velopp un microcalorim tre pour mesurer l nergie des rayons X Le principe de fonctionnement se base sur la mesure de l nergie d pos e par le photon X dans un film mince supraconducteur se trouvant au seuil de la transition supraconductrice 100 mK Les tr s faibles variations de temp rature induites par les rayons X provoquent une variation de la r sistance laquelle est mesur e via la variation de courant par un dispositif SQUIDS par mesure du champ magn tique induit par le courant Les derniers d veloppements permettent d obtenir des d tecteurs de rayons X avec une r solution de 2 4 eV mesur e 5 9 keV 22 Pour atteindre les temp ratures de fonctionnement on doit utiliser de l h lium liquide ce qui rend ce type de d tecteur difficilement utilisable dans un appareil portable De plus vu la petite taille du d tecteur la gamme d nergie se limite quelques ke
174. tension avec l amplificateur U2 Le condensateur de cet tage de diff rentiation tant le condensateur C9 Ce circuit CR am ne h las un ph nom ne parasite l apparition d un d passement inf rieur plus commun ment appel undershoot comme illustr ci apr s d passement inf rieur I Figure 31 Undershoot de l amplificateur Ce ph nom ne peut tre expliqu par l tude d taill e de la fonction de transfert du diff rentiateur 24 p633 cette tude montre que l ajout d une r sistance de valeur Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 60 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable ad quate en parall le avec le condensateur permet de compenser l undershoot Cette compensation est g n ralement appel e pole zero cancelation Dans la pratique on utilisera un pont diviseur R34 amp R9 voir Figure 41 en sortie d un ampli diff rentiel pour simuler une r sistance variable pouvant aller de 33kohms valeur de R10 l infini le r glage se faisant en ajustant le potentiom tre R34 qui fixe la valeur du diviseur Ce ph nom ne de p le z ro si il n est pas compens peut conduire haut taux de comptage la sous estimation de l amplitude du signal de sortie de l amplificateur de mise en forme et in fine conduire une erreur sur la mesure de l nergie du photon X amenant ainsi une d gradation de la r solution de tout le spectr
175. ter of the ax2 bx c equation will always be zero in that case Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 128 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 7 Perform a parabolic calibration 8 The Supervisor can manually change the calibration equation parameters In that case the calibration validity is no more insured by the software The supervisor is responsible for the calibration validity 9 The spectrum of the last measurement can be displayed in that area The two vertical blue lines are surrounding the peak according to Left and Right value given in 4 10 To activate last spectrum display in area 9 11 Direct signal count of the last measurement 12 After a calibration linear or parabolic this area shows the calibration curve blue line and the different calibration points red cross X 13 Close the settings windows Typical measurement sequence Start the FINDER 100 program related to the desired application Choose the measurement time 3 in Main Window Enter the supervisor initial 4 in Main Window and password Enter a sample name 5 in Main Window Click on settings 9 in Main Window The Settings Window appears Change the measurement unit if needed 1 in Settings Window Type the number of samples for calibration 5 in Settings Window Click on linear calibration 6 in Settings Window or parabolic calibration 7 in Settings Wind
176. terface utilisateur le mode d emploi du logiciel et les proc dures d utilisation du logiciel de mesure d paisseurs sont donn s en annexe 4 5 Autres utilisations de la XRF Nous avons aussi test notre appareil pour d autres utilisations possibles bien qu aucun logiciel sp cifique n ait t crit les r sultats des tests montrent les capacit s de notre appareil 4 5 1 Mesure pour les d p ts LIFT Le CSL a particip 62 un projet de d p t par laser de type laser induced forward transfer 63 LIFT Ce type de proc d utilise un laser puls focalis sur un substrat donneur en film mince une partie de la mati re de ce dernier est transf r e sur un substrat receveur Ce principe est illustr sur la figure suivante Faisceau laser Substrat donneur wa _ Film mince distance Substrat receveur Figure 60 Principe des d p ts LIFT Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 104 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Dans le cas mesur en XRF il s agissait d un d p t d or substrat donneur sur une feuille de nickel substrat receveur Les d p ts r alis s de cette mani re variaient de 0 2 1 um La figure suivante montre les mesures XRF r alis es 45000 40000 R 0 9941 35000 30000 25000 I counts 20000 15000 10000 5000 0 02 04 06 08 1 Thickness um Figure 61 Mesure XRF de d p ts LI
177. tilise aussi parfois des signaux bipolaires pour des mesures de timing pr cis au passage par z ro L l ment suivant est donc un amplificateur de mise en forme shaping amplifier son but est de transformer un signal comme illustr sur la Figure 26 en Gaussienne dont la hauteur sera proportionnelle l nergie perdue par le photon X dans la zone de d pl tion du d tecteur Pour cela on utilisera la succession d un circuit CR diff rentiateur suivi et d un ou plusieurs circuits RC int grateur Ce type de montage est appel CR RC avec n le nombre d tages d int grations Dans la pratique les circuits CR et RC utilis s sont bien s r des versions utilisant des amplificateurs diff rentiels Le circuit CR va transformer le signal comme illustr sur la Figure 26 en exponentielle d croissante avec une constante de temps beaucoup plus courte 300 ns dans notre cas Dans le cas d un circuit CR diff rentiateur classique comme illustr a la figure suivante la r sistance est connect e a la masse et la tension mesur e en sortie est la d riv e du signal d entr e Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 59 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Figure 30 Circuit diff rentiateur classique La tension de sortie est donc proportionnelle au courant traversant la r sistance Dans notre cas le courant traversant la r sistance R11 voir Figure 41 est transform en
178. trom tre fluorescence X portable Figure 34 Condensateur en sortie du montage CR RC6 A cause de cela en aval du condensateur la moyenne de toute tension continue doit tre nulle Si ce n tait pas le cas un courant continu fini passerait par la r sistance du circuit dans le circuit r el il s agit de R39 voir Figure 42 cette r sistance est n cessaire pour permettre au condensateur de se charger d charger si elle n tait pas pr sente on aurait un potentiel inconnu Ce courant continu devrait donc obligatoirement traverser le condensateur ce qui est physiquement impossible Ceci explique donc que la valeur moyenne de la tension en aval de C30 voir Figure 42 doit tre nulle On peut sch matiser en disant que l air sous la courbe de la partie n gative du signal doit tre gal l air sous la courbe de la partie positive du signal ce qui implique un d calage de la ligne de base La figure suivante 24 p652 montre ce principe pour des signaux carr s V t t ss areas Baseline shift Figure 35 Illustration de la d rive de la ligne de base sur un signal carr Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 64 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Ce d calage de la ligne de base baseline shift n est pas constant et d pendra donc de la hauteur et de la fr quence des impulsions Pour un signal gaussien on aura donc le cas illustr sur la figure suivante V
179. u un d tecteur SDD est soumis des radiations ionisantes par exemple de tr s haut flux de rayons X il apparait des dommages dans les oxydes le constituant et l interface oxyde silicium ce qui cause une augmentation du courant de fuite du d tecteur et donc du bruit parall le voir chapitre 3 4 3 4 et donc une d gradation de la r solution en nergie de tout le spectrom tre 3 4 3 7 Caract ristique particuli re du signal La r ponse instrumentale en nergie du d tecteur 9 p 242 et de son lectronique est une Gaussienne mais le processus de XRF produit des pics de forme Lorentzienne dont la largeur est li e 9 p11 a la dur e de vie des tats excit s qui provoquent la fluorescence Le pic observ sur le spectre en nergie est donc la convolution d une Lorentzienne et d une Gaussienne c est donc une fonction de Voigt 41 Lors de l valuation du spectre il faut donc que le logiciel de traitement tienne correctement compte de la forme du pic cas de WinAxil ou qu il s en affranchise logiciel de mesure d paisseur de coating pr sent dans ce travail 3 5 Chaine d acquisition lectronique Comme en spectroscopie alpha ou gamma la chaine d acquisition lectronique sera compos e du d tecteur d un pr amplificateur d un amplificateur de mise en forme d un analyseur multicanal Multichannel Analyzer ou MCA et d une unit de traitement typiquement un ordinateur ou un processe
180. uivante Source radio isotope Tube X Autonomie Plus importante car pas d alimentation lectrique Moins importante car alimentation du tube X S curit en fonctionnement Blindage n cessaire rayonnement gamma Peu de blindage car X de faible nergie S curit l arr t Probl me de la pr sence de source radioactive Pas de probl me Intensit de la source Peut tre tr s intense mais tenir compte de la l gislation et de la disponibilit Limit e par les tubes X portables existants Temps de mesure Long si source peu active D pend de l intensit du tube Sensibilit fonction du Fixe d pend du spectre d mission de la source Peut tre ajust e avec la tension du tube num ro choisie atomique Usure de la Ind pendante de l utilisation Pas d usure si on ne l utilise source pas Tableau 1 Comparaison radio isotope tube X Pour notre appareil nous avons choisi d utiliser un tube X 3 3 Fonctionnement d un tube a rayons X Le principe de fonctionnement du tube X est le suivant une cathode est chauff e et des lectrons sont thermo mis Ceux ci sont acc l r s par une diff rence de potentiel et viennent s arr ter brutalement sur une anode La d c l ration des Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 30 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable lectrons pr
181. ul e en Net area Comme le spectre est en pratique compos par l histogramme constitu des diff rents canaux de l analyseur multi canal l axe x d un spectre est un nombre fini de colonnes 4096 si on utilise une conversion analogique num rique sur 12 bits contenant chacune un nombre entier repr sentant le nombre de photons de cette nergie particuli re La net area pourra donc se calculer avec la formule suivante I J 10 14 E E 13 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 95 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Avec I E l intensit dans la colonne l nergie E La forme de la courbe de la Figure 54 s explique comme dans le cas de la peinture au plomb par le fait que plus la fluorescence est intense donc plus le coating est pais plus on est confront au probl me de pile up et donc un ph nom ne similaire celui illustr la Figure 5 partie gauche De plus l intensit de fluorescence th orique en fonction de l paisseur d un d p t est donn e 57 par j i HE u Te men ee 1 _ 9 Pasir py a a 14 P HEp HEs avec I l intensit de la fluorescence k la concentration de l atome tudi dans le d p t Ip l intensit du faisceau d excitation d nergie Ep d l angle d incidence du faisceau d excitation par rapport au plan de l chantillon ugp le coefficient d att nuation massique l nergie Ep Qs l
182. uments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 624 2010 270 276 34 P Lechner et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 458 2001 281 287 35 CREMAT CR 200 Gaussian shaping amplifier application guide rev 2 April 2008 Cremat Inc USA 36 Introduction to amplifiers ORTEC 37 D M Scholsser et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 624 2010 270 276 38 V Osorio Areva Canberra WinAxil Octobre 2006 presentation au CSL 39 Amptek Silicon Drift Detectors SDD Application Note AN SDD 003 http www amptek com ansdd003 html 40 P Lechner et al International Centre For Diffraction Data 2004 Advances in X ray Analysis Volume 47 41 http fr wikipedia org wiki Fonction_de_Voigt 42 P Lechner et al Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 377 1996 346 43 Signal Processing and Electronics for Nuclear Spectroscopy Proceedings of a Technical Meeting Vienna 20 23 November 2007 International Atomic Energy Agency IAEA TECDOC 1634 44 http www developpement durable gouv fr Plomb dans les peintures 12969 html 45 http fr wikipedia org wiki C C3 A9ruse 46 Le saturnisme intoxication par le pl
183. un module Peltier est directement int gr au chip d tecteur La face froide du Peltier est en contact avec le SDD lui m me et la face chaude est coupl e thermiquement avec un pas de vis pour permettre un montage qui vacuera la chaleur Une sonde de temp rature est mont e sur le chip SDD afin de pouvoir v rifier son bon refroidissement Dans le cas du SDD utilis le Peltier est capable de cr er une diff rence de temp rature de 30 C entre sa face chaude et sa face froide Pour cela on doit s assurer de pouvoir vacuer une puissance thermique de 2 W On voit donc que la r solution en nergie va se d grader si le spectrom tre est utilis dans un environnement chaud ou si le dimensionnement thermique de l vacuation n est pas suffisant pendant de longues s ries de mesures la temp rature du SDD finira par augmenter 3 4 3 4 Autres sources de bruit Le rapport signal sur bruit va d pendre de l lectronique de mise en forme du signal ce point est discut au chapitre 3 5 3 1 de la capacit du d tecteur voir chapitre 3 4 3 1 mais aussi du shaping time que l on peut d finir 35 comme 2 4 fois la largeur mi hauteur de la Gaussienne la sortie de l amplificateur de mise en forme voir chapitre 3 5 3 1 Comme expliqu au chapitre 2 4 4 plus les signaux mis en forme sont courts plus leur fr quence pourra tre lev e pour tre rigoureux il faut noter quand dans le cas de la XRF la statistique suivie p
184. ur Sch matiquement la cha ne d acquisition lectronique sera donc la suivante Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 52 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Ampli de tension 2 z z appel pr ampli Analyseur multi canal ni MCA a D tecteur Ampli de mise en forme avec convertisseur appel shapping amplifier charge tension int gr Figure 23 Principe g n ral de la cha ne d acquisition lectronique 3 5 1 La conversion courant tension en sortie de d tecteur D un point de vue lectronique le d tecteur de rayons X peut tre vu comme une diode aux bornes de laquelle apparaissent des charges lorsqu un photon X traverse sa partie sensible la zone de d pl tion lorsque la diode est polaris e Le but du convertisseur courant tension est de convertir en tension ces charges qui sont apparues aux bornes de la diode Pour cela on peut utiliser un montage convertisseur courant tension comme celui ci D tecteur Li gt Figure 24 Principe du convertisseur courant tension Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 53 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Les charges vont s accumuler aux bornes du condensateur et celui ci va se d charger travers la r sistance La constant de temps de l ensemble RC est typiquement de 50 us dans les lectroniques
185. van der Haar C Sommer Thin Solid Films 450 2004 90 96 58 A Carapelle Jean Marc Defise David Strivay Henri Pierre Garnir Computer Physics Communications 182 2011 1304 1306 59 A Carapelle K Fleury Frenette J P Collette H P Garnir and P Harlet Review of Scientific Instruments Volume 78 Issue 12 2007 51 52 53 54 Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 182 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable 60 P Jamoton janvier 2013 communication priv e 61 H Stocker F Jundt G Guillaume Toute la physique Dunod Paris 1999 62 K Fleury Frenette P Gailly A Kupisiewicz M Deno l L Langer Characteristics of LIFT deposited gold coatings in Proceedings of the European Conference on Nano Films Li ge 2010 63 M Kandyla et al Opto electronics Review 18 4 345 351 A M Barthe cole des mines d Albi rapport de stage d tudiant ao t 2005 http fr wikipedia org wiki Directive_RoHS B D Dunn Soldering amp Surface Mount Technologies 20 4 2008 37 J P Halain D Berghmans J M Defise E Renotte T Thibert E Mazy P Rochus B Nicula A De Groof D Seaton U Schiihle Proc SPIE 7732 24 2010 77320P 68 D Strivay communication priv e Li ge Juillet 2013 69 Arquimea dosument ARQ_10109_AED_001_issue_02 70 L Bombelli A Multichannel Integrated Readout Circuit for High Throughput X ray Spectroscopy with Silicon Drift
186. ve donnera aussi lieu une faible charge aux bornes de la diode polaris e L effet de la temp rature est donc double La quantit de charge produite pr sente une dispersion en nergie ce qui am ne un largissement des pics du spectre de XRF mesur La figure suivante 34 montre l volution de la largeur mi hauteur FWHM mesur e sur le pic Mn K 5 895 keV d une source radioactive de Fe en fonction de la temp rature le chiffre c t de chaque point tant le shaping time 500 SDD 30 mm 400 0 5 psec SDD 10 mm 300 FWHM eV 5 9 keV 200 100 40 20 0 20 40 60 temperature C Figure 20 Influence de la temp rature sur la r solution en nergie d un SDD Th se de doctorat pr sent e par Alain Carapelle Page 48 R alisation d un spectrom tre fluorescence X portable Unsignal de tr s faible amplitude sera pr sent aux bornes de la diode cause de la g n ration thermique d lectrons il donnera lieu un bruit tr s important basse nergie sur le spectre XRF II convient de le minimiser en diminuant la temp rature du SDD afin de diminuer le temps mort total et le pile up de la cha ne d acquisition pendant le traitement d un pulse de faible amplitude du bruit thermique la cha ne lectronique ne traite pas les pulses utiles et le retour la ligne de base sera aussi moins bon voir chapitre 3 5 3 2 Pour minimiser ces probl mes

Réalisation d`un spectromètre à fluorescence X portable

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