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Principes de base de la microanalyse par sonde électronique

Le principe a été défini par Castaing dans sa thèse en 1951. Cette technique est basée sur la spectrométrie des rayons X émis par un échantillon sous l'impact d'un faisceau incident d'électrons. Les électrons incidents vont ioniser les atomes du matériau analysé, le retour de l'atome à l'état initial s'accompagnant de l'émission d'un photon X d'énergie et de longueur d'onde caractéristique de l'atome émetteur.

Pour ensuite pouvoir obtenir des résultats quantitatifs, on va comparer le matériau à analyser avec des témoins dont la composition a été déterminée par d'autres techniques analytiques.
Le but est d'obtenir la composition chimique du matériau.

Appareillage

- La microsonde SX50

Microsonde électronique CAMECA SX50

Microsonde électronique CAMECA SX50

La microsonde SX50 dont dispose le service a été conçue par la société Cameca qui conçoit aussi des microsondes ioniques. Le SX50 s'apparente par sa colonne électronique aux microscopes électroniques à balayage mais dispose de spectromètres dispersifs en longueur d'onde (WDS - Wavelengh Dispersive Spectrometer). Cette microsonde est automatisée par le système SAM'x.

- Les spectromètres WDS et cristaux analyseurs

Ces spectromètres sont dotés de cristaux analyseurs qui vont diffracter les émissions X de l'échantillon sous l'impact du faisceau électronique. Les photons sont diffractés vers le compteur proportionnel à gaz Ar-CH4 qui transmettra les informations via une chaîne de comptage pour le traitement quantitatif des données.
Les phénomènes de diffraction sont régis par la loi de Bragg :

2dsinθ = nλ

λ est la longueur d'onde de l'émission X caractéristique de l'élément émetteur. Elle est fixée pour tous les éléments de la classification périodique et disponible sous forme de tables.
θ est l'angle de diffraction ; il peut varier en déplaçant le cristal analyseur sur un axe correspondant à la trajectoire de collection des photons émis par l'échantillon. Il est donc possible de positionner le cristal pour diffracter l'émission X d'un élément précis.
d est l'équidistance des plans (h,k,l) du cristal ; elle peut varier en fonction de la nature du cristal.

Dans le tableau ci-dessous sont reportées les caractéristiques des principaux cristaux utilisés en microanalyse, la dernière colonne correspondant à la gamme d'éléments analysables par leurs émissions Kα, les autres éléments étant analysés par leurs émissions L ou M.

Nom Type Formule 2d (Å) Raies Kα
LIF Fluorure de lithium LiF 4.027 de Mn à Ga
PET Pentaerythritol C5H12O4 8.742 de S à Cr
TAP Thallium acid phtalate C8H5O4Tl 25.9 de Na à P
PC1 Multicouche W/Si 60 N,O et F
PC2 Multicouche Ni/C 95 B et C
PC3 Multicouche Mo/B4C 210 Be et B

Les cristaux multicouches du tableau ci-dessus sont une nouvelle génération de cristaux apparus à la fin des années 80, ils sont formés d'une alternance de couches d'un élément léger (Si, C) et d'un élément lourd (W, Ni) qui permettent d'obtenir des 2d très élevés. Ils sont spécifiquement destinés à l'analyse des éléments légers dont les émissions K sont à très grande longueur d'onde. Il existe un cristal multicouche avec un 2d de 200 Å permettant l'analyse du béryllium.

La microsonde SX50 du service est équipée avec 3 spectromètres WDS avec, pour chacun, une tourelle rotative à plusieurs cristaux interchangeables (2 ou 4). La configuration est la suivante :

  • Spectro 1 : PET, TAP, PC1, PC3 ;
  • Spectro 2 : TAP, PC2 ;
  • Spectro 3 : LIF, PET.

Intérêts

Sur la base de cette configuration, il est possible d'analyser 3 éléments simultanément, avec une durée d'analyse pour chaque élément de 20 secondes en moyenne. Il faut moins de 2 minutes pour analyser une dizaine d'éléments dans un matériau avec une précision relative de l'ordre du pour-cent. Ces analyses sont ponctuelles et non destructives, elles sont effectuées dans un volume de quelques microns cube, avec des limites de détection (qui dépendent du temps d'analyse) d'environ 100 ppm (0,01 %). Outre la rapidité et la précision des analyses quantitatives, l'intérêt de la microanalyse par sonde électronique réside dans la possibilité de dosage d'une gamme d'éléments allant du béryllium à l'uranium.
Parmi les possibilités qu'offrent les logiciels de traitement des données, on peut citer l'analyse qualitative, les profils de concentration, les images X de répartition et la quantification de ces images, l'analyse de couches minces (épaisseur et concentration), ...

Pour en savoir plus

Des compléments d'information sur la microanalyse par sonde électronique peuvent être trouvés dans les ouvrages suivants (ces ouvrages ont en partie permis de réaliser cette page) :
Eberhart J.-P., 1989 - Analyse structurale et chimique des matériaux, édition Dunot.
REED S.J.B., 1993 - Electron microprobe analysis, 2nd Ed., Cambridge University press.

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