Émission de rayons X induite par des particules - Particle-induced X-ray emission
L'émission de rayons X induite par des particules ou l' émission de rayons X induite par des protons ( PIXE ) est une technique utilisée pour déterminer la composition élémentaire d'un matériau ou d'un échantillon. Lorsqu'un matériau est exposé à un faisceau d' ions , des interactions atomiques se produisent qui émettent un rayonnement EM de longueurs d' onde dans la partie des rayons X du spectre électromagnétique spécifique à un élément. PIXE est une technique d'analyse élémentaire puissante mais non destructive maintenant utilisée couramment par les géologues, les archéologues, les restaurateurs d'art et d'autres pour aider à répondre aux questions de provenance, de datation et d' authenticité .
La technique a été proposée pour la première fois en 1970 par Sven Johansson de l'Université de Lund , en Suède, et s'est développée au cours des années suivantes avec ses collègues Roland Akselsson et Thomas B Johansson.
Les extensions récentes de PIXE utilisant des faisceaux étroitement focalisés (jusqu'à 1 m) offrent une capacité supplémentaire d'analyse microscopique. Cette technique, appelée microPIXE , peut être utilisée pour déterminer la distribution des éléments traces dans une large gamme d'échantillons. Une technique apparentée, l'émission de rayons gamma induite par des particules (PIGE) peut être utilisée pour détecter certains éléments lumineux.
Théorie
Trois types de spectres peuvent être collectés à partir d'une expérience PIXE :
- Spectre d'émission de rayons X.
- Spectre de rétrodiffusion de Rutherford .
- Spectre de transmission de protons.
émission de rayons X
La théorie quantique stipule que les électrons en orbite d'un atome doivent occuper des niveaux d'énergie discrets pour être stables. Le bombardement avec des ions d'énergie suffisante (généralement des protons MeV) produits par un accélérateur d'ions, provoquera l'ionisation de la couche interne des atomes dans un spécimen. Les électrons de la couche externe tombent pour remplacer les lacunes de la couche interne, mais seules certaines transitions sont autorisées. Des rayons X d'une énergie caractéristique de l'élément sont émis. Un détecteur à dispersion d'énergie est utilisé pour enregistrer et mesurer ces rayons X.
Seuls les éléments plus lourds que le fluor peuvent être détectés. La limite de détection inférieure pour un faisceau PIXE est donnée par la capacité des rayons X à traverser la fenêtre entre la chambre et le détecteur de rayons X. La limite supérieure est donnée par la section efficace d'ionisation, la probabilité d' ionisation de la couche d' électrons K , elle est maximale lorsque la vitesse du proton correspond à la vitesse de l'électron (10% de la vitesse de la lumière ), donc des faisceaux de protons de 3 MeV sont optimales.
Rétrodiffusion des protons
Les protons peuvent également interagir avec le noyau des atomes de l'échantillon par le biais de collisions élastiques, la rétrodiffusion de Rutherford , repoussant souvent le proton à des angles proches de 180 degrés. La rétrodiffusion donne des informations sur l'épaisseur et la composition de l'échantillon. Les propriétés de l'échantillon en vrac permettent de corriger la perte de photons de rayons X dans l'échantillon.
Transmission de protons
La transmission de protons à travers un échantillon peut également être utilisée pour obtenir des informations sur l'échantillon. La canalisation est l'un des processus qui peuvent être utilisés pour étudier les cristaux.
Analyse des protéines
L' analyse des protéines à l' aide de microPIXE permet de déterminer la composition élémentaire des protéines liquides et cristallines. microPIXE peut quantifier la teneur en métal des molécules de protéines avec une précision relative comprise entre 10 % et 20 %.
L'avantage du microPIXE est qu'étant donné une protéine de séquence connue, l'émission de rayons X du soufre peut être utilisée comme étalon interne pour calculer le nombre d'atomes de métal par protéine monomère. Étant donné que seules les concentrations relatives sont calculées, il n'y a que des erreurs systématiques minimes et les résultats sont totalement cohérents en interne.
Les concentrations relatives d' ADN par rapport aux protéines (et aux métaux) peuvent également être mesurées en utilisant les groupes phosphate des bases comme étalonnage interne.
L'analyse des données
L'analyse des données collectées peut être effectuée par les programmes Dan32, le frontal de gupix.
Limites
Afin d'obtenir un signal de soufre significatif à partir de l'analyse, le tampon ne doit pas contenir de soufre (c'est-à-dire pas de composés BES, DDT , HEPES , MES , MOPS O ou PIPES ). Des quantités excessives de chlore dans le tampon doivent également être évitées, car elles chevaucheront le pic de soufre ; KBr et NaBr sont des alternatives appropriées.
Avantages
L'utilisation d'un faisceau de protons par rapport à un faisceau d'électrons présente de nombreux avantages. Il y a moins de charge cristalline provenant du rayonnement de Bremsstrahlung , bien qu'il y en ait un peu provenant de l'émission d' électrons Auger , et il y en a beaucoup moins que si le faisceau primaire était lui-même un faisceau d'électrons.
En raison de la masse plus élevée des protons par rapport aux électrons, il y a moins de déviation latérale du faisceau ; ceci est important pour les applications d' écriture de faisceaux de protons .
Balayage
Des cartes bidimensionnelles des compositions élémentaires peuvent être générées en balayant le faisceau microPIXE à travers la cible.
Analyse cellulaire et tissulaire
L'analyse de cellules entières et de tissus est possible à l'aide d'un faisceau microPIXE, cette méthode est également appelée microscopie nucléaire .
Analyse des artefacts
MicroPIXE est une technique utile pour l'analyse non destructive des peintures et des antiquités. Bien qu'il ne fournisse qu'une analyse élémentaire, il peut être utilisé pour distinguer et mesurer des couches dans l'épaisseur d'un artefact. La technique est comparable aux techniques destructives telles que la famille d'analyses ICP .
Écriture par faisceau de protons
Les faisceaux de protons peuvent être utilisés pour l' écriture ( écriture par faisceau de protons ) soit par le durcissement d'un polymère (par réticulation induite par des protons ), soit par la dégradation d'un matériau sensible aux protons. Cela peut avoir des effets importants dans le domaine de la nanotechnologie .