TP3 Spectroscopie Fluorescence X

Djillali Liabes of SBA University
Faculty of Technology
Department of Civil Engineering and Public Works
Master of Materials in Civil Engineering
Méthodes Expérimentales
Méthodes Physiques et
Physico-chimiques
Mme . E. MOSTEFA KARA

Mr. LABDOUN
La spectroscopie d’émission
La spectroscopie de fluorescence X
Diffraction des rayons X
La microscopie électronique à balayage
2 La spectroscopie de
fluorescence X
Qu’est-ce que La spectroscopie de fluorescence X ?
• C’est une technique d'analyse chimique non destructive
qualitative et quantitative utilisant une propriété physique de
la matière, la fluorescence de rayons X.
• Elle permet d’identifier et de déterminer la plupart des
éléments chimiques qui composent un échantillon.
• Elle peut être utilisée pour des matériaux très variés :
minéraux, céramiques, ciments, métaux, huiles, eau, verres...
3
sous forme solide ou liquide.
• Elle consiste à irradier un échantillon soit par un
faisceau de rayons X, soit par bombardement avec
des électrons ayant suffisamment d’énergie, pour que
les atomes ionisés émettent un rayonnement de
fluorescence X.
• Le spectre des rayons X émis par la matière est
caractéristique de la composition de l'échantillon.

4
• Les éléments sont identifiés par les longueurs
d'onde du rayonnement de fluorescence (analyse
qualitative) .
• Les concentrations des éléments présents dans
l'échantillon sont déterminées par l'intensité de
rayons X secondaires (analyse quantitative).

5
Principe
• Lorsqu’un électron d’une couche interne (E0) est arraché à un
atome sous l’effet d’un rayonnement quelconque (photons X
ou gamma, électrons, ions, protons), un électron d’une
autre couche d’énergie supérieure E1 vient immédiatement
(10-16s) prendre sa place en émettant un photon d’énergie E1–
E0.
• C’est le phénomène de fluorescence atomique ou de

6
fluorescence X.
Spectre de fluorescence
• Il présente l’intensité recueillie par le détecteur en
fonction de l’énergie émise par l’échantillon.
• Il est constitué de pics caractéristiques qui correspondent
chacun à une transition électronique d’un atome
constituant l’échantillon et d’un fond continu.
• Les différents éléments sont aisément identifiés à
partir de la position des pics. 7

Appareils
Zetium Cement
• Analyse rapide durant toutes les phases du processus
de production de ciment de la matière première au
ciment final selon les normes ASTM C114 et ISO
29581-2.
• Le module THETA intégré est dédié à l'analyse de la
teneur en chaux vive dans le clinker.

8
Appareils Epsilon 1
• C’est un analyseur de spectrométrie de fluorescence X à
dispersion d'énergie.
• Il est conçu pour la caractérisation et l'analyse de n'importe quel
type d'échantillon dans de nombreux secteurs d'activité, tels que
le ciment, l'environnement, les métaux et les revêtements,
l'exploitation minière et de minéraux, les nanomatériaux, les
produits pétrochimiques ainsi que les polymères. 9

Appareils
Analyseurs portatifs
10
3 La diffraction des rayons X
Qu’est-ce que La diffraction des rayons X ?
• Les essais de Diffraction des Rayons X (DRX) EB) sont
effectués dans le but de connaitre la quantité de
minéraux qui sont présents dans les différents
matériaux, ainsi que l'état de surface des grains.
• La DRX permet l'étude cristallographique des
matériaux.
12
• La DRX s'applique uniquement aux milieux cristallins
(roches, cristaux, minéraux, pigments, argiles...)
présentant les caractéristiques de l'état cristallin,
c'est-à-dire un arrangement des atomes constitutifs
de façon périodique, ordonné et dans des plans
réticulaires tridimensionnels.
13
• Les rayons utilisés proviennent d’ondes
électromagnétiques utilisées dans de nombreuses
applications (l’imagerie médicale, l’astronomie,
l’angiographie…).
• Ils sont caractérisés par une longueur d’onde très
courte se situant entre 0.01 et 10 nanomètre.

14
Appareils
• les rayons X sont produit par un tube, vertical en haut, muni
d’une cathode ;
• Un cristal fixé au centre de la photo et à l'extrémité d'une fine
aiguille de verre manipulée par une tête goniométrique
permettant de tourner le cristal dans toutes les directions selon
trois axes successifs tout en le maintenant dans un faisceau de
rayons X ;
15
• Une caméra vidéo contrôlant le centrage du cristal.
Appareils
• Un puits positionné en bas au milieu, tenu par une lame,
recueille les rayons X directs qui n'ont pas interagit avec le
cristal ;
• Un système de refroidissement du cristal.
16
Principe
• Elle consiste à bombarder l'échantillon avec des rayons
X, et à enregistré l'intensité de rayons X diffusés selon
l'orientation dans l'espace.
• Les rayons X diffusés interfèrent entre eux, l'intensité
présente des valeurs maximales dans certaines
directions (phénomène de diffraction).

17
Principe
• On enregistre l'intensité détectée en fonction de
l'angle de déviation 2θ du faisceau ;
• La courbe obtenue s'appelle le diffractogramme.
• L'échantillon est une poudre homogène isotrope ou
bien un solide composé de minuscules cristaux soudés
entre eux (méthode des poudres).

18
Principe
• La source de rayons X est un tube sous vide, muni d’un
dispositif permettant de ne sélectionner qu'une seule
longueur d'onde (filtre, monochromateur); on travaille
en monochromatique.
• Lorsqu'un faisceau de rayons X monochromatique est
dirigé sur un matériau polycristallin, il est en partie
réfléchi par les plans atomiques de certains cristaux. 19

Principe
• Pour que la diffraction des photons X soit mesurée, l'incidence du
faisceau par rapport aux plans atomiques doit avoir lieu sous un angle
particulier.
• Les ondes réfléchies doivent être en phase de sorte à interférer
de manière constructive pour ensuite être mesurées par le
détecteur.
• Les conditions nécessaires à cette interférence constructive sont

20
données par la loi de Bragg :
Principe
21
Diffractogramme
• Le diffractogramme est un enregistrement de l'intensité diffracté
en fonction de l'angle 2θ formé avec le faisceau direct.
• L'étude de diffractogramme permet d’obtenir un grand nombre
d'informations sur les caractéristiques structurales de
l'échantillon telles que les structures cristallines des différentes
phases, la présence des textures etc....

22
Pics du diffractogramme
• L’analyse des pics du diffractomètre permet de caractériser les
cristallites présents dans l’échantillon à partir des éléments suivants :
✓Position des pics : analyse qualitative, identification de phases
cristallines présentes ;
✓Largeur des pics : taille et forme des cristallites, contraintes internes ;
✓Intensité des pics : estimation de composition chimique, analyse
quantitative, orientation préférentielle.

23
Structure des minéraux
• Les minéraux peuvent être constitués d’une structure amorphe ou
cristallisée, en fonction du degré d’ordre de leur arrangement
atomique.
Matériaux amorphes
24
Structure des minéraux
Matériaux Cristallisés
25
Diffractogramme Ciment
26
Diffractogramme Cendre volante
27
Diffractogramme fumée de silice
28
Diffractogramme quartz broyé
29
4 La microscopie électronique
à balayage
Qu’est-ce que La microscopie électronique à balayage ?
• La MEB est une technique d'observation de la topographie
des surfaces.
• Elle est capable de produire des images en haute
résolution de la surface d'échantillon en utilisant le
principe des interactions électrons matières.
• Elle est très utilisée pour observer la morphologie des

31
précipités et de certaines phases.
Appareils
32
Principe
• Un faisceau très fin d'électrons, monocinétique, balaie la
surface d'un échantillon où se produisent des interactions
détectées par un capteur qui contrôle la brillance d’un
oscilloscope cathodique dont le balayage est synchronisé avec
celui du faisceau d'électrons.
• L'interaction électrons-matière va entraîner l'émission de
photons X et d'électrons. 33
Principe
• Ces électrons sont de trois types : les rétrodiffusés, les secondaires et
d'Auger.
• Avec cet appareil, nous travaillons sous vide afin d'éviter les
interférences et ainsi limiter le bruit.
• Il présente un fil de tungstène qui va chauffer et émettre ainsi des
électrons.
• Ces électrons vont être accélérés de par l'application d’une

34
différence de potentiel.
Principe
• Ensuite, une bobine constituée de fils de cuivre va
condenser le faisceau.
• Enfin, une seconde bobine de balayage va permettre de
défléchir le faisceau et de voir une image plus grande
que la surface éclairée par le seul faisceau car celui ci
balaye la surface de l'échantillon. 35

Principe
36
Principe
Électrons secondaires
• Ils sont issus d'une interaction entre les électrons
émis avec le nuage électronique des atomes
de l'échantillon.
• Propriété : une énergie faible (interaction inélastique).
• Ces électrons permettent d'obtenir des informations
sur la topographie de l'échantillon.

37
Principe
Électrons rétrodiffusés
• Ce sont les électrons qui sont entrés en collision avec des noyaux des atomes
de l'échantillon.
• Propriété : perte d’énergie faible (interaction élastique).
• Les atomes les plus lourds réémettront plus d'électrons.
• Les zones formées d'atomes avec un nombre atomique élevé apparaitront plus
brillantes que d'autres (contraste de phase). 38

Principe
• Chaque type d'électrons est détecté avec un détecteur spécifique.
• électrons secondaires : détecteur d'Everhart-Thornley est utilisé.
• Ce détecteur n'est pas positionné dans l’axe du faisceau pour éviter
de recevoir des électrons rétrodiffusés.
• Ce détecteur est notamment constitué d'une grille polarisable qui
va attirer les électrons secondaires dont l'énergie est plus faible.
39
Principe
• Le détecteur d'électrons rétrodiffusés est placé, dans
notre cas, à la verticale de l'échantillon (axe du
faisceau) pour pouvoir récupérer un maximum de
ces éléments.
• Ce détecteur est une diode contenant silicium et
lithium.
40
Exploitation des résultats
• La quantité d'électrons secondaires produite ne dépend pas de la nature chimique de
notre matière, mais, plutôt de l'angle d'incidence du faisceau primaire avec la
surface...
• L'imagerie avec électrons secondaires fonctionne par contraste topographique ;
• Les zones les plus claires sont les zones constitués de "pics« (renvoie plus d'électrons);
• Les zones foncées sont des "creux"...

41
Exploitation des résultats
• L'imagerie avec électrons rétrodiffusés fonctionne en contraste de phases.
• Les éléments dont le numéro atomique Z est le plus élevé apparaitront plus clairement.
• On sait que l'élément molybdène (Mo) est β-gène avec Z = 42.
• Tandis que l'aluminium (Al) est α-gène avec Z = 13.
• Ainsi, sur les images, le molybdène (donc les zones β-gènes) apparaîtront plus clairement
que l'aluminium (zones α-gènes) en raison du numéro atomique Z plus faible.

42
Exemples
43
Exemples
44
Exemples
45
Exemples
46
Exemples
47
Exemples
48

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qualitative et quantitative utilisant une propriété physique de

la matière, la fluorescence de rayons X.

• Elle permet d’identifier et de déterminer la plupart des

éléments chimiques qui composent un échantillon.

• Elle peut être utilisée pour des matériaux très variés :

minéraux, céramiques, ciments, métaux, huiles, eau, verres...

• Elle consiste à irradier un échantillon soit par un

faisceau de rayons X, soit par bombardement avec

des électrons ayant suffisamment d’énergie, pour que

les atomes ionisés émettent un rayonnement de

• Le spectre des rayons X émis par la matière est

caractéristique de la composition de l'échantillon.

• Les éléments sont identifiés par les longueurs

d'onde du rayonnement de fluorescence (analyse

• Les concentrations des éléments présents dans

l'échantillon sont déterminées par l'intensité de

rayons X secondaires (analyse quantitative).

atome sous l’effet d’un rayonnement quelconque (photons X

ou gamma, électrons, ions, protons), un électron d’une

autre couche d’énergie supérieure E1 vient immédiatement

(10-16s) prendre sa place en émettant un photon d’énergie E1–

• C’est le phénomène de fluorescence atomique ou de

fonction de l’énergie émise par l’échantillon.

• Il est constitué de pics caractéristiques qui correspondent

chacun à une transition électronique d’un atome

constituant l’échantillon et d’un fond continu.

• Les différents éléments sont aisément identifiés à

partir de la position des pics. 7

de production de ciment de la matière première au

ciment final selon les normes ASTM C114 et ISO

• Le module THETA intégré est dédié à l'analyse de la

teneur en chaux vive dans le clinker.

• C’est un analyseur de spectrométrie de fluorescence X à

• Il est conçu pour la caractérisation et l'analyse de n'importe quel

type d'échantillon dans de nombreux secteurs d'activité, tels que

le ciment, l'environnement, les métaux et les revêtements,

l'exploitation minière et de minéraux, les nanomatériaux, les

produits pétrochimiques ainsi que les polymères. 9

• Les essais de Diffraction des Rayons X (DRX) EB) sont

effectués dans le but de connaitre la quantité de

minéraux qui sont présents dans les différents

matériaux, ainsi que l'état de surface des grains.

• La DRX permet l'étude cristallographique des

• La DRX s'applique uniquement aux milieux cristallins

(roches, cristaux, minéraux, pigments, argiles...)

présentant les caractéristiques de l'état cristallin,

c'est-à-dire un arrangement des atomes constitutifs

de façon périodique, ordonné et dans des plans

• Les rayons utilisés proviennent d’ondes

électromagnétiques utilisées dans de nombreuses

applications (l’imagerie médicale, l’astronomie,

• Ils sont caractérisés par une longueur d’onde très

courte se situant entre 0.01 et 10 nanomètre.

• Un cristal fixé au centre de la photo et à l'extrémité d'une fine

aiguille de verre manipulée par une tête goniométrique

permettant de tourner le cristal dans toutes les directions selon

trois axes successifs tout en le maintenant dans un faisceau de