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Étude succincte du nouveau détecteur du banc d’analyse XRF
du laboratoire EPOC
M. Dobrijevic1,2, A. Le Postollec1,2, and I. Billy3
1Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS, B18N, allée
Geoffroy Saint-Hilaire, 33615 Pessac, France. Email : michel.dobrijevic@u-bordeaux.fr
2Université de Bordeaux, F-33400 Talence, France
3Université de Bordeaux, UMR "EPOC" CNRS 5805, allée Geoffroy Saint-Hilaire, 33615
Pessac, France
11 décembre 2021
1 Introduction
Le laboratoire EPOC possède depuis 2007 un XRF core scanner de la société AVAATECH
permettant l’analyse automatisée par fluorescence X de la composition chimique (éléments ma-
jeurs et mineurs) des dépôts sédimentaires. Cet instrument est destiné principalement à l’analyse
de carottes sédimentaires et ses applications relèvent essentiellement des thématiques suivantes :
— la compréhension des océans et des climats passés,
— les mécanismes de mise en place de dépôts sédimentaires en milieu marin et fluvial,
— les transformations chimiques dans les premiers centimètres des dépôts sédimentaires.
Plus récemment, nous l’avons utilisé pour faire des analyses sur des échantillons de météorites
(voir par exemple Dobrijevic et al. 2020 [1]).
Le laboratoire a changé le détecteur à la fin de l’année 2020 et nous avons mené quelques
études pour comparer les performances du nouveau détecteur au précédent, quantifier le gain en
sensibilité et identifier les contaminations instrumentales de ce nouveau détecteur.
Dans ce cours article, nous présentons tout d’abord les analyses effectuées sur des standards
avec l’ancien et le nouveau détecteur pour quantifier le gain en sensibilité (chapitre 2). Nous
complétons ensuite cette première partie par des analyses sur des métaux avec des compositions
relativement bien connues (chapitre 3) et une analyse dans l’air (chapitre 4) pour déterminer
l’ensemble des contaminations instrumentales. Les principaux résultats sont résumés dans la
conclusion (chapitre 5).
2 Analyse des standards
Pour toute cette étude, les conditions expérimentales sont présentées dans la Table 1. Nous
avons utilisé deux énergies d’excitation (10 KV et 30 KV) pour avoir les éléments du tableau
périodique entre le magnésium (Mg) et le fer (Fe) à 10 KV et au-delà du fer à 30 KV. Seul le
nombre de coups sous l’aire de la raie K-αest donné dans les tableaux suivants (sauf pour le
plomb (Pb) pour lequel c’est la raie L-αqui est détectée).
Quatre standards ont été utilisés pour comparer les deux détecteurs. Il s’agit de : JGb1
(gabbro), JR1 (rhyolite), KGa-1 (kaolinite) et SARM4 (norite). Les abondances élémentaires (en
1
Table 1– Conditions expérimentales des analyses XRF pour les standards et les métaux (source au rhodium
(Rh)).
Standards Métaux
Énergie d’excitation (KV) 10 30 10 30
Courant (µA) 400 1500 400 1500
Temps d’acquisition (s) 10 15 10 10
Filtre - Pd épais - Pd épais
ppm) sont données sur la Figure 14 de l’annexe B. Pour chaque standard, nous avons utilisé un
modèle différent en nous basant sur la liste des éléments devant être présents (données fournies
par la société AVAATECH) et en complétant par des éléments présents en faible quantité (mais
non mentionnés dans ces standards) pour interpréter correctement l’ensemble des raies spectrales.
Remarque générale : certains éléments sont difficiles à détecter en XRF. Il est notamment
difficile de détecter les éléments de faible abondance, en particulier ceux qui font partie des
contaminants instrumentaux. Il y a aussi des problèmes de détection pour certains éléments dont
les raies sont contaminées par des raies d’éléments bien plus abondants. C’est le cas par exemple
du soufre (S), du chlore (Cl) (dont les raies sont contaminées par des raies de rhodium (Rh) 1) et
du phosphore (P) dont la raie tombe dans le pic d’échappement (« escape peak » en anglais) du
calcium (Ca).
2.1 Le standard JGb1
Les résultats obtenus avec les deux détecteurs sont présentés dans la Figure 1. Le spectre
obtenu avec le nouveau détecteur est présenté dans l’annexe A.
Figure 1– Résultats de l’analyse du spectre XRF du standard JGb1 avec l’ancien et le nouveau détecteur
(en nombre de coups). Les analyses ont été effectuées dans les mêmes conditions expérimentales. Certains
éléments montrent un gain en nombre de coups plus élevé que la moyenne.
Les résultats montrent que pour la plupart des éléments, il y a un gain en nombre de coups
sous leur raies d’un facteur environ égal à 2 (entre 1.6 et 3). Il y a cependant quelques exceptions.
L’explication se trouve sur la Figure 2. Pour le magnésium (Mg) et le soufre (S), le gain d’un
facteur 6 provient du fait que ces éléments étaient à la limite de détection avec l’ancien détecteur.
Pour le phosphore (P), c’est l’amélioration de la résolution en énergie du nouveau détecteur
qui permet au logiciel d’analyse de mieux calculer l’aire sous la raie. En effet, cette raie est
fortement polluée par les raies du silicium (Si). Pour le nickel (Ni), ce n’est pas le cas, les raies
1. Les rayons X de l’instrument sont générés par une anode au rhodium, voir http ://avaatech.com
2
sont nettement visibles avec les deux détecteurs. Le gain d’un facteur 14 pourrait donc s’expliquer
par une contamination instrumentale introduite avec le nouveau détecteur. Il faut noter que ce
standard contient du nickel et le pic est donc en partie dû à sa présence dans l’échantillon (voir
l’annexe B).
Figure 2– Comparaison des spectres XRF du standard JGb1 entre l’ancien (en haut) et le nouveau
détecteur (en bas). Le nombre de coups est représenté en fonction de l’énergie des photons détectés (en
keV) sous l’aire de la raie K-α. L’énergie incidente est de 10 KV. Note : l’échelle est logarithmique pour les
ordonnées afin de mieux mettre en évidence les pics de faible amplitude et proches du bruit de fond.
Comparaison avec la composition du standard
Avec le nouveau détecteur, l’ensemble des éléments présents dans le standard (à la limite des
données fournies par AVAATECH, voir l’annexe B pour la composition) ont été détectés. Seule
exception, l’élément césium (Cs) n’est pas détecté. Cela est dû au fait que son abondance est
très faible (0.27 ppm). Certains éléments, dont les raies sortaient à peine du bruit avec l’ancien
détecteur (Mg, P et S) sont maintenant clairement identifiés.
Le gain en sensibilité permet de confirmer la détection de nouveaux éléments dont la présence
n’est pas indiquée dans l’annexe B. Il s’agit du gallium (Ga), l’yttrium (Y), le zirconium (Zr) et
le niobium (Nb).
2.2 Le standard JR1
Les résultats obtenus avec les deux détecteurs sont présentés dans la Figure 3. Le spectre
obtenu avec le nouveau détecteur est présenté dans l’annexe A.
3
Figure 3– Résultats de l’analyse du spectre XRF du standard JR1 avec l’ancien et le nouveau détecteur
(en nombre de coups). Les analyses ont été effectuées dans les mêmes conditions expérimentales. Certains
éléments montrent un gain en nombre de coups plus élevé que la moyenne.
Pour ce standard, les résultats montrent encore que pour la plupart des éléments, il y a un
gain en nombre de coups d’un facteur environ égal à 2. Nous voyons que certains résultats sont
aberrants. C’est le cas du magnésium (Mg) qui n’est pas détecté avec le nouveau détecteur.
L’observation du spectre avec l’ancien détecteur montre que sa détection était en fait douteuse.
Son abondance dans ce standard est 87 fois plus faible que dans JGb1 (voir l’annexe B), elle est
probablement trop faible pour être détectée. La raie du chlore (Cl) était complètement recouverte
par les raies du rhodium (Rh) avec l’ancien détecteur. L’amélioration de la résolution spectrale
permet d’identifier une raie de Cl (qui reste largement polluée par celles de Rh). Ceci explique
sa valeur aberrante avec l’ancien détecteur. Pour le soufre (S), l’explication est moins évidente.
L’amélioration de la résolution ne semble pas pouvoir expliquer le résultat obtenu. Il faut noter
qu’un nouveau logiciel a été fourni avec le nouveau détecteur et que le calcul des aires des raies qui
se chevauchent a peut-être évolué. Comme la raie du soufre est fortement polluée par le rhodium
(Rh), la détermination du nombre de coups est sujette à caution. Pour le cuivre (Cu), sa détection
avec l’ancien détecteur était douteuse et cela explique le gain d’un facteur 5. De même, pour le
nickel (Ni), sa raie ne sortait pas nettement du bruit avec l’ancien détecteur. Cet élément est très
peu abondant dans ce standard (0.66 ppm seulement, voir l’annexe B). La raie est très nette avec
le nouveau détecteur (voir le spectre à 30 KV dans l’annexe A).
Comparaison avec la composition du standard
Avec le nouveau détecteur, la majeure partie des éléments présents dans le standard (à la limite
des données fournies par AVAATECH, voir l’annexe B pour la composition) ont été détectés. Il
y a cependant quelques exceptions : Mg et S ne sont pas clairement détectés avec le nouveau
détecteur. Cela semble suggérer que leur détection et le calcul du nombre de coups de la raie avec
l’ancien détecteur étaient douteux.
Le gain en sensibilité permet la détection de nouveaux éléments dont la présence n’est pas
indiquée dans l’annexe B. Il s’agit du bismuth (Bi), du thorium (Th), de gallium (Ga) et du
niobium (Nb).
2.3 Le standard KGa1
Les résultats obtenus avec les deux détecteurs sont présentés dans la Figure 4. Le spectre
obtenu avec le nouveau détecteur est présenté dans l’annexe A.
On retrouve une nouvelle fois le gain en nombre de coups d’un facteur environ égal à 2 pour la
plupart des éléments. Pour le phosphore (P), l’amélioration de la résolution en énergie du nouveau
détecteur permet au logiciel d’analyse des spectres de mieux calculer l’aire de la raie. Cet élément
n’était pas détectable avec l’ancien détecteur (d’où la valeur aberrante). Les résultats sur le soufre
(S) montrent qu’il est difficile de calculer l’aire de sa raie. Nous n’avons pas d’explication évidente
concernant l’absence d’amélioration du nombre de coups pour le calcium (Ca). Cet élément est
4
Figure 4– Résultats de l’analyse du spectre XRF du standard KGa1 avec l’ancien et le nouveau détecteur
(en nombre de coups). Les analyses ont été effectuées dans les mêmes conditions expérimentales. Certains
éléments montrent un gain en nombre de coups plus élevé que la moyenne.
peu abondant dans cet échantillon et il pourrait y avoir une mauvaise analyse de ses raies et
des raies adjacentes. Enfin, la raie K-αdu vanadium (V) est fortement polluée par la raie K-β
(relativement forte) du titane (Ti). Il est donc très probable que les aires sous ces raies soient mal
évaluées à partir de l’ancien spectre, ce qui expliquerait le gain d’un facteur 9.
La raie de nickel était assez nette avec l’ancien détecteur et s’est améliorée avec le nouveau
détecteur. Le gain d’un facteur 34, très au-dessus du facteur 2 obtenu pour tous les autres élé-
ments, est donc une indication d’une contamination instrumentale. A noter que l’abondance de
cet élément n’est pas renseignée par AVAATECH (l’annexe B) et il est donc difficile d’estimer
l’ampleur de cette contamination.
Comparaison avec la composition du standard
Avec le nouveau détecteur, tous les éléments présents dans le standard (à la limite des données
fournies par AVAATECH, voir l’annexe B pour la composition) ont été détectés. Les résultats
confirment l’absence de manganèse (Mn). De manière surprenante, beaucoup d’éléments non
renseignés dans l’annexe B sont détectés. Cela suggère que ces éléments n’ont pas été analysés
par AVAATECH. On retrouve le niobium (Nb) et le thorium (Th).
2.4 Le standard SARM4
Les résultats obtenus avec les deux détecteurs sont présentés dans la Figure 5. Le spectre
obtenu avec le nouveau détecteur est présenté dans l’annexe A.
Figure 5– Résultats de l’analyse du spectre XRF du standard SARM4 avec l’ancien et le nouveau détecteur
(en nombre de coups). Les analyses ont été effectuées dans les mêmes conditions expérimentales. Certains
éléments montrent un gain en nombre de coups plus élevé que la moyenne.
Le signal sur bruit du nickel (Ni) et du cuivre (Cu) avec l’ancien détecteur était assez faible.
Les raies sont plus nettes avec le nouveau détecteur et le calcul de l’aire de leurs raies est donc
meilleur. Cela explique le gain d’un facteur 5 pour Cu et une partie du gain d’un facteur 18 pour
5
Ni. Le fort gain de Ni pourrait donc une nouvelle fois s’expliquer en partie par une contamination
instrumentale. La détection de l’yttrium (Y) est douteuse car le signal ne sort pas clairement du
bruit de fond ; cela pourrait expliquer l’absence de gain. La raie du magnésium (Mg) n’est pas
nette avec l’ancien détecteur et cela explique le gain d’un facteur 5. Encore une fois, le phosphore
(P) était difficilement détectable avec l’ancien détecteur, ceci explique la valeur aberrante.
Comparaison avec la composition du standard
Avec le nouveau détecteur, tous les éléments présents dans le standard sont détectés. L’analyse
du spectre confirme la présence de l’yttrium (Y), contrairement à Zr, Ba et Cu considérés comme
douteux (l’annexe B) et qui ne sont pas détectés par notre analyse. On retrouve une nouvelle fois
du gallium (Ga).
2.5 Gain en sensibilité
La principale cause du gain en sensibilité provient de l’augmentation d’un facteur égal à 2.6
de l’aire du détecteur : elle était de 15 mm2avec l’ancien et elle est de 40 mm2avec le nouveau.
L’analyse des spectres des standards montre de plus que la résolution spectrale en énergie du
nouveau détecteur est meilleure qu’avec l’ancien détecteur. Cela a un effet non négligeable sur les
résultats. En particulier, lorsque plusieurs raies se chevauchent, la détection de certains éléments
et l’attribution du nombre de coups de l’aire de la raie de chacun des éléments incriminés sont
améliorées.
Sur la Figure 2 est représentée une partie des spectres obtenus avec une énergie incidente de
10 KV avec l’ancien et le nouveau détecteur. On remarque une différence sensible sur la forme des
raies. Par exemple, les raies K-αde l’aluminium (Al) et du silicium (Si) se chevauchent beaucoup
moins avec le nouveau détecteur, ce qui permet au logiciel de traitement de mieux calculer l’aire
de la raie pour chacun de ces deux éléments.
On remarque aussi une nette amélioration dans la détection du magnésium (Mg) ainsi qu’une
meilleure détermination de la raie du phosphore (P) polluée par les raies de Si. La meilleure
résolution améliore la détermination des raies L-αet L-βde Rh, ce qui pourrait expliquer les
différences de résultat pour le soufre (S).
Le nouveau détecteur permet, dans la plupart des cas, un gain en sensibilité lors des analyses.
En effet, pour la grande majorité des éléments, et pour les quatre standards, le nombre de coups
détectés dans les mêmes conditions d’analyse est supérieur d’un facteur qui varie entre 1.5 et
3.0 environ. Par exemple, pour les quatre standards, le nouveau détecteur comptabilise environ
2.6 fois plus de coups que l’ancien pour l’élément aluminium (Al). On remarque cependant que
pour un élément donné, le gain dépend de l’échantillon, dû probablement à un effet matrice et
au recouvrement des raies qui dépend de l’abondance relative de chaque élément.
2.6 Contamination instrumentale
Certaines contaminations sont déjà connues car elles correspondent aux matériaux utilisés par
les différentes parties de l’instrumentation. Il s’agit du rhodium (Rh) qui est la source d’excitation,
le silicium (Si) et dans une moindre mesure, le nickel (Ni), le gallium (Ga), l’argent (Ag) et l’étain
(Sn) (on ne détecte ce dernier que pour des énergies supérieures à 50 KV).
Un autre résultat marquant de l’analyse des standards est la différence obtenue pour l’élément
nickel (Ni). Il y a systématiquement un plus grand nombre de coups pour cet élément avec le
nouveau détecteur (pour les 4 standards). Le facteur d’augmentation varie entre 14 et 59 selon
le standard. Il est bien plus important que pour tous les autres éléments. En faisant la différence
6
entre les deux détecteurs, le nombre de coups est d’environ 3600 pour SARM4, JGb1 et JR1. Il
est de 4100 pour KGa-1.
À moins de trouver une explication physique quant à la forte augmentation du nombre de
coups de Ni, le résultat montre que le nickel est probablement un contaminant instrumental
lié au nouveau détecteur. Le fait que le nombre de coups soit à peu près constant pour les
différents standards renforce cette idée. Il faudra donc tenir compte de cette contribution due à la
contamination dans de futures analyses sur de nouveaux échantillons (dans les mêmes conditions
d’analyse).
3 Analyse de métaux
L’objectif était d’utiliser des matériaux de composition relativement bien connue et présentant
une faible diversité d’éléments pour détecter d’éventuelles nouvelles contaminations instrumen-
tales et confirmer la contamination au nickel (Ni). Pour cela, nous avons demandé à l’atelier de
mécanique du LAB de nous fournir différents métaux sous forme de plaque : aluminium, cuivre,
inox et laiton. L’épaisseur de ces plaques varie entre quelques millimètres et 1 cm.
Les premiers résultats étaient décevants car de nombreux éléments avaient été détectés et la
composition n’était pas homogène sur la plaque. Nous avons demandé à l’atelier de re-surfacer de
nouvelles plaques. Nous avons donc analysé des plaques fraichement usinées. Nous avons constaté
alors qu’elles étaient relativement homogènes. Par ailleurs, le nettoyage à l’alcool de l’une d’elle
n’a montré aucune différence notable dans les résultats. Ce sont les résultats obtenus avec ces
plaques que nous présentons ici.
3.1 Plaque de cuivre
La plaque de cuivre (Cu) présente l’avantage de ne contenir que très peu d’éléments. Sa
composition est très fortement dominée par Cu. Par exemple, le cuivre de type Cu-a1 contient
99,9% de Cu (voir l’annexe C).
Figure 6– Résultats de l’analyse du spectre XRF d’une plaque de cuivre avec le nouveau détecteur (en
nombre de coups). Deux énergies incidentes ont été utilisées : 10 KV et 30 KV. Le nombre de coups des
éléments nickel (Ni) et silicium (Si) semblent anormalement élevés.
Les résultats de l’analyse XRF avec le nouveau détecteur (en nombre de coups) pour deux
énergies incidentes (10 KV et 30 KV) sont présentés sur la Figure 6. Le spectre est clairement
dominé par Cu et on note quelques centaines de coups d’aluminium (Al), de phosphore (P), de
soufre (S) et de plomb (Pb) qui suggèrent leur présence sous forme de traces dans l’échantillon.
Deux autres éléments sont présents. On retrouve le nickel (Ni) avec plus de 2200 coups et
le silicium (Si) avec environ 800 coups. Ce résultat pourrait confirmer la contamination instru-
mentale en Ni identifiée sur l’analyse des standards. La présence de silicium (Si) pourrait être
aussi due à une contamination instrumentale (voir le paragraphe 3.4 sur la plaque de laiton et le
chapitre 4).
3.2 Plaques d’aluminium
La première plaque d’aluminium utilisée porte la spécification AU4G. Selon différents sites
internet de fournisseurs, l’aluminium représente plus de 90% de la composition totale (voir la
7
Figure 16 dans l’annexe C). On note aussi la présence possible d’environ 4% de cuivre et des
traces de manganèse (Mn), de magnésium (Mg), de silicium (Si) et fer (Fe).
Figure 7– Résultats de l’analyse du spectre XRF d’une plaque d’aluminium AU4G avec le nouveau
détecteur (en nombre de coups). Deux énergies incidentes ont été utilisées : 10 KV et 30 KV. Le nombre de
coups de l’élément nickel (Ni) est anormalement élevé puisque cet élément n’est pas censé être présent dans
l’échantillon.
La figure 7 présente le résultat de l’analyse XRF. Elle confirme la prédominance de l’alu-
minium ainsi que la présence de tous les autres éléments attendus : Cu, Mn, Mg, Fe, Si, Cr et
Zn. Seul le titane (Ti) n’est pas détecté. On note la présence de gallium (Ga) dans le spectre
XRF qui n’est pas explicitement répertorié par les fournisseurs. Enfin, cette analyse confirme la
contamination instrumentale du nickel. Celui-ci n’est a priori pas présent dans ce matériau, pour-
tant l’analyse du spectre XRF révèle plus de 2000 coups. En revanche, cette analyse ne permet
pas de confirmer que le pic de silicium dans le spectre provient lui aussi d’une contamination
instrumentale car cet élément est présent dans ce matériau.
La seconde plaque d’aluminium utilisée est certifiée (AW-6061). Les éléments détectés cor-
respondent bien à la composition de cet alliage. Comme la précédente, elle est constituée essen-
tiellement de Al avec des traces d’autres éléments, comme le magnésium (Mg) (voir la Figure 16
dans l’annexe C). Le gallium (Ga) est une nouvelle fois détecté. Comme il est présent à l’état
de trace, il est difficile d’attribuer ce résultat à une contamination. Nous avons remarqué la pré-
sence de deux éléments non mentionnés dans la certification : le plomb (Pb) (raies L-αet L-β
dont l’aire n’est pas donnée dans le tableau) et le zirconium (Zr). Notons que pour confirmer
la détection du titane (Ti) et du vanadium (V), nous avons utilisé un filtre en aluminium. Le
spectre correspondant est présenté dans l’annexe D sur la Figure 19. Le nombre de coups associé
au nickel est un peu plus important que dans la mesure précédente (alu AU4G). Cet élément est
présent dans l’alliage AW-6061 mais en très petite proportion ; cette abondance peut contribuer
à l’augmentation de 10% sur le nombre de coups.
Figure 8– Résultats de l’analyse du spectre XRF d’une plaque d’aluminium AW 6061 avec le nouveau
détecteur (en nombre de coups). Deux énergies incidentes ont été utilisées : 10 KV et 30 KV. Le nombre de
coups de l’élément nickel (Ni) est anormalement élevé puisque cet élément n’est pas censé être présent dans
l’échantillon.
3.3 Plaque d’inox
Les principaux éléments de l’inox sont le fer (Fe), le chrome (Cr) et le nickel (Ni). D’autres
éléments moins abondants peuvent être présents comme S, Mn, P, Cu, Si, N et le molybdène
(Mo) (voir la Figure 17 dans l’annexe C). À noter que le carbone (C) et l’azote (N) sont aussi
présents à l’état de traces mais ne peuvent pas être détectés par l’instrument XRF.
Les éléments détectés par XRF et le nombre de coups par élément sont présentés dans la
Figure 9. Comme prévu d’après la composition attendue, Fe, Cr et Ni dominent le spectre en
8
Figure 9– Résultats de l’analyse du spectre XRF d’une plaque d’inox avec le nouveau détecteur (en nombre
de coups). Deux énergies incidentes ont été utilisées : 10 KV et 30 KV. Le fer (Fe), le chrome (Cr) et le nickel
(Ni) sont les plus abondants.
nombre de coups. On note la présence de molybdène (Mo), de soufre (S) et de vanadium (V).
Compte-tenu de la proportion assez importante de Ni possible dans l’échantillon, on ne peut pas
conclure sur une éventuelle contamination instrumentale à partir de cette analyse. Il en est de
même pour Si (par comparaison par exemple avec Cu). Puisque le vanadium n’est pas présent
dans les autres spectres, on peut exclure qu’il s’agisse d’une contamination. Cet élément est donc
probablement présent dans l’alliage.
3.4 Plaque de laiton
Il existe de nombreux alliages de laiton qui contiennent de nombreux éléments additifs en
faible proportion (voir la Figure 18 dans l’annexe C). Les proportions de Cu et Zn (majoritaires)
sont très variables d’un alliage à l’autre.
Figure 10 – Résultats de l’analyse du spectre XRF d’une plaque de laiton avec le nouveau détecteur (en
nombre de coups). Deux énergies incidentes ont été utilisées : 10 KV et 30 KV. On note la présence surprise
de plutonium (Pu).
Les éléments détectés par XRF et le nombre de coups par élément sont présentés dans la
Figure 10. L’alliage que nous avons analysé semble contenir plus d’éléments qu’attendu. Le laiton
peut contenir du nickel, il n’est donc pas possible de dire que sa détection signe une contamination
instrumentale. On remarque d’ailleurs que le nombre de coups pour Ni est bien plus important
que dans le cas de la plaque de cuivre et d’aluminium. Cela confirmerait donc sa présence dans
l’échantillon. Le laiton n’est pas censé contenir de silicium (Si) pour lequel on obtient environ
720 coups. Ce résultat est très proche de celui obtenu avec la plaque de cuivre (env. 800 coups).
C’est donc peut-être le niveau de contamination instrumental pour Si (dans nos conditions expé-
rimentales).
On note la présence possible de plutonium (Pu). Il pourrait être intéressant de vérifier le
niveau de radioactivité de notre échantillon...
4 Analyse dans l’air
La dernière étape de cette étude a consisté à faire une mesure sans échantillon pour confirmer
les contaminations instrumentales que nous avons mises en évidence dans les analyses précédentes
ainsi que celles indiquées par le constructeur. Pour cela, nous avons effectué une analyse en
9
bloquant l’instrument à une hauteur de 15 cm au-dessus de la première surface solide rencontrée
par les photons émis par l’instrument. L’analyse a donc été effectuée dans l’air.
Pour ces mesures, nous nous sommes placés dans les mêmes conditions que pour les standards
(voir la Table 1). Nous avons aussi effectué des mesures avec des temps d’acquisition beaucoup
plus longs (250 s et 500 s) pour mieux détecter les raies les plus faibles. Les spectres ont été
analysés en incluant l’argon, présent dans l’air.
Les résultats sont présentés sur la Figure 11 en nombre de coups dans l’aire de la raie K-α
des éléments détectés (sauf pour le plomb (Pb) pour lequel on détecte la raie L-α). Les spectres
à 10, 30 et 50 KV pour un temps d’acquisition de 250 s sont présentés dans l’annexe E sur la
Figure 20.
Figure 11 – Résultats de l’analyse de spectres XRF obtenus dans l’air à trois énergies (10, 30 et 50 KV)
et pour différents temps d’acquisition. Tous les éléments détectés sont des contaminations instrumentales.
À 10 KV, on détecte principalement l’argon (Ar) qui est présent dans l’air. Les contaminants
instrumentaux sont le silicium (Si), le calcium (Ca), le fer (Fe) et l’aluminium (Al). On retrouve
les mêmes éléments avec un long temps d’acquisition (500 s). Par comparaison avec la plaque
de cuivre (voir le paragraphe 3.1), on note que les nombres de coups pour Si et Al attribués
à la contamination sont bien inférieurs à ceux de la plaque de cuivre. Ces deux éléments sont
donc probablement aussi présents dans cette plaque. Par ailleurs, il pourrait y avoir une raie du
phosphore (P) autour de 2 KeV qui sort à peine du bruit de fond (voir la Figure 20). A noter que
l’argent (Ag) est masqué par l’argon à cette énergie.
À 30 KV, on détecte de nombreux éléments. Le principal contaminant est le nickel (Ni) avec
3000 coups. Ce nombre est moins grand que pour les analyses des standards, ce qui indique que
Ni est probablement présent dans ces échantillons. Il est plus grand que lors des analyses des
plaques de cuivre et de laiton mais avec un temps d’acquisition supérieur. Pour un même temps
d’acquisition, on retrouve la valeur approximative de 3000 coups en 15 s. Huit éléments supplé-
mentaires font partie des contaminants (dont le cuivre (Cu) et le zinc (Zn)). Par comparaison
avec les analyses précédentes, le nombre de coups pour chacun d’eux est cependant très faible.
Avec un temps d’acquisition de 500 s, on détecte un contaminant supplémentaire : l’yttrium (Y).
À 50 KV, on distingue très nettement les raies K de l’argent (Ag). Trois autres éléments
sont détectables (signal assez clairement au-dessus du bruit) avec un temps d’acquisition de
250 s : l’indium (In), l’antimoine (Sb) et le tellurium (Te). Pour les autres éléments tels que le
niobium (Nb), le molybdène (Mo), l’iode (I) et le barium (Ba), il faut un temps d’acquisition
plus important. Avec des temps d’acquisition standard (moins d’une minute), ces éléments ne
sont plus détectables (I, Mo, Sb) ou le nombre de coups associé est très faible (Te, Ba, Nb, Sb).
10
Remarques : nous avons aussi effectué des mesures à une hauteur de 12 cm et avons trouvé des
résultats globalement identiques à ceux obtenus à 15 cm de hauteur (mêmes éléments détectés
et nombre de coups enregistrés équivalents) ; ce qui confirme que le signal ne provient pas d’une
quelconque surface mais bien de l’instrument (voir la Figure 11).
5 Conclusion
Afin de quantifier le gain en sensibilité du nouveau détecteur, nous avons comparé les spectres
obtenus avec quatre standards de compositions connues (du moins pour les éléments les plus
abondants).
Nous notons un gain en sensibilité d’un point de vue général avec le nouveau détecteur.
Pour la plupart des éléments, le nombre de coups dans l’aire de la raie K-αest meilleur d’un
facteur 2 environ. Ce résultat est dû à l’augmentation d’un facteur 2.6 de l’aire du détecteur.
Il est aussi en partie dû à la meilleure résolution en énergie. Ainsi, lorsque plusieurs raies se
chevauchent, la détection de certains éléments et l’attribution du nombre de coups dans l’aire
de la raie de chacun des éléments incriminés sont améliorées. Cela permet aussi une meilleure
détection de certains éléments comme le magnésium (Mg) et le phosphore (P). Pour
le soufre (S) et le chlore (Cl), il est préférable de ne pas tenir compte des résultats tant que leurs
raies ne sont pas clairement identifiables (il faut donc des abondances élevées dans l’échantillon).
L’analyse des standards met en évidence une contamination instrumentale au nickel
(Ni), en plus des éléments contaminants déjà répertoriés avec l’ancien détecteur (Rh, Ga, Ag,
Sn). Comme les standards contiennent un peu de Ni et beaucoup de Si, il n’est pas possible de
quantifier exactement cette contamination.
Nous avons analysé plusieurs alliages de métaux pour confirmer la contamination instrumen-
tale au nickel. Malheureusement, nous ne connaissons pas parfaitement la composition de ces
alliages, sauf pour l’aluminium. Ainsi, les plaques d’inox et de laiton ne permettent pas de tran-
cher sur la contamination instrumentale de Ni. Ces analyses sur métaux semblent indiquer une
contamination au silicium (Si). Aucune autre contamination instrumentale importante ne peut
être mise en évidence dans ces échantillons. Ces résultats confirment que le nouveau détecteur
est responsable d’une contamination au nickel qui n’était pas identifiable avec l’ancien détecteur.
Enfin, nous avons effectué une analyse dans l’air qui permet d’identifier les principaux conta-
minants instrumentaux. Cette analyse confirme que le nickel (environ 3000 coups à 30 KV pour
15 s d’acquisition) est le principal contaminant instrumental. Au total, nous avons identifié
22 éléments provenant de l’instrument. Cependant, pour chacun d’eux, la contribution en
nombre de coups dans l’aire de la raie K-αest très faible (à part pour le nickel). Beaucoup de
ces éléments ne sont détectables que pour des temps d’acquisition longs (de plusieurs minutes).
En conclusion, nous recommandons de faire des analyses de l’air de temps en temps, notamment
pour des conditions d’expériences inhabituelles et liées à la recherche d’éléments traces, pour
déterminer quantitativement la contribution des contaminants instrumentaux.
Remerciements
Un grand merci à l’atelier de mécanique du Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, et plus
particulièrement à Pascal Truchelut, pour nous avoir fourni des plaques re-surfacées de plusieurs
métaux.
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Références
[1] M. Dobrijevic, A. Le Postollec, I. Billy. Analyses XRF de plusieurs météorites. 2020. DOI :
10.13140/RG.2.2.30663.04004.
Annexes
A Spectres XRF des standards
Les spectres XRF à 10 KV et à 30 KV des quatre standards sont présentés dans les Figures 12
et 13. Nous ne présentons que les spectres obtenus avec le nouveau détecteur. Nous avons choisi
une échelle logarithmique (pour le nombre de coups) pour permettre de distinguer les petits pics.
B Abondances élémentaires des standards
Les abondances relatives (en ppm : partie par million, soit 10−6) des éléments majoritaires
et minoritaires des quatre standards utilisés dans cette étude sont données dans la Figure 14.
Certaines valeurs sont incertaines et on note l’absence d’information pour certains éléments.
C Composition des métaux utilisés
Nous avons utilisé quatre métaux : du cuivre, de l’aluminium, de l’acier inoxydable et du
laiton. Nous donnons ici un aperçu de la composition de ces différents métaux selon leur type.
Il existe en effet de nombreux alliages dans lesquels les éléments mineurs ont des abondances
variables.
Pour cette étude, nous ne possédions les compositions certifiées que des plaques d’aluminium.
Pour les autres métaux, nous faisons l’hypothèse que les compositions de nos matériaux sont
proches de celles que l’on trouve chez les fournisseurs (informations glanées sur internet).
C.1 Cuivre
Les alliages de cuivre désignent un ensemble d’alliages où la teneur en cuivre est majoritaire
et qu’on appelle cupro-alliages (source Wikipédia). Il existe notamment des cupro-nickel : c’est un
alliage à base de cuivre, majoritaire, et de nickel, entre 10 % et 30% en masse. Ils n’ont cependant
pas la couleur du cuivre brut.
C.2 Aluminium
On distingue deux grandes catégories d’alliages d’aluminium : les alliages d’aluminium pour
corroyage (destinés à être transformés) et les alliages d’aluminium de fonderie. Ils contiennent
de petites quantités de cuivre, magnésium, manganèse, silicium et d’autres éléments. Les alliages
aluminium-cuivre (alliages AU de fonderie), dans la composition desquels entrent aussi le titane,
sont largement utilisés dans l’aéronautique (source Wikipédia). Les compositions des deux plaques
d’aluminium utilisées sont présentées dans le tableau 16.
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C.3 Inox
L’acier inoxydable (inox) est un alliage à base de fer et de carbone (moins de 1.2% de carbone)
avec plus de 10.5% de chrome (source Wikipédia). À titre de comparaison, les compositions de
quelques alliages d’inox sont données dans la Figure 17. On note la présence systématique d’une
quantité non négligeable de nickel (Ni).
C.4 Laiton
Les laitons sont des alliages jaunes composés essentiellement de cuivre et de zinc aux pro-
portions variables. Selon les propriétés visées, ils peuvent contenir d’autres éléments d’addition
comme le plomb, l’étain, le nickel, le chrome et le magnésium, dans des proportions très modérées
(source Wikipédia).
D Utilisation d’un filtre aluminium
Comme on peut le voir sur la Figure 19, une importante raie élargie (« bosse ») est présente
entre 3.2 et 5 keV dans le spectre de la plaque d’aluminium AW-6061 à 10 KV. Cette bosse
empêche de confirmer la présence des éléments Ti et V. En utilisant un filtre aluminium, on fait
disparaitre la bosse, ce qui permet de clairement identifier les deux éléments.
E Etude du blanc par analyse dans l’air
Nous avons effectué plusieurs analyses dans l’air avec des énergies et des temps d’acquisition
différents. Cette technique permet de détecter les éléments qui correspondent à une contamination
instrumentale. La Figure 20 montre les spectres XRF obtenus à 10, 30 et 50 KV dans l’air avec
un temps d’acquisition de 250 s. De nombreux éléments sont détectés, mais avec des nombres de
coups relativement faibles.
13
Figure 12 – Spectres XRF à 10 KV des quatre standards obtenus avec le nouveau détecteur (nombre de
coups en échelle logarithmique).
14
Figure 13 – Spectres XRF à 30 KV des quatre standards obtenus avec le nouveau détecteur (nombre de
coups en échelle logarithmique).
15
Figure 14 – Abondances relatives (en ppm : partie par million, soit 10−6) des éléments majoritaires et
minoritaires des quatre standards utilisés dans cette étude. Source : AVAATECH.
Figure 15 – Composition chimique de différents types de cuivre pur.
Figure 16 – Composition chimique de l’aluminium AU4G (en haut) et AW-6061 (en bas) selon différents
fournisseurs. Après l’aluminium (Al), seul le cuivre (Cu) (dans l’AU4G, en haut) et le magnésium (Mg) (dans
l’AW-6061, en bas) sont relativement abondants.
Figure 17 – Composition chimique de différents types d’inox (d’un même fournisseur). La proportion de
chrome (Cr) semble assez peu variable.
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Figure 18 – Composition chimique de différents types de laiton (informations issues de plusieurs fournis-
seurs). La proportion de zinc (Zn) est très variable selon les alliages.
Figure 19 – Spectres de la plaque d’aluminium AW-6061 obtenus sans filtre (en haut) et avec un filtre
aluminium (en bas). L’échelle en ordonnées a été modifiée pour mieux visualiser les raies de titane (Ti) et du
vanadium (V). Les pics rouges correspondent à des « pics d’échappement ».
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Figure 20 – Spectres XRF obtenus à 10, 30 et 50 KV dans l’air. Le temps d’acquisition est de 250 s.
En plus du rhodium (Rh) qui correspond à la source, on détecte de nombreux éléments. Les raies en rouge
correspondent à des « pics d’échappement ». Notez l’échelle logarithmique sur l’axe des ordonnées.
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