Un diffractomètre de Rayons-X est principalement constitués de 4 éléments : un tube à rayons X, un porte-échantillon, un détecteur de rayons X et un Goniomètre.

La technique XRD est une technique non destructrice d’investigation de la matière permettant de retrouver les phases cristallines présentes dans un matériau ainsi que leurs proportions. Elle utilise des rayonnements ionisants émis par un tube à rayons X.

La portabilité d’une telle technique relève d’une véritable prouesse technique car 3 facteurs s’y opposent :

  • La puissance de 50 watts au minimum (poids et autonomie des batteries)
  • Le blindage de l’appareil pour stopper les radiations ionisantes (poids)
  • Le principe d’excitation/détection (cercle de Rowland = encombrement/taille du spectromètre)

 

La technique XRD consiste à faire diffracter le faisceau monochromatique incident du tube sur les différents plans cristallins des grains qui constituent la matière (la XRD ne peut donc produire des informations que sur des échantillons cristallisés).

Le faisceau monochromatique (souvent du cuivre en raie K-alpha de longueur d’onde Lambda, la raie K-beta étant filtrée en sortie de tube), et rendu le plus parallèle possible. Il irradie la matière sous un angle Thêta (mobile). Un détecteur de photons situé en face de l’axe du faisceau incident sous le même angle d’émergence Thêta (mobile) et calé sur la longueur d’onde Lambda du faisceau monochromatique du tube collecte les photons (lien entre longueur d’onde et énergie :

Lambda=(h X c)/E ou h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière dans le matériau et E l’énergie correspondante à la longueur d’onde).

-Si aucune condition de Bragg n’est respectée, le détecteur collecte le bruit de fond de diffusion des rayons X issus du tube X dans la matière à l’énergie (longueur d’onde à laquelle il est calé). Dans cette condition le détecteur ne collecte au mieux que quelques millièmes des photons incidents issus du tube.

-Si une condition de Bragg (voir n = nombre entier dans l’équation ci-dessous) est respectée, les photons filtrés incidents du tube diffractent ‘quasiment intégralement’ en direction du détecteur qui collecte la totalité des photons issus du tube. Le signal devient 1000 fois (ou plus) plus intense que lorsque la condition de Bragg n’est pas respectée.

 

Condition de Bragg :

 

2 X d X Sinus(Thêta) = n X Lambda

La condition de Bragg est respectée lorsque des plans cristallins se trouvent orientés de telle sorte que leur face se trouve à Thêta degrés du faisceau primaire du tube et à Thêta degrés de l’axe de collecte du détecteur et que l’équation ci-dessus est respectée.

Thêta : angle surface de l’échantillon axe des photons incidents du tube = angle surface de l’échantillon axe du détecteur

d : distance entre deux plans inter cristallins successifs de l’échantillon

Lambda : longueur d’onde monochromatique du faisceau incident

n : nombre entier ou condition de Bragg.

Si l’équation ci-dessus est respectée le faisceau incident diffracte (se réfléchi intégralement sur le plan comme sur un miroir).

En faisant varier en même temps Thêta (même angle de surface de l’échantillon avec l’axe du faisceau primaire et de la surface avec l’axe du détecteur),  différents plans des différentes mailles cristallines possibles présentes (cubique, cubique centrée, cubique face centrée, hexagonale, tétraédrique, …)  se retrouvent dans les conditions de Bragg. Une diffraction est alors observée qui renvoie vers le détecteur un fort flux de photons provenant du faisceau incident.

En balayant un angle Thêta le plus large possible, on détermine ainsi les différents  ‘d’ (distances inter cristallines) de l’échantillon. La connaissance expérimentale des différentes phases cristallines connues dans monde (il existe des bases de données répertoriant de centaines de milliers de phases cristalline et donc de scan Thêta de ce type) permet d’identifier le cristal en présence. Par ailleurs lorsque plusieurs cristaux sont présents, les scans individuels de chaque cristal se superposent dans la même acquisition. Les hauteurs des différentes raies sont représentatives de la concentration du cristal présent. Par une extraction de type déconvolution (ou autre de type Reitvelt) on peut remonter à la concentration de chaque phase. Chaque phase étant parfaitement identifiée en termes de concentrations élémentaires (par les bases de données), on en extrait les concentrations élémentaires constitutives de la matrice en ayant en plus l’information sur la structure cristalline.

La technique analytique XRD fournit donc une information élémentaire (type XRF) et structurelle (type Raman ou IR, quand ces techniques le permettent) dans la même acquisition.

Afin de minimiser la taille du spectromètre une astuce avait déjà été trouvée il y a quelques années pour travailler en transmission dans des poudres finement divisées piégées entre deux lames minces et mises en vibrations. Cependant la transmission d’un signal X dépend très fortement de la densité de la poudre analysée (et de l’angle face des lames de verre et faisceau incident/faisceau émergeant). De plus les angles de balayage sont limités par le principe même d’un tel porte objet.

Le système XRD portable PLANET reproduit exactement la géométrie d’un XRD de laboratoire,  l’angle Thêta couvrant à 3.5-60 degrés

La diffraction des Rayons-X (XRD) est une technique d’analyse utilisée pour l’identification de phase des matériaux cristallins, elle souvent utilisée pour les études minéralogiques et géologiques.