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Méthode RBS

La RBS ou « Spectrométrie de Rétrodiffusion Rutherford »

La mĂ©thode RBS est une mĂ©thode d’analyse par faisceau d’ions trĂšs utilisĂ©e en science des matĂ©riaux et auprĂšs de l’accĂ©lĂ©rateur AGLAE. Elle porte le nom du grand physicien nĂ©o-zĂ©landais Ernest Rutherford et constitue une application de l’expĂ©rience qui lui permit de dĂ©montrer en 1903 l’existence du noyau atomique. RBS signifie Rutherford Backscattering Spectrometry, en français « SpectromĂ©trie de rĂ©trodiffusion Rutherford ».

Le faisceau d’ions accĂ©lĂ©rĂ©s Ă  une Ă©nergie de quelques MeV est dirigĂ© sur l’échantillon Ă  analyser. Il est composĂ© de protons ou de noyaux d’hĂ©lium (particules alpha). Un ensemble de lentilles Ă©lectromagnĂ©tiques focalise le faisceau au niveau de l’échantillon Ă  un diamĂštre de l’ordre de quelques microns. En raison de cette concentration du faisceau, on parle de microsonde nuclĂ©aire.

L’avantage de la rĂ©trodiffusion Rutherford est d’analyser la distribution Ă  faible profondeur d’un atome-cible, car l’énergie de rĂ©trodiffusion dĂ©pend de la localisation de cet atome, du fait de la perte d’énergie dans le matĂ©riau que l’on sait calculer avec une bonne prĂ©cision.

Lustre de la cathĂ©drale d’Hildesheim en Basse-Saxe
La cathĂ©drale d’Hildesheim s’enorgueillit d’une magnifique couronne de lumiĂšre de l’époque ottoniene suspendue dans son chƓur. Le lustre d’Hezilo comporte 12 tours et 12 portes reliĂ©es par des fragments de murailles, figurant la JĂ©rusalem cĂ©leste. Dans le passĂ©, des piĂšces endommagĂ©es furent remplacĂ©es par des piĂšces nouvelles, dorĂ©es par Ă©lectrolyse. En 2000-2001, deux tours, une porte et deux fragments de muraille furent confiĂ©es au laboratoire du C2RMF Ă  fin d’analyses des dorures avant restauration, au moyen de la rĂ©trodiffusion Rutherford sur AGLAE.
© C2RMF ©

La mĂ©thode RBS consiste Ă  compter le nombre d’ions projectiles qui rebondissent vers l’arriĂšre lorsqu’ils sont repoussĂ©s par le champ Ă©lectrique des noyaux cibles de l’échantillon. Des dĂ©tecteurs capables de compter les projectiles rĂ©trodiffusĂ©s et de mesurer leur Ă©nergie de recul sont disposĂ©s Ă  un angle de diffusion choisi gĂ©nĂ©ralement dans la gamme 150-170° par rapport Ă  la direction du faisceau. MĂȘme avec des intensitĂ©s suffisamment faibles pour ne pas endommager l’échantillon, les faisceaux contiennent des milliards d’ions projectiles, si l’on se souvient du nombre d’Avogadro. Les dĂ©tecteurs compteront en peu de temps des milliers d’ions rĂ©trodiffusĂ©s.

Pour un angle donnĂ©, l’énergie des ions diffusĂ©s est caractĂ©ristique de la masse du noyau cible. Plus le noyau est lourd, plus cette Ă©nergie est Ă©levĂ©e et surtout plus la probabilitĂ© d’observer ce recul est importante car elle varie comme le carrĂ© de la charge Ă©lectrique Z du noyau. La technique est donc appropriĂ©e Ă  l’analyse des Ă©lĂ©ments intermĂ©diaires ou lourds dans un matĂ©riau lĂ©ger

Comme les rayons alpha de la radioactivitĂ©, les ions accĂ©lĂ©rĂ©s ont un trĂšs court parcours dans la matiĂšre qui dĂ©pend de l’énergie d’accĂ©lĂ©ration. L’analyse ne concerne que la partie superficielle du matĂ©riau (quelques microns au plus) comme la couche de peinture d’un tableau, une fine dorure. Le spectre obtenu avec une cible Ă©paisse prĂ©sente une forme particuliĂšre constituĂ©e de marches successives ayant un front Ă  une Ă©nergie caractĂ©ristique de chaque Ă©lĂ©ment constitutif et une hauteur en premiĂšre approximation proportionnelle Ă  la concentration atomique de l’élĂ©ment.

Un spectre RBS des dorures du lustre d’Hildesheim
Il s’agissait d’analyser la composition et l’épaisseur des couches de dorures, dorures Ă  l’amalgame de mercure pour les parties authentiques, Ă©lectrolytiques pour les parties restaurĂ©es. La rĂ©trodiffusion Rutherford permet d’accĂ©der au profil Ă  faible profondeur de la composition des Ă©lĂ©ments chimiques. L’analyse a montrĂ© que les dorures authentiques et restaurĂ©es avaient la mĂȘme composition, sans doute pour assurer l’uniformitĂ© des couleurs : l’or employĂ© titre Ă  moins de 21 carats ; l’épaisseur des dorures est de 2 Ă  5 microns pour la dorure au mercure, 0,2 Ă  0,5 microns pour la dorure Ă©lectrolytique. Ces Ă©paisseurs tĂ©moignent d’un soin particulier dans les traitements.
© C2RMF ©

Le spectre RBS fournit aussi une information sur la distribution en profondeur des atomes de la cible, du fait de la perte d’énergie de la particule diffusĂ©e lors de son trajet aller-retour. MalgrĂ© une sensibilitĂ© bien moindre que l’analyse PIXE, la mĂ©thode est bien adaptĂ©e au dosage des Ă©lĂ©ments lourds. Elle offre le prĂ©cieux avantage de fournir une information sur la distribution de l’atome-cible en profondeur. L’énergie de rĂ©trodiffusion qui est mesurĂ©e dĂ©pend de la localisation de cet atome et donc du ralentissement de la particule dans le matĂ©riau, ralentissement que l’on sait calculer avec une bonne prĂ©cision.

Souvent on combine les analyses PIXE et RBS. La technique PIXE, extrĂȘmement sensible, ne donne accĂšs qu’à la mesure de la concentration en surface des Ă©lĂ©ments chimiques Ă  partir du sodium (Z>10), mĂȘme Ă  l’état de traces. La mise en Ɠuvre simultanĂ©e des techniques PIXE et RBS permet de relier les concentrations de surface d’élĂ©ments obtenues par PIXE Ă  la densitĂ© de l’échantillon obtenue par RBS. On peut ainsi mesurer des concentrations d’élĂ©ments traces aussi minimes que quelques millioniĂšme de gramme par gramme (ppm).