Qu’est-ce qu’un microscope à rayons X ?
Les microscopes à rayons X sont des microscopes qui utilisent les rayons X comme source de lumière pour observer la structure d’un objet.
Ils utilisent principalement des rayons X de transmission (absorption) et des rayons X de fluorescence, qui sont très pénétrants et peuvent produire des images contrastées en utilisant la réaction d’atténuation intrinsèque de la structure interne, de l’épaisseur et de la composition du matériau lorsqu’ils le traversent. Les rayons X peuvent être utilisés pour obtenir des images contrastées.
Si les images sont acquises en continu pendant la rotation de l’échantillon, elles peuvent être construites en 3D pour produire une image en coupe transversale (appelée CT). Dans les microscopes à rayons Les rayons X ont une longueur d’onde 100 à 10 000 fois plus courte que celle de la lumière visible, ce qui permet d’obtenir des images très détaillées.
Utilisations des microscopes à rayons X
Les microscopes à rayons X sont principalement utilisés dans la recherche et le développement dans le secteur industriel et dans les inspections sur les sites de fabrication ; ils sont souvent utilisés pour inspecter les pièces à la recherche de défauts ou pour tester leurs propriétés, car les rayons X permettent un contrôle sans contact et non destructif. Ils peuvent également être utilisés pour évaluer la structure des roches et d’autres matériaux afin d’obtenir des paramètres permettant de les caractériser en tant que nouvelles matières premières.
Dans le secteur de la fabrication des semi-conducteurs, ils sont de plus en plus utilisés pour caractériser les produits ayant subi un traitement ultrafin. Lors de l’observation d’échantillons biologiques à forte teneur en eau, des images très contrastées peuvent être obtenues en utilisant des régions de longueur d’onde de rayons X à faible absorption d’eau.
Principe du microscope à rayons X
Un microscope à rayons X irradie un échantillon avec des rayons X et utilise les rayons X transmis (absorbés) ou les rayons X fluorescents obtenus à partir de substances pour obtenir des images et effectuer une analyse des composants. Les longueurs d’onde des rayons X utilisés sont souvent appelées rayons X mous (1-10 nm). En particulier, la région des 2,3-4,3 nm est appelée “fenêtre de l’eau” en raison de l’absorption extrêmement faible de l’eau, et est utilisée pour l’observation d’échantillons biologiques.
Il existe deux types de microscope à rayons X : ceux qui utilisent la transmittance des rayons X comme contraste pour acquérir des images, et ceux qui détectent les rayons X fluorescents générés par l’irradiation aux rayons X. La fluorescence des rayons X est un signal produit par l’émission de rayons X correspondant à la différence d’énergie entre les enveloppes interne et externe lorsque les électrons de l’enveloppe externe se détendent dans les trous créés par l’excitation des électrons de l’enveloppe interne d’un matériau sous l’effet d’une irradiation aux rayons X.
La fluorescence des rayons X a une longueur d’onde spécifique à chaque atome et peut donc être utilisée pour l’analyse élémentaire. Les microscopes à rayons X peuvent également être divisés en deux types de systèmes optiques, selon qu’ils utilisent ou non des éléments optiques. Ils utilisent la méthode d’agrandissement par projection et la méthode d’adhésion pour l’observation.
Comme l’onde d’image des rayons X ne peut pas être agrandie à l’aide d’une lentille, elle est agrandie et projetée en séparant physiquement l’échantillon de la surface d’imagerie. La méthode d’imagerie à l’aide d’éléments optiques est réalisée en utilisant des plaques de zone avec commentaire lumineux ou en utilisant des miroirs à réflexion totale ou multicouche.
Autres informations sur les microscopes à rayons X
1. La différence entre les microscopes à rayons X et les microscopes électroniques
Les microscopes à rayons X utilisent les rayons X comme source de lumière, tandis que les microscopes électroniques appliquent un faisceau d’électrons sur l’échantillon pour agrandir l’image. Un faisceau d’électrons est un flux rapide d’électrons. Un atome est constitué d’un noyau composé de protons et de neutrons, autour duquel gravitent des électrons. Lorsque les protons, les neutrons et les électrons sont accélérés à des vitesses très élevées dans un dispositif appelé accélérateur, ils produisent un rayonnement sous forme de faisceaux de protons, de neutrons et d’électrons.
Contrairement aux rayons X, les faisceaux d’électrons sont des faisceaux de particules et ont donc un pouvoir de pénétration limité. Le pouvoir de pénétration d’un faisceau d’électrons est déterminé par la tension d’accélération : plus la tension d’accélération est élevée, plus les électrons atteignent une profondeur importante, et plus la densité de l’objet irradié est faible, plus ils pénètrent profondément.
Microscopie électronique à transmission (TEM)
Un échantillon de couche mince est irradié par un faisceau d’électrons, qui passe à travers une lentille électronique et produit une image agrandie sur une plaque fluorescente éclairée par le faisceau d’électrons. La lentille électronique courbe le faisceau d’électrons au moyen d’un champ électrique ou magnétique pour former une image.
Microscope électronique à balayage (MEB)
Un faisceau d’électrons étroitement focalisé est irradié dans le vide et balayé sur la surface d’un échantillon pour détecter les électrons secondaires et les électrons réfléchis émis par l’échantillon. Les électrons secondaires sont ceux qui sont émis par le faisceau d’électrons irradiés et qui frappent d’autres électrons dans l’échantillon, tandis que les électrons réfléchis sont ceux qui sont émis par les électrons irradiés et qui sont réfléchis par la surface de l’échantillon.
Lorsqu’un microscope à rayons X est équipé d’un détecteur de rayons X, il peut également être utilisé comme analyseur de rayons X pour déterminer le type et la quantité d’éléments contenus dans l’échantillon.
2. Microscope à rayons X à balayage
Type de microscope à rayons X, ce microscope utilise des rayons X durs comme sonde. Ils ont une longueur d’onde courte, de l’ordre de 0,1 nm, ce qui permet en principe une haute résolution. En plus de la transmission (absorption), la réfraction et la réflexion, les interactions avec les matériaux comprennent les photoélectrons, les rayons X fluorescents, la diffusion élastique, la diffusion inélastique, l’absorption et la diffusion magnétiques.
Leur grande transmissivité permet une observation non destructive et ils sont utilisés pour les mesures atmosphériques. Les microscopes à rayons X à balayage comprennent un faisceau de rayons X focalisé, une platine pour le balayage de l’échantillon et un détecteur, qui effectue l’analyse des rayons X (transmis, fluorescents ou diffusés, etc.) tout en balayant l’échantillon et en visualisant différents types d’informations.