FR2504308A1 - Instrument et procede pour focaliser des rayons x, des rayons gamma et des neutrons - Google Patents

Abstract

INSTRUMENT DE DIFFRACTION, COMPRENANT UN DISPOSITIF POUR DIFFRACTER UN FAISCEAU D'ENERGIE, CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UNE STRUCTURE PERIODIQUE 70 COMPORTANT UNE SURFACE 74 POUR RECEVOIR LE FAISCEAU ET UN ESPACEMENT DE DIFFRACTION LE LONG DE CETTE SURFACE, CET ESPACEMENT DE DIFFRACTION VARIANT PROGRESSIVEMENT LE LONG DE CETTE SURFACE ET FOURNISSANT AINSI DES VALEURS DE L'ANGLE DE BRAGG VARIANT PROGRESSIVEMENT DE FACON A ACCROITRE LA SURFACE UTILE DE CETTE SURFACE DE DIFFRACTION.

Description

La présente invention concerne la diffraction au moyen de structures périodiques telles que des cristaux, des réseaux, etc, et plus précisément, concerne un instrument pour effectuer une diffraction, dans lequel la distance séparant les éléments plans et cristallins ou les éléments du réseau de la structure périodique, est progressivement augmentée ou diminuée le long d'une face ou d'une direction de la structure de façon à modifier progressivement l'angle de diffraction de Bragg, ainsi qu'un procédé pour obtenir une variation régulée et progressive de l'angle de Bragg le long d'une face ou d'une direction de la structure associée à la distance de diffraction pour augmenter la surface ou l'angle de diffraction utile de la structure pour les rayonnements monochromatiques et ainsi améliorer la façon dont on peut focaliser ou agir sur des faisceaux de photons et de particules.

La diffraction de photons tels que des rayons X et des rayons gamma par des cristaux est une discipline ancienne et bien connue. La diffraction par des cristaux peut qénéralement etre divisée en deux catégories, savoir le type a "transmission" et le type "diffraction ou réflexion de surface".

Dans la catégorie de diffraction par transmission illustrée dans le schéma de la Fig. la, les plans du cristal intervenant dans le processus de diffraction tant perpendiculaires à la face ou à la surface incidente du cristal et le faisceau de photons traverse le cristal. Dans la diffraction du type par "diffraction ou réflexion de surface" illustrée par le diagramme de la Fig. lb, les plans de diffraction cristallins sont parallèles à la face ou à la surface incidente du cristal et le faisceau de photons est diffracté à proximité de cette surface de façon à ce qu'il émerge par la même face du cristal que celle dans laquelle il a pénétré.La diffraction du type à transmission est principalement utilisée pour des photons de haute énergie qui présentent de faibles angles de Bragg alors que la diffraction de surface est plus appropriée à des photons de basse énergie qui présentent des angles de Bragg plus élevés et des coefficients d'absorption plus importants.

Les premiers instruments de diffraction tels tique le spectromètre, utilisaient des cristaux plats et présentaient des efficacités aussi faibles que 10-9 photons diffractés par photons source. Cette faible efficacité était essentiellement due au fait que seule une très fine couche de cristal satisfaisait la condition de Bragg pour la diffraction régie par l'équation de Bragg
nA = 2d sin e oti wn" est l'ordre de la diffraction, X" est la longueur d'onde des photons, "d" est la distance séparant les plans cristallins et n o n est l'angle de Bragg ou l'angle d'incidence.Si le faisceau de photons pénètre dans le cristal sous une incidence différente de l'angle de Bragg, la réflexion de cette partie du faisceau fait pratiquement éliminée. A titre d'exemple, la mince couche utilisable d'un cristal peut entre de seulement environ 0,001 cm pour un cristal de haute qualité avec un angle d'ouverture d'environ 2 secondes et une source placée à une distance d'environ 100 cm.

L'un des paramètres importants des instruments de diffraction à cristaux est l'efficacité avec laquelle le faisceau de photons (c'est-à-dire des rayons X et des rayons gamma) ou de particules (c'est-à-dire des neutrons) peut être diffracté et la façon dont il peut être focalisé ou modifié pour fournir une image ayant l'intensité souhaitée. Comme la surface utile ou l'angle d'admission des cristaux plats est extrêmement limitée, il est apparu nécessaire de courber les cristaux afin d'agrandir la zone ou I1 angle d'admission pour lesquels la condition de Bragg est satisfaite afin d'améliorer l'efficacité et l'intensité du faisceau diffracté. Les diagrammes schématiques des
Fig. 2a et 2b illustrent des cristaux courbés utilisés pour la diffraction cristalline par transmission et par réflexion.Bien que l'utilisation de cristaux courbés a permis d'améliorer l'efficacité, l'intensité et la focalisation des instruments de diffraction à cristaux par rapport aux instruments utilisant des cristaux plats, il n'a pas toujours été possible de courber les cristaux autant qu'on le souhaitait et certains cristaux tels que ceux du bismuth et de l'étain avaient tendance à se rompre avant de pouvoir être courbés suffisamment.

En outre, les instruments de diffraction à cristaux courbés présentent des inconvénients. Comme l'illustre le diagramme de la Fig. 2a presentant une diffraction par transmission, il a été nécessaire d'utiliser une source étendue pour fournir une concentration de rayonnements monochromatiques sur une fente d'image. Avec la diffraction par réflexion, telle qu'elle est illustrée dans le diagramme de la Fig. 2b, il a été possible de former une fente image focalisée provenant d'une source ponctuelle bien que l'image et la source soient généralement équidistantes d'une ligne médiane.

La focalisation revêt une importance considérable pour les instruments utilisant la diffraction à cristaux étant donné qu'une détection et qu'une mesure précise des faisceaux diffractés dépendent souvent de l'intensité du faisceau diffracté et du degré de focalisation du faisceau dans une surface de petite dimension. Comme l'illustrent les Fig. la et lb, pour des faisceaux qui ne sont pas focalisés de façon efficace, la surface cible ou image doit être augmentée pour permettre une détection ou une mesure efficace.

La focalisation de rayons parallèles revêt également une grande importance. Dans le télescope du satellite Einstein qui a été placé en orbite autour de la terre, des miroirs à réflexion totale sont utilisés pour focaliser des faisceaux parallèles de rayons X et gamma provenant de l'espace lointain. Les limitations imposées aux performances des systèmes à miroir réflecteur ont restreint les énergies utilisables des photons pour ce télescope sur satellite à environ
Skev et moins, les performances les plus satisfaisantes étant obtenues à environ 2-3 3ceV. I1 serait souhaitable d'augmenter les énergies utilisables des photons à des valeurs supérieures à environ 5 kev. Le remplacement du système à miroir par des systèmes de diffraction à cristaux dans l'état actuel de l'art ne permettrait pas de résoudre ces problèmes, étant donné qu'ils ne permettent pas de focaliser de façon efficace des rayons parallèles méme dans le cas de photons de faible énergie. En conséquence, il serait souhaitable de disposer de nouveaux systèmes de diffraction à crixtaux permettant de mieux focaliser ou faire converger des rayons parallèles à des énergies de photons plus élevées pour des télescopes embarqués sur satellites et d'autres instruments.

De même, l'utilisation de réseaux de diffraction s'est répandue pour la focalisation et la formation d'images de rayons X mous, de rayonnements ultra-violets, visibles et infra-rouges. La différence fondamentale entre ces méthodes de focalisation est que dans le réseau, la focalisation est un phénomène à deux dimensions, alors que dans le cas de la structure cristalline, il s'agit d'un phénomène à trois dimensions.

Les réseaux de diffraction classiques sont fabriqués par des techniques photographiques permettant de produire une série de lignes parallèles dans la pellicule et par gravure ou usinage de métaux conducteurs pour produire un motif semblable dans des surfaces métalliques.

Comme les réseaux sont habituellement fabriqués de telle manière que l'intervalle de diffraction soit pratiquement constant, l'efficacité de ces réseaux a été limitée en grande partie pour les même raisons que celles exposées ci-dessus en ce qui concerne le cas de la diffraction par cristaux. Lé fait que l'intervalle entre les éléments de diffraction soit constant, conduit à un faisceau diffracté d'angle de diffraction constant.

Cela rend impossible de transformer un faisceau parallèle en un faisceau convergent et/ou d'utiliser le processus de diffraction dans le but de focaliser un rayonnement provenant de n'importe quel type de source, à l'exception du cas très particulier du réseau de diffraction par réflexion utilisé à l'ordre < e1 (0 2) od il ne se produit aucune discrimination spectrale.

L'un des buts de la présente invention est de fournir un dispositif permettant d'augmenter la surface ou l'angle d'admission dans des structures périodiques utilisées pour la diffraction à cristaux et la diffraction par réseau. Un autre but de l'invention est d'augmenter l'efficacité du processus de diffraction. L'invention a également pour but d'améliorer l'intensité du processus de diffraction. Elle a également pour but d'améliorer la focalisation dans des instruments utilisant la diffraction à cristaux ou la diffraction par des réseaux.

L'invention a encore pour but de fournir un dispositif pour focaliser des faisceaux parallèles. L'invention a également pour but d'augmenter les niveaux d'énergie au-dessus de 5 kev pour focaliser des faisceaux qui peuvent être diffractés par des instruments de diffraction. Ces buts, ainsi que d'autres buts de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée ci-après.

Conformément à l'invention, les caractéristiques de diffraction d'un cristal ou d'un réseau sont améliorées par modification progressive de l'espacement des éléments diffractants le long de la face de la structure. En ce qui concerne l'utilisation d'un cristal et la variation progressive de l'espacement, on fait varier la valeur de "d" dans l'équation de
Bragg, ce qui conduit à une modification progressive de l'angle de Bragg le long de la face cristalline.

En faisant varier l'angle de Bragg, on peut utiliser une surface utile ou un angle d'admission plus impOrtant, ce qui permet d'améliorer l'efficacité, l'intensité et la focalisation d'un faisceau de photons ou de particules. En outre, on peut faire focaliser ou converger ou diverger des faisceaux parallèles de la façon souhaitée.Un autre avantage est que les cristaux composés de matériaux de numéro atomique plus élevé peuvent être utilisés pour diffracter des faiscaux d'énergie supérieurs à 5 keV, jusqu'à des valeurs de 100 keV et au-delA. En conséquence, l'invention a pour but de fournir un instrument de diffraction à cristaux dans lequel les moyens permettant de faire diffracter un faisceau de photons ou de particules comprennent une structure periodique dont une face présente une longueur le long de laquelle des surfaces de diffraction périodiques sont espacées d'une distance variant progressivement le long de cette longueur. La variation progressive de l'espacement fournit une variation progressive de l'angle de Bragg et augmente ainsi la surface utile du faisceau de photons.La variation de l'angle de Bragg pour la diffraction par cristaux et, ainsi l'augmentation de l'efficacité de l'instrument tel qu'un spectromètre, peuvent être obtenus à partir de l'équation
Ad/d = oetge AE où Ad est la variation de l'espacement plan et A0 est la variation de l'angle de Bragg le long de la face utile du cristal. Pour une valeur de AdXd égale à 2,7 x 10 3 et un angle de Bragg e égal à 200, la variation de l'angle de Bragg (A0) dans ces conditions indiquées à titre d'exemple, est égale à environ radians ou 200 secondes d'arc.Cette valeur est à comparer à la valeur d'environ 2 secondes d'arc de l'angle d'ouverture ou angle d'admission d'un bon cristal de l'art antérieur, ce qui représente une amélioration d'un facteur environ 100. I1 ressort de la géométrie de la Fig. 3 que l'angle d'admission d'une structure cristalline présentant un espacement plan variable est pratiquement égal à la variation de l'angle de Bragg. I1 est également clair que la surface utile est déterminée par la distance à la source d'un faisceau divergent, mais qu'elle est pratiquement proportionnelle à l'angle d'ouverture.

Dans le cas des cristaux courbés utilisant l'invention, il existe une interdépendance entre le rayon de courbure (Rc) et la variation de l'espacement (Ad) pour la diffraction à cristaux des types transmission et réflexion comme le montrent les équations suivantes (type à transmission)
Rc = 2R1R2/cos # (R2 - R1)
#d -cos # (R2 + R1)
d = 2 sin # + R2R1) ## (type à réflexion)
Rc = 2RlR2/sin e (R2 - R1)
Ad = -cos e (R2 + R1)
w 2 R2R1 dans laquelle 'ssR1" est égal à la distance de l'image & la structure cristalline, "R2" est égal à la distance de la source aux cristaux, et "" est la distance le long de la surface du cristal.

En ce qui concerne l'utilisation de réseaux, le principe de base consiste à faire varier la distance entre les lignes, les fentes, ou les entailles diffusantes ainsi que leur largeur, dans le réseau de diffraction de telle manière que l'angle de diffraction d'un rayonnement monochromatique varie en fonction de la position sur la surface des réseaux de diffraction afin de produire la focalisation et/ou la formation d'images souhaitées.

La différence fondamentale entre la diffraction par des structures cristallines et la diffraction par des réseaux, est que les réseaux de diffraction constituent un milieu diffractant bidimensionnel alors que le cristal de diffraction est un milieu diffractant tridimensionnel. En outre, en ce qui concerne les réseaux de diffraction, on peut donner à la distance entre les éléments diffractants espacés périodiques n'importe quelle valeur jusqu'à une valeur limite pratique de quelques microns et que celle-ci est pratiquement laissée au choix du fabricant, alors que dans le cas du diffracteur à cristaux, l'espacement est déterminé par les forces électroniques entre les atomes et présente par conséquent des limitations plus importantes en ce qui concerne les valeurs de cet espacement et la vitesse à laquelle il peut varier en fonction de la position dans le cristal.Cette nouvelle possibilité d'ajuster l'espacement permet la fabrication d'un système de diffraction présentant des distances focales beaucoup plus courtes que dans le cas du cristal de diffraction et qui sont utilisables dans des gammes de longueurs d'onde beaucoup plus grandes.

Les développements mathématiques généraux sont pratiquement identiques à ceux qui ont été men tionnés précédemment pour les structures cristallines, où l'angle de diffraction de Bragg O était donné par la relation nX = 2d sin e où O est à la fois l'angle d'incidence et l'angle de sortie par rapport aux plans cristallins pour les deux types de diffraction, comme le montrent les Fig. la et lb. Le réseau de diffraction est basé a) sur la relation nX = d(sinO1 + sin 02) pour le cas de la transmission et de la réflexion du premier ordre (tous deux illustrés par la Fig. 12a) et b) sur la relation nk = d(sinO1 - sin02) pour le cas de la réflexion du second ordre (comme l'illustre la
Fig. 12b).Pour le cas de la transmission, lorsque e 2 pratiquement tous les développements mathématiques s'appliquant aux exemples de diffraction cristalline, peuvent être généralement appliqués aux réseaux de diffraction, de telle sorte que l'on peut utiliser pratiquement toutes les solutions décrites précédémment.La configuration où O1 2 62 dans le cas de la réflexion est indépendante de la longueur d'onde, de sorte que le réseau de diffraction joue le rôle d'un miroir plan pour "l'ordre 0 de la diffrac tion". Cependant, l'un des avantages des réseaux de diffraction est qu'il n'est pas nécessaire que Oj soit égal à e2 et que les distances respectives à la source et à l'image soient égales. En outre, sous réserve que l'équation de base soit satisfaite, il existe une famille de solutions et par conséquent d'images.

Avec des faisceaux à diverses fréquences, les réseaux peuvent être utiles comme filtres sélectifs en supplément à la diffraction, les images multiples étant associées chacune à une fréquence ou à une longueur d'onde individuelle. Comme les réseaux de diffraction dans des structures telles que des pellicules peuvent être facilement courbés ou mis sous d'autres formes, de nouvelles configurations pour les systèmes de focalisation et de formation d'images sont également possibles (comme l'illustrent les Fig. 14 et 15).

Pour focaliser une source ponctuelle monochromatique de lumière en une fente image comme l'illustre la Fig. 12a, les équations mathématiques peuvent entre établies de la manière suivante :
= = d (sinel + sine2)
n#
d =
(sin#1 + sin#2)

où "n" est l'ordre de la diffraction, "X" est la longueur d'onde, "d" est l'espacement entre les élements de diffraction, "01" est l'angle de Bragg pour le faisceau initial, "02" est l'angle de Bragg pour le faisceau diffracté, "D1" est la distance de la source au réseau, et "D2" est la distance du réseau à l'image.

Si #1 621 d = nA/2sin01 et la variation de d en fonction de 6 est donnée par
Ad = cos66.

d
Dans le cas plus général où #1 # #2, d = nA/(sin01 + sine2) Ad (cos#1##1 + cos#2##2)
d sin#1 + sin#2

En plus de la structure à diffraction telle qu'elle décrite ici, l'invention concerne un procédé pour réaliser la diffraction d'un faisceau, caractérisé en ce qu'il consiste (1) à fournir une structure périodique ayant une face le long de laquelle l'espacement de diffraction entre les surfaces diffractantes augmente progressivement de façon à augmenter la surface satisfaisant la condition de Bragg pour le faisceau, (2) à orienter le faisceau vers la structure périodique et (3) à recevoir le faisceau diffracté.

Au moyen de la présente invention, on peut augmenter l'angle d'ouverture ou l'angle d'une structure périodique qui satisfait à la condition de Bragg. En outre, on peut obtenir une efficacité et une intensité accrues au moyen de ces structures utilisées pour la diffraction. De plus, on peut également obtenir une meilleure focalisation et une focalisation de faisceaux parallèles.

La Fig. la est une représentation schématique de la diffraction par cristal du type à transmission de l'art antérieur, avec un cristal plat et une source ponctuelle ou linéaire.

La Fig. lb est une représentation schématique de la diffraction par cristal du type à réflexion de l'art antérieur, avec un cristal plat et une source ponctuelle ou linéaire.

La Fig. 2a est une représentation schématique de la diffraction par cristal du type à transmission de l'art antérieur où le cristal est courbé et le faisceau est délivré par une source détendue.

La Fig. 2b est une représentation schématique de la diffraction par cristal du type à réflexion de l'art antérieur, où le cristal est courbé et le faisceau délivra par une source ponctuelle.

La Fig. 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention utilisant la diffraction par cristal du type à transmission, avec un cristal plat pour focaliser un faisceau provenant d'une source ponctuelle ou linéaire.

La Fig. 4 est un second mode de réalisation de l'invention représentant un cristal plat présentant une concentration variable le long de sa longueur, utilisé pour la diffraction par cristal du type à tranSmission.

La Fig. 5 est un troisième mode de réalisation de l'invention, représentant une disposition spatiale de trois cristaux présentant des espacements plans différents, utilisé pour la diffraction par cristal du type à transmission.

La Fig. 6 est une représentation schématique d'un quatrième mode de réalisation de l'invention représentant la diffraction par cristal du type à transmission, où le cristal est courbé et le faisceau délivré par une source ponctuelle.

La-Fig. 7 est un cinquième mode de réalisation de l'invention représentant la diffraction par cristal du type à réflexion, où le cristal est courbé et le faisceau délivré par une source ponctuelle.

La Fig. 8 est un sixième mode de réalisation de l'invention représentant la diffraction par cristal du type à transmission, où le cristal est courbé et le faisceau incident constitué de rayons parallèles.

La Fig. 9 est un septième mode de réalisation de l'invention représentant une diffraction par cristal du type à réflexion, où le cristal est courbé et le faisceau incident constitué de rayons parallèles.

La Fig. 10 est un huitième mode de réalisation de l'invention représentant une diffraction par cristal du type à transmission, où les deux cristaux courbés sont utilisés pour focaliser le faisceau provenant d'une source ponctuelle pour former une image ponctuelle.

La Fig. 11 est une représentation d'un instrument utilisant l'invention et permettant de créer un gradient de température à travers le cristal.

La Fig. 12a est une représentation schema- tique de la diffraction du type à transmission et du type à réflexion (premier type) par des réseaux à espacements variables et qui utilisent l'invention pour focaliser une source ponctuelle ou linéaire en une image linéaire.

La Fig. 12b est une représentation schématique d'une variante ou d'un second type de géométrie pour la diffraction du type à réflexion par des réseaux à espacements variables qui utilisent l'invention pour focaliser une source ponctuelle ou linéaire en une image linéaire.

La Fig. 13a est une représentation schématique d'une diffraction du type à transmission et à réflexion (du premier type) illustrant les caractéristiques de focalisation d'un réseau circulaire en tant que mode de réalisation de l'invention pour le cas d'une source ponctuelle focalisée en une image ponctuelle.

La Fig. 13b est une représentation schématique d'une diffraction du type à transmission et à réflexion- représentant les caractéristiques de focalisation d'un réseau circulaire dans le cas d'un faisceau parallèle focalisé en une image ponctuelle.

La Fig. 14 est une représentation d'un réseau incurvé sous forme d'une structure annulaire pour focaliser et faire diverger des rayons provenant d'une source ponctuelle, vers une image ponctuelle.

La Fig. 15 est une représentation schématique d'un réseau incurvé de façon à constituer une section conique creuse pour focaliser des rayons parallèles en une image ponctuelle.

Comme décrit précédemment, l'invention a pour but de fournir un instrument de diffraction dans lequel le système permettant de faire diffracter un faisceau de photons ou de particules comprend une structure périodique avec des plans ou des éléments de diffraction espacés suivant un motif périodique le long d'une longueur de la face, cet espacement variant progressivement le long de cette longueur pour fournir une variation de l'angle de Bragg le long de cette longueur. L'invention concerne en outre le système de diffraction à espacement variant progressivement et un procédé pour fournir le système de diffraction. I1 est avantageux que les structures périodiques soient constituées par des structures cristallines et des réseaux de diffraction.

En ce qui concerne la diffraction par des cristaux, 1'invention concerne un instrument pour la diffraction cristalline et un procédé de réalisation d'une diffraction cristalline dans des conditions qui satisfassent la condition de Bragg qui est basée sur l'équation de Bragg donnée ci-dessus. En ce qui concerne la diffraction par des réseaux, l'invention concerne un instrument pour la diffraction au moyen de réseaux et un procédé de réalisation d'un réseau de performances améliorées.

En ce qui concerne la diffraction cristalline, il est bien connu que la condition de Bragg comprend également la relation selon laquelle l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion dans la structure cristalline. Dans un instrument permettant de faire diffracter un faisceau d'énergie utilisant un système de diffraction du faisceau, l'amélioration est caractérisée en ce qu'une structure cristalline présente une longueur le long de laquelle l'espacement entre les plans de diffraction varie progressivement de façon à fournir un angle de Bragg de valeur décroissante, pour une fréquence (longueur d'onde) particu lière d'un rayonnement monochromatique.

Parmi les instruments de ce type, on citera les spectromètres, des dispositifs médicaux utilisés pour focaliser ou accroître l'intensité d'un faisceau à des fins de traitement, des télescopes embarqués sur satellites utilisés pour focaliser des faisceaux parallèles de photons tels que des rayons X et gamma provenant de l'espace lointain et des dispositifs utilisables à des fins de recherches où des faisceaux de photons ou de particules sont dirigés vers des échantillons afin de déterminer des caractéristiques particulières des échantillons. En général, ces instruments comprennent des systèmes permettant de recevoir le faisceau diffracté sur une surface cible pour fournir une image et dans de nombreux cas, comprennent une ouverture ou un autre dispositif pour admettre le faisceau provenant de la source et l'envoyer vers le dispositif de diffraction.Dans un spectromètre, le dispositif de réception du faisceau comprend la fente de sortie ou de détection, alors que l'ouverture d'entrée peut constituer le dispositif recevant le faisceau. Un ou plusieurs collimateurs peuvent également être utilisés pour séparer le faisceau diffracté du faisceau non diffracté comme cela est couramment effectué dans cette technique. En outre, des parties de l'instrument de l'invention peuvent être mobiles de façon à pouvoir ajuster les différentes parties du faisceau admis. Pour un télescope embarqué sur satellite, un dispositif est prévu pour admettre un faisceau parallèle de photons provenant de l'espace lointain et pour focaliser le faisceau diffracté.

Le procédé de l'invention concernant la structure cristalline consiste (1) à fournir une structure cristalline dans laquelle l'espacement plan varie progressivement le long d'une face de cette structure, (2) à diriger un faisceau de photons élémentaires et/ou de particules vers la surface de la structure cristalline pour fournir un faisceau diffracté, et (3) recevoir le faisceau diffracté.

La première opération peut être effectuée en fournissant une différence ou un gradient de température le long de la longueur de la structure cristalline pour faire varier progressivement, d'une valeur positive ou négative, l'espacement plan en utilisant le coefficient thermique d'expansion ou de contraction, en fournissant une disposition spatiale de deux ou plusieurs structures cristallines différentes pour former une longueur présentant un espacement plan différent, en créant une variation de composition le long d'une longueur d'une structure cristalline pour fournir une variation progressive de l'espacement, ou par des combinaisons de ces techniques.

Il est avantageux de créer la variation de l'espacement plan en utilisant un gradient ou une variation de température dans la composition cristalline et de préférence, à un gradient de température d'au moins 50 C/cm de longueur.

Comme structures cristallines appropriées, on citera des cristaux présentant un point de fusion élevé d'au moins environ 2000C, et de préférence supérieur à environ 5000C, ainsi que d'autres caractéristiques ainsi que le numéro atomique et les propriétés magnétiques dépendant du faisceau particulier envisagé. Pour des faisceaux de plus faible énergie, des cristaux de numéro atomique plus faible sont utilisés, et inversement pour les faisceaux d'énergie supérieure. Pour les faisceaux de neutrons, il est souhaitable d'utiliser des cristaux présentant certaines propriétés magnétiques. En général, parmi les cristaux appropriés, on citera les cristaux de quartz, de calcite, de silicium, de germanium, d'or, d'étain, de nickel, de graphite, de béryllium, de cuivre, de zinc, de saphir, de diamant, etc.On peut utiliser des combinaisons de différents cristaux tels que des cristaux de silicium et de nickel, de nickel et de germanium, de germanium et d'étain, de silicium et de germanium, de silicium et d'étain, etc. Pour les structures cristallines à composition variable, on peut utiliser des combinaisons de cristaux de nickel contenant environ 20 % en poids atomique de germanium, de silicium ou d'étain ou des cristaux de cadmium contenant environ 30 % en poids atomique d'argent. On trouvera les caractéristiques de ces cristaux en ce qui concerne la composition et l'espacement plan dans des ouvrages tels que nHandbook of Lattice Spacings and Structures of
Metals and Alloys" par W.B. Pearsons, Pergamon
Press, London (1958 et 1967), Vol. I, pp. 286, 288 et 290. Vol. II, pp. 512 et 980.

I1 est préférable que le cristal soit de haute qualité et que ce cristal soit un quartz. La structure cristalline peut être plate ou courbe selon le choix du cristal et qu'il est nécessaire ou non de le courber. A titre d'exemple, les dimensions d'une structure cristalline sont de 0,5 à 10 cm de longueur, de 0,5 à 10 cm de largeur et de 0,1 à 0,5 cm d'épaisseur, l'espacement plan étant d'environ
o o 1 à 10 A, de préférence d'environ 1 à 5 A et mieux
o encore, d'environ 1 à 2 A dans le cas des hautes énergies (ces dernières valeurs se rapportant à des photons).

La variation, et de préférence l'augmentation, de l'espacement plan est de préférence d'environ 0,1 à 5 % et mieux encore, d'environ 0,5 à 2 % le long de la face cristalline. Lorsque l'espacement est fourni par un gradient de température, il est souhaitable d'utiliser un gradient de température d'au moins environ 2000C jusqu'au point de fusion cristalline (ou point de Curie pour un faisceau de neutrons), celui-ci étant de préférence d'environ 200 à 5000C. I1 est souhaitable d'utiliser un gradient de température d'au moins environ 50 C/cm (la température maximale étant inférieure au point de fusion cristalline ou point de Curie).

Des diagrammes schématiques ont été présentés dans les Fig. 1 à 10 pour illustrer des caractéristiques de la diffraction par les cristaux de l'art antérieur et celles fournies par les structures cristallines de l'invention. L'espacement plan et les faisceaux sont également agrandis pour illustrer les caractéristiques du processus de diffraction.

Les Fig. 1 et 2 illustrent la diffraction par des cristaux utilisant les techniques de l'art antérieur. Dans les Fig. la et 2a, on a illustré la diffraction cristalline du type à transmission et dans les Fig. lb et 2b, on a illustré la diffraction du type à réflexion. Pour plus de simplicité, dans le cas de la diffraction du type à réflexion, le faisceau est représenté réfléchi par la surface de la structure, bien que la diffraction utilise une ou plusieurs couches d'espacements plans. Les Fig. la et lb illustrent l'utilisation de cristaux plans alors que les Fig. 2a et 2b illustrent l'utilisation de cristaux courbes.Comme l'illustre la Fig. la, un faisceau venant d'une source ponctuelle ou linéaire 10 est transmis à travers un collimateur 12 pour effectuer la sélection d'un faisceau 14 de faible largeur identifié par un angle d'ouverture A6, et est envoyé vers un cristal plan 15 dont la surface 16 présente une longueur 17. L'espacement plan 18 du cristal 15 est pratiquement constant le long de la distance 17 et par conséquent, seule une surface limitée 20 ou angle d'ouverture est capable de diffracter la partie monochromatique du faisceau dans des conditions qui satisfont la condition de
Bragg. L'angle 6 de la Fig. la représente l'angle de Bragg. Le faisceau diffracté 21 est orienté de façon à former une image linéaire 22.Comme le montre l'illustration, le faisceau 21 diverge légè- rement de façon à ce que l'image linéaire 22 ne soit pas une image focalisée et que les distances D1 et
D2 soient égales.

Dans la Fig. lb, l'incerstice entre les plans 30 du cristal 28 s'étend parallèlement à la surface 32 le long de la longueur 34. Comme le montre l'illustration, le faisceau 35 part d'une source ponctuelle ou linéaire 36, traverse le collimateur 37 et atteint la surface 32 puis est diffracté pour former un faisceau diffracté 38 qui forme ensuite l'image linéaire 39. Le faisceau 38 diverge légèrement de façon à ce que l'image linéaire 39 ne soit pas focalisée. Les distances D1 et D2 sont représentées égales.

Un cristal courbe utilisé pour la diffraction cristalline du type à transmission est illusté dans la Fig. 2a, le faisceau 40 partant d'une source étendue 42 et atteignant la surface 45 du cristal 44.

Le faisceau diffracté 46 traverse le collimateur 47 pour former l'image linéaire 48. Comme le montre l'illustration, le rayon 49 de l'arc 50 représentant la courbure du cristal 44 est environ deux fois supérieur à la valeur du rayon 51 du cercle focal.

Dans la Fig. 2b, on a illustré la diffraction cristalline du type à réflexion avec un cristal courbe. Le faisceau 54 provenant d'une source ponctuelle 56 est dirigé vers la surface 58 du cristal 57 et est diffracté par les éléments plans 59 pour former un faisceau diffracté 60 constituant l'image linéaire 61. Comme le montre l'illustration, les distances D1 et D2 sont égales et le rayon 62 de l'arc 63 pour le cristal courbe est environ deux fois supérieur au rayon 65 du cercle focal.

Un mode de réalisation de l'invention est illustré dans la Fig. 3 . Un cristal plan 70 est utilisé pour la diffraction cristalline du type à transmission et présente un interstice entre les plans 72 dont la valeur s'accroît le long de la longueur 73 de la surface 74 entre une extrémité froide 75 et une extrémité chaude 76. Etant donné que l'extrémité chaude 76 fournit une augmentation de l'interstice entre les plans 72, l'extrémité chaude 76 est placée de fagon à fournir un angle de Bragg 77 inférieur à l'angle 78 produit à l'extrémité froide 75. Comme le montre l'illustration, le faisceau 79 est orienté vers la surface 74 et est diffracté de façon à former un faisceau diffracté 80 qui converge en donnnant une image linéaire focalisée 81.

Dans le second mode de réalisation de l'invention illustré à la Fig. 4, on a illustré une structure cristalline 84 d'un matériau tel que le nickel contenant un ingrédient supplémentaire tel que l'étain en concentration variable le long de la structure cristalline de façon à faire varier l'interstice entre les plans. La concentration d'étain varie entre une valeur d'environ 0 % à l'extrémité 45 et une valeur d'environ 10 % en poids atomique à l'ex- trémité 86, ce qui conduit à une variation de l'espacement entre les plans 87 d'une valeur "d" d'environ
o 3,5672 A (à une température d'environ 160C) à l'extré-
o mité 85, à environ 3,6000 A (à une température d'environ 160C) à l'extrémité 86.Dans le processus de diffraction cristalline du mode de réalisation de la Fig. 4, le faisceau 88 provenant de la source ponctuelle ou linéaire 89 est dirigé vers une structure cristalline 84 et diffracté par les plans B7 pour former un faisceau diffracté 90 qui converge en donnant une image linéaire focalisée 91. Comme le montre l'illustration, les distances D1 et D2 sont égales.

Un agencement spatial de trois cristaux différents 94, 95 et 96, est illustré en tant que troisième mode de réalisation de l'invention dans la
Fig. 5. Comme le montre l'illustration, chacun des cristaux présente des extrémités froide et chaude opposées de façon à ce que l'espacement entre les plans varie le long du cristal. En outre, la composition des différents cristaux varie de façon à ce que l'espacement entre les plans à l'extrémité froide soit différent pour chaque cristal.A titre d'exemple, le cristal 94 peut être un nickel rela tivement pur présentant un espacement entre les plans
o d'environ 3,5172 A à l'extrémité froide avec une température d'environ 160C, le cristal 95 étant un nickel contenant environ 3 % en poids atomique de Sn ayant un espacement entre les plans d'environ 3,5429 à l'extrémité froide avec une température d'environ 160cri et le cristal 96 étant un nickel contenant environ 6 % en poids atomique de Sn ayant un espacement entre les plans d'environ 3,5687 A a l'extrémité froide avec une température d'environ 16 C. La combinaison des faces 97, 98 et 99 forme une longueur totale 100 le long de laquelle l'espacement entre les plans varie de façon à fournir une augmentation de l'espacement le long de la longueur 100. Le gradient de température (At/cm) des cristaux 94, 95 et 96 (chacun d'une longueur de 1 cm) sont respectivement d'environ 1760C (1920C - i60C), 1770C (1930C - 160C), et 1780C (1940C - 160C).

Les cristaux 94, 95 et 96 sont séparés à une faible distance (environ 2 cm) par des frontières fournissant une isolation entre les extrémités adjacentes. L'angle d'admission est d'environ 540 secondes d'arc (pour un faisceau monochromatique de 50 keV utilisant 100 plans de nickel et une diffraction du cinquième ordre).

Dans le processus de diffraction, le faisceau 102 provenant d'une source ponctuelle ou linéaire 103 est dirigé vers la combinaison 102 de cristaux 94, 95 et 96 et diffracté pour former un faisceau diffracté 105 qui converge en donnant une image linéaire focalisée 106. Les distances D1 et D2 sont égales.

Dans le quatrième mode de réalisation de l'invention représentant la diffraction cristalline du type à transmission illustré dans la Fig. 6, une structure cristalline 110 d'un matériau tel qu'un quartz est courbée de façon e ce que la face 111 soit de forme convexe le long de la longueur 112.

Un gradient de température est appliqué le long de la longueur 112 pour fournir une variation de l'espacement entre les plans le long de cette longueur 112. Cela produit une variation de l'angle de Bragg basée sur les équations précédentes concernant le rayon de courbure (Rc) et le bd/d souhaité déterminé par la relation supplémentaire Ad/d = aEt où a est égal au coefficient d'expansion thermique et "At" est égal a la différentielle de température.

Le faisceau 113 provenant de la source ponctuelle ou linéaire 114 est dirigé vers la face 111 le long de laquelle l'espacement entre les plans 115 varie, et est diffracté pour donner un faisceau diffracté 116. On forme l'imge linéaire 117 en faisant converger le faisceau 116. Dans la Fig. 8, les distances D1 et D2 sont différentes.

La Fig. 7 illustre la diffraction cristalline du type à réflexion par une structure cristalline 120 courbée de façon à ce que l'angle d'incidence ou angle de Bragg varie le long de la longueur 123 de la surface 122. Comme le montre l'illustration, on applique un gradient de température le long de la longueur 123 pour fournir une variation de l'espacement entre les plans qui correspond à la variation de l'angle de Bragg. Dans le processus de diffraction, le faisceau 124 provenant de la source ponctuelle ou linéaire 125 est dirigé vers la face 122 et est diffracté de façon à former le faisceau diffracté 126. La convergence du faisceau 126 donne l'image linéaire 127. Comme le montre l'illustration, les distances D1 et D2 sont différentes.

Dans les Fig. 8 et 9, les structures cristallines 130 et 150 sont utilisées comme dispositifs pour diffracter et focaliser des faisceaux parallèles 132 et 152 respectivement, en tant qu'instruments du type utilisé pour un télescope embarqué sur satellite. Dans la Fig. 10, le gradient de température est appliqué sur la longueur 134 de la face 133 de la structure cristalline 130 pour fournir une variation de l'espacement entre les plans. Le faisceau 132 est dirigé vers la face 133 et est diffracté de façon à former un faisceau diffracté 135 qui converge en donnant une image linéaire focalisée 136. De même, bien que l'on utilise la diffraction cristalline du type à réflexion, le faisceau 152 est dirigé vers la face 153 de la structrue cristalline 150 et est diffractée de façon à donner un faisceau diffracté 155 qui converge en formant l'image linéaire focalisée 156.

Comme le montre l'illustration, un gradient de température est appliqué sur la longueur 154 de la face 153 pour fournir une variation de l'espacement entre les plans.

Dans la Fig. 10, on outilise un ensemble de structures cristallines pour former une image ponctuelle focalisée provenant d'une source ponctuelle.

Comme le montre l'illustration, on applique à la structure cristalline 160 une différentielle de température sur la longueur 163 de la face 162 pour fournir une variation de l'espacement entre les plans.

Comme le montre l'illustration, la face 162 présente une forme concave exposée à la source ponctuelle 164.

Le faisceau 165 est dirigé vers la face 162 et forme un faisceau diffracté 166 qui converge en donnant l'image linéaire 167. La structure cristalline 168 est placée sur le trajet des faisceaux diffractés 166 et forme un second faisceau diffracté 169 qui converge en une image ponctuelle 170. On applique également à la structure cristalline 168 une différentielle de température le long de la longueur 172 de la face 171 pour fournir une variation de l'espacement entre les plans.

Dans la représentation de l'instrument 180 illustré à la Fig. 11, on maintient un cristal plat 182 entre les supports 184 et 185 et on l'utilise pour faire diffracter un faisceau 186 d'une énergie d'environ 50 keV provenant de la source 187. Le faisceau diffracté 188 est transmis à la fente de détection 189. Le gradient de température d'environ 3000C est appliqué au moyen d'un chauffage électrique dans le support 184 comme l'illustre les fils 190 et 191 et par refroidissement dans le support 185 comme l'illustrent les tubes 192 et 193. L'écran 194 permet de protéger le détecteur 189 des rayonnements provenant de la source.La source 187 et la fente de détection 189 peuvent être mobiles de façon à pouvoir ajuster les différentes énergies des photons, les différents gradients de température et les différents angles de Bragg Un enceinte 195 est également fournie de façon à ce que le processus de diffraction s'effectue sous vide.

Comme décrit ci-dessus, l'invention fournit un instrument utile pour la diffraction par les cristaux en fournissant une structure cristalline dont l'espacement entre les plans varie le long de la face recevant le faisceau à diffracter. On peut faire varier l'espacement entre les plans en utilisant un gradient de température, en utilisant différentes structures cristallines alignées le long d'une longueur, chacune des structures ayant une composition différente, en utilisant une structure cristalline ayant une composition variable le long de sa face, et par des combinaisons de ces techniques. Les structures cristallines comportant différentes compositions et différents espacements entre les plans sont décrits dans "A Handbook of Lattice Spacing and Structures of Metals and Alloys" par W.B.Pearson,
Pergamon Press, London (1958 et 1967), Vol. I, pp. 286, 288 et 290, Vol. II, pp. 512 et 980. Une structure cristalline présentant une variation de composition le long de sa surface peut être produite par un raffinage de zone consistant à enrichir la composition à l'une de ses extrémités par un second constituant qui est ensuite réparti le long de la longueur de la structure cristalline au cours du processus de raffinage de zone.

Comme l'illustre la Fig. 12a, un réseau de diffraction 200, est placé perpendiculairement à une ligne 204 reliant la source ponctuelle 202 à l'image linéaire 203 et fournit la fbcalisation de la source ponctuelle. Le réseau 200 comprend une surface 206 avec une face 207 présentant un espacement de diffraction 208 augmentant le long de la longueur 210 de la face 207 dans la direction de la ligne 204.

Les angles de Bragg 91 et 62 sont identifiés par les numéros 212 et 214. Dans le mode de transmission, l'image 203 se trouve de l'autre côté du réseau 200, alors que dans le mode de réflexion, l'image 216 se trouve du même côté. Comme le montre l'illustration, il n'est pas nécessaire que la distance D1 soit égale à la distance D2. Les éléments de diffraction peuvent étre représentés par les interstices ouverts 209 entre les segments de droite foncés 211 dans le mode de transition ou par les segments de droite foncés 211 dans le mode de réflexion.

Dans la Fig. 12b, le réseau 220 est placé parallèlement à la ligne 224 qui relie la source ponctuelle 222 à l'image linéaire 223 et fournit une focalisation d'une partie monochromatique de la source ponctuelle. Les angles de Bragg 01 et 62 sont représentés par les numéros 226 et 228. Comme le montre l'illustration, il n'est pas nécessaire que X1 égale X2. Dans le mode de reflexion, les éléments de diffraction sont représentés par les segments de droite foncés 221 séparés par les interstices 225.

Dans la Fig. 13a, le réseau de diffraction 230 comprend des éléments de diffraction disposes en cercles 232 d'axe commun 234, les separations 235 entre les cercles 232 représentant l'espacement entre les éléments du mode de transmission. Comme le montre l'illustration, le réseau 230 peut être utilisé pour faire focaliser les rayons 237 d'une source ponctuelle 236 le long de deux dimensions pour former une image ponctuelle 238 dans le mode de transmission et une image ponctuelle 239 dans le mode de réflexion.

Dans la Fig. 13b, on utilise un réseau de diffraction 240 semblable au réseau 230 de la Fig. 13a pour focaliser un faisceau parallèle 242 et former une image ponctuelle 244 dans le mode de transition et une image ponctuelle 246 dans le mode de réflexion.

Comme le montre l'illustration de la Fig. 14, le réseau de diffraction 250 présente une forme annulaire 252 obtenue par courbure d'une structure plane. Les éléments de diffraction 254 forment des cercles 256 présentant un axe commun 258 avec l'anneau 252 de façon à focaliser la source ponctuelle 260 et former une image ponctuelle 262.

Dans la Fig. 15, le réseau 270 présente la forme d'une section conique creuse 272 ayant une surface inclinée 274 permettant de focaliser un faisceau parallèle 276 pour former une image ponctuelle 278 dans le mode de réflexion normal et une image ponctuelle 280 dans le mode de réflexion par rétrodiffusion.

Les réseaux de diffraction de l'invention présentant des éléments de diffraction espacés et dans lesquels les séparations entre ces éléments augmentent ou diminuent le long d'une dimension, fournissent un moyen utile pour diffracter des faisceaux d'énergie. Comme ces réseaux peuvent être fabriqués facilement et etre mis sous diverses- formes, les réseaux obtenus constituent des lentilles et d'autres systèmes de diffraction relativement peu onéreux pour focaliser ou orienter des faisceaux d'énergie. En outre, ils constituent un moyen pour sélectionner une partie monochromatique d'un faisceau à plusieurs longueurs d'onde et pour diffracter la partie monochromatique de façon à former une image séparée des autres images.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Instrument de diffraction, comprenant un dispositif pour diffracter un faisceau d'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend une structure périodique comportant une surface (74) pour recevoir le faisceau et un espacement de diffraction (72) le long de cette surface, cet espacement de diffraction variant progressivement le long de cette surface et fournissant ainsi des valeurs de l'angle de Bragg variant progressivement de façon à accroître la surface utile de cette surface de diffraction.

2. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour admettre un faisceau (79) provenant d'une source et un dispositif pour recevoir un faisceau diffracté (80).

3. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dispositif de diffraction comprend un dispositif de focalisation d'un faisceau parallèle.

4. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette structure est une structure cristalline

5. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette structure est un réseau de diffraction.

6. Instrument selon la revendication 4, caractérisé en ce que cet espacement augmente progressivement le long de cette surface.

7. Instrument selon la revendication 5, caractérisé en ce que cet espacement augmente progressivement le long de cette surface.

8. Instrument selon la revendication 6, caractérisé en ce que la structure cristalline (110) est courbée pour fournir une variation supplémentaire de l'angle de Bragg.

9. Instrument selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour appliquer un gradient de température d'au moins 50 C/cm le long de cette surface de cette structure cristalline.

10. Instrument selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette structure cristalline présente une composition variable le long de cette surface.

11. Instrument selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette structure cristalline comprend un ensemble de structures (94, 95, 96) séparées disposées de façon à constituer cette surface, chaque structure présentant une composition différente.

12. Instrument selon la revendication 5, caractérisé en ce que la structure de réseau est courbée de façon à former un anneau présentant des surfaces de diffraction intérieures.

13. Procédé pour effectuer une diffraction cristalline sur un faisceau d'énergie, caractérisé en ce qu'il consiste : (1) à fournir une structure périodique présentant une

surface recevant le faisceau le long de laquelle

l'espacement de diffraction varie progressivement

de façon à faire varier progressivement les angles

de Bragg correspondants, ( à diriger ce faisceau vers cette structure périodique

pour fournir un faisceau diffracté, et (3) à recevoir le faisceau diffracté.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que cette structure périodique est une structure cristalline.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que L'opération consistant à fournir la structure cristalline comprend l'application d'un gradient de température le long de cette surface.

16. Structure périodique utilisable pour diffracter un faisceau d'énergie, comprenant une surface pour recevoir le faisceau le long de laquelle l'espacement de diffraction varie progressivement fournissant ainsi des angles de Bragg variant progressivement pour accroître la surface utile de cette surface de diffraction.