FR2656924A1 - Procede et dispositif d'imagerie de la texture d'un echantillon de materiau poreux. - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à un procédé et un dispositif d'imagerie de la texture d'un échantillon de matériau poreux. Le dispositif comprend une chambre de mesure (19) destinée à recevoir ledit échantillon (20), des moyens (2), pour introduire dans la chambre un condensat, une source (27) apte à diriger vers ladite chambre de mesure un rayonnement électromagnétique ou un faisceau de particules, des moyens (31) de détection et d'analyse dudit rayonnement ou dudit faisceau après sa traversée de la chambre de mesure, et des moyens de traitement pour reconstituer une image de synthèse à partir de la sortie des moyens de détection et d'analyse.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de caractérisation et d'imagerie de la texture d'un échantillon de matériau poreux.

Les propriétés de nombreux matériaux dépendent dans une large mesure de leurs caractéristiques de texture telles que la perméabilité, la tortuosité et la porosité.

La caractérisation de ces propriétés intervient par conséquent dans de nombreuses branches de l'industrie telles que celle des matériaux conducteurs et en particulier des matériaux supraconducteurs à haute température critique, dans l'industrie pétrolière et chimique, en particulier celle des catalyseurs en phase hétérogène, dans celle des matériaux de construction tels que le béton, les métaux frittés, les céramiques et les matériaux composites ainsi que dans le textile ou l'industrie pharmaceutique.

On a donc déjà envisagé divers moyens permettant cette caractérisation.

Dans une première catégorie de procédés, on caractérise la texture poreuse elle-même. On utilise par exemple la visualisation directe par microscopie électronique ou d'autres procédés fondés sur la diffraction, la diffusion, effet tunnel, des propriétés spectroscopiques ou des techniques nucléaires. Ces phénomènes et ces propriétés conduisent à mettre en oeuvre des procédés sophistiqués comme la microscopie électronique à transmission permettant une résolution à des échelles atomiques, la microscopie à sonde de champ ionique, la microscopie à effet tunnel, la spectroscopie de réactions d'anihilation de positrons, la diffusion aux angles faibles de rayons X ou de neutrons, ou la résonance magnétique nucléaire.

Une deuxième catégorie de procédés d' d'analyse ou de visualisation indirecte consiste à remplir la texture poreuse au moyen d'un fluide dont les propriétés dépendent alors de la texture poreuse et permettent par conséquent d'analyser cette dernière. On peut par exemple injecter dans cette texture une résine sous pression chimiquement inerte puis dissoudre la texture poreuse dans de l'acide. Il est alors possible de visualiser directement ltempreinte faite par la texture poreuse dans la résine. Ce procédé présente cependant parmi d'autres nombreux inconvénients celui d'être totalement destructif.

D'autres procédés indirects de caractérisation consistent à analyser les effets de taille finie des pores sur certaines propriétés drun condensat remplissant le matériau, ces propriétés résultant de ltexistence de phénomènes capillaires. Il s agit en particulier de la porosimétrie au mercure. Ces procédés permettent de mesurer certaines propriétés du matériau comme la distribution des tailles de pores, sa perméabilité ou sa tortuosité mais les mesures résultent en fait d'une moyenne de la grandeur physique qui est mesurée sur le volume global de ltéchantillon analysé.

Tous ces procédés connus d'analyse ou de visualisation indirecte de la texture d'un matériau poreux présentent toutefois ltinconvénient supplémentaire d'utiliser généralement de liteau, du mercure ou tout autre liquide usuel qui ne mouille pas la plupart des matériaux. De ce fait, les conditions de saturation du milieu poreux par le condensat ne sont pas remplies dans les pores de faible diamètre en l'absence d'une pression élevée du condensat ce qui altère la fiabilité de ces procédés.Cet inconvénient est particulièrement grave dans les matériaux dits micro-poreux dont un grand nombre de pores ont des rayons inférieurs à 20 nm (ce qui est le cas de certains catalyseurs chimiques industriels dits ultramicroporeux parce que les rayons de leurs pores sont inférieurs à 0,6 nm).

La présente invention vise à pallier ces inconvénients.

A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé d'imagerie de la texture d'un échantillon d'un matériau poreux, caractérisé par le fait que lton remplit les pores de L'échantillon avec un condensat, que lVon procède à une irradiation locale dudit condensat par un rayonnement électromagnétique ou un faisceau de particules incident, par exemple un faisceau de neutrons thermiques, que lton analyse le rayonnement ou le faisceau transmis localement à travers ltéchantillon dans un état donné du condensat, que lVon déduit des résultats de cette analyse les variations locales d'une caractéristique de la texture du matériau de ltéchantillon telle que sa porosité, et que lVon reconstitue une image de synthèse des variations de cette caractéristique.

En pratique, on pourra utiliser de liteau ou tout autre liquide pour remplir les pores de ltéchantillon. On préférera cependant remplir les 1pores avec de hélium, et notamment son isotope 4He ou un mélange des isotopes 4He et He.

Ces deux derniers présentent en effet, des propriétés tout à fait particulières aux très basses températures. Sous sa pression de vapeur saturante, hélium 4He se liquéfie à 4,2 K et subit 2,17 K une transition dite superfluide du fait outil peut alors être considéré comme le mélange idéal d'un liquide normal de viscosité K non nulle et d'un liquide
n superfluide de viscosité K nulle.Les densités respectives p n et p5 du
s liquide normal et du liquide superfluide dans le mélange sont telles que le rapport ( p / p n est nul à la température de transition de 2,17 K (l'hélium liquide nVest constitué que de liquide normal de viscosité K ) tandis que ce rapport devient supérieur à 1000 aux températures inférieures à 0,5 K (hélium liquide ne contient quasiment plus que du liquide superfluide). La viscosité du mélange peut alors être considérée comme nulle en ce sens restrictif que sa composante superfluide stécoule sans résistance dans toute perte de charge.

L'utilisation hélium superfluide présente de nombreux avantages.

Tout d'abord, contrairement à liteau, au mercure ou à tout autre liquide classique, hélium 4He mouille la surface de tous les matériaux. De ce fait, son intrusion à l'intérieur des capillaires de toutes dimensions s'effectue de façon spontanée et quasi-instantanée quelque soit la porosité du matériau.

Par comparaison avec les procédés connus, les mesures peuvent donc être effectuées à ltéquilibre thermodynamique de façon quasi-instantanée et sans nécessiter de pression élevée du condensat.

Par ailleurs, du fait outils interviennent généralement à l'interface solide/liquide, les phénomènes d'origine capillaire dépendent essentiellement de la pureté chimique du condensat quWil est impossible d'assurer lorsque ce liquide sature un matériau d'origine naturelle. Par contre, l'hélium est systématiquement obtenu sous la forme d'un condensat chimiquement pur aux températures ultra-basses et, du fait de la masse très faible de l'atome hélium, la surface de tout matériau est uniformément tapissée d'un revêtement de quelques couches atomiques hélium solide.

Cette propriété conduit les phénomènes capillaires pertinents à intervenir systèmatiquement à l'interface hélium solide/hélium liquide et affranchit de ce fait le procédé selon l'invention de toutes difficultés liées à la pollution chimique inévitable des matériaux usuels.

Pour obtenir une visualisation à ltéchelle atomique, on peut par exemple irradier localement ltéchantillon poreux qui a été préalablement saturé avec le condensat par un faisceau de rayons X. Dans ce cas, on ne sait pas réaliser un système optique permettant d'obtenir une image et l'on observe la distribution spatiale de l'intensité des rayons X diffusés. A partir de l'image de diffraction, il est alors possible de déterminer par le calcul la position des atomes. C'est parce que les rayons X ont des longueurs d'onde de tordre de grandeur des distances interatomatiques que les interférences donnent une image de diffraction interprétable pour déduire la structure de ltéchantillon irradié.

Toutefois, on préférera irradier localement ltéchantillon poreux qui a été préalablement saturé avec le condensat par un faisceau de neutrons Les neutrons thermiques ont également une longueur d'onde de tordre de 0,1 nm et tous les procédés mettant en oeuvre les rayons X s'appliquent aussi aux neutrons. Quand un neutron rencontre un atome non magnétique comme l'atome d'hélium, il n'interagit qu'avec le noyau. L'un des phénomènes qui peut arriver est la diffusion cohérente, au cours de laquelle le neutron change de direction sans perdre sa phase lors d'une telle rencontre.Comme la diffusion nucléaire est du même ordre de grandeur pour tous les noyaux, il nty a pas de difficulté, contrairement au cas de la diffusion des rayons X, à voir un noyau léger comme le noyau d'hélium à côté de noyaux lourds. Par ailleurs, l'énergie des neutrons ayant une longueur d'onde voisine des distances interatomiques est comparable à l'énergie cinétique des atomes dans un liquide ou un solide. En plus des propriétés de structure, cette caractéristique permet de mesurer les mouvements des atomes d'un condensat contenu dans un matériau poreux. Comme les mouvements des atomes du condensat sont affectés par la taille finie des pores du matériau, ce procédé permet de déduire certaines des caractéristiques de ce dernier, dont la distribution des tailles des pores.

On utilise de préférence un faisceau de neutrons monocinétique pour mesurer éventuellement leur énergie après diffusion selon un angle donné.

En ce qui concerne la détection, un premier procédé de spectroscopie peut utiliser les propriétés de la réflection de Bragg. Quand les neutrons arrivent sur un monocristal, ils sont réfléchis suivant des angles reliés à leur longueur dWonde par des relations connues. Il est donc possible d'isoler une longueur d'onde déterminée dans un spectre large en orientant le cristal par rapport au faisceau incident, et le spectre des neutrons diffusés par un échantillon peut être analysé en mesurant l'intensité des neutrons réfléchis par un cristal analyseur en fonction de l'angle d'incidence.Un deuxième procédé fait usage du faible ordre de grandeur des vitesses des neutrons thermiques (500 à 2000 m/s) pour les séparer au moyen de dispositifs mécaniques absorbants ne laissant passer que des neutrons d'une vitesse donnée (diaphragmes tournants ou "choppers").

On sait par ailleurs que lorsque l'hélium liquide est contenu dans un matériau poreux, il subit comme tout autre condensat des effets d'origine capillaire. Contrairement cependant à un condensat ordinaire utilisé aux températures proches de la température ambiante, la manifestation de ces effets sur la transition solide/liquide de l'hélium peut être beaucoup plus facilement exploitée car elle dépend très fortement à la fois de la pression et de la température. A une pression donnée en effet, la solidification de l'hélium liquide retenu dans un pore de taille donnée ne peut s'effectuer qutà la condition de porter le condensat à une température plus basse que la température de solidification du liquide libre.Le déplacement t T par rapport à la température T de solidification du liquide libre est donné par une relation de la forme
A T =aT cos (a)/Lr où o est la tension superficielle de l'interface hélium solide/hélium liquide, a l'angle de contact entre les phases solide et liquide de l'hélium et L la chaleur latente de fusion de ce condensat.

De même, à une température donnée, la solidification du liquide retenu dans un pore de taille donnée ne peut s'effectuer qu'à la condition d'appliquer une surpression P par rapport à la pression à laquelle la solidification s'effectue dans le liquide libre. Cette surpression est liée à la taille r des pores dans lesquels s'effectue la solidification par la relation
P = 2 av5/r (vl-vs) où v1 et Vs sont respectivement les volumes molaires du liquide et du solide.

Cette dernière relation conduit à des ordres de grandeurs mesurés qui sont de 0,3 a dans une poudre compactée dont la taille des grains est de 50 nm, et environ 1 MPa dans un verre poreux dont la taille des pores est centrée autour de 6,5 nm.

Les mêmes effets d'origine capillaire se manifestent sur la transition liquide-solide d'autres condensats. Par exemple, à la pression ordinaire, la solidification de l'eau retenue dans un pore de taille donnée ne peut s'effectuer qu'à la condition de porter le liquide à une température plus basse que la température de solidification du liquide libre. La relation donnant le déplacement b T de température par rapport à la température de solidification du liquide libre est la même que dans le cas de l'hélium.Les paramètres thermodynamiques de l'eau conduisent à un abaissement de la température de l'eau qui est d'environ 40 C au-dessous de O" C de façon à obtenir la solidification du condensat retenu dans des pores dont le rayon est 150 nm.

On peut donc, préalablement à l'irradiation de l'échantillon, solidifier la fraction du condensat non contenu dans les pores, c'est-à-dire essentiellement la partie de ce condensat située entre les surfaces extérieures de l'échantillon et la surface intérieure de son contenant, ainsi que la partie du condensat contenue dans les failles ou fêlures de l'échantillon. Dans cette situation, la partie liquide du condensat ne se trouve qu'à l'intérieur des pores de l'échantillon.

Le spectre obtenu après traversée de l'échantillon comporte par conséquent un certain nombre de raies dues au matériau de l'échantillon lui-même, aux atomes du condensat en phase solide, et aux atomes du condensat en phase liquide. Ces deux dernières raies sont suffisamment distinctes du fait des différences importantes entre les propriétés physiques des phases liquide et solide, et en particulier de la densité de chacune de ces deux phases (l'écart de densité est de l'ordre de 20 % entre les phases liquide et solide de l'hélium). Si après traversée de l'échantillon, on relève en chaque point l'intensité de la raie due à la fraction liquide du condensat, ctest-à-dire le nombre de neutrons qui ont été diffusés par le condensat liquide, et qu'on reconstitue une image point par point dont l'intensité de gris par exemple représente ce nombre de neutrons, on visualisera immédiatement les emplacements des failles, fêlures ou cavités au sein de l'échantillon.

L'intérêt particulier de la mise oeuvre de l'hélium dans le cadre du procédé de l'invention peut-être plus aisément compris par référence aux figures I et 2.

La figure 1 représente la relation de dispersion de l'hélium qui permet de calculer l'énergie des excitations élémentaires de l'hélium superfluide (mesurée en K) en fonction du vecteur d'onde Q de ces excitations (mesuré en Angstrom La figure 1 montre que lthélium possède une relation de dispersion anormale en ce qu'elle présente une partie parabolique appelée "branche de rotons" lorsque le vecteur d'onde Q est voisin de 1,8 Angstrom
La figure 2 montre quelles sont, sur la diffusion des neutrons les conséquences de l'existence des rotons parmi les excitations élémentaires de Hélium superfluide.La présence des rotons se traduit par l'existence d'une raie intense dans le spectre des neutrons, dont la visibilité est particulièrement forte quand le vecteur d'onde de diffusion des neutrons est de 1,8 Angstrom , et le transfert d'énergie des neutrons est de 8 K.

Dans le cadre de sa mise en oeuvre au cas de l'hélium, un procédé selon l'invention consiste donc à sélectionner parmi les neutrons transmis ceux dont le vecteur d'onde et l'énergie se déduisent du vecteur d'onde et de l'énergie des neutrons incidents par une diffusion inélastique de vecteur d'onde égal à 1,8 Angstrom et d'énergie égale à 8 K. Comme le spectre des neutrons transmis après diffusion par l'hélium solide ne présente aucune particularité dans 1 intervalle de vecteurs d'onde et d'énergie qui sont sélectionnés, ce procédé permet alors de séparer avec une efficacité optimale les neutrons diffusés par la fraction liquide du condensat qui est contenue dans les pores du matériau, de ceux qui sont diffusés par la fraction solide et ne participent pas à l'information qui est recherchée.La détection sera effectuée de préférence aux angles de diffraction proches de O, au moyen d'un cristal de Bragg et d'un système de diaphragmes tournants. Le nombre des neutrons qui sont ainsi détectés est directement proportionnel au volume d'hélium liquide qui est irradié, donc au volume des pores qui sont situés dans la partie irradiée de l'échantillon.

La mise en oeuvre d'un tel procédé est généralement rendue relativement difficile à cause de la puissance trop faible des sources mobiles de neutrons qui sont disponibles. L'hélium 4He présente sur ce point la propriété remarquable d'avoir une section efficace d'obsorption qui est nulle.

Le même procédé peut aussi être mis en oeuvre dans le cas de l'eau ou de tout autre condensat. La sélection des neutrons transmis par leur vecteur d'onde et leur énergie permet à nouveau de compter les neutrons diffusés par la fraction liquide du condensat. L'efficacité du procédé est cependant alors réduite dans ce cas par le fait qu'un tel condensat ne présente ni la possibilité pour les neutrons d'être diffusés par des excitations de vecteurs d'onde élevés, ni les propriétés de transparence de l'hélium relativement à l'absorption des neutrons.

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, on provoque en outre une transition de phase progressive du condensat contenu dans les pores de l'échantillon, on relève les variations qui en résultent dans le spectre du rayonnement ou du faisceau transmis, et on déduit de ces variations la distribution du diamètre des pores de l'échantillon.

Comme on l'a vu précédemment, si, à partir du moment où le condensat extérieur à l'échantillon est solidifié, soit on abaisse la température, soit on augmente la pression, le condensat contenu dans des pores de diamètres de plus en plus petits va se solidifier. I1 en résulte une diminution progressive de l'intensité de la raie correspondant à la fraction liquide du condensat. Il est donc possible de déterminer ainsi en chaque point de l'échantillon la distribution du diamètre de ses pores. On peut donc représenter visuellement en image de synthèse non seulement l'emplacement des fractures, mais en outre la valeur moyenne du diamètre des pores ou toute autre grandeur liée à la distribution de ces diamètres.Cette valeur résulte d'une moyenne spatiale des propriétés de la texture de l'échantillon sur la fraction du volume de celui-ci qui est effectivement traversée par le faisceau incident au moment de l'irradiation. La largeur spatiale du faisceau incident délimite la résolution spatiale du procédé.

Ce qui a été dit précédemment suppose l'utilisation d'une orientation constante du faisceau incident par rapport à l'échantillon.

il est toutefois possible de procéder à l'irradiation de l'échantillon sous une pluralité d'angles d'incidence et d'en déduire de façon connue, point par point, les valeurs de la caractéristique étudiée dans la masse de l'échantillon, ce qui permet alors de représenter en image de synthèse des coupes dans tous plans désirés de l'échantillon.

Il est bien entendu possible d'analyser le rayonnement ou le faisceau transmis à travers à l'échantillon autrement que par son spectre en énergie.

C'est ainsi que l'on peut analyser l'image de diffraction d'un faisceau de neutrons pour caractériser la nature de l'équilibre entre les phases qui coexistent dans le matériau poreux.

Une autre technique consiste à analyser la diffusion inélastique d'un faisceau de neutrons par le condensat contenu dans les pores du matériau dans le but de mesurer les forces d'interaction entre les molécules du condensat, celles-ci dépendant de l'état liquide ou solide du condensat et donc du rayon des pores du matériau.

On peut également utiliser la technique de diffusion des neutrons aux angles faibles dans le but de mesurer localement les variations de la densité du condensat au cours de la transition de phase. Comme les densités respectives des phases liquide et solide différent, ce procédé permet de déduire le nombre relatif de pores d'une taille donnée à l'intérieur du volume de l'échantillon qui est irradié.

Un procédé voisin du précédent consiste à analyser le résultat de la diffusion des neutrons aux angles faibles dans le but de connattre les propriétés dynamiques relatives à la diffusion des atomes dans les pores ainsi que la mesure du temps de relaxation. Ces propriétés dépendent, comme la densité du condensat, de l'état liquide ou solide de l'hélium contenu dans les pores et donc dépendent de la taille des pores.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on provoque en outre la propagation d'une onde acoustique de fréquence déterminée dans le corps contenu dans les pores, on mesure l'intensité de la résonance résultant de l'interaction du rayonnement ou du faisceau avec l'onde acoustique, et l'on en déduit la valeur locale de la caractéristique du matériau.

On sait en effet que la superfluidité de l'hélium liquide autorise la propagation de nombreuses ondes acoustiques qu'il n'est pas possible de faire se propager dans un liquide ordinaire. En plus des ondes acoustiques de compression qu'il est possible d'engendrer dans tous liquides (ondes appelées premier son dans le cas de l'hélium superfluide), il est en particulier possible de faire se propager des ondes de température dans le liquide libre (ondes appelées deuxième son) et des ondes de pression dans le liquide superfluide qui est contenu dans les pores de matériaux poreux dont la taille peut être aussi faible que quelques nanomètres, dans des conditions où toute onde acoustique se propageant dans un liquide normal est entièrement atténuée par les effets de viscosité.Ce dernier mode acoustique est appelé quatrième son et correspond à la propagation d'une onde de pression couplée simultanément à une oscillation de la composante superfluide du liquide et à une oscillation de température, la composante normale du liquide étant immobilisée sous l'effet de sa viscosité K qui
n est non nulle.

Au cours de l'irradiation locale de l'échantillon par le faisceau de neutrons, il est alors possible de mesurer l'intensité de la résonance qui résulte de l'interaction des neutrons avec l'onde acoustique qui se propage dans l'hélium superfluide qui est contenu dans les pores.

L'intensité de la résonance résulte de la valeur du volume des pores qui est irradié et dans lequel se propage l'onde acoustique, et donc de la porosité locale du matériau. La relation précise entre l'intensité de la résonance et la porosité du matériau qui est mesurée résulte d'un étalonnage préalable.

La présente invention a également pour objet un dispositif d'imagerie de la texture d'un échantillon de matériau poreux, caractérisé par le fait qu'il comprend une chambre de mesure destinée à recevoir ledit échantillon, des moyens pour introduire dans la chambre un condensat éventuellement à l'état superfluide, une source apte à diriger vers ladite chambre de mesure un rayonnement électromagnétique ou un faisceau de particules, des moyens de détection et d'analyse dudit rayonnement ou dudit faisceau après sa traversée de la chambre de mesure, par exemple des moyens d'analyse de son spectre en énergie, et des moyens de traitement pour reconstituer une image de synthèse à partir de la sortie des moyens de détection et d'analyse.

Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif comprend des moyens pour faire varier la température et/ou la pression dans la chambre de mesure de manière à provoquer une transition de phase dudit condensat.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens aptes à propager des ondes acoustiques dans ledit condensat.

Plus particulièrement, le dispositif peut comprendre une cellule de pressurisation séparée de la chambre de mesure par une membrane déformable et contenant un agent de pressurisation liquide à la température de fonctionnement du dispositif.

On décrira maitenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels
- la figure 3 est un schéma d'ensemble d'un dispositif selon l'invention, et
- la figure 4 est une vue détaillée de l'unité de mesure.

On voit sur la figure 3, l'unité de mesure 1 qui sera décrite ci-après reliée par des capillaires 2 et 3 à des réservoirs 4 et 5 de gaz
4 et 3
lie et 11e respectivement.

Les pressions dans les capillaires 2 et 3 sont contrôlées au moyen de détendeurs 6 et 7 respectivement qui peuvent être éventuellement commandés par une unité de traitement 8.

Ces pressions sont mesurées par des manomètres 9 et 10 respectivement.

L'hélium 4He est purifié avant son introduction dans l'unité de mesure 1 par un piège cryogénique Il constitué d'un capillaire rempli de silice ou de charbon actif maintenu à basse température, par exemple par immersion dans un bain d'azote liquide.

Le volume total du gaz 4He introduit dans l'unité de mesure 1 est mesuré par un débitmètre 12, un autre débitmètre 13 mesurant les variations de volume de l'hélium 3He contenu dans l'unité de mesure 1. Les indications données par les débitmètres 12 et 13 sont fournies à l'unité de traitement 8.

Si l'on se réfère maintenant à la figure 4, on voit que l'unité de mesure 1 comprend une double enceinte composée d'une enceinte extérieure 15 et d'une enceinte intérieure 16. Un vide cryogénique est fait dans l'enceinte intérieure 16 qui est réalisée en cuivre de façon à obtenir une homogénéité thermique optimale, tandis que l'enceinte extérieure 15 est réalisée en acier de façon à assurer la rigidité mécanique de l'ensemble ainsi qu'une isolation optimale vis-à-vis des fluctuations thermiques extérieures, l'acier présentant dans la gamme de températures considérée une très faible conductivité thermique.

Le volume compris entre les enceintes 15 et 16 est partiellement rempli d'un bain 17 d'hélium liquide en équilibre avec sa vapeur. La réfrigération de l'unité de mesure est réalisée par une détente réalisée sur ce bain au moyen du tube de dépressurisation 18 débouchant dans le volume intermédiaire entre les enceintes 15 et 16 et relié à une pompe à vide (non représentée). Le débit de cette pompe à vide est réglé de telle sorte que la puissance cryogénique due à la détente du bain 17 assure sa réfrigération depuis 4,2 K jusqu'à la température de fonctionnement du dispositif, ainsi que la thermalisation à cette température de l'enceinte 16.

Une chambre 19 recevant l'échantillon poreux 20 est disposée à l'intérieur de l'enceinte 16 à laquelle elle est reliée par un support en cuivre (non représenté) afin d'assurer l'homogénéité thermique entre cette chambre et l'enceinte 16.

La chambre 19 est fermée par une membrane déformable 21 réalisée par exemple en alliage de bronze-beryllium et qui sépare la chambre 19 d'une chambre de pressurisation 22. L'extrémité du capillaire 2 d'alimentation en helium 411e débouche dans la chambre de mesure 19 tandis que l'extrémité du capillaire 3 d'alimentation en hélium 3He débouche dans la chambre de pressurisation 22. Du fait de la déformabilité de la membrane 21, une même pression règne dans la chambre de pressurisation 22 et dans la chambre de mesure 19.

Cette pression est mesurée à l'aide d'une jauge de type
Straty-Adams constitué d'une autre membrane déformable 23 solidaire d'une armature mobile 24 d'un condensateur plan dont l'autre armature 25 est fixe.

La membrane 23 peut être également réalisée en alliage de bronze-béryllium.

La mesure de la capacité de ce condensateur plan permet de déterminer le déplacement de son armature mobile 24, et par conséquent la déformation de la membrane 23 et la pression règnant dans la chambre de mesure du dispositif.

On notera que, bien que la pression dans la chambre de pressurisation 22 et le volume de celle-ci ne soit pas des grandeurs indépendantes, on peut toutefois les considérer comme telles sous réserve d'une rigidité suffisante de la membrane 23. Une telle rigidité ne présente pas d'inconvénient, la jauge de Straty-Adams étant capable de mesurer des déplacements de cette membrane de l'ordre du micron, très largement inférieurs au déplacement de la membrane 21.

La propagation d'ondes acoustiques peut être provoquée au moyen d'un émetteur 26 constitué par exemple d'un cristal de quartz vibrant ou d'une membrande de polytétrafluoréthylène qui a subi un éclatement électrostatique par application préalable d'une haute tension et à laquelle est appliquée une tension variable.

Une source 27 de rayons X ou de neutrons est également disposée à l'intérieur de l'enceinte 16 pour irradier l'échantillon 20.

Cette source est disposée sur un ensemble permettant par exemple deux translations et deux rotations pouvant être commandées par l'unité de traitement 8, ce qui permet de positionner et d'orienter la source vers chacune des parties de l'échantillon à analyser.

Dans le mode particulier de réalisation où le condensat utilisé est de l'hélium, l'énergie relativement faible des excitations de ce liquide rend préférable l'utilisation de neutrons "froids" dont l'énergie est de l'ordre de 0,005 eV. Cette énergie correspond alors à une température de 60 K et un vecteur d'onde de 1,5 Angstrom 1 qui est bien adapté à la relation de dispersion de l'hélium. Ces neutrons "froids" sont obtenus au moyen du ralentissement des neutrons rapides à travers un écran qui peut être réalisé en paraffine. Un générateur continu à haut flux pourra être utilisé, mais le rapport signal/bruit sera meilleur avec un générateur pulsé du type de ceux qui sont commercialisés par la société SODERN, ou un générateur de neutrons à flux modulable aux basses fréquences. De tels générateurs permettent d'obtenir des flux d'environ 108 neutrons par seconde.

Un dispositif de détection 28 est constitué d'un cristal de
Bragg 29, d'un jeu de diaphragmes tournants 30 et d'un détecteur 31 de rayons X ou de neutrons selon le cas.

Le détecteur 31 peut être un détecteur de neutrons thermiques, par exemple un détecteur comprenant une cathode cylindrique creuse remplie d'un gaz sensible aux neutrons tel que 1' He ou le trifluorure de bore, ou bien un détecteur de rayons gamma tel que des cristaux de sodium ou d'iodure de césium dopé au thallium. Dans le premier cas, la population de neutrons thermiques est mesurée directement. Dans le second cas, on mesure les rayons gamma qui résultent de la capture des neutrons thermiques. I1 s'agit d'une mesure indirecte, mais proportionnelle au nombre des neutrons incidents.

L'ensemble de détection 28 est, comme la source 27, mobile à l'aide d'un ensemble permettant deux translations et deux rotations pour l'orienter par rapport à la direction du faisceau incident qui est déterminée par la position de la source 27.

On voit sur la figure 3, une liaison 32 entre l'unité de traitement 8 et l'unité de mesure 1 permettant de provoquer dans la chambre de mesure 19 la propagation d'une onde acoustique de caractéristiques prédéterminées.

Une autre liaison 33 permet de fournir à l'unité de traitement 8 la température de la chambre de mesure 19 et une liaison 34 permet de fournir à l'unité 8 les valeurs mesurées par la jauge de
Straty-Adams 23-25. Une autre liaison 35 permet à l'unité de traitement 8 d'orienter la source 27 et le système de détection 28 par rapport à l'échantillon, une dernière liaison 36 fournit à l'unité de traitement 8 les mesures effectuées par le compteur 31.

Les mesures effectuées par le compteur 31 ainsi que le contrôle du positionnement et de l'orientation de la source 27 et du système de détection 28 permettent à l'unité de traitement 8 de reconstituer au moyen d'un code de calcul adapté une image de synthèse de la texture poreuse de l'échantillon 20 qui est analysé.

Avant le commencement de la mesure et à température ambiante, un vide d'environ 10 Pa est établi à l'intérieur de l'enceinte 16 et dans le volume de la chambre de mesure 19 et par conséquent dans les pores de l'échantillon 20. De façon à accélérer la purge des gaz résiduels situés dans les pores, l'ensemble est plusieurs fois lavé au gaz He avant pompage de ce gaz.

Le volume intermédiaire entre les enceintes 15 et 16 est alors rempli partiellement d'hélium liquide de façon à mener sa température à 4,2 K. L'enceinte 16 et par conséquent la cellule de mesure sont ensuite refroidies jusqu a une température de l'ordre de 2 K par une détente effectuée sur le bain 17 au moyen du tube de dépressurisation 18, de façon à permettre la saturation des pores de l'échantillon par l'hélium 4He. A l'état superfluide et sous faible pression par le capillaire 2. Le volume d'hélium ainsi introduit est mesuré par le débitmètre 12.

Le remplissage des pores de l'échantillon est détecté au moyen d'un capteur (non représenté) disposé sur le capillaire 2, ce capteur détectant une variation importante de température lorsque le capillaire 2 se remplit d'hélium liquide.

Le capillaire 2 peut alors être obturé de la façon suivante.

La température de la cellule de mesure 19 est élevée jusqu a environ 3 K pour que la pressurisation de l'hélium He qu'il contient sous environ 3
MPa soit possible sans solidification de ce dernier. La température de la chambre 19 est ensuite diminué lentement jusqu'au point de solidification de l'hélium 4He libre. A ce moment, le liquide contenu dans le capillaire 2 est aussi solidifié, formant un bouchon qui permet d'obturer ce capillaire de façon hermétique.

La température moyenne de la chambre de mesure 19 peut alors être amenée à sa valeur de consigne, par exemple 1,2 K.

On peut alors fait varier la pression ou la température dans la chambre de mesure 19, par exemple en augmentant la pression ou en diminuant la température progressivement. Au cours de cette variation, la transition solide-liquide superfluide se produit progressivement d'abord dans les interstices et fêlures du matériau, puis dans les pores de grand diamètre et enfin dans les pores de plus petit diamètre.

Simultanément, l'échantillon est irradié au moyen de la source de neutrons 27 et le nombre de neutrons détectés par le compteur 31 dans des orientations déterminées par l'unité de traitement 8 est proportionnel au nombre de pores de taille donnée dans le volume qui est irradié par le faisceau.

Bien entendu, d'autres transitions que la transition solide-liquide de l'hélium superfluide ou de tout autre liquide peuvent être utilisées.

Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu etre apportées à la description qui précède sans sortir pour autant du cadre ni de l'esprit de l'invention.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 - Procédé d'imagerie de la texture d'un échantillon de matériau poreux, caractérisé par le fait que l'on remplit les pores de l'échantillon d'un condensat, que l'on provoque à une irradiation locale dudit condensat par un rayonnement électromagnétique ou un faisceau de particules incident, que l'on analyse le rayonnement ou le faisceau transmis localement à travers l'échantillon, que l'on déduit des résultats de cette analyse les variations locales d'une caractéristique de la texture du matériau de l'échantillon telle que sa porosité, et que l'on reconstitue une image de synthèse des variations de cette caractéristique.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on remplit les pores de l'échantillon avec de l'hélium.

3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ladite irradiation est réalisée à l'aide d'un faisceau de neutrons.

4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on solidifie la fraction dudit condensat non contenue dans les pores de l'échantillon préalablement à son irradiation.

5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on provoque une transition de phase progressive dudit condensat contenu dans les pores de l'échantillon, que l'on relève les variations qui en résultent dans le spectre du rayonnement ou du faisceau transmis, et que l'on déduit de ces variations la distribution du diamètre des pores de l'échantillon.

6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on irradie l'échantillon sous une pluralité d'angles d'incidence et que l'on détermine point par point les valeurs de la caractéristique étudiée dans la masse de l'échantillon.

7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on déduit les valeurs locales de la porosité du matériau de l'intensité du rayonnement ou du faisceau transmis, dans la bande correspondant à la phase liquide du corps contenu dans les pores de l'échantillon.

8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'on provoque la propagation d'une onde acoustique de fréquence prédéterminée dans le corps contenu dans les pores, que l'on mesure l'intensité de la résonance résultant de l'interaction du rayonnement ou du faisceau avec l'onde acoustique, et que l'on en déduit la valeur locale de la caractéristique de texture du matériau.

9 - Dispositif d'imagerie de la texture d'un échantillon de matériau poreux, caractérisé par le fait qu'il comprend une chambre de mesure (19) destinée à recevoir ledit échantillon (20), des moyens (2), pour introduire dans la chambre un condensat, une source (27) apte à diriger vers ladite chambre de mesure un rayonnement électromagnétique ou un faisceau de particules, des moyens (31) de détection et d'analyse dudit rayonnement ou dudit faisceau après sa traversée de la chambre de mesure, et des moyens de traitement (8) pour reconstituer une image de synthèse à partir de la sortie des moyens de détection et d'analyse.

10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (3) pour faire varier la température et/ou la pression dans la chambre de mesure de manière à provoquer une transition de phase dudit corps.

Il - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (26) aptes à propager des ondes acoustiques dans ledit corps.

12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend une cellule de pressurisation (22) séparée de la chambre de mesure par une membrane déformable (21) et contenant un agent de pressurisation liquide à la température de fonctionnement du dispositif.