FR2866438A1 - Element optique reflecteur, son procede de fabrication, et instrument optique mettant en oeuvre de tels elements - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un élément optique réflecteur (1) pour un faisceau de rayons "X" (Rx) ou de particules énergétiques, en incidence rasante, constitués d'un empilement de plaques superposées (10 - 12) en silicium. Chaque plaque (10-12) comporte une face supérieure réfléchissante, (101-121) recouverte d'une pellicule d'or et une face inférieure comportant des nervures (100 - 120) formant entretoises entre deux plaques successives (10-11, 11 - 12) et définissant un espacement déterminé entre deux faces réfléchissantes successives (101 - 121).L'invention concerne aussi des instruments otiques comprenant une pluralité de tels éléments, notamment un télescope de Wolter de type 1 comprenant deux miroirs en tandem, à surface de révolution paraboloïde et hyperboloïde.

Description

L'invention concerne un élément optique réflecteur, plus particulièrement

un élément optique réflecteur en incidence rasante pour un rayonnement dans la gamme des longueurs d'onde "X", gamma ou pour des particules énergétiques.

L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels éléments.

L'invention concerne également un instrument optique mettant en oeuvre de tels éléments, notamment un télescope.

Elle trouve une application particulière, bien que non exhaustive, dans les missions spatiales impliquant l'observation de régions particulières de l'espace dans les gammes des rayons "X" précités, notamment celles recelant des sources de rayonnement très chaudes.

Néanmoins, l'invention trouve application dans de nombreux autres domaines: test de matériaux soumis à un rayonnement "X", applications 15 médicales nécessitent la mise en oeuvre de rayons "X", etc. Cependant, pour fixer les idées, on se placera dans ce qui suit, sans que cela limite en quoi que ce soit sa portée, dans le cas de l'application préférée de l'invention, à savoir les éléments optiques réflecteurs pour rayonnement "X" en incidence rasante et leur utilisation pour la réalisation de miroirs, notamment pour un télescope.

Ces applications revêtent la plus haute importance en astronomie moderne.

Dans ce cadre d'applications, il est bien connu que les rayons "X" posent des problèmes très particuliers.

En effet, pour obtenir une image ou l'analyse spectrale d'un faisceau de rayons "X", il est nécessaire de le focaliser. Or, un rayonnement dans cette o gamme de longueurs d'onde (10 nm à 0,1 A) sont très énergétiques et traversent la plupart des matériaux, notamment les matériaux utilisés pour les instruments d'optique classique (verre, etc.), ou sont absorbés par d'autres matériaux (plomb par exemple). Un rayonnement "X" ne peut donc être réfléchi que lorsqu'il frappe une surface réfléchissante sous une incidence rasante, ce d'autant plus que son énergie est élevée (faible longueur d'onde).

2866438 2 Dans l'art connu, notamment pour la réalisation de télescopes, il a été proposé plusieurs configurations successives d'éléments optiques. Les principales sont les suivantes: télescopes dits de Kirkpatrick-Baez (1948), télescope dit de Wolter (1951), qui se décline suivant trois modes de réalisation, connus sous les types I à III, et télescopes dits à "oeil de homard" (1979) proposé par Angel.

Pour une description plus détaillée de ces types de télescopes, on pourra se référer avec profit à l'article de H. Wolter paru dans: "Annalen der Physik"; "6. Folge, Band 10", 1952, pages 94 et 286; ou à l'article de Kirkpatrick et A. V. Baez, intitulé : "Journal of the Optical Society of America", 38, 1948, page 766 et suite.

En particulier, les télescopes du type Wolter I sont les plus utilisés en astronomie. Dans ce type de télescopes, les miroirs sont disposés selon une configuration coaxiale et partagent une focalisation commune, plus précisément la configuration est du type paraboloïde-hyperboloïde.

Notamment, le satellite "XMM-Newton", lancé le 10 décembre 1999 a embarqué trois télescopes de ce type.

Dans chacun des télescopes, la focalisation est assurée par 58 coques concentriques co-alignées, de façon à obtenir une surface collectrice importante. Les coques ont une symétrie de révolution combinant une section parabolique et hyperbolique. Les coques sont réalisées à base de fines feuilles de nickel recouvert d'or. Chaque télescope a une longueur de 60 cm et un diamètre de 70 cm. La distance focale est de 7,5 m.

Les principales exigences auxquelles doivent satisfaire les télescopes 25 embarqués sont notamment les suivantes: - très bon coefficient de réflexion de surface des éléments miroirs composant le télescope, en incidence rasante; - bon état de surface de ces éléments: faibles inégalités et bonne planéité ; - faible masse de l'ensemble; - bonne résolution angulaire; et - haute sensibilité.

2866438 3 Certaines de ces exigences paraissent d'ailleurs antinomiques. Notamment, puisque des distances focales importantes sont nécessaires, les télescopes mettent en oeuvre des éléments optiques réfléchissant de grandes dimensions, ce qui, a priori, implique des masses importantes.

La première exigence peut être satisfaite en ayant recours à des matériaux appropriés, tel l'or comme dans le cas des éléments optiques mis en oeuvre dans les télescopes du satellite "XMM-Newton" précité.

On a également proposé de recourir au silicium qui présente des qualités optiques excellentes, en particulier en ce qui concerne la réflectivité et 10 l'état de surface.

Diverses solutions ont été proposées dans l'art connu pour essayer de satisfaire les exigences précitées. On peut citer, à titre non exhaustif, celles décrites dans les documents suivants, la plupart mettant en oeuvre le silicium pour obtenir un bon état de surface et une bonne réflexion: L'article de M. K. Joy et al. intitulé "The imaging properties of a silicon wafer x-ray telescope", "SPIE", 1994, volume 2279, pages 283-286: ce document décrit une optique du type Kirkpatrick-Baez réalisée à base de tranches de silicium supportés par leur monture pour focaliser des rayons "X".

L'article de L. V. Knight intitulé "The investigation of multilayer X-ray relectors as X-ray optical elements", "DOE/DP/10741-1 ", page 1-52, 15 décembre 1989: ce document décrit l'utilisation de tranches de silicium comportant des nervures gravées sur une face arrière et dont la face avant comporte un revêtement multicouche pour focaliser des rayons "X".

L'article de R.C. Woodbury et al. intitulé "Curved silicon substrates for multilayer structures", "Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering", Vol. 691, pages 69-75, 2 juillet 1986: ce document décrit également l'utilisation de tranches de silicium comportant des nervures gravées et utilisé comme substrat multicouche pour focaliser des rayons "X.

2866438 4 L'article de M. W. Beijersbergen et al. intitulé "Highresolution micropore x-ray optics produced with microchannel plate", "Proceedings of SPIE", volume 4145, pages 188-192, 2001: ce document décrit l'utilisation de fibres de verre comportant des trous carrés et empilées pour focaliser des rayons "X". La structure décrite n'est pas du type plaque.

Le brevet américain US 6 048 070 A (Carlo F. LaFlandra) intitulé "DURABLE LARGE STROKE DEFORMABLE MIRROR" : ce brevet décrit des plaques comportant, sur leur face arrière, des suspensions élastiques et mises en forme à l'aide d'actionneurs. Ces plaques ont utilisées comme miroirs déformables.

La demande de brevet européen EP 1 085 528 A2 (CE.TE.V. CENTRO TECHNOLOGIE DEL VUOTO et al.), intitulée "Method to manufacture X ray mirrors with thin film multilayer structures by replication technique" : cette demande de brevet décrit un procédé de reproduction de miroirs à partir d'un mandrin, pour une structure réfléchissant des rayons "X".

Ces solutions de l'art connu qui viennent d'être décrites succinctement ne permettent de résoudre qu'imparfaitement les exigences précitées.

L'invention vise à pallier les inconvénients des dispositifs et/ou procédés de l'art connu, et dont certains viennent d'être rappelés.

L'invention se fixe pour but un élément optique réflecteur, plus particulièrement un élément optique réflecteur en incidence rasante pour un rayonnement dans la gamme des longueurs d'onde "X" ou pour des particules.

Pour ce faire, selon une première caractéristique importante, l'élément optique selon l'invention est réalisé à base d'un empilement de plaques comportant des nervures sur une face arrière, les plaques étant disposées les unes sur les autres et les nervures servant d'entretoises pour définir des espacements inter-plaques très précis.

La mise en oeuvre de plaques et de nervures de caractéristiques très précises permettent d'obtenir un empilement également aux caractéristiques 30 très précises.

Les nervures peuvent constituer des parties intégrantes des plaques ou être réalisées à part.

2866438 5 Les plaques, en particulier la plaque de base, c'est-à-dire la plaque que l'on appellera inférieure de l'empilement, peuvent être conformées de façon à ce que la face réfléchissante avant s'inscrive dans une surface déterminée.

Cette surface peut être, par exemple, une surface de révolution et notamment un cylindre, un cône, une parabole, une ellipse ou une hyperbole, notamment pour des applications en optique symétrique.

On peut notamment obtenir l'approximation conique dite du télescope de "Wolter".

7o L'empilement précité permet d'imposer aux plaques successives la même forme que la plaque de base (plaque inférieure).

Dans une variante préférée de réalisation de l'invention, les plaques sont réalisées à base de tranches de silicium, ce qui permet d'obtenir, comme il a été rappelé, un très bon état de surface et un très bon coefficient de réflectivité en incidence rasante, pour un rayonnement "X". En outre, le silicium permet d'obtenir une épaisseur très précise.

L'utilisation de silicium est également intéressant dans le procédé de fabrication pour ses qualités de collage, de manière à obtenir un bloc monolithique.

Les surfaces réfléchissantes peuvent être recouvertes d'une couche d'or, d'iridium, ou de matériaux équivalents, voire être constituées d'une couche multiple.

Enfin, la configuration en "pile" permet d'obtenir une structure si besoin est rigide, dans laquelle la forme désirée est maintenue de façon aisée, et une masse plus faible que celle de dispositifs de l'art connu de dimensions comparables.

Les plaques nervurées peuvent avoir des rigidités distinctes selon l'orientation, ce qui présente l'avantage de simplifier les déformations élastiques suivant un axe déterminé.

Le silicium peut être remplacé par d'autres matériaux, tels l'aluminium, le béryllium, le nickel, etc. Enfin, l'utilisation de plusieurs matériaux permet des déformations non élastiques, et non seulement des déformations élastiques.

2866438 6 L'invention se fixe encore pour but un procédé de fabrication de tels éléments.

L'invention se fixe encore pour but des instruments optiques réalisés à base de tels éléments optiques réfléchissants.

Elle permet notamment la réalisation de télescopes à géométrie de Wolter de type I précité, en mettant en oeuvre deux empilements disposés en tandem, combinant des surfaces de révolution de formes paraboliques et hyperboliques.

Dans une variante préférée encore, l'instrument optique selon o l'invention est du type modulaire, avantageusement constitué de secteurs divisés eux-mêmes en sous-secteurs ou modules, que l'on appellera ciaprès "pétales".

L'ensemble forme ce que l'on pourra appeler un système optique "poreux", ce qui permet de diminuer très fortement la masse et les dimensions globales de l'instrument optique, et d'obtenir, avec une bonne approximation, une "configuration conique".

Les dispositions propres à l'invention permettent de réduire la masse précitée d'un ordre de grandeur égal à un, voire supérieur.

L'invention a donc pour objet principal un élément optique réflecteur pour un faisceau de rayons "X", gamma ou de particules énergétiques, en incidence rasante, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux plaques superposées pour former une structure de type pile, en ce que chaque plaque comporte une première face dite supérieure réfléchissante pour ledit faisceau et une seconde face associée à une pluralité de nervures formant entretoises entre deux plaques successives de ladite pile, de manière à définir un espacement déterminé entre deux faces réfléchissantes successives.

L'invention se fixe encore pour objet un procédé de fabrication de tels éléments.

L'invention a encore pour objet un instrument optique mettant en oeuvre de tels éléments.

L'invention va maintenant être décrite de façon plus détaillée en se référant aux dessins annexés, parmi lesquels: 2866438 7 la figure 1 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un élément optique réfléchissant en incidence rasante pour un rayonnement "X" selon l'invention; les figures 2A et 2B illustrent schématiquement une plaque nervurée constituant de base d'un élément optique réfléchissant selon l'invention; - la figure 3 illustre les principales étapes de fabrication d'une telle plaque; les figures 4A à 4D illustrent les principales étapes d'assemblage o de deux plaques de ce type pour obtenir une structure de type "pile" ; les figures 5A à 5D illustrent les principales étapes d'assemblage de plaques pour obtenir un module constituant l'élément optique réfléchissant de la figure 1, selon un mode de réalisation préféré de l'invention; - les figures 6A à 6C illustre un mode de réalisation d'un miroir mettant en oeuvre de tels modules; - les figures 7A à 7C illustrent l'application de tels miroirs à la réalisation d'un télescope de Wolter type I; et la figure 8 illustre schématiquement une disposition technique relative aux miroirs composant ce télescope.

Dans ce qui suit, sans en limiter en quoi que ce soit la portée, on se placera ci-après dans le cadre de l'application préférée de l'invention, sauf mention contraire, c'est-à-dire la réflexion en incidence rasante d'un rayonnement "X".

On va maintenant décrire des exemples d'éléments optiques réfléchissants et leur réalisation par référence aux figures 1 à 5D.

Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références et ne seront re-décrits qu'en tant que de besoin.

La figure 1 illustre très schématiquement la structure de base d'un tel élément, référencé 1.

Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'élément optique réfléchissant 1 est composé d'une pluralité de plaques, trois dans l'exemple de 2866438 8 la figure 1: 10 à 12, empilées les unes sur les autres. Ces plaques, 10 à 12, sont munies de nervures, 100 à 120, sur leur face arrière, formant entretoises et définissant une distance interplaques bien définie.

Les nervures, 100 à 120, peuvent former partie intégrante des plaques, 10 à 12, ou être réalisées séparément.

Les faces avant, 101 à 121, des plaques, 10 à 12, sont réfléchissantes pour un rayonnement "X", symbolisé sur la figure 1 par un rayon unique Rx frappant la surface 101 de la plaque supérieure 10 en O, sous une incidence rasante: angle de très faible amplitude. En réalité, le rayonnement "X" est o réfléchi par chacune des surfaces avant, 101 à 121, des plaques, 100 à 120.

Les plaques, 10 à 12, peuvent être incurvées de manière à ce que les faces avant réfléchissantes s'inscrivent dans une surface S de forme prédéterminée, par exemple, comme il a été indiqué une surface de révolution cylindrique, parabolique, elliptique ou hyperbolique.

Les plaques nervurées, 10 à 12, peuvent présenter des rigidités distinctes selon les orientations, ce qui simplifie les déformations élastiques suivant un axe déterminé.

La figure 2A illustre un exemple de réalisation d'une des plaques, par exemple la plaque 10, présentée face arrière vers le haut de la figure.

Le matériau de base est avantageusement du silicium monocristallin, mais peut également être de l'aluminium, du béryllium, du nickel, etc. L'utilisation de plusieurs matériaux permet d'obtenir des déformations non élastiques et non seulement élastiques.

La plaque 10 est polie sur les deux faces, 101 et 102, revêtue préférentiellement d'une mince couche, 1010, de matériau à haut pouvoir réflecteur, par exemple de l'or, sur la face réflective avant 101. La face arrière 102 est munie de nervures 100, a priori régulièrement espacées, comme illustré de façon plus particulière par la figure de détail 2B.

La couche d'or 1010 peut être remplacée par de l'iridium ou des matériaux similaires, voire être se présenter sous la forme d'une couche multiple.

2866438 9 On va maintenant écrire un procédé de fabrication d'une plaque 10 (état final).

La figure 3 illustre les principales étapes de ce procédé de fabrication.

À l'étape I, une tranche "brute" de silicium, référencée Wa, est 5 inspectée avec des instruments de métrologie appropriés bien connus de l'homme de métier, de manière à s'assurer que la tranche 10a convient à des spécifications pré-établies.

À l'étape II, les deux faces de cette tranche de silicium, désormais référencée Wb, sont recouvertes chacune d'une couche de matériau protecteur, 10 C, et C2.

À l'étape III, une face de la tranche de silicium, désormais référencée WW, face arbitrairement appelée arrière, 102, est travaillée mécaniquement pour y creuser des cannelures 1000 et obtenir des nervures 100, au travers de la couche de protection, désormais référencée C. À l'étape IV, les deux faces de la tranche de silicium, désormais référencée Wd, sont attaquées chimiquement, de manière à retirer les couches de matériau protecteur (étape V: tranche désormais référencée We).

À l'étape VI, une fine couche d'or, 1010, est appliquée sur la face dite supérieure, c'est-à-dire la face réfléchissante 101 de la tranche de silicium, 20 désormais référencée Wf.

À l'étape VII, la tranche de silicium est découpée, selon une configuration prédéterminée, par exemple carrée, pour obtenir la plaque 10 à l'état final (figures 2A et 2B).

À l'étape VIII, on procède à des opérations de mesures classiques pour s'assurer que le produit final, c'est-à-dire la plaque 10, respecte un cahier de charges pré-établi: dimensions, coefficient de réflexion, état de surface, etc. A la suite de ces étapes, I à VIII, on obtient une structure réfléchissante (plaque 10), que l'on peut qualifier "de base".

En soi, cette structure est semblable à certaines structures de l'art 30 connu.

Les différentes plaques obtenues sont ensuite empilées, conformément à une des caractéristiques essentielles de l'invention.

2866438 10 Les figures 4A à 4D illustrent les étapes supplémentaires principales nécessaires à la réalisation d'un élément réfléchissant, du type pile, conforme à cet aspect de l'invention.

La figure 4A illustre un empilement 1' de deux plaques, par exemple 10 et 11 (plaques supérieures sur la figure 1). Cette structure de pile 1' constitue un élément optique réfléchissant, que l'on peut qualifier de "minimal", conforme à l'invention. Dans la réalité, comme il va l'être montré, le nombre de plaques empilées est généralement beaucoup plus important, typiquement de l'ordre de quelques dizaines. Pour fixer les idées on empile cinquante plaques les unes o sur les autres.

La première étape, illustrée par la figure 4B, consiste à aligner deux plaques successives, 10 et 11, dans l'exemple décrit sur ces figures. Pour ce faire, des moyens de métrologie classiques sont mis en oeuvre.

Lorsque l'alignement entre deux plaques successives, 10 et 11, est correct, ces deux plaques sont collées l'une à l'autre (figure 4C), par la base des nervures 100, de la plaque supérieure 10, d'une part, et la face supérieure 111 de la plaque inférieure 11, d'autre part.

On procède ensuite à une étape de recuit: figure 4D, pour stabiliser le collage.

À la suite de ces étapes on obtient une structure élémentaire de deux plaques superposées, 10 et 11, et, donc de deux surfaces réfléchissantes, couches d'or, 1010 et 1110, à espacement déterminé, ce grâce au nervures 100 formant entrecroises.

Dans un mode de réalisation préféré, comme il a été indiqué, les 25 plaques empilées, 10 à 12 (figure 1), sont conformées pour être inscrites dans une surface S prédéterminée.

Les figures 5A à 5D illustrent schématiquement les principales étapes nécessaires pour l'obtention d'un élément optique réfléchissant de ce type.

Lors de l'étape illustrée par la figure 5A, une plaque 10, obtenue après les étapes I à VIII de la figure 3, de type plane, est conformée à l'aide d'un gabarit d'alignement et d'empilement 2, dont la face supérieure 20 est inscrite dans la surface S précitée.

2866438 11 À l'étape illustrée par la figure 5B, la plaque 10, désormais référencée 10a, est plaquée sur la face supérieure 20 du gabarit 2 et collée sur cette face 20.

Lors de l'étape illustrée par la figure 5C, plusieurs plaques, référencées 10b à 10p, sont successivement empilées, alignées et collées les unes sur les autres pour former un élément optique réfléchissant, désormais référencée 3, à structure de type "pile" conforme à l'invention.

De façon plus générale, on dira que les plaques sont assujetties entre elles, car l'utilisation d'une substance de collage n'est pas toujours nécessaire.

En effet, pour certains matériaux, et c'est le cas du silicium lorsque l'état de surface est de haute qualité, l'adhésion s'effectue naturellement, sans ajout d'une substance de collage, simplement en pressant deux surfaces à joindre l'une contre l'autre..

Pour obtenir des alignements et collages corrects, on répète les opérations décrites en regard des figures 4B à 4C pour chaque paire de plaques superposées, par exemple 10a et 10b.

L'utilisation de silicium, du fait de ses bonnes qualités de collage, permet d'obtenir un bloc otique monolithique.

Les nervures peuvent être obtenues par des procédés mécaniques, chimiques, ou les deux, ou par ou d'autres procédés bien connus de l'Homme de Métier.

Les plaques peuvent être obtenues par électroformage.

Dans un mode de réalisation réel, le nombre de plaques empilées 10x peut atteindre typiquement x = 50, comme il a été précédemment indiqué L'ensemble ainsi obtenu peut être placé entre deux armatures, comme illustré par la figure 5D. La première armature est constituée, dans l'exemple de la figure 5D, par le gabarit 2. Une armature supérieure 4 a une face inférieure 40 de configuration duale à celle de la face supérieure 20 de l'armature inférieure 2.

On peut prévoir des organes de montage, inférieurs 21-22 et supérieur 41. Ces organes permettent de fixer entre eux plusieurs éléments du type qui 2866438 12 vient d'être décrit ou un de ces éléments à un bâtit approprié, et qui forme un module référencé 5.

On appellera "pétale" la structure obtenue (module 5), pour des raisons qui seront explicitées ci-après.

L'ensemble ou module 5 constitue donc un élément optique réflecteur multisurfaces, chaque couche d'or (figure 4A: 1010 et 1110) étant susceptible de réfléchir un rayonnement "X" la frappant sous incidence rasante.

On peut qualifier le module 5 d'élément optique réflecteur "poreux". En effet, si on se reporte de nouveau aux figures 2B et 4A, on constate aisément o que, compte tenu de la géométrie propre aux plaques, 10 et 11, et des dimensions typiques rappelées, l'essentiel de la paroi 50, l'on qualifiera de face avant de l'élément 5, est vide de matière.

On va maintenant décrire la réalisation d'appareillages optiques mettant en oeuvre de tels éléments optiques réfléchissants par référence aux 15 figures 6A à 8.

Sur ces figures, les éléments identiques, et identiques à ceux des figures 1 à 5D, portent les mêmes références et ne seront re-décrits qu'en tant que de besoin.

Les figures 6A à 6C illustrent un miroir de grandes dimensions obtenu 20 à partir de l'assemblage d'un grand nombre de modules 5, du type de la figure 5D, ou "pétales", comme précédemment indiqué.

La figure 6A illustre le miroir 6 proprement dit en vue de face. Il est doté d'une symétrie de révolution circulaire autour d'un axe optique. Plus précisément, dans l'exemple décrit, le miroir 6 est constitué de trois anneaux concentriques, 60 à 62, chaque anneau comportant une pluralité de secteurs jointifs, 600 à 620, respectivement, dont les parois adjacentes sont planes.

La figure 6B illustre un des secteurs de l'anneau intermédiaire 62, que l'on a référencé 620x. Les deux parois latérales (c'est-à-dire en contact avec des modules adjacents de l'anneau 620), 6200x et 6201x, sont planes. Les deux parois, que l'on appellera supérieure 6202x (c'est-à-dire en contact avec l'anneau 600) et inférieur 6203x (c'est-à-dire en contact avec l'anneau 620) sont inscrites dans des arcs de cercle.

Comme représenté sur la figure 6C, chaque secteur 620x est lui-même subdivisé, c'est-à-dire qu'il comprend une pluralité de modules jointifs, que l'on a référencé 5x Le miroir 6 est donc doté d'une configuration rappelant les pétales d'une fleur, chaque "pétale" étant constituée par un des modules 5x.

Pour fixer les idées, dans un mode de réalisation pratique, la hauteur (distance inter-anneaux) d'un secteur 620x est typiquement de l'ordre de 60 cm et la hauteur d'une "pétale" de l'ordre de 60 mm.

Des rayons "X" pénétrant par la face avant du miroir 6, sous incidence rasante, sont déviés par une pluralité de surfaces réfléchissantes (voir figure 4A: 1010 et 1110) associées aux plaques empilées des "pétales" 5x.

De tels miroirs peuvent être mis en oeuvre pour réaliser un télescope, par exemple un télescope de Wolter, du type I précité.

Les figures 7A à 7C illustrent schématiquement le principe de 15 fonctionnement d'un tel télescope et sa configuration de base.

La figure 7A illustre le principe de fonctionnement d'un télescope de Wolter, type I, référencé T 1. Il comprend deux miroirs en cascade, un miroir parabolique Mp, disposé en entrée du télescope T,,,1, et un miroir hyperbolique de sortie MH.

Un faisceau collimaté de rayons "X" incident pénétrant dans le télescope T 1, parallèlement à son axe optique, est réfléchi par les deux miroirs successifs, Mp et MH, et focalisé sur un plan focal PF, en un point focal Po, confondu avec l'axe optique.

En soi, la structure qui vient d'être décrite en regards de la figure 7A 25 est commune à l'art connu, par exemple à celle des télescopes embarqué dans le satellite "XMM-Newton".

La différence importante tient dans la nature des miroirs mis en oeuvre. Dans le satellite "XMM-Newton" précité, chaque miroir est réalisé à base de 58 coques concentriques co-alignées.

Dans un dispositif conforme à l'invention, chaque miroir est d'un type similaire au miroir de la figure 6A, c'est-à-dire à base de modules 5x (figure 6C) 2866438 14 dits "pétales", l'ensemble formant une structure que l'on a qualifiée de "poreuse".

La figure 7B illustre en coupe axiale la configuration d'un télescope Twj comprenant deux miroirs en tandem, Mp et MH, conformes à l'invention. La figure 7C illustre ce même télescope en vue de dessus (face d'entrée).

Pour obtenir les surfaces de révolution de formes paraboliques et hyperboliques précitées des miroirs, Mp et MH, il est nécessaire que l'angle de réflexion par rapport à l'axe optique du télescope Twl varie en fonction du rayon R (figure 7A).

Pour ce faire, comme illustré schématiquement par la figure 8, la distance dy séparant les surfaces réfléchissantes (voir figure 4A: 1010 et 1110) associées aux plaques constituant les modules "pétales" 5x (figure 6C) varie selon une loi prédéterminée en fonction du rayon Ry, c'est-à-dire de la distance séparant un point quelconque d'une surface réfléchissante de l'axe optique.

L'épaisseur des "pétales" varie donc suivant une direction parallèle à l'axe optique. Elle est la plus importante dans la région mitoyenne des deux miroirs en tandem, Mp et MH. Les miroirs Mp et MH peuvent être fixés sur un châssis approprié, de

manière classique en soit.

Pour une mission spatiale, les caractéristiques optiques et géométriques des miroirs Mp et MH,, notamment des "pétales" 5x (figure 6C) qui les composent (alignement, etc.) peuvent être ajustées au sol, à l'aide d'appareils de métrologie appropriés (bancs optiques, etc.). Si ces "pétales" 5x sont associées à des actionneurs, elles peuvent ensuite être alignées de façon active en orbite, par télécommande à partir du sol ou par tout autre moyen: électronique embarquée, etc. A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés.

Notamment, et sans en répéter tous les avantages, elle permet de réduire considérablement la masse globale du système optique, tout en satisfaisant au mieux, pour les longueurs d'ondes concernées (rayons "X" ou 2866438 15 particules énergétiques), les exigences qui ont été énoncées dans le préambule de la présente description. Notamment, comme il a été indiqué dans ce même préambule, un système optique mettant en oeuvre des éléments réflecteurs conformes à l'invention se caractérisera par une masse significativement plus faible que celle de systèmes comparables de l'art connu.

Il devient donc possible de réaliser des télescopes de grande ouverture, et par là très sensibles, sans une augmentation corrélative excessive de la masse, ce qui est particulièrement important lorsque le système optique doit être mis sur orbite et embarqué dans un satellite.

II doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations explicitement décrits, notamment en relation avec les figures 1 à 8.

Notamment, les appareils réalisés ne se limitent pas aux télescopes de Wolter du type I, mais aussi du type II, ou encore à tous autres types d'appareils comprenant au moins un élément optique réflecteur en incidence rasante conforme à l'invention.

L'invention n'est pas limitée non plus, comme il a été indiqué, aux seules applications relevant des missions spatiales (observations de sources de rayonnement "X" ou missions similaires). L'invention trouve application dans de nombreux autres domaines: test de matériaux soumis à un rayonnement "X", applications médicales nécessitent la mise en oeuvre de rayons "X", etc. L'invention s'applique aussi à d'autres longueurs d'ondes: rayons gamma, et à des particules énergétiques.

Enfin, les exemples numériques et les exemples de matériaux utilisables n'ont été fournis que pour mieux fixer les idées et ne sauraient constituer une quelconque limitation de la portée de l'invention. Ils procèdent d'un choix technologique à la portée de l'Homme de Métier.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1. Élément optique réflecteur pour un faisceau de rayons "X", gamma ou de particules énergétiques, en incidence rasante, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux plaques superposées (10 - 12) pour former une structure de type pile, en ce que chaque plaque comporte une première face dite supérieure réfléchissante (101 - 121) pour ledit faisceau (Rk) et une seconde face (102) associée à une pluralité de nervures (100 - 120) formant entretoises entre deux plaques successives (10 - 11, 11 - 12) de ladite pile (3), de manière à définir un espacement déterminé (h) entre deux faces réfléchissantes successives (101 - 111, 111 - 121).

2. Élément optique réflecteur caractérisé en ce que ladite structure de type pile est constituée d'une pluralité de plaques superposées (10 - 12) séparées par des nervures formant entretoises (100 - 120).

3. Élément optique réflecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites nervures (100 - 120) sont parties intégrantes desdites plaques (10 - 12).

4. Élément optique réflecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites nervures (100 - 120) sont dissociées des desdites plaques (10 - 12).

5. Élément optique réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques (10 - 12) sont réalisées à partir de tranches d'un matériau choisi parmi le silicium monocristallin, l'aluminium, le béryllium ou le nickel.

6. Élément optique réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques (10 - 12) sont réalisées 25 à partir de tranches constituées de plusieurs matériaux choisi parmi le 2866438 17 silicium monocristallin, l'aluminium, le béryllium ou le nickel, de manière à présenter de propriétés de déformation non élastique

7. Élément optique réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites faces supérieures réfléchissantes (101 - 121) sont recouvertes d'une couche de matériau à haut pouvoir réflecteur (1010, 1110).

8. Élément optique réflecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau à haut pouvoir réflecteur est de l'or ou de l'iridium

9. Élément optique réflecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite couche (1010, 1110) est multiple.

10. Élément optique réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques (10 - 12) sont conformées de telle sorte que lesdites premières faces réfléchissantes soient inscrites dans une surface de révolution déterminée (S) autour d'un axe formant axe optique dudit élément optique réflecteur.

11. Élément optique réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite surface de révolution (S) est un cylindre, un cône, une parabole, une ellipse ou une hyperbole.

12. Élément optique réflecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce 20 que ladite surface de révolution (S) est déterminée pour obtenir une approximation conique du télescope de "Wolter".

13. Procédé de fabrication d'un élément optique réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes: la réalisation desdites plaques (10) à partir de tranches (Wa-Wf) en au moins un premier matériau prédéterminé ; 2866438 18 la réalisation de nervures (100) destinées à former des entretoises entre lesdites plaques (10) ; - et le découpage desdites tranches (Wf) selon une configuration prédéterminée, pour obtenir lesdites plaques (10).

14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de recouvrement de ladite face supérieure (101) desdites tranches d'au moins une couche d'un deuxième matériau déterminé.

15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la couverture de chacune desdites première (101) et seconde (102) faces desdites plaques (10) par une couche (C,, C2) de matériau protecteur; une attaque par travail mécanique, une attaque chimique ou une combinaison de ces attaques de ladite seconde face (102), pour obtenir lesdites nervures (100) au travers de ladite couche de matériau protecteur (C'2) ; et - l'attaque chimique desdites première (101) et seconde (102) faces 20 desdites plaques (10) pour retirer ladite couche de matériau protecteur.

16. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes supplémentaires suivantes: l'alignement d'au moins deux plaques (10, 11) séparées par lesdites nervures (100, 110) ; - et l'empilement et l'assujettissement de ces deux plaques (10, 11) entre elles.

17. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire de conformation des plaques empilées (10, 11), de manière à ce que lesdits premières faces réfléchissantes (101, 111) soient inscrites dans une surface prédéterminée (S).

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18. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que ledit premier matériau est du silicium monocristallin, de l'aluminium, du béryllium, du le nickel ou plusieurs de ces matériaux.

19. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que ladite couche de deuxième matériau recouvrant ladite face supérieure desdites tranches est en or ou en iridium.

20. Procédé de fabrication selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite couche est une couche multiple.

21. Instrument optique caractérisé en ce qu'il comprend au moins un miroir (Mp, MN) comprenant une pluralité d'éléments optiques réflecteurs (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, lesdits éléments optiques réflecteurs (5) étant agencés autour d'un axe dit axe optique ( ) dudit Instrument optique (T 1), de manière à focaliser un faisceau incident desdits rayons "X" (Ri) ou desdites particules énergétiques sur un plan dit de focalisation (PF), ledit faisceau (Ri) étant dévié par les dites premières faces réfléchissantes des plaques de ladite pluralité d'éléments optiques réflecteurs (5).

22. Instrument optique selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il est doté d'une symétrie de révolution circulaire autour dudit axe optique (b), en ce qu'il comprend une première pluralité d'anneaux concentriques (60 62), en ce que chacun desdits anneaux (60 - 62) est divisé en une deuxième pluralité de secteurs jointifs (600 - 620) et en ce que chacun desdits secteurs (600 - 620) est constitué d'une troisième pluralité d'éléments optiques réflecteurs (5).

23. Instrument optique selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comprend deux miroirs disposés en tandem, en ce que lesdites premières faces réfléchissantes des plaques desdits éléments optiques réflecteurs du premier desdits miroirs (Me) sont conformés de façon à obtenir une surface 2866438 20 de révolution parabolique, en ce que lesdites premières faces réfléchissantes des plaques desdits éléments optiques réflecteurs du deuxième desdits miroirs (MH) sont conformés de façon à obtenir une surface de révolution hyperbolique, et en ce que ledit premier miroir (Mp) est disposé sur une face dite d'entrée dudit instrument optique (T 1), de manière à réaliser un télescope de "Walter" de types dits I ou II, pour ledit faisceau de rayons "X" (Rx) ou de particules énergétiques pénétrant en incidence rasante par ladite avant dudit télescope.

24. Instrument optique selon la revendication 23, caractérisé en ce que lesdits espacements (dy) entre deux premières faces réfléchissantes consécutives des plaques desdits éléments optiques réflecteurs varient selon une loi prédéterminée en fonction de la distance (Ry) les séparant dudit axe optique (b), de manière à obtenir lesdites surfaces de révolution parabolique et hyperbolique, respectivement, desdits premier et second miroirs (Mp, MH) disposés en tandem.