FR2895792A1 - Thin layer film`s e.g. mold oil film, thickness measuring device for e.g. substrate, has comparison unit comparing X fluorescence signal value with standard values to deduce thickness of thin layer from number of detected X photons - Google Patents

Thin layer film`s e.g. mold oil film, thickness measuring device for e.g. substrate, has comparison unit comparing X fluorescence signal value with standard values to deduce thickness of thin layer from number of detected X photons Download PDF

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Abstract

The device has an ionizing radiation source (10) causing the emission of photons by an X fluorescence of a sample support (11). An X photon detector (14) e.g. silicon drift detector, detects the X fluorescence emitted by the sample support, and a comparison unit compares a value of an X fluorescence signal detected by the detector with standard values to deduce the thickness of a thin layer (12) from the number of detected X photons. An independent claim is also included for a method for measuring thickness of a thin layer supported on a sample support.

Description

MESURE D'EPAISSEUR DE FILM(S) PRESENT(S) EN COUCHE MINCE SUR UN SUPPORTMEASUREMENT OF THICKNESS OF FILM (S) PRESENT (S) IN THIN LAYER ON A SUPPORT

ECHANTILLONSAMPLE

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif de mesure de l'épaisseur d'au moins un film présent en couche mince sur un support échantillon, ainsi que le procédé de mesure utilisant ce dispositif. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les films déposés sous forme de couches minces, également dénommés couches minces, sont utilisés dans de nombreuses utilisations (par exemple 15 pour la fonctionnalisation de surface afin de limiter le frottement ou protéger une surface, pour réaliser des films de démoulage sur des tôles en métallurgie ou sur des coffrages pour béton...), où il est important de connaître avec précision l'épaisseur du film déposé. 20 On entend par couche mince une couche dont l'épaisseur est inférieure à quelques centaines de micromètres. De nombreuses méthodes permettent de mesurer l'épaisseur d'une couche mince. Par exemple, on 25 peut utiliser la méthode de la pesée où l'on mesure la différence de masse entre le support nu et le support comportant la couche mince. Connaissant la surface et la masse du support utilisé, ainsi que la masse volumique de la couche mince, il est possible de 30 connaître l'épaisseur de la couche mince appliquée sur 10 le support. Il suffit de diviser la différence entre la masse mesurée après application de la couche mince et celle du support nu par le produit de la surface du support et de la masse volumique de la couche mince.  DESCRIPTION FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a device for measuring the thickness of at least one film present in a thin layer on a sample support, as well as the measuring method using this device. STATE OF THE PRIOR ART Films deposited in the form of thin layers, also called thin layers, are used in many uses (for example for surface functionalization in order to limit friction or protect a surface, to produce demolding films on metallurgical sheets or on concrete forms ...), where it is important to know precisely the thickness of the deposited film. Thin film is a layer whose thickness is less than a few hundred micrometers. Many methods make it possible to measure the thickness of a thin layer. For example, it is possible to use the weighing method where the mass difference between the bare support and the support comprising the thin layer is measured. Knowing the surface and mass of the support used, as well as the density of the thin layer, it is possible to know the thickness of the thin layer applied to the support. It is sufficient to divide the difference between the mass measured after application of the thin layer and that of the bare support by the product of the surface of the support and the density of the thin layer.

Cependant, cette méthode présente de nombreux inconvénients. Tout d'abord, cette méthode ne peut être réalisée qu'en laboratoire, car elle requiert des balances de haute précision. Une telle mesure en laboratoire peut difficilement être utilisée pour effectuer des contrôles en ligne sur une chaîne de production. Par ailleurs, la masse mesurée du support supportant la couche mince est sujette à des variations car la couche mince, théoriquement appliquée uniquement sur la surface du support, peut se déposer ou couler sur les bords et au dessous du support, faussant ainsi la mesure et n'étant alors plus représentative de l'épaisseur de la couche mince sur la surface étudiée du support. Une deuxième technique consiste à utiliser un dispositif appelé jauge de mesure d'épaisseur de film humide . Il s'agit d'un peigne de mesure présentant, entre deux pieds d'embase, des dents de différentes longueurs classées par ordre croissant. Pour mesurer l'épaisseur d'un film humide présent sur un support, on dispose la jauge perpendiculairement au support, les deux pieds d'embase étant en contact avec le support. La mesure de l'épaisseur du film humide se fait en localisant la dent humide (c'est-à-dire la dent qui est juste en contact avec le film humide) et la dent adjacente sèche. L'épaisseur du film humide se situe ainsi entre les valeurs de la dent humide et de la dent sèche adjacente. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle est assez imprécise ; en effet, elle permet d'évaluer une épaisseur en donnant son ordre de grandeur, mais pas de la quantifier avec précision. De plus, cette méthode ne peut s'appliquer que sur un film humide (type peinture, huile, etc...). De plus, elle peut permettre d'obtenir un ordre de grandeur de l'épaisseur d'un film sec qu'à condition de connaître la valeur de retrait du film lors du séchage. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but de l'invention est donc d'obtenir un procédé de mesure, ainsi qu'un dispositif de mesure permettant d'obtenir une mesure précise de l'épaisseur d'au moins une couche mince présente sur la surface d'un support, et de manière non intrusive pour le support.  However, this method has many disadvantages. First of all, this method can only be performed in the laboratory because it requires high precision scales. Such a laboratory measure can hardly be used to carry out online checks on a production line. Moreover, the measured mass of the support supporting the thin layer is subject to variations because the thin layer, theoretically applied solely on the surface of the support, can be deposited or flow on the edges and below the support, thus distorting the measurement and no longer being representative of the thickness of the thin layer on the studied surface of the support. A second technique is to use a device called a wet film thickness gauge. It is a measuring comb having, between two base legs, teeth of different lengths in ascending order. To measure the thickness of a wet film present on a support, the gauge is arranged perpendicular to the support, the two base legs being in contact with the support. The measurement of wet film thickness is done by locating the wet tooth (ie, the tooth that is just in contact with the wet film) and the adjacent, dry tooth. The thickness of the wet film is thus between the values of the wet tooth and the adjacent dry tooth. The disadvantage of this method is that it is rather imprecise; indeed, it makes it possible to evaluate a thickness by giving its order of magnitude, but not to quantify it precisely. In addition, this method can only be applied on a wet film (paint type, oil, etc ...). In addition, it can make it possible to obtain an order of magnitude of the thickness of a dry film, provided that the value of shrinkage of the film during drying is known. DISCLOSURE OF THE INVENTION The object of the invention is therefore to obtain a measuring method, as well as a measuring device making it possible to obtain an accurate measurement of the thickness of at least one thin layer present on the surface. a support, and non-intrusive way for the support.

Ce but est atteint par un dispositif de mesure de l'épaisseur d'au moins une couche mince supportée par un support échantillon, le support échantillon étant en un matériau de composition élémentaire différente de celle de la au moins une couche mince, ledit dispositif comprenant : - une source de rayonnements ionisants, qui provoque l'émission de photons par fluorescence X du support échantillon, et - un détecteur de photons X, qui détecte la fluorescence X émise par le support échantillon, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de comparaison pour comparer la valeur du signal de fluorescence X détecté par le détecteur avec des valeurs étalons, de manière à déduire, à partir de la valeur de la fluorescence X détectée, l'épaisseur de la au moins une couche mince. Les valeurs étalons peuvent consister en une courbe d'étalonnage. Les moyens de comparaison peuvent par exemple être un appareil de traitement qui va comparer la quantité de photons émis par fluorescence X avec les valeurs étalons de fluorescence X enregistrées dans une base de données. On travaillera alors avec une fonction d'étalonnage, puis par interpolation.  This object is achieved by a device for measuring the thickness of at least one thin layer supported by a sample support, the sample support being in a material of elementary composition different from that of the at least one thin layer, said device comprising a source of ionizing radiation, which causes the emission of photons by X-ray fluorescence of the sample support, and an X-ray detector, which detects the X-ray fluorescence emitted by the sample medium, said device being characterized in that comprises comparison means for comparing the value of the X-ray fluorescence signal detected by the detector with standard values, so as to deduce, from the detected X-ray fluorescence value, the thickness of the at least one thin layer. The standard values may consist of a calibration curve. The comparison means may for example be a treatment apparatus that will compare the amount of X fluorescence emitted photons with the X-ray fluorescence standard values recorded in a database. We will then work with a calibration function, then by interpolation.

Il est essentiel que le support échantillon soit en un matériau de composition élémentaire (c'est-à-dire en éléments du tableau de Mendeleiev) différente de celle de la au moins une couche mince. Il est en effet nécessaire que la couche mince considérée ne soit pas de composition élémentaire similaire au support, de manière à ne pas être perturbé par la fluorescence X provenant de la couche mince. La méthode selon l'invention repose sur l'utilisation des propriétés d'atténuation des rayonnements ionisants. Lorsqu'on bombarde un matériau métallique avec des rayonnements ionisants, le matériau réémet de l'énergie sous la forme, entre autres, de rayons X (photons X). Or, les rayonnements ionisants ne sont pas très pénétrants et sont donc freinés dès leur pénétration dans la matière. Selon la figure 1, si l'on place un film en couche mince 2 sur un support 1 métallique, les rayonnements ionisants vont donc être atténués par le film. Le film 2 est généralement constitué par des éléments légers non métalliques (plastiques, huile, peinture...) et n'émet donc pas de photons X dans la bande d'énergie du support. Du fait de la présence du film en couche mince, le nombre de particules ionisantes qui atteignent le substrat est plus faible et entraîne une émission 3 de photons X réduite dans la même proportion. Les photons X émis par le support 1 traversent le film 2 et sont détectés par le détecteur 4 situé au dessus du support 1. La mesure des photons X se fait donc en mesurant le flux de photons X atteignant le détecteur, sachant que ce flux est directement dépendant de l'atténuation des particules ionisantes dans le film. Selon l'épaisseur du film, on obtiendra donc une mesure de photons X différente. On précise que dans le cas où on aurait plusieurs couches minces, le dispositif permet de mesurer l'épaisseur totale des couches minces présentes sur le support échantillon. Avantageusement, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que la source et le détecteur sont disposés sur un même support, distinct du support échantillon sur lequel est disposée ladite au moins une couche mince, ledit support étant placé en vis-à-vis de ladite au moins une couche mince de manière à ce que les rayonnements ionisants émis par la source atteignent le support échantillon en traversant ladite au moins une couche mince.  It is essential that the sample carrier be of a material of elemental composition (ie, elements of the Mendeleyev table) different from that of the at least one thin layer. It is indeed necessary that the thin layer considered is not elementary composition similar to the support, so as not to be disturbed by X-ray fluorescence from the thin layer. The method according to the invention is based on the use of the attenuation properties of ionizing radiation. When a metallic material is bombarded with ionizing radiation, the material re-emits energy in the form of, inter alia, X-rays (X-photons). However, ionizing radiation is not very penetrating and is therefore curbed as soon as it enters the material. According to FIG. 1, if a thin film 2 is placed on a metal support 1, the ionizing radiation will therefore be attenuated by the film. The film 2 is generally constituted by non-metallic light elements (plastics, oil, paint, etc.) and therefore does not emit X-photons in the energy band of the support. Due to the presence of the thin film, the number of ionizing particles that reach the substrate is lower and results in reduced photon emission 3 in the same proportion. The photons X emitted by the support 1 pass through the film 2 and are detected by the detector 4 situated above the support 1. The measurement of the photons X is therefore done by measuring the flow of photons X reaching the detector, knowing that this flux is directly dependent on the attenuation of the ionizing particles in the film. Depending on the thickness of the film, we will obtain a different X-ray photon measurement. It should be noted that in the case where there are several thin layers, the device makes it possible to measure the total thickness of the thin layers present on the sample support. Advantageously, the device according to the invention is characterized in that the source and the detector are disposed on a same support, distinct from the sample support on which is disposed said at least one thin layer, said support being placed opposite said at least one thin layer so that the ionizing radiation emitted by the source reaches the sample support by passing through said at least one thin layer.

Un des avantages du dispositif selon l'invention est qu'il permet d'effectuer une mesure d'un film déjà présent sur un support, sans avoir à irradier le support et ensuite à déposer le film.  One of the advantages of the device according to the invention is that it makes it possible to measure a film already present on a support, without having to irradiate the support and then to deposit the film.

Avantageusement, le détecteur de photons émis par fluorescence X est disposé coaxialement à la source de rayonnements ionisants. Cela permet de maximiser le signal de fluorescence X reçu par le détecteur.  Advantageously, the X-ray fluorescence photon detector is arranged coaxially with the source of ionizing radiation. This maximizes the X-ray fluorescence signal received by the detector.

En ce qui concerne le choix du détecteur, tout détecteur de photons X peut convenir. Avantageusement, le détecteur est choisi parmi une diode silicium ( Silicon Drift Detector en anglais ou SDD), un scintillateur NaI avec fenêtre en Béryllium ou un détecteur en Tellure de Cadmium (CdTe). Il convient cependant de choisir le détecteur en fonction de la fluorescence X émise par le support échantillon. En ce qui concerne le support échantillon, le matériau du support échantillon comprend avantageusement au moins un élément de numéro atomique supérieur ou égal à 11 (sodium), par exemple pour une utilisation dans l'air. Plus préférentiellement, l'élément de numéro atomique supérieur ou égal à 11 est un constituant majoritaire du matériau du support échantillon. Avantageusement, le matériau du support échantillon est du béton. Avantageusement, le matériau du support échantillon comporte un métal ou un alliage métallique.  Regarding the choice of the detector, any X-ray detector may be suitable. Advantageously, the detector is chosen from a silicon diode (Silicon Drift Detector in English or SDD), a NaI scintillator with Beryllium window or a cadmium telluride detector (CdTe). However, the detector must be chosen according to the X-ray fluorescence emitted by the sample medium. With regard to the sample support, the material of the sample support advantageously comprises at least one element of atomic number greater than or equal to 11 (sodium), for example for use in air. More preferably, the atomic number element greater than or equal to 11 is a majority constituent of the sample support material. Advantageously, the material of the sample support is concrete. Advantageously, the material of the sample support comprises a metal or a metal alloy.

Avantageusement, ladite au moins une couche mince est un film métallique ou organique, par exemple du plastique, de l'huile, de la peinture ou du PTFE. Avantageusement, ladite au moins une couche mince a une épaisseur comprise entre 1/100 de micromètre et 1 micromètre. Selon une première variante, les rayonnements ionisants sont des rayonnements alpha. Avantageusement, la source de rayonnements 10 alpha est du Polonium 210. Selon une deuxième variante, les rayonnements ionisants sont des rayonnements béta, de photons X ou d'électrons. Avantageusement, la source de rayonnements 15 béta est du Krypton 85.  Advantageously, said at least one thin layer is a metal or organic film, for example plastic, oil, paint or PTFE. Advantageously, said at least one thin layer has a thickness of between 1/100 micrometer and 1 micrometer. According to a first variant, the ionizing radiation is alpha radiation. Advantageously, the alpha radiation source is Polonium 210. According to a second variant, the ionizing radiation is beta radiation, X-ray photons or electrons. Advantageously, the beta radiation source is Krypton 85.

L'invention concerne également un procédé de mesure de l'épaisseur d'au moins une couche mince supportée par un support échantillon, en détectant la 20 fluorescence X émise par le support échantillon, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes . - approcher, à une distance déterminée de la face du support échantillon comportant la au moins une couche 25 mince, la face d'un support comportant : - une source de rayonnements ionisants destinée à exciter le support échantillon de sorte qu'il émette des photons par fluorescence X, et - un détecteur pour détecter les photons X 30 émis par le support échantillon, la face dudit support comportant la source et le détecteur étant placée en vis-à-vis de la au moins une couche mince de manière à ce que les rayonnements ionisants produits par la source atteignent le support échantillon en traversant la au moins une couche mince, - quantifier la quantité de photons X émis par le support échantillon pendant une durée déterminée, -comparer cette quantité de photons X avec des valeurs étalons présentant la valeur de fluorescence X d'un support échantillon de référence supportant une épaisseur donnée d'une couche mince de référence. L'étape de comparaison peut se faire par exemple à l'aide d'une courbe d'étalonnage fonction des mesures de photons X émis par un support échantillon de référence supportant une épaisseur donnée d'une couche mince de référence, le support échantillon de référence et la couche mince de référence ayant la même composition élémentaire que le support échantillon et la au moins une couche mince utilisés, respectivement.  The invention also relates to a method for measuring the thickness of at least one thin layer supported by a sample support, by detecting the X-ray fluorescence emitted by the sample support, characterized in that the method comprises the following steps. approaching, at a determined distance from the face of the sample support comprising the at least one thin layer, the face of a support comprising: a source of ionizing radiation intended to excite the sample support so that it emits photons by X-ray fluorescence, and - a detector for detecting X-ray photons emitted by the sample medium, the face of said medium comprising the source and the detector being placed opposite the at least one thin layer so that the ionizing radiation produced by the source reaches the sample support by crossing the at least one thin layer, - quantifying the quantity of X photons emitted by the sample support for a determined duration, - comparing this quantity of X photons with standard values presenting the X-ray fluorescence value of a reference sample support supporting a given thickness of a reference thin layer. The comparison step can be done for example using a calibration curve according to the measurements of X photons emitted by a reference sample support supporting a given thickness of a reference thin layer, the sample support of reference and the reference thin film having the same elemental composition as the sample carrier and the at least one thin film used, respectively.

Avantageusement, l'étape d'approche à une distance déterminée se fait pour une distance constante et identique à la distance utilisée pour l'étalonnage, c'est-à-dire sans contact entre la face du support comportant la source et le détecteur, et la face du support échantillon comportant la au moins une couche mince. Des variations de distances de travail peuvent introduire des erreurs de mesures importantes du fait de l'absorption des rayonnements ionisants dans l'air. Par ailleurs, l'absence de contact évite un nettoyage de la source.  Advantageously, the approach step at a determined distance is for a constant distance and identical to the distance used for the calibration, that is to say without contact between the face of the medium comprising the source and the detector, and the face of the sample support having the at least one thin layer. Variations in working distances can introduce significant measurement errors due to the absorption of ionizing radiation in the air. In addition, the absence of contact avoids a cleaning of the source.

De préférence, la source et le détecteur sont placés sous incidence quasi normale par rapport à la surface de l'échantillon. Avantageusement, les valeurs étalons sont obtenues à partir de feuilles de Mylar d'épaisseurs connues. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1, déjà décrite précédemment, représente un dispositif de mesure selon un mode de réalisation de l'invention, selon une vue en coupe latérale, - la figure 2 représente un dispositif de mesure selon un autre mode de réalisation de l'invention, selon une vue en coupe latérale. Notons que les dessins ne sont pas à l'échelle. En particulier, la couche mince présente à la surface du support d'échantillon est dans la réalité extrêmement fine par rapport à l'épaisseur du support échantillon. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous allons décrire en particulier le mode de réalisation dans laquelle la source et le détecteur utilisés sont placés dans un même support distinct du support comportant le film à mesurer. La source émet des rayonnements alpha ou béta, de photons X ou d'électrons. Elle est par exemple fixée sur le support, tout autour du détecteur afin de maximiser le signal de fluorescence X reçu par le détecteur. Lorsque l'on bombarde de la matière (ici le support échantillon) avec des rayonnements ionisants, la matière réémet de l'énergie sous la forme, entre autres, de rayons X ; c'est la fluorescence X. La présence d'un film sur le support échantillon a pour effet d'atténuer l'intensité du faisceau de particules ou rayonnements ionisants. Le nombre de particules atteignant le support échantillon est par conséquent diminué d'autant, tout comme le nombre de photons X (N (XO comptabilisés par le détecteur. De manière plus détaillée, le faisceau de particules alpha ou béta, de photons X ou d'électrons émis en direction du support échantillon comportant le film à mesurer va être atténué par le film avant de pénétrer dans le support échantillon. Puis les particules alpha (ou béta ou X) vont ioniser les atomes du support échantillon avant d'être arrêtées. Les atomes ionisés vont chercher à revenir à l'état d'équilibre en récupérant des électrons dans le milieu environnant. Cette opération s'accompagne d'une émission de photons (rayonnements X) que l'on mesure avec le détecteur. Le détecteur utilisé doit permettre de mesurer les photons dans une gamme d'énergie comprenant l'énergie de fluorescence du support échantillon. La mesure de la quantité de photons émis par fluorescence X peut être spectroscopique, c'est-à-dire qu'on mesure toutes les longueurs d'onde de fluorescence X émise par le support échantillon, ou intégrée sur une fenêtre de largeur spectrale prédéfinie, lorsqu'on mesure la fluorescence d'un élément chimique particulier qui émet à une longueur d'onde déterminée. Pour avoir une source de rayonnements alpha, on peut utiliser du Polonium 210 par exemple ; pour une source de rayonnements béta, on utilisera par exemple du Krypton 85. Comme détecteur, on peut utiliser une diode Silicium. Pour le film, on peut utiliser du PTFE (téflon) ou de l'huile, et pour le support, de l'acier. De préférence, on prend comme support échantillon un substrat dont la surface plane va pouvoir recevoir le film dont on veut mesurer l'épaisseur. On a représenté sur la figure 2 le dispositif de mesure selon l'invention. On approche la face d'un support 15, comprenant une source 10 de rayonnements ionisants 16 et un détecteur 14 de fluorescence X, de la face d'un support échantillon 11 comprenant une couche mince 12. Les rayonnements ionisants 16 émis par la source 10 atteignent le support échantillon 11 et le support échantillon 11 réémet de la fluorescence X 13, qui traverse la couche mince 12, et est détectée par le détecteur 14. Pour déduire la valeur de l'épaisseur de la couche mince 12 ou du film, on utilise la relation existant entre l'épaisseur de film (d) présente sur le support échantillon et traversée par les rayonnements ionisants (rayonnements alpha ou béta), et la quantité N(x) de photons de fluorescence X détectée. N (X) = No . exp (-pd) avec No : support échantillon sans film, et ü : coefficient d'absorption du film.  Preferably, the source and the detector are placed at nearly normal incidence relative to the surface of the sample. Advantageously, the standard values are obtained from Mylar sheets of known thicknesses. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, accompanied by the appended drawings among which: FIG. 1, already described above, represents a measuring device according to one embodiment of the invention, in a side sectional view, - Figure 2 shows a measuring device according to another embodiment of the invention, according to a sectional view. lateral. Note that the drawings are not to scale. In particular, the thin layer present on the surface of the sample support is in reality extremely thin with respect to the thickness of the sample support. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS We will describe in particular the embodiment in which the source and the detector used are placed in the same support separate from the support comprising the film to be measured. The source emits alpha or beta radiation, X-ray photons or electrons. It is for example fixed on the support, all around the detector to maximize the X fluorescence signal received by the detector. When material (here the sample carrier) is bombarded with ionizing radiation, the material re-emits energy in the form of, inter alia, X-rays; it is the X fluorescence. The presence of a film on the sample support has the effect of attenuating the intensity of the beam of particles or ionizing radiation. The number of particles reaching the sample support is therefore correspondingly reduced, as is the number of X photons (N (XO) counted by the detector, in more detail the alpha or beta particle beam, X or Electrons emitted in the direction of the sample medium containing the film to be measured will be attenuated by the film before entering the sample support, and then the alpha (or beta or X) particles will ionize the atoms of the sample support before being stopped. The ionized atoms will seek to return to the state of equilibrium by recovering electrons in the surrounding environment.This operation is accompanied by an emission of photons (X-rays) that are measured with the detector. must be able to measure photons in a range of energy including the fluorescence energy of the sample support.The measurement of the quantity of photons emitted by X-ray fluorescence can spectroscopic, that is to say one measures all the wavelengths of X fluorescence emitted by the sample support, or integrated on a window of predefined spectral width, when measuring the fluorescence of a chemical element particular which emits at a specific wavelength. To have a source of alpha radiation, one can use Polonium 210 for example; for a beta radiation source, for example Krypton 85 will be used. As a detector, it is possible to use a silicon diode. For the film, PTFE (Teflon) or oil can be used, and for the support, steel. Preferably, a substrate is used as a sample support, the plane surface of which will be able to receive the film whose thickness is to be measured. FIG. 2 shows the measuring device according to the invention. The face of a support 15, comprising a source 10 of ionizing radiation 16 and an X-ray fluorescence detector 14, is approached from the face of a sample support 11 comprising a thin layer 12. The ionizing radiation 16 emitted by the source 10 reach the sample support 11 and the sample support 11 retransmits the X 13 fluorescence, which passes through the thin layer 12, and is detected by the detector 14. To deduce the value of the thickness of the thin layer 12 or the film, uses the relationship between the thickness of film (d) present on the sample medium and traversed by ionizing radiation (alpha or beta radiation), and the amount N (x) of X-ray fluorescence photons detected. N (X) = No. exp (-pd) with No: support sample without film, and ü: absorption coefficient of the film.

Cette quantité N() est une exponentielle du premier ordre décroissante en fonction de d. Selon cette relation, plus l'épaisseur de la couche mince est grande, plus la quantité de fluorescence X détectée est faible. La courbe obtenue peut dépendre également de la composition élémentaire du support échantillon utilisé, ainsi que de la composition élémentaire de la couche mince. On a donc généralement une courbe spécifique à chaque couple film sur support échantillon utilisé (si les rayonnements ionisants sont des rayonnements alpha, la courbe ne dépendra que de la composition du support échantillon). Un étalonnage préalable par une autre méthode précise de mesure d'un même couple film sur support échantillon (par exemple des mesures par pesée) permet d'établir la loi de comportement reliant l'épaisseur du film à la quantité de photons de fluorescence détectés. La méthode selon l'invention est une méthode non destructrice et non intrusive ; elle permet de réaliser des mesures in situ de manière très précise (c'est-à-dire à mieux que 1%) de couches très minces, c'est-à-dire dont l'épaisseur est comprise typiquement entre 1/100 micromètre et 1 micromètre.  This quantity N () is a first order exponential decreasing as a function of d. According to this relationship, the greater the thickness of the thin layer, the lower the amount of detected X-ray fluorescence. The curve obtained may also depend on the elemental composition of the sample support used, as well as on the elementary composition of the thin layer. We therefore generally have a specific curve for each pair of sample-supported film used (if the ionizing radiation is alpha radiation, the curve will depend only on the composition of the sample medium). A prior calibration by another precise method of measuring the same pair of films on a sample support (for example measurements by weighing) makes it possible to establish the behavior law connecting the thickness of the film to the quantity of fluorescence photons detected. The method according to the invention is a non-destructive and non-intrusive method; it makes it possible to carry out measurements in situ very precisely (that is to say better than 1%) of very thin layers, that is to say whose thickness is typically between 1/100 micrometer and 1 micrometer.

Pour illustrer l'utilisation du dispositif et du procédé de mesure selon l'invention, nous avons effectué la mesure de l'épaisseur d'un film d'huile de décoffrage apposé sur un coffrage (paroi métallique destinée à servir de moule lors du coulage de béton).  To illustrate the use of the device and the measuring method according to the invention, we have carried out the measurement of the thickness of a formwork oil film affixed to a formwork (metal wall intended to serve as a mold during casting of concrete).

Cette huile a pour premier rôle de limiter l'adhérence entre la paroi et le béton une fois durci. Elle facilite également le décoffrage (retrait du moule). Il est également connu que la nature et la composition des huiles utilisées sur les chantiers de génie civil ont d'autres effets sur le béton et notamment une forte influence sur l'aspect du béton. Pour déterminer l'influence des huiles sur le béton, il est donc nécessaire de caractériser ces huiles, et notamment de déterminer quelles caractéristiques du béton sont obtenues pour une épaisseur donnée d'huile présente sur le support échantillon (le moule). La précision obtenue pour les mesures permet d'établir des corrélations réalistes entre l'huile, les paramètres physico-chimiques de l'huile et les réactions physicochimiques entre l'huile et le béton frais.  This oil has the primary role of limiting the adhesion between the wall and the concrete once cured. It also facilitates the stripping (withdrawal of the mold). It is also known that the nature and composition of the oils used on civil engineering works have other effects on concrete and in particular a strong influence on the appearance of concrete. To determine the influence of oils on the concrete, it is therefore necessary to characterize these oils, and in particular to determine what concrete characteristics are obtained for a given thickness of oil present on the sample support (the mold). The precision obtained for the measurements makes it possible to establish realistic correlations between the oil, the physicochemical parameters of the oil and the physicochemical reactions between the oil and the fresh concrete.

On a donc mesuré l'épaisseur d'un film de plusieurs huiles différentes déposées sur une plaque en acier. Pour cela, on a suivi le mode opératoire suivant. Tout d'abord, on vérifie la calibration du détecteur en énergie. Comme nous l'avons vu précédemment, le détecteur doit pouvoir détecter la fluorescence X provenant du support échantillon. Le choix du détecteur se fait donc en fonction de la composition du support échantillon utilisé. Pour l'étalonnage du dispositif, on utilise une propriété des rayonnements alpha. En effet, comme l'atténuation des rayonnements alpha est peut sensible au numéro atomique de l'absorbant, seule la masse surfacique est importante. Ceci permet de réaliser l'étalonnage de la jauge (terme technique désignant un ensemble de mesures permettant de mesurer un paramètre physique) en utilisant du mylar, qui existe en feuilles minces (de l'ordre du micromètre) et qui est un excellent équivalent à l'huile. Puis on place le support échantillon comportant la couche mince à mesurer à une distance d'environ 5 mm du dispositif de mesure. On enregistre le signal de fluorescence X (quantité de photons de fluorescence X) émis par le support échantillon pendant une durée suffisante (quelques secondes, par exemple 10 secondes) et on intègre le signal sur une bande d'énergie (c'est l'énergie de fluorescence qui permet de différencier la fluorescence provenant de la couche mince de celle provenant du support échantillon). Enfin, on ramène cette mesure de photons X émis à une épaisseur : à partir de la quantité de photons de fluorescence X émis par le support échantillon, on est capable de connaître la valeur de l'épaisseur du film d'huile présent sur la plaque d'acier. Les résultats montrent que le dispositif et le procédé selon l'invention permettent d'obtenir des valeurs très précises, de l'ordre de quelques dizaines de micromètres, de l'épaisseur du film d'huile présent sur le support échantillon en acier, quelque soit le type d'huile utilisé.  The thickness of a film of several different oils deposited on a steel plate was thus measured. For this, the following procedure was followed. First, we check the calibration of the detector energy. As we have seen previously, the detector must be able to detect the X-ray fluorescence coming from the sample support. The choice of detector is therefore based on the composition of the sample support used. For the calibration of the device, a property of the alpha radiation is used. Indeed, as the attenuation of the alpha radiation is sensitive to the atomic number of the absorbent, only the mass per unit area is important. This makes it possible to calibrate the gauge (technical term designating a set of measurements making it possible to measure a physical parameter) by using mylar, which exists in thin sheets (of the order of a micrometer) and which is an excellent equivalent to oil. Then the sample carrier having the thin layer to be measured is placed at a distance of about 5 mm from the measuring device. The X fluorescence signal (quantity of X fluorescence photons) emitted by the sample medium is recorded for a sufficient duration (a few seconds, for example 10 seconds) and the signal is integrated on a band of energy (this is the fluorescence energy which makes it possible to differentiate the fluorescence coming from the thin layer from that coming from the sample support). Finally, this measurement of X photons emitted is brought back to a thickness: from the quantity of X fluorescence photons emitted by the sample support, it is possible to know the value of the thickness of the film of oil present on the plate. steel. The results show that the device and the method according to the invention make it possible to obtain very precise values, of the order of a few tens of micrometers, of the thickness of the oil film present on the steel sample support, whatever the type of oil used.

Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent de mesurer avec précision les épaisseurs de films très minces constitués par exemple d'éléments légers tels que des plastiques, des hydrocarbures, des films organiques à base de carbone et/ou d'hydrogène. Les valeurs des épaisseurs sont obtenues de manière non intrusive, non destructrice et rapidement. De plus, les mesures sont réalisées in situ. Le dispositif et le procédé de mesure selon l'invention permettent de mesurer de nombreux films sur une grande variété de supports. On peut ainsi effectuer par exemple la mesure d'épaisseur de peinture sur les carrosseries automobiles, des épaisseurs de graisse sur les éléments métalliques sortant des chaînes de laminage dans les industries métallurgiques... Le dispositif et le procédé de mesure peuvent également s'appliquer à la mesure d'épaisseur de films d'Or (inférieure à 1 micromètre) présents sur un support. De manière générale, le dispositif et le procédé selon l'invention permettent de mesurer l'épaisseur de films minces organiques, métalliques ou autres présents sur un support échantillon de composition élémentaire différente de celui du film. On peut utiliser des rayonnements alpha comme on l'a vu ci-dessus, mais on peut également utiliser des rayonnements béta, gamma, X ou d'électrons. En utilisant des rayonnements béta, gamma ou X, on n'est pas limité par le numéro atomique du constituant majoritaire du support échantillon comportant le film. En effet, du point de vue du rendement de fluorescence, les rayons alpha excitent bien les éléments de faible numéro atomique, tandis que les rayons X excitent plutôt les éléments de numéro atomique élevé, les rayons béta ayant un rendement se situant entre les rayons alpha et X. Par conséquent, ce qui est important, c'est la masse surfacique de la couche mince, c'est-à-dire le produit de l'épaisseur par la densité de la couche. Ainsi, pour les couches ayant une masse surfacique inférieure à 20 g/m2, on utilisera de préférence des rayons alpha, tandis que pour une masse surfacique inférieure à 2000 g/m2, on pourra utiliser des rayons béta. C'est ainsi que pour mesurer des films d'épaisseurs inférieures ou égales à 20 micromètres, on utilise de préférence des rayonnements alpha, qui permettent d'obtenir une très bonne sensibilité lors de mesures d'épaisseurs inférieures à 1 micromètre.  The device and the method according to the invention make it possible to accurately measure the thicknesses of very thin films consisting, for example, of light elements such as plastics, hydrocarbons, organic films based on carbon and / or hydrogen. Thickness values are obtained non-intrusively, non-destructively and quickly. In addition, measurements are made in situ. The device and measurement method according to the invention can measure many films on a wide variety of media. For example, it is possible to measure, for example, the thickness of paint on automobile bodies, the thickness of grease on the metal elements coming out of the rolling lines in the metallurgical industries, etc. The measuring device and method can also be applied. to the thickness measurement of gold films (less than 1 micrometer) present on a support. In general, the device and the method according to the invention make it possible to measure the thickness of thin organic, metallic or other films present on a support sample of elementary composition different from that of the film. Alpha radiation can be used as seen above, but beta, gamma, X or electron radiation can also be used. By using beta, gamma or X radiation, it is not limited by the atomic number of the majority constituent of the sample support comprising the film. Indeed, from the point of view of the fluorescence yield, the alpha rays excite the elements of low atomic number, whereas the X-rays rather excite the elements of high atomic number, the beta rays having a yield being between the alpha rays and X. Therefore, what is important is the density of the thin layer, that is to say the product of the thickness by the density of the layer. Thus, for layers having a basis weight of less than 20 g / m 2, alpha rays will preferably be used, whereas for a mass per unit area of less than 2000 g / m 2, beta rays may be used. Thus, to measure films with thicknesses less than or equal to 20 micrometers, alpha radiation is preferably used, which makes it possible to obtain a very good sensitivity when measuring thicknesses of less than 1 micrometer.

Claims (16)

REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de l'épaisseur d'au moins une couche mince (2, 12) supportée par un support échantillon (1, 11), le support échantillon (1, 11) étant en un matériau de composition élémentaire différente de celle de la au moins une couche mince (2, 12), ledit dispositif comprenant : - une source (10) de rayonnements ionisants (16), qui provoque l'émission de photons par fluorescence X (3, 13) du support échantillon (1, 11), et - un détecteur (4, 14) de photons X, qui détecte la fluorescence X (3, 13) émise par le support échantillon (1, 11), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de comparaison pour comparer la valeur du signal de fluorescence X détecté par le détecteur (4, 14) avec des valeurs étalons, de manière à déduire, à partir du nombre de photons X détectés, l'épaisseur de la au moins une couche mince (2, 12).  1. Device for measuring the thickness of at least one thin layer (2, 12) supported by a sample support (1, 11), the sample support (1, 11) being made of a material of elementary composition different from that the at least one thin layer (2, 12), said device comprising: - a source (10) of ionizing radiation (16), which causes the emission of X-ray fluorescence photons (3, 13) from the sample support (1 , 11), and - a detector (4, 14) of X photons, which detects the X-ray fluorescence (3, 13) emitted by the sample medium (1, 11), said device being characterized in that it comprises means for comparing the value of the X fluorescence signal detected by the detector (4, 14) with standard values, so as to deduce, from the number of X photons detected, the thickness of the at least one thin layer ( 2, 12). 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (10) et le détecteur (14) sont disposés sur un même support (15), distinct du support échantillon (11) sur lequel est disposée ladite au moins une couche mince (12), ledit support (15) étant placé en vis-à-vis de ladite au moins une couche mince (12) de manière à ce que les rayonnements ionisants (16) émis par la source (10) atteignent le support échantillon (11) en traversant ladite au moins une couche mince (12). 18  2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the source (10) and the detector (14) are arranged on a same support (15), distinct from the sample support (11) on which is disposed said at least one thin layer (12), said support (15) being placed opposite said at least one thin layer (12) so that the ionizing radiation (16) emitted by the source (10) reaches the support sample (11) passing through said at least one thin layer (12). 18 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détecteur (14) de photons émis par fluorescence X est disposé coaxialement à la source (10) de rayonnements ionisants.  3. Measuring device according to claim 2, characterized in that the detector (14) of photons emitted by X-ray fluorescence is disposed coaxially with the source (10) of ionizing radiation. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur (4, 14) est choisi parmi une diode silicium (Silicon Drift Detector), un scintillateur NaI ou un détecteur CdTe.  4. Measuring device according to any one of the preceding claims, characterized in that the detector (4, 14) is selected from a silicon diode (Silicon Drift Detector), an NaI scintillator or a CdTe detector. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau du support échantillon (1, 11) comprend au moins un élément de numéro atomique supérieur ou égal à 11 (sodium).  5. Measuring device according to claim 1, characterized in that the sample support material (1, 11) comprises at least one element of atomic number greater than or equal to 11 (sodium). 6. Dispositif de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau du support échantillon (1, 11) est du béton.  6. Measuring device according to the preceding claim, characterized in that the material of the sample support (1, 11) is concrete. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau du support échantillon (1, 11) comporte un métal ou un alliage métallique.  7. Measuring device according to claim 5, characterized in that the material of the sample support (1, 11) comprises a metal or a metal alloy. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une couche mince (2, 12) est un film métallique ou organique. 19  8. Measuring device according to any one of the preceding claims, characterized in that said at least one thin layer (2, 12) is a metal or organic film. 19 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une couche mince (2, 12) a une épaisseur comprise entre 1/100 de micromètre et 1 micromètre.  9. Measuring device according to any one of the preceding claims, characterized in that said at least one thin layer (2, 12) has a thickness between 1/100 micrometer and 1 micrometer. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rayonnements ionisants (16) sont des rayonnements alpha.  10. Measuring device according to any one of the preceding claims, characterized in that the ionizing radiation (16) is alpha radiation. 11. Dispositif de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 15 source de rayonnements alpha est du Polonium 210.  11. Measuring device according to the preceding claim, characterized in that the source of alpha radiation is Polonium 210. 12. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les rayonnements ionisants (16) sont des 20 rayonnements béta, de photons X ou d'électrons.  12. Measuring device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the ionizing radiation (16) is beta radiation, X-ray photons or electrons. 13. Dispositif de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la source de rayonnements béta est du Krypton 85. 25  13. Measuring device according to the preceding claim, characterized in that the source of beta radiation is Krypton 85. 25 14. Procédé de mesure de l'épaisseur d'au moins une couche mince (12) supportée par un support échantillon (11), en détectant la fluorescence X (13) émise par le support échantillon, caractérisé en ce que 30 le procédé comprend les étapes suivantes :- approcher, à une distance déterminée de la face du support échantillon (11) comportant la au moins une couche mince, la face d'un support (15) comportant : - une source (10) de rayonnements ionisants (16) destinée à exciter le support échantillon de sorte qu'il émette des photons par fluorescence X (13), et - un détecteur (14) pour détecter les photons X émis par le support échantillon, la face dudit support (15) comportant la source (10) et le détecteur (14) étant placée en vis-à-vis de la au moins une couche mince (12) de manière à ce que les rayonnements ionisants (16) produits par la source (10) atteignent le support échantillon (11) en traversant la au moins une couche mince (12), - quantifier la quantité de photons X émis par le support échantillon (11) pendant une durée déterminée, - comparer cette quantité de photons X avec des valeurs étalons présentant la valeur de fluorescence X d'un support échantillon de référence supportant une épaisseur donnée d'une couche mince de référence.  14. A method of measuring the thickness of at least one thin layer (12) supported by a sample support (11), by detecting the X-ray fluorescence (13) emitted by the sample support, characterized in that the method comprises the following steps: approach, at a determined distance from the face of the sample support (11) comprising the at least one thin layer, the face of a support (15) comprising: a source (10) of ionizing radiation (16) ) for exciting the sample support so that it emits X-ray fluorescence photons (13), and - a detector (14) for detecting X-ray photons emitted by the sample medium, the face of said medium (15) comprising the source (10) and the detector (14) being placed opposite the at least one thin layer (12) so that the ionizing radiation (16) produced by the source (10) reaches the sample medium ( 11) crossing the at least one thin layer (12), - quantifying the quantum X-ray photons emitted by the sample support (11) for a determined period of time, - compare this quantity of X photons with standard values exhibiting the X-ray fluorescence value of a reference sample support supporting a given thickness of a thin layer reference. 15. Procédé de mesure selon la revendication précédente, dans lequel l'étape d'approche à une distance déterminée se fait pour une distance constante, c'est-à-dire sans mise en contact entre la face du support (15) comportant la source (10) et le détecteur (14), et la face du support échantillon (11) comportant la au moins une couche mince (12).  15. Measuring method according to the preceding claim, wherein the approach step at a determined distance is for a constant distance, that is to say without contacting the face of the support (15) comprising the source (10) and the detector (14), and the face of the sample carrier (11) having the at least one thin layer (12). 16. Procédé de mesure selon la revendication 14, dans lequel les valeurs étalons sontobtenues à partir de feuilles de Mylar d'épaisseurs connues.  16. Measuring method according to claim 14, wherein the standard values are obtained from Mylar sheets of known thicknesses.
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