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Émission X induite par particules chargées (PIXE) : théorie

L’utilisation de particules chargées comme projectiles pour induire l’émission de fluorescence X date de 1970 . Johansson utilise alors un faisceau intense de protons de quelques MeV, délivré par un accélérateur électrostatique.

En étudiant le spectre des photons X émis à l’aide d’un détecteur de type Si(Li), il pose les bases d’une méthode d’analyse multiélémentaire très sensible : la technique PIXE (« Particle Induced X-ray Emission ») ; littéralement « émission X induite par particules chargées ». Cette sensibilité est due essentiellement à l’intensité des faisceaux de particules disponibles, à leur pouvoir ionisant et, surtout, à l’excellent rapport signal/bruit de fond, bien meilleur à l’époque que celui obtenu avec des tubes à rayons X ou des faisceaux d’électrons.

Aujourd’hui, cette technique d’analyse est devenue une méthode de base lorsqu’il s’agit de déterminer la présence d’une espèce chimique élémentaire (information en Z) indépendamment de toute influence de son environnement chimique. Elle fournit une information quantitative absolue en termes de masse par centimètre carré d’échantillon et permet l’analyse de traces en routine dans de nombreux domaines d’applications : sciences de la vie et environnement, caractérisation physico-chimique des matériaux, archéométrie... Ces applications seront détaillées dans la deuxième partie (article Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications).

Les avantages plus particulièrement associés à l’émission X induite par particules chargées sont les suivants :

• une très bonne sensibilité, en analyse de routine, sur la majeure partie du tableau périodique (Z > 10), avec une limite relative inférieure de détection de l’ordre de 10^-6 g/g et une limite absolue en masse de 10^-16 g lorsqu’elle est employée à l’aide d’un faisceau microscopique. Cette limite peut être optimisée sur une zone particulière du tableau périodique en choisissant l’énergie des particules incidentes et le type de raies X détectées (raie K ou L). Dans ces conditions, cette valeur ne varie pas plus d’un ordre de grandeur (entre 10^-5 et 10^-6 g/g) sur le domaine 10 < Z < 92 ;

• une très grande sûreté. L’identification des raies X est non ambiguë et les interférences spectrales généralement limitées ;

• c’est une technique d’analyse non destructive pour la plupart des matériaux ;

• le couplage possible avec d’autres techniques d’analyses par faisceaux d’ions, telles la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS« Rutherford Backscattering Spectrometry »...) ou l’analyse par réaction nucléaire (NRA, « Nuclear Reaction Analysis. ») qui peuvent apporter, lors d’une même manipulation des informations complémentaires ;

• le peu d’influence de la matrice sur l’analyse PIXE peut cependant être interprétée comme une limitation. En effet, aucun renseignement sur l’environnement chimique de l’élément détecté (spéciation) n’est accessible, pas plus que d’information isotopique. Il faut également noter que la nécessité de placer les échantillons sous vide, pour l’irradiation, pose problème pour des tissus vivants hydratés. Il faut alors avoir recours à des techniques de préparation sophistiquées, soit une minéralisation lors d’analyses classiques, soit des méthodes cryogéniques de type cryofixation/lyophilisation ou coupes minces congelées (20 µm d’épaisseur) pour les applications en imagerie par microfaisceau. Enfin, et bien qu’elle soit par nature non destructive, la principale limitation de cette technique vient des dommages éventuels occasionnés par le dépôt d’énergie dans l’échantillon des ions de plusieurs MeV. Ce problème est particulièrement aigu en microfaisceau où le volume d’interaction ne dépasse pas quelques µm³.

Cet article a pour but de montrer les possibilités analytiques de la méthode PIXE. Cette première partie est consacrée aux bases théoriques de l’émission X induites par des particules chargées. Une seconde partie, présentée séparément Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications, comprend les informations pratiques de l’analyse : instrumentation, détermination des concentrations et applications.