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DiffAbs : Combiner la Diffraction et la spectroscopie d'Absorption des rayons X pour caractériser les matériaux

Une originalité de la ligne de lumière DiffAbs est mettre à disposition à la communauté scientifique un grand nombre de techniques instrumentales pour la caractérisation des matériaux désordonnés,  polycristallins, texturés ou épitaxiés.

La ligne de lumière DiffAbs s'adresse à de nombreux secteurs de recherche académique et appliquée parmi lesquels la science des matériaux et la physico-chimie tiennent une place prépondérante.

L'intérêt de coupler la diffraction de rayons X et les spectroscopies de fluorescence X et d'absorption de rayons X est de garantir que l’ensemble des mesures sont effectuées sur la même zone de l'échantillon et dans des conditions physico-chimiques (température, pression, etc.) totalement identiques. Ceci est crucial pour établir des corrélations entre les informations données par les différentes mesures dans le cas de matériaux complexes ou en conditions extrêmes.

Les principales thématiques scientifiques abordées sur la ligne sont les suivants : comportement des matériaux portés à de hautes, voire très hautes températures, comportement mécanique de matériaux (contraintes résiduelles, sollicitations mécaniques), caractérisation des films minces et nanomatériaux, analyse des matériaux anciens (archéologiques , culturels ou naturels), applications médicales, sciences de l'environnement.

L'équipe

BASSEL
GALLARD
GALLARD Manon
Doctorant
GORDON
GORDON Julie
Thésarde
JOLY
JOLY Philippe
Assistant Ingénieur de Ligne De Lumière
MARIE
MARIE Alexandre
MOCUTA
MOCUTA Cristian
Scientifique de Ligne De Lumière
OMOUMI
OMOUMI Anahita
REGUER
REGUER Solenn
Scientifique de Ligne De Lumière
THIAUDIERE
THIAUDIERE Dominique
Responsable Ligne De Lumière
VAUGOUDE
VAUGOUDE Adrien
Doctorant

Données techniques

Source

aimant de courbure

Domaine en énergie

3-23 keV en mode macrofaisceau
3-19 keV en mode microfaisceau

Résolution en énergie (∆E/E)

∆E/E ~ 10-4

Flux

Pour un courant machine de 500mA :

1.1014 ph/s/0.1%bw  @  8 keV

4. 1013 ph/s/0.1%bw  @  20 keV

Optiques

- deux miroirs courbes permettant la rejection d'harmoniques et la focalisation verticale du faisceau
- un monochromateur DCM constitué de deux cristaux Si(111); le premier cristal rend le faisceau monochromatique; le deuxieme cristal, courbé, permet de rétablir le parallelisme et assure la focalisation horizontale du faisceau monochromatique
- deux miroirs en géométrie Kirkpatrick-Baez (KB) est utilisé pour le mode microfaisceau
- Circular Fresnel Zone Plate (sub-10μm) 

Taille du faisceau et Flux sur l'échantillon

pour un courant machine de 500mA:

mode standard : 250x300μm2 FWHM, 0.24 x 3.5 mrad2, vert. × horiz.

1012 ph/s @ 8kev 

mode microfaisceau : ~10x10μm2 FWHM, 2 x 1 mrad2, vert. × horiz.
109-1010 ph/s @ 8kev

Environnement échantillons

Diffractometre 6+2 cercles en géométrie kappa. Une charge lourde et un environnement échantillon encombrant peuvent être adaptés sur ce diffractomètre afin de réaliser des mesures in situ

  • support échantillon motorisé : tables de translations x, y, z ; course +-12mm ou +-5cm
  • plusieurs systèmes de chauffage :
    • chauffage LASER et chambre de levitation pour étudier la fusion des verres, oxydes et ceramiques jusque T ~3000 °C
    • fours conventionnels pour les poudres, films minces jusque  1300°C
    • four Peltier (T= -20°C to +50 °C)
  • machine de traction biaxiale tensile machine pour des films minces étirables
  • microscope optique pour la prévisualisation de l'échantillon et e pré alignement, notamment en mode microfaisceau
Detectors

- détecteurs 2D : XPAD S140, CIRPAD

- détecteurs ponctuels : scintillateurs YAP et LaCl3
- Photo Diode, APD
- diodes Si (moniteur I0)

- 4-element SDD (silicon drift detector Vortex) pour les mesures de fluorescence X
- chambres à ionisation (Oken) pour les mesures d'absorption des rayons X

à disposition aussi un second SDD 4e et un MAR345 … prêtés par le groupe détecteur et partagés avec les autres lignes de lumière.

échantillons

- Large variety of samples: crystalline or amorphous materials, nanomaterials, polymers, biological samples, archeological artifacts, …

techniques analytiques

Diffraction des rayons X (XRD)

Diffusion des RX aux grands angles, WAXS (Wide-Angle X-ray Scattering)

Réflectométrie X, XRR (X-ray reflectivity)

Spectroscopie de fluorescence X (XRF)

Spectroscopie d’absorption X

  • EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)
  • XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)

Analyses en mode microfaisceau  (10 µm and sub-10µm) : imagerie

Thématiques scientifiques

Materials Science - in-situ studies of mechanical properties of materials (crystalline metallic layers, multilayers, polymers, …) under bi-axial tensile stress. 
- in-situ structural studies of glasses, oxides and ceramics at very high temperatures (by XRD and XAS combination) 
- phase transitions on different materials 
- µbeam studies (local probe) for structural properties : µXRD, µXAS, µXRF and combination
(Semiconductor) 
nanostructures

- local properties in lithographed semiconductor epitaxial thin films, quantum wells/wires/dots, nanostructures (Laterally resolved High resolution XRD by using x-ray focused beams). 
- III-V semiconductor multilayers for optoelectronics

Soft condensed matter

- in-situ studies of mechanical properties of polymers (rubbers) under uniand bi-axial stress.

Matériaux Anciens

Archeométrie et Science de la Conservation

- Alteration et conservation - restauration des métaux, pigments et peintures
- Archéologie et Histoire des techniques (métaux, céramiques)
- Monuments Historiques (pierres)
- Paléontologie, paléo environnement (fossiles)
- Paléopathologie, pathographie

Biology, Biomaterials

applications médicales : Calcifications, Tatouages

Environnement  

 

Materials Science - in-situ studies of mechanical properties of materials (crystalline metallic layers, multilayers, polymers, …) under bi-axial tensile stress. 
- in-situ structural studies of glasses, oxides and ceramics at very high temperatures (by XRD and XAS combination) 
- phase transitions on different materials 
- µbeam studies (local probe) for structural properties : µXRD, µXAS, µXRF and combination
(Semiconductor) 
nanostructures

- local properties in lithographed semiconductor epitaxial thin films, quantum wells/wires/dots, nanostructures (Laterally resolved High resolution XRD by using x-ray focused beams). 
- III-V semiconductor multilayers for optoelectronics

Soft condensed matter

- in-situ studies of mechanical properties of polymers (rubbers) under uniand bi-axial stress.

Matériaux Anciens

Archeométrie et Science de la Conservation

- Alteration et conservation - restauration des métaux, pigments et peintures
- Archéologie et Histoire des techniques (métaux, céramiques)
- Monuments Historiques (pierres)
- Paléontologie, paléo environnement (fossiles)
- Paléopathologie, pathographie

Biology, Biomaterials applications médicales
Environnement  

 

Matériaux Anciens : Archéométrie et Science de la Conservation

 

Altération des métaux

  • Diagnostic de l’altération et stratégies de conservation des métaux peints du patrimoine culturel
  • Etude de la corrosion à très long terme du fer dans différents milieux : corrosion atmosphérique, corrosion marine

Conservation et restauration des métaux

  • développement de revêtements d’inhibiteurs de corrosion innovants et respectueux de l'environnement, à base de dérivées d’huiles végétales : carboxylates et tanins condensés
  • Détermination des mécanismes de dechloruration d’objets archéologiques en fer par des méthodes d’immersion en solution alcaline ou par un fluide subcritique

Histoire des techniques

  • Histoire, technologie et conservation des alliages en aluminium utilisés dans l’aéronautique

 Altération et Conservation des Pigments et Peintures

  • Etude de dégradation des pigments verts à base de cuivre
  • Décoloration du Bleu de Prusse
  • Savons métalliques
  • Décoloration du smalt

Paléontologie, paléo environnement

  • Étude de la mineralisation et fossilisation

Monuments Historiques

  • Jaunissement de la pierre lors du nettoyage LASER
  • Formation des patines superficielles des grès

Paléopathologie, pathographie

  • Cheveux illustres

 

Collaborations

C2RMF, Centre de Recherche et de Restauration des Musées de France
LAPA, Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l’Altération
Claire Gervais, Bern University of the Arts, Suisse
CRCC, Centre de recherche sur la conservation des collections
LRMH, Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques
INP, Institut national du patrimoine
IPANEMA
MNHN, Muséum National d'Histoire Naturelle
UFR des Sciences de la Santé (UVSQ / Laboratoire DANTE - EA 4498)
IJL, Institut Jean Lamour
CEMES, Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales
LASIE, Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement
Membre du réseau CAIRN, Compétences Archéométriques Interdisciplinaires-Réseau National
Membre du DIM MAP, Domaine d’Intérêt Majeur Matériaux Anciens et Patrimoniaux

Applications Médicales

calcifications pathologiques
tatouages
Dominique Bazin
AP HP, Assistance publique-hôpitaux de Paris
Hôpital Necker