FR2760889A1 - Space and time modulator for X=ray beam - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle et un procédé de modulation temporelle d'un faisceau de rayons X, ainsi qu'un interrupteur d'une source de rayons
X et un filtre temporel d'une source d'impulsions de rayons X.The present invention relates to a spatial and / or temporal modulation device and a method of temporal modulation of an X-ray beam, as well as a switch of a ray source.
X and a time filter of an X-ray pulse source.
Les applications des faisceaux de rayons X sont nombreuses. The applications of X-ray beams are numerous.
On les retrouve par exemple autour des rayonnements synchrotrons, dans des dispositifs de microscopie pour la réalisation de circuits intégrés par lithogravure, pour l'utilisation d'effet stroboscopique, etc.They are found for example around synchrotron radiation, in microscopy devices for the realization of integrated circuits by lithography, for the use of stroboscopic effect, etc.
Ces différentes utilisations requièrent la mise en oeuvre d'éléments optiques permettant de contrôler les faisceaux de rayons X, c'est-à-dire par exemple d'assurer les fonctions de focalisation, de balayage, de modulations spatiale et temporelle. These different uses require the use of optical elements making it possible to control the X-ray beams, that is to say for example to provide the functions of focusing, scanning, spatial and temporal modulations.
L'utilisation de faisceaux de rayons X d'une longueur d'onde de 0,1A à 650 A est très prometteuse. En particulier, ils permettent la réalisation par lithogravure de circuits intégrés très denses et performants. Ils constituent aussi un outil précieux pour étudier la matière. The use of X-ray beams with a wavelength of 0.1A at 650 A is very promising. In particular, they allow the production by lithography of very dense and efficient integrated circuits. They are also a valuable tool for studying matter.
Des difficultés sont posées par le contrôle et le traitement des faisceaux, notamment pour la modification de leur trajectoire ou leur modulation temporelle. Difficulties are posed by the control and processing of the beams, in particular for the modification of their trajectory or their temporal modulation.
On connaît des méthodes de déviations fixes de faisceaux de rayons X mettant en oeuvre la diffraction de Bragg. Lorsque des déviations variables sont nécessaires, on utilise couramment des miroirs mobiles. There are known methods of fixed deflection of X-ray beams using Bragg diffraction. When variable deviations are necessary, mobile mirrors are commonly used.
II a déjà été proposé une méthode de modulation d'un faisceau de rayon X de longueur d'onde 1,54 A dans laquelle on envoie un faisceau incident sur une surface d'un cristal piézo-électrique modulée périodiquement. En plus d'un faisceau réfléchi, on obtient alors des faisceaux satellites diffractés, dont l'écart avec le faisceau réfléchi et dont l'intensité dépendent de la modulation de surface. On peut ainsi effectuer un balayage spatial par variation de fréquence acoustique ou produire un faisceau X diffracté pulsé par émission pulsée d'une onde acoustique. A method of modulating an X-ray beam of wavelength 1.54 A has already been proposed in which an incident beam is sent on a surface of a piezoelectric crystal periodically modulated. In addition to a reflected beam, diffracted satellite beams are then obtained, the deviation of which from the reflected beam and the intensity of which depend on the surface modulation. It is thus possible to carry out a spatial scanning by variation of acoustic frequency or to produce a pulsed diffracted X-ray by pulsed emission of an acoustic wave.
Un premier but de l'invention est un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle d'un faisceau de rayons X permettant de produire des modulations temporelles avec des impulsions de durées trés courtes, préférentiellement inférieures à 0,5 Ps et pouvant avantageusement atteindre 200 ns. A first object of the invention is a device for spatial and / or temporal modulation of an X-ray beam making it possible to produce temporal modulations with pulses of very short durations, preferably less than 0.5 Ps and which can advantageously reach 200 ns.
Un deuxième but de l'invention est un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle d'un faisceau de rayons X ayant un bon rendement (intensité du faisceau incident/intensité du faisceau modulé), préférentiellement supérieur à 20% et avantageusement supérieur ou égal à 30%. A second object of the invention is a device for spatial and / or temporal modulation of an X-ray beam having a good efficiency (intensity of the incident beam / intensity of the modulated beam), preferably greater than 20% and advantageously greater than or equal at 30%.
Un but supplémentaire de l'invention est un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle permettant d'obtenir un balayage spatial pouvant atteindre 1 mm, à une distance de 1 m d'un cristal sur la surface duquel un faisceau incident est refléchi, avec une sensibilité pouvant être de l'ordre du nanomètre. An additional object of the invention is a spatial and / or temporal modulation device making it possible to obtain a spatial scanning of up to 1 mm, at a distance of 1 m from a crystal on the surface of which an incident beam is reflected, with a sensitivity can be of the order of a nanometer.
L'invention a aussi pour objectif de tels dispositifs de modulation spatiale et/ou temporelle utilisables à toute longueur d'onde comprise entre 0,1 A et 650 A. The invention also has the objective of such spatial and / or temporal modulation devices usable at any wavelength between 0.1 A and 650 A.
L'invention vise également un filtre temporel capable de trier des impulsions de rayons X émis par un synchrotron à cause de la structure en paquets d'électrons tournant dans l'anneau du synchrotron, ou émis par toute autre source pulsée. The invention also relates to a time filter capable of sorting pulses of X-rays emitted by a synchrotron because of the structure in packets of electrons rotating in the ring of the synchrotron, or emitted by any other pulsed source.
L'invention a aussi pour objectif un interrupteur d'une source de rayons X permettant d'effectuer des interruptions rapides de faisceaux, en s'affranchissant de systèmes mécaniques lents, qui rende possible des expériences très courtes résolues en temps, de durées préférentiellement inférieures à 0,5 Ps et atteignant avantageusement 200 ns. The invention also has as an objective a switch of an X-ray source making it possible to carry out rapid interruptions of beams, by eliminating slow mechanical systems, which makes possible very short experiments resolved in time, of preferentially shorter durations. at 0.5 Ps and advantageously reaching 200 ns.
L'invention a aussi pour but un procédé de modulation temporelle d'un faisceau de rayons X permettant d'obtenir des durées d'impulsions de rayons X très courtes. Another object of the invention is a method of temporal modulation of an X-ray beam making it possible to obtain very short X-ray pulse durations.
A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle d'un faisceau de rayons X, comprenant:
- une source d'un faisceau de rayons X incident,
- un cristal piézo-électrique ayant une surface qui reçoit le faisceau incident,
- un émetteur d'ondes acoustiques de surface placé sur la surface du cristal piézo-électrique, et
- des moyens électroniques d'excitation de l'émetteur d'ondes acoustiques, L'émetteur excité par les moyens électroniques engendrant une onde de surface et le faisceau incident de rayons X produisant un faisceau réfléchi par le cristal et deux faisceaux satellites diffractés, les faisceaux satellites étant modulables spatialement et temporellement en fonction de l'excitation de l'émetteur d'ondes acoustiques.To this end, the subject of the invention is a device for spatial and / or temporal modulation of an X-ray beam, comprising:
- a source of an incident X-ray beam,
- a piezoelectric crystal having a surface which receives the incident beam,
a surface acoustic wave emitter placed on the surface of the piezoelectric crystal, and
electronic means of excitation of the acoustic wave emitter, the emitter excited by the electronic means generating a surface wave and the incident beam of X-rays producing a beam reflected by the crystal and two diffracted satellite beams, the satellite beams being spatially and temporally modular as a function of the excitation of the acoustic wave transmitter.
Selon l'invention, la surface du cristal piézo-électrique est recouverte d'un empilement de couches. According to the invention, the surface of the piezoelectric crystal is covered with a stack of layers.
Les rayons X émis ont une longueur d'onde quelconque comprise entre 0,1 A et 650 A. The X-rays emitted have any wavelength between 0.1 A and 650 A.
La présence d'une structure multicouche sur le cristal piézoélectrique a pour effet surprenant de permettre une augmentation sensible de l'intensité des faisceaux satellites diffractés. Elle a également pour effet de rendre possible des durées d'impulsions de rayons X très courtes par rapport à celles obtenues sans empilement de couches. Ces phénomènes s'expliquent de la manière suivante. The presence of a multilayer structure on the piezoelectric crystal has the surprising effect of allowing a significant increase in the intensity of the diffracted satellite beams. It also has the effect of making very short X-ray pulse durations compared to those obtained without stacking layers. These phenomena can be explained as follows.
Grâce à un recouvrement multicouche du cristal, L'angle de réflexion du faisceau (ou angle de Bragg) est sensiblement augmenté par rapport à l'angle limite de réflexion totale du faisceau. Comme l'angle d'incidence du faisceau incident sur le cristal est de préférence voisin de l'angle de Bragg, ceci a pour première conséquence de permettre une augmentation considérable de l'intensité d'un des faisceaux satellites diffractés. Une seconde conséquence est que la portion de surface éclairée par le faisceau incident est considérablement réduite.Thanks to a multilayer covering of the crystal, the angle of reflection of the beam (or Bragg angle) is appreciably increased compared to the limit angle of total reflection of the beam. As the angle of incidence of the incident beam on the crystal is preferably close to the Bragg angle, this has the first consequence of allowing a considerable increase in the intensity of one of the diffracted satellite beams. A second consequence is that the surface portion illuminated by the incident beam is considerably reduced.
La durée minimale des impulsions de rayons X étant fixée par le temps mis par une onde ultra-sonore pour parcourir la portion de surface éclairée par le faisceau incident, cette durée est donc considérablement réduite par rapport à la réflexion totale.The minimum duration of the X-ray pulses being fixed by the time taken by an ultrasonic wave to traverse the portion of surface illuminated by the incident beam, this duration is therefore considerably reduced compared to the total reflection.
Préférentiellement, I'empilement comprenant une alternance de deux types de couches, chaque groupement de deux couches successives de types distincts a une épaisseur comprise entre 2 nm et 10 nm. Preferably, the stack comprising an alternation of two types of layers, each grouping of two successive layers of distinct types has a thickness of between 2 nm and 10 nm.
Avantageusement, les couches sont constituées alternativement de tungstène et de silicium. Le dispositif est alors performant pour des longueurs d'onde des rayons X voisines de 1 A. Advantageously, the layers consist alternately of tungsten and silicon. The device is therefore efficient for X-ray wavelengths close to 1 A.
Pour des longueurs d'onde plus grandes jusqu'à 100 A, les couches sont avantageusement constituées alternativement de deux matériaux de densités différentes. For longer wavelengths up to 100 A, the layers advantageously consist alternately of two materials of different densities.
L'angle d'incidence du faisceau incident sur le cristal se situe avantageusement dans un domaine centré sur l'angle de Bragg du cristal et limité à -5% et +5% de l'angle de Bragg. The angle of incidence of the incident beam on the crystal advantageously lies in a range centered on the Bragg angle of the crystal and limited to -5% and + 5% of the Bragg angle.
Avantageusement, le dispositif de modulation comprend des moyens d'absorption du faisceau réfléchi. Advantageously, the modulation device comprises means for absorbing the reflected beam.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'émetteur, celuici a une large bande de fréquences. Par large bande , on entend une bande couvrant au moins 150 MHz, et préférentiellement au moins 190 MHz. La bande est avantageusement centrée sur 125 MHz, de telle sorte qu'elle s'étend de manière préférée entre 30 MHz et 220
MHz.According to an advantageous embodiment of the transmitter, this has a wide frequency band. By broadband is meant a band covering at least 150 MHz, and preferably at least 190 MHz. The band is advantageously centered on 125 MHz, so that it preferably extends between 30 MHz and 220
MHz.
II est également intéressant que le dispositif selon l'invention comprenne plusieurs émetteurs d'ondes acoustiques de surface, ces émetteurs ayant des bandes de fréquences qui se recouvrent. It is also advantageous that the device according to the invention comprises several transmitters of surface acoustic waves, these transmitters having overlapping frequency bands.
On peut ainsi obtenir un balayage fréquentiel important, soit avec un seul, soit avec plusieurs émetteurs. Le dispositif est alors particulièrement adapté à une modulation spatiale. It is thus possible to obtain a significant frequency sweep, either with a single one, or with several transmitters. The device is then particularly suitable for spatial modulation.
Dans une forme préférée de réalisation, L'émetteur d'ondes acoustiques de surface comprenant deux électrodes métalliques déposées sur le cristal, les moyens électroniques d'excitation produisent une tension électrique d'excitation sinusoïdale appliquée entre les électrodes. In a preferred embodiment, the emitter of surface acoustic waves comprising two metal electrodes deposited on the crystal, the electronic excitation means produce an electric sinusoidal excitation voltage applied between the electrodes.
La tension produite est avantageusement composée d'impulsions. Le dispositif est alors adapté à une modulation temporelle. The voltage produced is advantageously composed of pulses. The device is then adapted to a temporal modulation.
Dans une autre forme de réalisation, la tension produite a une fréquence modulée. Le dispositif est alors adapté à une modulation spatiale. In another embodiment, the voltage produced has a modulated frequency. The device is then adapted to spatial modulation.
L'invention a aussi pour objet un interrupteur d'une source de rayons X. Selon l'invention, I'interrupteur est constitué par un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle selon l'invention, avec les deux électrodes métalliques déposées sur le cristal et les moyens électroniques d'excitation produisant une tension électrique d'excitation sinusoïdale composée d'impulsions. La source de rayons X constitue la source du dispositif. The invention also relates to a switch for an X-ray source. According to the invention, the switch consists of a spatial and / or temporal modulation device according to the invention, with the two metal electrodes deposited on the crystal and the electronic excitation means producing an electric sinusoidal excitation voltage composed of pulses. The X-ray source is the source of the device.
Un autre objet de l'invention est un filtre temporel d'une source d'impulsions de rayons X. Selon l'invention, le filtre temporel est constitué par un dispositif de modulation spatiale et/ou temporelle selon l'invention, avec deux électrodes métalliques déposées sur le cristal et les moyens électroniques d'excitation produisant une tension électrique d'excitation sinusoïdale composée d'impulsions. La source d'impulsions constitue la source du dispositif et les impulsions produites par les moyens électroniques d'excitation sont synchronisées sur les impulsions de rayons X émises par la source d'impulsions. Another object of the invention is a time filter of a source of X-ray pulses. According to the invention, the time filter consists of a device for spatial and / or time modulation according to the invention, with two electrodes metal deposited on the crystal and the electronic excitation means producing an electric sinusoidal excitation voltage composed of pulses. The pulse source constitutes the source of the device and the pulses produced by the electronic excitation means are synchronized with the X-ray pulses emitted by the pulse source.
Un dispositif selon l'invention peut faire à la fois office d'interrupteur et de filtre temporel. A device according to the invention can act both as a switch and as a time filter.
La source de rayons X pour l'interrupteur et le filtre temporel est avantageusement un synchrotron. II peut cependant aussi s'agir de toute autre source, telle qu'un tube à rayons X. The X-ray source for the switch and the time filter is advantageously a synchrotron. However, it can also be any other source, such as an X-ray tube.
Dans le cas du synchrotron, pour le filtre temporel, les impulsions produites par les moyens électroniques d'excitation sont préférentiellement synchronisées sur la fréquence de paquets d'électrons tournant dans l'anneau. Cette réalisation permet de synchroniser les impulsions des faisceaux synchrotron et les impulsions produites par les moyens d'excitation, du fait que les faisceaux synchrotron et les électrons dans l'anneau ont une même évolution temporelle. In the case of the synchrotron, for the time filter, the pulses produced by the electronic excitation means are preferably synchronized with the frequency of electron packets rotating in the ring. This embodiment makes it possible to synchronize the pulses of the synchrotron beams and the pulses produced by the excitation means, because the synchrotron beams and the electrons in the ring have the same temporal evolution.
L'invention a également pour objet un procédé de modulation temporelle d'un faisceau de rayons X. Dans ce procédé:
- on émet un faisceau de rayons X incident,
- on dirige le faisceau incident vers une surface d'un cristal piézo-électrique, et
- on produit une tension électrique d'excitation sinusoïdale composée d'impulsions et on applique la tension à un émetteur d'ondes acoustiques de surface placé sur la surface du cristal, le faisceau incident de rayons X produisant un faisceau réfléchi et deux faisceaux satellites diffractés, les faisceaux satellites étant modulés temporellement en fonction de la tension électrique d'excitation.The subject of the invention is also a method of temporal modulation of an X-ray beam. In this method:
- an incident X-ray beam is emitted,
the incident beam is directed towards a surface of a piezoelectric crystal, and
- an electrical sinusoidal excitation voltage composed of pulses is produced and the voltage is applied to a surface acoustic wave emitter placed on the surface of the crystal, the incident beam of X-rays producing a reflected beam and two diffracted satellite beams , the satellite beams being temporally modulated as a function of the electric excitation voltage.
Selon l'invention, la surface du cristal piézo-électrique est recouverte d'un empilement de couches. According to the invention, the surface of the piezoelectric crystal is covered with a stack of layers.
Les rayons X ont une longueur d'onde quelconque comprise entre 0,1 A et 650,xi. The X-rays have any wavelength between 0.1 A and 650, xi.
L'invention sera mieux comprise par la description suivante de certains modes de réalisation et de mise en oeuvre, donnés à titre d'exemples au regard des dessins annexés. The invention will be better understood from the following description of certain embodiments and of implementation, given by way of examples with regard to the appended drawings.
La Figure i représente une vue schématique de côté d'un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention, permettant une modulation spatiale et/ou temporelle. Figure i shows a schematic side view of a first embodiment of the device of the invention, allowing spatial and / or temporal modulation.
La Figure 2 représente une vue schématique de dessus du cristal piézo-électrique, de l'émetteur et des moyens d'excitation du premier mode de réalisation de la Figure 1. FIG. 2 represents a schematic top view of the piezoelectric crystal, of the transmitter and of the excitation means of the first embodiment of FIG. 1.
La Figure 3 montre des courbes représentant l'intensité reçue pour une excitation donnée, en fonction de l'angle de balayage du récepteur et de l'angle d'incidence sur le cristal, avec le mode de réalisation des Figures 1 et 2. Figure 3 shows curves representing the intensity received for a given excitation, as a function of the scanning angle of the receiver and the angle of incidence on the crystal, with the embodiment of Figures 1 and 2.
La Figure 4 représente une vue schématique d'un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention;
La Figure 5A montre l'intensité (en coups par seconde) en fonction du temps (en microsecondes), d'un faisceau satellite diffracté obtenu avec le mode de réalisation de la Figure 4 par réception d'un faisceau synchrotron.Figure 4 shows a schematic view of a second embodiment of the device according to the invention;
Figure 5A shows the intensity (in counts per second) as a function of time (in microseconds), of a diffracted satellite beam obtained with the embodiment of Figure 4 by reception of a synchrotron beam.
La Figure 5B montre la courbe obtenue à partir de celle de la
Figure 5A en présence d'un filtrage temporel par impulsions.Figure 5B shows the curve obtained from that of the
Figure 5A in the presence of a temporal pulse filtering.
Dans un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, représenté aux Figures 1 et 2, le dispositif comporte un cristal piézo-électrique i susceptible d'être excité de manière à être parcouru par des ondes acoustiques de surface symbolisées par des oscillations 2. On appelle onde de surface une déformation qui se propage en n'ébranlant qu'une faible épaisseur de matière par rapport à la longueur de l'onde produite. In a first embodiment of the device according to the invention, shown in Figures 1 and 2, the device comprises a piezoelectric crystal i capable of being excited so as to be traversed by surface acoustic waves symbolized by oscillations 2 We call surface wave a deformation which propagates by shaking only a small thickness of material compared to the length of the wave produced.
Le cristal piézo-électrique 1 est de préférence un cristal de niobate de lithium (LiNbO3). II est recouvert d'un empilement de couches. Dans une forme de réalisation avantageuse de ces couches, il s'agit d'un empilement régulier de deux types de couches minces de période de 2 à 10 nm. The piezoelectric crystal 1 is preferably a crystal of lithium niobate (LiNbO3). It is covered with a stack of layers. In an advantageous embodiment of these layers, it is a regular stacking of two types of thin layers with a period of 2 to 10 nm.
Dans un exemple, I'empilement est constitué d'un recouvrement W/C comprenant 60 paires de couches, chaque paire ayant une épaisseur égale à 5,3 nm. L'angle de Bragg mesuré expérimentalement vaut alors 0,832 et la fréquence de résonance IDT vaut 208 MHz. In one example, the stack consists of a W / C covering comprising 60 pairs of layers, each pair having a thickness equal to 5.3 nm. The Bragg angle measured experimentally is then 0.832 and the resonance frequency IDT is 208 MHz.
Préférentiellement, la surface du cristal 1 est soumise à un polissage dynamique chimique de façon à obtenir une rugosité n'excédant pas 10 A, ce qui permet d'éviter la diffusion de rayons X. Preferably, the surface of the crystal 1 is subjected to a dynamic chemical polishing so as to obtain a roughness not exceeding 10 A, which makes it possible to avoid the scattering of X-rays.
Des électrodes métalliques 3, 4 en forme de peignes dont les doigts sont parallèles et s'interpénètrent, sont déposées sur la surface du cristal piézo-électrique 1. Ces dépôts d'électrodes interdigitées conjointement avec le cristal piézo-électrique 1 constituent un transducteur d'un type généralement désigné sous l'abréviation d'origine anglo-saxonne l.D.T. (Interdigital Transducer) et ont une fonction d'émetteur 18 d'ondes acoustiques 2. Metal electrodes 3, 4 in the form of combs whose fingers are parallel and interpenetrate, are deposited on the surface of the piezoelectric crystal 1. These deposits of electrodes interdigitated together with the piezoelectric crystal 1 constitute a transducer '' a type generally designated by the abbreviation of Anglo-Saxon origin lDT (Interdigital Transducer) and have a function of emitter 18 of acoustic waves 2.
Lorsqu'une tension sinusoïdale est appliquée entre les électrodes, des ondes de Rayleigh sont émises perpendiculairement aux doigts des peignes et constituent une suite de sources ultrasonores. Les vibrations ainsi produites s'ajoutent de façon constructive seulement lorsque la distance séparant deux doigts adjacents (chacun appartenant à l'une des électrodes 3, 4) est égale à une demi-longueur d'onde acoustique. II est ainsi possible de générer les ondes de surface 2 dans une gamme de fréquences autour de cette fréquence de résonance. When a sinusoidal voltage is applied between the electrodes, Rayleigh waves are emitted perpendicular to the fingers of the combs and constitute a series of ultrasonic sources. The vibrations thus produced are added constructively only when the distance between two adjacent fingers (each belonging to one of the electrodes 3, 4) is equal to half an acoustic wavelength. It is thus possible to generate the surface waves 2 in a frequency range around this resonance frequency.
La tension d'excitation des électrodes destinée à être appliquée entre les électrodes 3 et 4 est produite par un générateur de fréquence 5, puis amplifiée par un amplificateur 6. The excitation voltage of the electrodes intended to be applied between the electrodes 3 and 4 is produced by a frequency generator 5, then amplified by an amplifier 6.
Le faisceau de rayons X est produit par une source 7 (tube à rayons X, rayonnement synchrotron ou autre source). Sa longueur d'onde est variable entre 0,1 A et 650 A. Un faisceau émis 8 est rendu monochromatique par un monochromateur 9, et une fente 10 est utilisée pour limiter la divergence du faisceau. La fente 10 a une largeur valant par exemple 50 pm. The X-ray beam is produced by a source 7 (X-ray tube, synchrotron radiation or other source). Its wavelength is variable between 0.1 A and 650 A. An emitted beam 8 is made monochromatic by a monochromator 9, and a slit 10 is used to limit the divergence of the beam. The slot 10 has a width of, for example, 50 µm.
Dans une variante du premier mode de réalisation du dispositif de modulation, le monochromateur 9 est absent. Dans une première forme de mise en oeuvre de cette variante, le faisceau émis 8 est monochromatique, ayant par exemple une longueur d'onde de 1 A. In a variant of the first embodiment of the modulation device, the monochromator 9 is absent. In a first embodiment of this variant, the emitted beam 8 is monochromatic, for example having a wavelength of 1 A.
Dans une seconde forme de mise en oeuvre le faisceau 8 est polychromatique.In a second embodiment, the beam 8 is polychromatic.
L'angle d'incidence aO entre le faisceau 11 ainsi produit et la surface se situe préférentiellement dans un domaine centré sur l'angle de Bragg du cristal i et limité à -5% et +5% de l'angle de Bragg. The angle of incidence aO between the beam 11 thus produced and the surface is preferably located in a range centered on the Bragg angle of crystal i and limited to -5% and + 5% of the Bragg angle.
En l'absence d'excitation des électrodes 3 et 4, le faisceau incident 11 est réfléchi en un faisceau 12. Lorsque le générateur de fréquence 5 émet de façon continue un signal à une fréquence sinusoïdale, excitant après amplification l'émetteur 18 d'ondes acoustiques 2 de surface, le faisceau incident 11 donne naissance, en plus du faisceau réfléchi 12, à deux faisceaux satellites diffractés 13 et 14. In the absence of excitation of the electrodes 3 and 4, the incident beam 11 is reflected in a beam 12. When the frequency generator 5 continuously transmits a signal at a sinusoidal frequency, exciting after amplification the transmitter 18 d ' surface acoustic waves 2, the incident beam 11 gives rise, in addition to the reflected beam 12, to two diffracted satellite beams 13 and 14.
L'intensité contenue dans l'un au moins des faisceaux satellites 13 et 14 peut être importante, pouvant atteindre de l'ordre de 30%, voire de 50%, de l'intensité du faisceau incident monochromatique 11. Les faisceaux satellites 13 et 14 ont des directions différentes de celles du faisceau réfléchi 12, les directions des trois faisceaux 12, 13 et 14 étant données respectivement par les angles ai, a2 et a3 par rapport à la surface du cristal 1. La relation des réseaux permet de prévoir ai et a3 en fonction de a2, de la longueur d'onde i. des rayons X et de la longueur d'onde acoustique: costal =
A
A
cosa = + cosy2
A
Un récepteur ou détecteur 15 précédé et solidaire d'une fente 16 permet d'observer l'énergie du flux renvoyé pour un angle d'incidence aç et un angle de sortie a5 déterminés.The intensity contained in at least one of the satellite beams 13 and 14 can be significant, possibly reaching around 30%, or even 50%, of the intensity of the monochromatic incident beam 11. The satellite beams 13 and 14 have directions different from those of the reflected beam 12, the directions of the three beams 12, 13 and 14 being given respectively by the angles ai, a2 and a3 relative to the surface of the crystal 1. The relationship of the networks makes it possible to predict ai and a3 as a function of a2, of the wavelength i. X-rays and acoustic wavelength: costal =
AT
AT
cosa = + cosy2
AT
A receiver or detector 15 preceded and integral with a slot 16 makes it possible to observe the energy of the returned flux for an angle of incidence a a and an exit angle a 5 determined.
On a représenté sur la Figure 3 pour l'exemple du cristal 1 (empilement W/C) un ensemble 20 de courbes paramétrées par l'angle d'incidence aO, montrant en fonction de l'angle de sortie aS, rapporté à un premier axe 21, la répartition normée d'énergie, rapportée à un second axe 22. Chacune des courbes a un pic central 32, correspondant au faisceau réfléchi 12, et deux premiers pics latéraux 33 et 34 correspondant respectivement aux faisceaux satellites diffractés 13 et 14. Ces faisceaux 13 et 14 sont associés à des diffractions d'ordres respectifs -1 et 1. D'autres pics latéraux 35 et 36, plus éloignés du pic central 32, correspondent à des diffractions d'ordres respectifs -2 et 2. Ces pics ont des intensités sensiblement inférieures à celles des pics 33, 34 voisins. FIG. 3 shows for the example of crystal 1 (W / C stack) a set 20 of curves parametrized by the angle of incidence aO, showing as a function of the exit angle aS, related to a first axis 21, the normalized energy distribution, related to a second axis 22. Each of the curves has a central peak 32, corresponding to the reflected beam 12, and two first lateral peaks 33 and 34 corresponding respectively to the diffracted satellite beams 13 and 14. These beams 13 and 14 are associated with diffractions of respective orders -1 and 1. Other lateral peaks 35 and 36, more distant from the central peak 32, correspond to diffractions of respective orders -2 and 2. These peaks have intensities significantly lower than those of neighboring peaks 33, 34.
Parmi les courbes tracées, une première courbe 25 est obtenue pour un angle d'incidence ao égal à l'angle de Bragg du cristal 1, égal dans l'exemple à 0,832"C. Cette courbe 25 fait apparaître pour cet angle aO un pic central 32 très supérieur aux pics latéraux 33 et 34. Une deuxième courbe 26 est tracée pour un angle d'incidence a égal à 0,812 , donc légèrement inférieur à l'angle de Bragg. On observe que le pic 33 correspondant au premier faisceau satellite diffracté 13 (ordre -1) y est très supérieur aux autres pics, y compris au pic central 32. Une troisième courbe 27, tracée pour un angle d'incidence a égal à 0,852", donc légèrement supérieur à l'angle de
Bragg, montre au contraire que le pic 34 associé au second faisceau satellite diffracté 14 (ordre 1) est très supérieur aux autres. Une légère variation d'incidence par rapport à l'angle de Bragg du cristal 1 suffit donc à concentrer l'intensité de sortie dans l'un des faisceaux satellites 13, 14. Il est notamment possible d'éliminer presque entièrement le faisceau réfléchi 12.Among the curves plotted, a first curve 25 is obtained for an angle of incidence ao equal to the Bragg angle of crystal 1, equal in the example to 0.832 "C. This curve 25 shows for this angle aO a peak central 32 much higher than the lateral peaks 33 and 34. A second curve 26 is drawn for an angle of incidence a equal to 0.812, therefore slightly less than the Bragg angle. It is observed that the peak 33 corresponding to the first diffracted satellite beam 13 (order -1) is much higher than the other peaks, including the central peak 32. A third curve 27, plotted for an angle of incidence a equal to 0.852 ", therefore slightly greater than the angle of
Bragg, shows on the contrary that the peak 34 associated with the second diffracted satellite beam 14 (order 1) is much higher than the others. A slight variation in incidence with respect to the Bragg angle of the crystal 1 therefore suffices to concentrate the output intensity in one of the satellite beams 13, 14. It is in particular possible to almost entirely eliminate the reflected beam 12 .
Dans le dispositif de l'invention, les propriétés de l'ensemble cristal piézo-électrique 1 et émetteur d'ondes acoustiques de surface (électrodes 3 et 4) sont utilisées pour produire une modulation spatiale et/ou temporelle du faisceau il de rayons X. A cet effet, on utilise de préférence des moyens d'absorption 17 associés à une fente 16, permettant l'élimination du faisceau réfléchi 12 et de l'un des faisceaux satellites 13 ou 14, par exemple le faisceau 14. La fente 16 a une largeur valant par exemple 50 pm. Ainsi, seul le faisceau satellite 1 3 émerge du dispositif. Sa direction, éventuellement observée par déplacement du détecteur 15, est fonction de la fréquence d'excitation des électrodes 3 et 4 (relation des réseaux). In the device of the invention, the properties of the piezoelectric crystal assembly 1 and emitter of surface acoustic waves (electrodes 3 and 4) are used to produce a spatial and / or temporal modulation of the beam X-ray To this end, absorption means 17 are preferably used associated with a slot 16, allowing elimination of the reflected beam 12 and one of the satellite beams 13 or 14, for example the beam 14. The slot 16 has a width equal for example to 50 μm. Thus, only the satellite beam 1 3 emerges from the device. Its direction, possibly observed by displacement of the detector 15, is a function of the excitation frequency of the electrodes 3 and 4 (network relationship).
Les moyens d'absorption 17 peuvent être constitués d'un puits, de préférence formés d'un tube en plomb ayant un fond fermé et une paroi latérale mince. Une autre méthode est d'élargir la fente 16 de façon à laisser passer le faisceau satellite 13 sélectionné, quelle qu'en soit la direction, tout en arrêtant les autres faisceaux. L'angle d'incidence a peut aussi être choisi de telle sorte que l'intensité du faisceau satellite 13 sélectionnée est très supérieure à celle des autres faisceaux (courbe 26), ce qui permet de s'affranchir éventuellement des moyens d'absorption 17. The absorption means 17 may consist of a well, preferably formed of a lead tube having a closed bottom and a thin side wall. Another method is to widen the slot 16 so as to allow the selected satellite beam 13 to pass, whatever its direction, while stopping the other beams. The angle of incidence a can also be chosen so that the intensity of the selected satellite beam 13 is much higher than that of the other beams (curve 26), which makes it possible to overcome any absorption means 17 .
De préférence, pour obtenir la meilleure efficacité de modulation, I'impact du faisceau incident 11 sur le cristal 1 est placé à proximité de l'émetteur 18. On obtient par exemple de très bons résultats en situant cet impact à 1 cm de l'émetteur 18. Preferably, to obtain the best modulation efficiency, the impact of the incident beam 11 on the crystal 1 is placed near the emitter 18. For example, very good results are obtained by locating this impact at 1 cm from the transmitter 18.
Un dispositif, analogue à celui représenté sur la Figure 1 mais dépourvu du détecteur 15, permet ainsi la génération d'un faisceau de rayons X dont l'orientation peut être aisément contrôlée. On obtient une large plage de modulation spatiale (large balayage) du faisceau satellite 13 lorsque l'angle d'incidence ao du faisceau incident 1 1 sur le cristal 1 est faible, c'est-à-dire lorsque la réflexion a lieu en réflexion totale. A device, similar to that shown in Figure 1 but devoid of the detector 15, thus allows the generation of an X-ray beam whose orientation can be easily controlled. A wide range of spatial modulation (wide scanning) of the satellite beam 13 is obtained when the angle of incidence ao of the incident beam 1 1 on the crystal 1 is small, that is to say when the reflection takes place in reflection total.
Pour effectuer une modulation temporelle du faisceau satellite 13 émergeant. on applique une tension d'excitation des électrodes 3, 4 composée d'une succession de signaux sinusoïdaux à une fréquence donnée, séparés par une tension nulle. To effect a temporal modulation of the emerging satellite beam 13. applying an excitation voltage of the electrodes 3, 4 composed of a succession of sinusoidal signals at a given frequency, separated by a zero voltage.
L'évolution temporelle de l'intensité recueillie dans le faisceau satellite 13 reproduit fidèlement l'évolution temporelle de la tension appliquée par le générateur de fréquence 5. La durée des impulsions de rayons X que l'on peut créer est limitée inférieurement par une durée minimale, qui est fixée par la durée nécessaire à l'onde uitrasonore 2 pour parcourir la surface éclairée par le faisceau incident 11. The temporal evolution of the intensity collected in the satellite beam 13 faithfully reproduces the temporal evolution of the voltage applied by the frequency generator 5. The duration of the X-ray pulses that can be created is limited below by a duration minimum, which is fixed by the time necessary for the uitrasonore wave 2 to travel the surface illuminated by the incident beam 11.
Préférentiellement, on utilise un faisceau incident 11 de faible largeur, avantageusement comprise entre 10 pm et 100 ,um. Preferably, an incident beam 11 of small width is used, advantageously between 10 μm and 100 μm.
A titre illustratif dans l'exemple ci-dessus du cristal 1 (empilement W/C), une largeur du faisceau incident égale à 10 pm permet d'obtenir une durée minimale pouvant atteindre 200 ns. Avec un empilement de période plus faible et un angle de Bragg de 1,8 , la durée minimale des impulsions X, avec une largeur de faisceau égale à 50 pm peut atteindre 0,4 ijs, les impulsions étant séparées d'un temps variable limité inférieurement à 0,1 Ps et non borné supérieurement. By way of illustration in the above example of crystal 1 (W / C stacking), a width of the incident beam equal to 10 μm makes it possible to obtain a minimum duration of up to 200 ns. With a weaker period stack and a Bragg angle of 1.8, the minimum duration of the X pulses, with a beam width equal to 50 μm can reach 0.4 ijs, the pulses being separated by a limited variable time below 0.1 Ps and unbounded above.
La modulation temporelle d'un faisceau de rayon X avec un dispositif selon l'invention sera mieux illustrée à l'aide d'un second mode de réalisation, représenté à la Figure 4. Sur cette Figure 4, les éléments similaires à ceux du premier mode de réalisation sont identifiés par les mêmes références. The temporal modulation of an X-ray beam with a device according to the invention will be better illustrated using a second embodiment, shown in Figure 4. In this Figure 4, elements similar to those of the first embodiment are identified by the same references.
Le dispositif du second mode de réalisation diffère de celui du premier mode de réalisation par les aspects qui suivent. Le détecteur 15 a une sortie reliée à un analyseur multivoie 51 connecté à une unité de traitement 52 et le dispositif comprend un générateur d'impulsions 53 envoyant des signaux au générateur de fréquences 5 et à l'analyseur multivoie 51. The device of the second embodiment differs from that of the first embodiment in the following aspects. The detector 15 has an output connected to a multi-channel analyzer 51 connected to a processing unit 52 and the device comprises a pulse generator 53 sending signals to the frequency generator 5 and to the multi-channel analyzer 51.
De manière avantageuse, le dispositif de la Figure 4 est utilisé en sortie d'un synchrotron, de manière à recevoir un rayonnement synchrotron de rayons X. L'évolution temporelle d'un tel rayonnement reproduit exactement celui d'électrons tournant dans l'anneau du synchrotron
Dans une première application du dispositif couplé à un synchrotron, ce dispositif a une fonction d'interrupteur rapide. Le générateur d'impulsions 53 produit alors des impulsions de rayons X très courtes, ce qui permet d'obtenir des expériences de durée très brève.Advantageously, the device of FIG. 4 is used at the output of a synchrotron, so as to receive synchrotron radiation of X-rays. The time evolution of such radiation exactly reproduces that of electrons rotating in the ring synchrotron
In a first application of the device coupled to a synchrotron, this device has a fast switch function. The pulse generator 53 then produces very short X-ray pulses, which makes it possible to obtain experiments of very short duration.
Dans une seconde application du dispositif de la Figure 4 couplé à un synchrotron, ce dispositif permet de trier les impulsions de rayons X émis. Pour ce faire, on synchronise les impulsions émises par le générateur d'impulsions 53 sur la fréquence des paquets d'électrons qui tournent dans l'anneau du synchrotron. Le dispositif a ainsi une fonction de sélecteur haute fréquence d'impulsions synchrotron, c'est-à-dire de filtre temporel. II est possible d'éliminer de cette manière une grande partie des photons indésirables, pouvant aller jusqu'à 99% dans certains modes de fonctionnement de l'anneau synchrotron. In a second application of the device of FIG. 4 coupled to a synchrotron, this device makes it possible to sort the pulses of X-rays emitted. To do this, the pulses emitted by the pulse generator 53 are synchronized with the frequency of the electron packets which rotate in the ring of the synchrotron. The device thus has the function of a high frequency synchrotron pulse selector, that is to say a time filter. It is possible in this way to eliminate a large part of the undesirable photons, which can go up to 99% in certain operating modes of the synchrotron ring.
En fonctionnement, des paquets d'électrons tournant dans l'anneau du synchrotron envoient un faisceau 8 de rayons X sous forme d'impulsions, qui est diffracté sur le cristal 1 et génère un faisceau satellite 13 reçu par le détecteur 15. On peut tracer en fonction du temps, selon un premier axe 41, I'intensité du faisceau 13, rapportée à un second axe 42, comme représenté sur les Figures 5A et 5B. In operation, packets of electrons rotating in the synchrotron ring send a beam 8 of X-rays in the form of pulses, which is diffracted on the crystal 1 and generates a satellite beam 13 received by the detector 15. We can trace as a function of time, along a first axis 41, the intensity of the beam 13, related to a second axis 42, as shown in FIGS. 5A and 5B.
Dans une première mise en oeuvre, on désactive le générateur d'impulsions 53 et on fait fonctionner seulement le générateur de fréquences 5. Ainsi, les ondes acoustiques sont excitées en permanence. On obtient alors une courbe 40, représentée sur la
Figure 5A, ayant une évolution temporelle similaire à la structure temporelle d'émission du synchrotron. Cette courbe 40 a une périodicité égale à T, la période T valant environ 2,8 ps. Elle comporte dans chaque période un pic large 43, correspondant à des paquets d'électrons très rapprochés, et un pic étroit 44 isolé, correspondant aux électrons à sélectionner.In a first implementation, the pulse generator 53 is deactivated and only the frequency generator 5 is operated. Thus, the acoustic waves are permanently excited. We then obtain a curve 40, represented on the
FIG. 5A, having a temporal evolution similar to the temporal structure of emission of the synchrotron. This curve 40 has a periodicity equal to T, the period T being worth approximately 2.8 ps. It includes in each period a broad peak 43, corresponding to very close packets of electrons, and a narrow isolated peak 44, corresponding to the electrons to be selected.
Dans une seconde mise en oeuvre, on fait fonctionner le générateur d'impulsions 53 avec une période égale à celle des faisceaux synchrotron, c'est-à-dire T, avec une durée d'impulsion égale à 0,8 us pour chaque période, donc supérieure à la durée d correspondant à la largeur de chaque pic étroit 43. On module pour cela les ondes acoustiques en impulsions synchronisées sur les paquets d'électrons. On obtient alors une courbe 45, qui diffère de la courbe 40 par la disparition des pics larges 43. On est ainsi parvenu à éliminer les effets des paquets d'électrons indésirables. In a second implementation, the pulse generator 53 is operated with a period equal to that of the synchrotron beams, that is to say T, with a pulse duration equal to 0.8 us for each period , therefore greater than the duration d corresponding to the width of each narrow peak 43. For this purpose, the acoustic waves are modulated in synchronized pulses on the electron packets. A curve 45 is then obtained, which differs from curve 40 in the disappearance of the broad peaks 43. It has thus been possible to eliminate the effects of unwanted electron packets.
II est également intéressant d'utiliser le dispositif de la Figure 4 pour étudier un enregistrement magnétique ou des modifications rapides d'un échantillon soumis à des essais extérieurs. It is also interesting to use the device of FIG. 4 to study a magnetic recording or rapid modifications of a sample subjected to external tests.
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