Un spectromètre pionnier pour les rayons X durs à l'European XFEL
"Le nouveau spectromètre ouvre de toutes nouvelles possibilités spectroscopiques aux hautes énergies des rayons X"
Les chercheurs de l'European XFEL ont mis au point un nouveau dispositif pour les mesures de rayons X à des énergies photoniques élevées : le spectromètre de Laue. Ce spectromètre permet de détecter des rayons X d'une énergie supérieure à 15 kiloélectronvolts avec une efficacité accrue et une très grande précision. Cela est important pour la recherche de matériaux techniquement significatifs qui, par exemple, transportent l'électricité sans pertes ou assurent un fonctionnement plus efficace des processus chimiques.
Contrairement aux spectromètres classiques, le nouveau spectromètre de Laue diffracte les faisceaux de rayons X (flèches rouges) par des couches atomiques perpendiculaires à la surface.
© European XFEL
Pour percer les secrets du monde des atomes, des molécules et des matériaux en général, les scientifiques utilisent souvent des appareils de mesure spéciaux appelés spectromètres. Ces appareils enregistrent la lumière émise par les objets. La façon dont les objets font cela permet aux chercheurs d'en apprendre beaucoup sur les processus physiques qui se déroulent dans les matériaux. Les recherches menées avec la lumière des rayons X sont particulièrement révélatrices. Cette lumière pénètre profondément dans la matière et fournit des informations spécifiques à chaque espèce atomique. Cette lumière est invisible à nos yeux, mais peut être détectée et mesurée à l'aide de spectromètres spéciaux.
Les principaux composants de ces appareils sont généralement des cristaux de silicium ou de germanium taillés avec une extrême précision. Traditionnellement, les spectromètres à rayons X fonctionnent selon la géométrie dite de Bragg : La lumière des rayons X frappe le cristal et est ensuite diffractée par les plans atomiques parallèles à la surface, de la même manière que les miroirs réfléchissent la lumière visible. À partir de la direction et de l'intensité du rayonnement diffusé, les chercheurs peuvent tirer des conclusions sur les propriétés électroniques des matériaux qu'ils analysent.
L'une des caractéristiques uniques de l'European XFEL est sa capacité à fournir des rayons X à très haute énergie. Cependant, à mesure que l'énergie des rayons X augmente, l'interaction avec les cristaux diminue, ce qui complique les mesures. Dans ce régime d'énergie photonique élevée, une grande partie des rayons X passe simplement à travers le cristal non utilisé, ce qui explique pourquoi les performances des spectromètres de rayons X utilisant ces analyseurs, connus sous le nom de spectromètres Johann ou Von Hamos, diminuent rapidement avec l'augmentation de l'énergie des rayons X. Ces spectromètres ne fonctionnent généralement que jusqu'à un niveau d'énergie de 1,5 GHz, ce qui correspond à un niveau d'énergie de 1,5 GHz. Ils ne fonctionnent généralement bien que jusqu'à une énergie photonique d'environ 15 kiloélectronvolts (keV).
Les chercheurs de l'instrument FXE du XFEL européen ont mis au point un nouveau spectromètre qui permet d'obtenir des résultats significatifs même à des énergies bien supérieures à 15 keV. Il fonctionne dans la géométrie dite de Laue. Cela signifie que les rayons X traversent le cristal et sont diffractés par des couches atomiques perpendiculaires à la surface. Plus l'énergie des rayons X est élevée, plus l'analyseur de Laue est efficace. "Notre conception optimisée avec une courbure fixe et un rayon de courbure court permet d'obtenir des analyseurs sans distorsion de surface notable, ce qui simplifie considérablement l'installation et la mesure avec le spectromètre de Laue", explique Frederico Lima, scientifique à l'instrument FXE. Les performances de ce spectromètre dépassent de loin celles des modèles précédents d'analyseurs de Laue à courbure dynamique.
Le nouveau dispositif appelé High Energy Laue X-ray Emission Spectrometer (HELIOS) est maintenant installé et disponible pour tous les utilisateurs du XFEL européen. Il offre une précision extrêmement élevée d'environ 1,2 x 10-4 à une énergie photonique d'environ 18,6 keV. Par rapport aux spectromètres conventionnels, il atteint une force de signal de 4 à 22 fois plus élevée. Cela permet de détecter des transitions électroniques particulièrement intéressantes dans les métaux de transition 4d, qui sont autrement très difficiles à mesurer. Les métaux de transition 4d comprennent des éléments techniquement importants tels que le niobium, le molybdène, le ruthénium, le palladium et l'argent.
"Le nouveau spectromètre ouvre de toutes nouvelles possibilités spectroscopiques à des énergies de rayons X élevées, qui ne sont possibles qu'au XFEL européen", explique M. Lima. Parmi les exemples, citons la mesure des propriétés photocatalytiques des nanoparticules contenant des métaux 4d, la recherche sur la sensibilisation des colorants pour les applications des cellules solaires et l'étude des matériaux fortement corrélés qui pourraient être utilisés comme supraconducteurs ou comme cathodes ou anodes de batteries pour un stockage efficace de l'énergie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
X. Huang, Y. Uemura, F. Ardana-Lamas, P. Frankenberger, M. Knoll, H. Yousef, H. Wang, S. Heder, M. Nachtegaal, G. Smolentsev, L. Wang, L. F. Zhu, C. Milne, F.A. Lima; "A high-energy Laue X-ray emission spectrometer at the FXE instrument at the European XFEL"; Journal of Synchrotron Radiation, Volume 32, 2025-3-31
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