CEA 1792 - de BERSUDER L.

MISE AU POINT D'UNE TECHNIQUE DE PREPARATION D'ECRANSD'URANIUM POUR LA SPECTROGRAPHIE DE RAYONS X MOUS (1960).

Sommaire. - Le présent travail concerne ]a préparation de couches mincesd'uranium pur ( épaisseurs de 100 - 1000 A ) par evaporation thermique BOUSvide.

La protection de 1* uranium contre l'oxydation par l'air est obtenuegrâce à des couches d'aluminium déposées sous vide sous et sur la couched'uranium,

La pureté des couches obtenues est vérifiée par diffraction d'électronset les conditions nécessaires pour éviter l'oxydation et la formation d'al-liages lors du dépôt sont étudiées*

Trois méthodes de mesure des épaisseurs sont examinées, mesurepar comptage de particules a, mesure par pesée de la masse condensée etmesure par pesée de la masse évaporée. La mesure par comptage departicules a s'avère être la plus précise pour les couches de faiblesépaisseurs.

CEA 1792 - de BERSUDER L.

DEVELOPMENT OF A TECHNIQUE OF PREPARATION OF URANIUMSCREENS FOR SOFT X RAY SPECTROGRAPHY (1960).

Suirmary. « The present work concerne the preparation of thin layers ofpure uranium (thickness 100 to 1 000 A) by thermal evaporation undervacuum.

The protection of uranium against oxydation is obtained by using alumi-nium deposits under and above the uranium layer.

The purity of the layers obtained is checked by electron diffraction andthe necessary conditions to avoid oxydation and alley formation during theformation of deposit are studied.

Three methods, for measuring the thickness are examined : by a par-ticle counting, by weighing the condensed mass and by weighing the evaporatedmass. The method using a particle counting turned to be the most accuratefor low thickness layers.

PREMIER MINISTRE

COMMISSARIAT AL'ÉNERGIE ATOMIQUE

MISE AU POINT D'UNE TECHNIQUE

DE PRÉPARATION D'ÉCRANS D'URANIUM

POUR LA SPECTROGRAPHIE DE RAYONS X MOUS

PAR

L. de BERSUOER

RAPPORT CEA N° 1792

C E N T R E D ' É T U D E SNUCLÉAIRES DE SACLAYS E K V I C E D E D O C U M E N T A T I O N

Bolte Postal» N» 2 - GH«ir-Yv««M (S-A-O.)

MISE AU POINT D'UNE TECHNIQUE

DE PRÉPARATION D'ÉCRANS D'URANIUM

POUR LA SPEaROGRAPHIE DE RAYONS X MOUS

PAR

L de BERSUDER

RAPPORT CEA N" 1792

Travail effectué au laboraroire de Chimie-Physique

de la (acuité de Sciences de Paris

MISE AU POINT D'UNE TECHNIQUE DE PRÉPARATION D'ÉCRANS D'URANIUM

POUR LA SPECTROGRAPHIE DE RAYONS X MOUS

FORMATION DES AEROSOLS RADIOACTIFS. -

a ) - Aérosols radioactifs par la nature même de leurs constituants (poussières de pech-blende , fumée d'uranium).Mines , ateliers d'élaboration de l'uranium , laboratoires utilisant les radioisotopes,e t c . . . .Le spectre granulométrique des particules en suspension est , an général, très éten-du ( de quelques microns aux dimensions submicroniques }.

b ) - Aérosols neutres ayant fixé des atomes radioactifs,Poussières naturelles ayant fixé le dépôt actif du radon.Elles se rencontrent partout dans l'atmosphère ( à de très faibles doses , inférieuresau 1/10 de la dose permise } et , d'autre part , dans les mines où la teneur en radonpeut être très forte. Ce dépôt actif , constitué par des atomes solides isolés , se fixede préférence sur les particules ultra-fines par diffusion ( particules de 0,01 micron)

c ) - Particules neutres au point de vue radioactivité ayant été activées par séjour dans unflux de neutrons.Poussières contenues dans le gaz de refroidissement d'un réacteur.Ces particules se rencontrent dans les effluents gazeux de pile, au détournement desradioisotopes e tc . . .Le spectre granulométrique peut être étendu ( de quelques microns aux dimensionssubmicroniques ).

PRELEVEMENTS DES AEROSOLS RADIOACTIFS EN VUE DE LEUR ANALYSE. -

Les aérosols radioactifs étant très dangereux , la surveillance et le contrôle des locaux etdes installations sont très poussés et nécessitent un nombreux personnel de formation technique élevée(agents techniques et ingénieurs ).

Etant données les doses permises très faibles, la seule méthode d'analyse utilisée en géné-ral est la mesure de la radioactivité des particules prélevées.

Les papiers filtres , pour les prélèvements en vue d'une analyse , sont utilisés à grande é-chelle.

CARACTERISTIQUES RECHERCHEES POUR LES FILTRES D'ANALYSE. -

- Le rendement du filtre doit être très voisin de 100 % pour des particules de 0,1 micronsans colmatage. Dans le cas particulier des aérosols de la catégorie (b) , le rendement doit être voi-sin de 100 % sans colmatage pour des particules de 0,01 micron.

- Le colmatage du filtre doit s'effectuer au maximum en surface , surtout en ce qui concer-ne les particules émettant des rayons o( , de façon à éviter le plus possible l'absorption du rayonnementpar le matériau filtrant.

- Obtenir un débit important par unité de surface du filtre , ainsi qu'une perte de charge laplus faible possible dans ces conditions. Ceci dans le but de concentrer le maximum de particules dansle minimum de temps , de manière à augmenter la sensibilité de l'analyse.

- Résistance mécanique suffisante de l'élément filtrant.

Dans quelques cas particuliers , il faut une résistance mécanique suffisante pour de fortesdépressions et une bonne tenue à la température (400* par exemple) (Cas de prélèvements dans les cir-cuits des réacteurs sous pression ).

- 3 -

I. - INTRODUCTION .

L'objet du présent travail est la préparation de couches minces d'uranium par evapora-tion thermique sous vide. Ces couches minces sont destinées à être utilisées comme écrans d'absorp -tion de rayons X pour l'étude du spectre M de l'uranium.

L'utilisation prévue des couches oblige à formuler un certain nombre d'exigences à leurégard.

Les longueurs d'onde du spectre M de l'uranium sont comprises entre 3 et 4 Â et se si-tuent donc dans le domaine des rayons X mous. Les spectres de rayons X mous sont caractéristiques del'état physico-chimique de l'élément étudié. Les écrans d'uranium préparés doivent donc être purs ,exempts d'oxydes ou d'autres composés chimiques et ne pas comporter d'alliages.

Les rayons X mous sont fortement absorbés par la matière . Sous les réserves habituellesl'absorption des rayons X obéit à la loi

% mI - I.e ~T

avec I« = Intensité X incidenteI = Intensité X transmise9 = Coefficient d'absorption linéaire totalX = Distance parcourue par les rayons X dans la matière ou épaisseur de l'écran.f* = densité de la matière traverséem = Masse par cm ou densité superficielle de l'écran absorbant.

En dehors des discontinuités d'absorption -S . est ici une fonction croissante du numéroatomique de la matière traversée par les rayons X et de fa longueur d'onde de ces derniers. L'absorp-tion croît donc avec le numéro atomique , la densité , l'épaisseur du matériau traversé et la longueurd'onde des rayons X.

Par exemple , des rayons X d'une longueur d'onde s\ - 4 Â subissent un affaiblisse -ment de 16 % pour un parcours de 1 cm dans l'air à la pression atmosphérique, de 19 % dans 50 um deberyllium et de 63 % dans 5^jm d'aluminium.

Pour éviter l'absorption dans l'air le spectrographe universel construit par Mlle Y. CAU-CHOIS fonctionne sous vide. Ce spectrographe, utilisé entre autres pour les études relatives à l'ura -nium est du type à focalisation et utilise comme élément dispersif un cristal courbé.

L'enregistrement du spectre est obtenu à l'aide d'émulsions photographiques. L'échantil-lon dont on veut étudier le spectre d'absorption est placé sur le chemin des rayons X de manière àêtre traversé par eux. Les dimensions minima des écrans doivent être dans notre cas de 6x17 mm .

L'épaisseur de l'écran influe sur la qualité du spectre obtenu. L'épaisseur optimale del'écran est déterminée par des considérations théoriques et expérimentales du ressort des. spécialis-tes de la spectrographie des rayons X. Il nous suffira de savoir que dans le cas du spectre i l de l'ura-nium elle est de quelques centaines d'Angstroms.

Le temps de pose nécessaire pour obtenir le noircissement et le contraste désirés sur l'é-mulsion photographique est déterminé par l'épaisseur de l'écran. Malheureusement les rayons X para-sites diffusés ou transmis par les pièces internes du spectrographe donnent lieu à un voile d'autant plu*important que le temps de pose est plus long.

Les couches minces de telles épaisseurs sont généralement déposées sur un support. L'ab-sorption due au support affaiblit le rayonnement utile et augmente l'importance relative du rayonnementdiffusé. Le support doit donc être aussi mince et peu absorbant que possible et, de plus, ne doit pas pos-séder de spectre d'absorption propre dans le domaine de longueurs d'onde étudié.

Enfin, en dehors du spectre proprement dit, on désire également connaître lea coefficientsd'absorption correspondants. Cela nécessite la connaissance de l'épaisseur de l'écran. Les écrans nedoivent donc pas seulement avoir une épaisseur correspondant approximativement à l'épaisseur opti-male, mais leur épaisseur doit encore être connue avec une précision suffisante.

- 4 -

Notre tâche consiste donc .d'une part à préparer des écrans d'uranium pur déposé par eva-poration thermique sous vide sur un support peu absorbant et d'autre ^art à vérifier leur pureté et à'mesurer leur épaisseur .

II. - PROBLEMES PARTICULIERS RESULTANT DE LA NATURE DU METAL UTILISE.

Nous avons vu que les écrans servant aux relevés des spectres d'absorption doivent êtretrès minces et très purs soua peine de fausser les spectres obtenus. Malheureusement les propriétés del'uranium rendent la préparation de tels écrans difficile.

En premier lieu il faut citer la grande activi'6 chimique de ce métal. En ce qui nous con -cerne, elle se manifeste surtout par une grande vitesse d'oxydation, interdisant l'emploi des techniquesclassiques d1 evaporation thermique sous vide , avec remise à l'air consécutive. Les couches de faibleépaisseur sont en effet entièrement oxydées avant même que la rentrée d'air dans la cloche d'evapo-ration soit complète.

D'autre part, l'uranium forme facilement des alliages par interdiffusion à des températuresrelativement basses ( >"w 200° C) avec un grand nombre- d'autre métaux Des températures de cet [4]ordre peuvent parfois être atteintes par le support sur lequel on cherche à déposer le métal par évapo -ration thermique.

L'uranium solide existe en trois variétés allotropiques caractérisées par une structurecristalline particulière. On connaît ainsi l'uranium od de structure orthorhombique stable jusqu'à660°C , l'uranium Q de structure tetragonale stable entre 660 et 76O°C et enfin l'uranium Y destructure cubique centrée stable de 760°C au point de fusion de 1132°C . Chaque variété possède sondomaine de stabilité , mais il a été parfois observé l'existence d'une structure à des températures in-férieures à son domaine de stabilité. Ceci proviendrait d'un effet de trempe dû à un refroidissementtrop rapide du métal. [5]

L'uranium est radioactif. Il émet des rayons y et des particules OC . La radioactivitéest cependant faible et constitue plutôt un avantage car elle nous a permis de déterminer ]a quantitédu métal déposé par le comptage du nombre de désintégrations subies par seconde.

III. - MATERIEL UTILISE ET TECHNIQUES GENERALES.

Nous nous sommes servis pour ces travaux d'un petit poste d'évaporation sous vide du typeEdwards 12 E/248.

Ce poste de construction classique , comporte les divers dispositifs nécessaires aux eva-porations. Il permet d'atteindre un vide de 10" 4 mm Hg, soit 1,33 10 baryes en 15 minutes ,etun vide de 10 " ̂ mm Hg , soit 1,33 10" 2 baryes en 4 heures de pompage environ.

L'évaporation de l'uranium sous vide ne pose guère de problème en soi, ainsi que nous a-vons pu le constater dès nos premiers estais. L'uranium fond à une température de 1132*C et sa ten-sion de vapeur est de 13. 3 baryes ou 10 mm Hg à 1898°C .Des filaments de tungstène classiques [6]peuvent être utilisés. L'uranium mouille bien le tungstène. La quantité d'uranium déposée sur le fila -ment ne doit cependant pas dépasser une certaine valeur faute de quoi il y a formation d'un alliage à baspoint de fusion et rupture du filament au moment de l'évaporation. Nous avons constaté que pour un fila-ment de tungstène de 0,5 mm de diamètre la quantité d'uranium ne doit pas dépasser 0,05 g . Nousn'avons jamais constaté d'autres interactions entre l'uranium et le tungstène et nous n'avons jamais puobserver de condensation simultanée d'uranium et de tungstène.

Les evaporations ont été effectuées à partir de filaments de tungstène (0 0,5 mm) de dif-férentes formes. Pour chaque type nous avons mesuré la température atteinte , au point prévu pour re-cevoir la matière à évaporer , en fonction du courant de chauffage. Ces mesures ont été effectuées àl'aide d'un pyromètre optique à disparition de filament et mesurant la température de brillance rouge.La température vraie a ensuite été obtenue à l'aide de tables de conversion .Nous avons représenté, [ l ]dans la figure 1 , deux des courbes obtenues ainsi que les filaments correspondants. Ces courbes, join-tes aux tables de tension de vapeur , se sont révélées très utiles en tant que guide pour l'évapora- [s]tion. La température réelle du métal à évaporer est cependant inférieure d'environ 100*C à la tempé-rature mesurée , par suite des variations de surface , de conductibilité électrique et de la chaleur d'é-vaporation introduite par la matière à évaporer. Ceci n'est pas très gênant car on est également guidépar la vitesse de croissance du dépôt obtenu.

Lorsque deux matériaux ont été évaporés successivement et sans entrée d'air intermédiai-re un cache a été disposé entre les filaments pour éviter les dépôts réciproques.

- 6 -

L'uranium utilisé était de l'uranium naturel pur qui nous a été fourni par le C. E.A. sousforme de copeaux de tour. Les fragments de ce métal destinés à être évaporés ont été décapés , dansun bain composé de 50% d'acide nitrique concentré et de 50 % d'acide acétique concentré afin d'enleverla couche superficielle d'oxyde.

Les filaments ont ensuite été dégazés et chargés du métal à évaporer par les méthodesclassiques

Les couches d'uranium obtenues sont brillantes et de couleur gris sombre . Lorsque lacloche est remise à l'air , les couches s'oxydent très rapidement et deviennent brunes et plus transpa-rentes.

La rapidité de l'oxydation à l'air nous oblige à chercher un procédé de protection descouches permettant leur transfert du poste d'evaporation au spectrographe à rayons X.

IV . - METHODES DE PROTECTION POSSIBLES ET CHOIX D'UNE METHODE.

La première idée qui vient à l'esprit es* de conserver les couches sous vide et d'assurerleur transfert au spectrographe en les enfermant dans une enceinte étanche. Ceci pose cependant quel-ques problèmes car cette enceinte doit être démontable et l'introduction et l'extraction des couchesdoivent être exécutées sous vide. Cela nécessite dans la cloche à evaporation et dans le spectrographela présence d'un mécanisme adéquat. Ce mécanisme doit être peu encombrant car la place disponibledans le spectrographe eut très limitée. D'autre part la pression dans l'enceinte doit rester très basseet la fermeture doit être oarfaitement étanche. L'enceinte doit donc être soigneusement dégazée et com-porter des joints métalliques dégazables par chauffage sous vide. La mise au point d'une méthode deconservation des couches basée sur ce principe se heurte à des difficultés technologiques considéra -blés . Son utilisation serait de plus assez complexe.

On pourrait également songer à protéger l'uranium par une atmosphère de gaz inerte. Lesproblèmes resteraient cependant à peu près les mêmes avec, en plus , la nécessité d'une pureté ex-trême du gaz de protection.

Devant ces difficultés, nous nous sommes tournés vers une autre solution. Elle consistedans la condensation d'une couche d'uranium sur un support étanche et en sa protection par une autrecouche étanche condensée par dessus, le dépôt de la couche de protection étant effectué immédiatementaprès celui de la couche d'uranizun.

Cette méthode a l'avantage d'être simple , de ne pas nécessiter d'appareillage spécial etenfin de permettre la manipulation à l'air et sans précautions spéciales, de l'écran obtenu. Pour qu'ilsoit possible de l'utiliser il faut cependant que le support et la couche de protection soient étanches àl'air tout en étant peu absorbants pour les rayons X, donc minces et constitués d'éléments de bas numé-ro atomique. D'autre part . il ne doit pas se former d'alliage avec l'uranium, ni au moment de la con-densation des couches , ni par la suite. La tenue mécanique des écrans ainsi obtenus doit être suffi-sante pour permettre leur manipulation.

Les supports d'écrans d'absorption habituellement utilisés au Laboratoire de Chimie Physi-que , pour les travaux de spectrographie X dans ce domaine de longueurs d'onde , sont des feuilles "d'a-luminium d'une épaisseur de 0,5 à 1 fxtn et quelque fois des feuilles de beryllium de 20 jj.m ou moinsencore. Pour une longueur d'onde de 4 A une feuille d'aluminium de 1 jum absorbe 17,5 % du rayon-nement incident . Dans les mêmes conditions , 20 jum de beryllium absorbent 7,5 % du rayonnementincident. Ces valeurs sont élevées et il est intéressant de chercher à les réduire.

La matière du support ou de la couche de protection ne doit pas présenter de discontinuitésd'absorption dans la gamme de longueurs d'onde étudiée . Ceci limite le choix des éléments entrantdans leur composition à ceux qui ne sont pas trop absorbants et dont le numéro atomique est inférieurà 17. La longueur d'onde de l'absorption K du chlore est en effet de 4,397 Â. f

Les éléments à prendre en considération sont donc : hydrogène . lithium, beryllium, bore,carbone , azote, oxygène, fluor, sodium, magnésium, aluminium , silicium, phosphore, soufre.

Ils peuvent être utilisés, purs ou sous forme de composés chimiques. V.a doivent cependantformer des couches homogènes et étanches ; ne pas s'oxyder ou du moins l'oxydation doit rester super-ficielle; ne pas donner lieu à des réactions chimiques avec l'uranium ni former d'alliages avec lui etenfin pr Ssenter une bonne tenue mécanique en feuilles très minces.

- 7 -

Le choix défi tif des matériaux de support et de protection ne pourra être fait qu'aprèsles essais pratiques. On ne peut en effet prévoir à priori l'influence de tous les facteurs entrant enjeu.En dehors des défauts présentés par le support et la couche de protection , déjà difficilement prévisi-bles avec précision, les conditions de la préparation elle-même interviennent.

Il est donc nécessaire de s'aesurer de la qualité de pureté de l'écran d'uranium obtenu. Pourcela nous devons chercher une méthode d'analyse adaptée à notre problème.

V.- VERIFICATION DE LA PURETE DES ECRANS OBTENUS.

Lies points à vérifier sont :

1 ) Présence d'uranium pur et nature de la variété allotropique présente.2 ) Absence d'oxydes ou d'autres composés d'uranium.3 ) Absence d'alliages avec le support ou la couche de protection.

Par suite des très faibles quantités d'uranium présentes (10* - 4.10" g/cm ) et de sagrande vitesse d'oxydation, ces vérifications se heurtent à des difficultés considérables si l'on veut uti-liser les méthodes d'analyses classiques.

Les méthodes chimiques ne sont pas utilisables pour des quantités aussi faibles. Il faudraiten effet pouvoir déceler des quantités d'oxyde ou d'alliage de l'ordre de 5.10 ~'à 2.10"^ g et l'ura -nium pur présent ne doit pas être oxydé lors oe l'analyse. Il semble extrêmement difficile de mettreau point une méthode chimique sûre et suffisamment sensible.

La spectrographie de masse est également à écarter. Le spectrographe devrait posséderune source pour solides travaillant à froid, car si l'on évapore le métal de l'écran , l'oxydation parlegaz résiduel de la source et la formation d'alliages fausseraient les résultats. Mais même en utilisantune source travaillant à froid dans laquelle les atomes de l'écran sont arrachés par bombardement é-lectronique ou ionique ce risque subsiste en grande partie. De plus il y a risque de dissociation lors del'ionisation des composés d'uranium. Les indications obtenues seraient donc fortement sujettes à cau-tion. Par ailleurs , nous ne connaissons na3 de spectrographe de masse équipé d'une source adéquateet dont nous aurions pu nous servir de façon suivie.

On pourrait également songer à analyser les écrans par spectrographie X en utilisant lesspectres de plus courtes longueurs d'ondes , K ou L , mieux connus. Le relevé de ces spectres exigecependant des écrans d'absorption d'épaisseurs beaucoup plus grandes que ceux que nous devons pré-parer. La sensibilité de la méthode serait, de plus, très faible par suite de la grande ressemblanceentre les spectres de l'uranium et de ses composés ou alliages. Les différences entre ces spectres sontplus apparentes dans le cas des spectres M , or nos écrans doivent justement servir à les déterminer.On pourra néanmoins essayer de tirer des conclusions de la comparaison des spectres M obtenus avecde l'oxyde d'uranium et des écrans préparés par notre technique. Cette méthode pourrait en particulierêtre utilisée pour la vérification de la conservation des écrans. Les conclusions que l'on peut tirersont cependant très limitées. Le spectre de l'uranium pur n'étant pas connu avec une précision suffi-sante , les différences observées indiquent simplement que l'écran ne contient pas uniquement de l'o-xyde mais ne sauraient indiquer son absence totale ou la présence d'un alliage.

En fait nous avons choisi la diffraction d'électrons comme moyen d'analyse. Cette méthodepermet de déceler les éléments , composés ou alliages présents dans l'écran grâce aux diagrammesde diffraction caractéristiques de leur structure cristalline. Utilisée par transmission , c'est à direavec le faisceau d'électrons traversant l'échantillon examiné, elle exige des échantillons d'épaisseurscomprises entre 50 et/v500 A . Nos écrans comportent env, 200 A d'uranium plus le support et la cou-che de protection. L'épaisseur totale des couches ne doit donc pas dépasser 500 Â . Les expériencesd'absorption X à effectuer n'exigent pas des épaisseurs de protection aussi faibles et de tels écrans se-raient extrêmement fragiles. Ceci nous conduit à préparer des^couches d'uranium protégées spéciale-ment pour l'examen par diffraction d'électrons. Nous extrapolerons ensuite les résultats ainsi obtenuspour la préparation des écrans d'absorption X dotés de couches de protection de l'ordre de 1000 Â. Lafaible épaisseur de protection des couches examinées n'est pas un inconvénient car si la protection ob-tenue à l'aide de couches de l'ordre de 150 Â est suffisante, elle ne pourra être que meilleure avecdes couches plus épaisses déposées dans les mêmes conditions.

La sensibilité de détection d'impuretés par la diffraction d'électrons n'est pas très grande.Pour qu'une impureté soit décelable il faut qu'elle soit présente sous une forme cristallisée, les subs-tances amorphes donnant des bnneaux très larges et très flousi difficiles à déceler dans un diagrammecomplexe. Cette même' exigence fait que l'impureté doit être présente en quantité suffisante et suffisant-

ment bien localisée pour pouvoir forme~ fju?lqu:*iï mailles cristallines. La sensibilité obtenue est dif-ficile à chiffrer. Klle dépend certaineni'-.it ie ia possibilité de discrimination des diagrammes de dif-fraction du constituant majeur et de l'ini;••-.'•<. if- dor.c pour un diffracteur donné, des espèces cristal-lines et des paramètres respectifs. Quai" mit quantités absolues ,R. C. Newman et D.W. Pashley [ojont mesuré l'épaisseur minimale déceh.bif- t .• travaillant par reflexion. Ils ont trouvé des "épaisseursmoyennes " de 0,4 Â pour le bromure d'arge.. tt de 0,8 Â pour le cuivre. Ces valeurs doivent êtreconsidérées comme extrêmes et ne sont valables que pour la réflexion ; or la présence des couches deprotection nous interdit l'emploi de cette métl'ode.

Z. G. Pinsker cite des épaisseurs de 3 A de cuivre décelées par transmission; En [13]admettant que cette valeur reste valable dans le cas de nos couches complexes cela nous donne une sen-sibilité massique de 0y 9 % pour une couche de 200 Â d'uranium et de l'oxyde d'uranium comme impure-té. Cette sensibilité est faible, mais il semble qu'elle soit suffisante pour les besoins de la spectrogra-phie d'absorption X.

Nous avons utilisé pour ces travaux un diffracteur d'électrons Trûb Tâuber type KD3 tra-vaillant avec des tensions d'accélération variables jusqu'à 50 KV et un vide dans la chambre de diffrac-tion de 10 " 5 à 5. 10 • 5 mm Hg soit 1,3. 10' 2 à 7.10 " 2 baryes. Les diagrammes de diffrac -tion sont enregistrés sur des plaques photographiques format 9 x 12 cm. (Gevaert Scientia 23 D 56 ).

Pour l'interprétation des diagrammes obtenus nous avons utilisé les cartes cristallogra -phiques ASTM indiquant pour chaque corps cristallisé les distances réticulaires , d , donnant [lu]lieu à une réflexion X.

A partir d'une distance d, on calcule , avec les constantes de l'appareil, le rayon r de l'an-neau de diffraction correspondant.

L'équation de Bragg donne en premier ordre :

2 d sin 0 = X

/\ = longueur d'onde équivalente des électrons.

Nous avons d'autre part (Fig. 2 ) :

r = D tg 2 6

D = distance entre échantillon et plaque photographique.

Lorsque r ^ D on peut écrire :

tg 2 9 O£ 2 sin 6 , d'où

r = ADd

Pour le diffracteur Trûb TaOberdu laboratoire une détermination a donnéeD = 488 mm + 1 et d'autre part nous avons tou-jours travaillé avec une tension d'accélérationdes électrons de 50 KV + 2 % , ce qui donneune longueur d'onde des électrons de À= 0,0535 A+ 1 * .

faisceauincident

•chant Won

Nous avons ainsi

r = 26,11 -— + 1 . 2 %d

r en mm, d en Â

faisceaudiffract*

Pour la mesure des anneaux de diffrac-tion obtenus nous nous sommes servis d'un réglet enverre gradué au 1/5 de mm et qui. à l'aide d'uneloupe, permet la mesure des diamètres avec uneerreur inférieure à + 1/10 de mm soit + 1/20 de mmsur les rayons.

Figure 2.

- 9 -

La précision totale obtenue est donc de 1,45 % pour un anneau de r = 20 mm et de 1,7 %pour un anneau de r = 10 mm. Les écarts que nous avons constatés en pratique ont cependant toujoursété inférieurs à • 1 % .

VI.- ESSAIS DE PREPARATION D'ECRANS D'URANIUM.

La méthode de vérification de pureté que nous avons choisie nous impose la préparation decouches protégées très minces et nous les avons baptisées " couches sandwich " puisque les épaisseursdes couches de protection des deux côtés de la couche d'uranium sont du même ordre et que l'on ne peutplus faire de distinction entre la couche de protection et le support.

Cependant nous n'avons pas , tout de suite , essayé de préparer des couches sandwich maischerché à connaître les oxydes d'uranium que nous risquions de rencontrer par la suite. On sait qu'ilexiste trois oxydes principaux de l'uranium, soit UO_ , U,Og et UO, , ce dernier étant surtout ren-contré dans sa phase hydraté UO r H2O. [3]

Les cartes ASTM indiquent les structures de ces oxydes: UO. cubique, U O orthorhombique,UO hexagonal.Tous ces oxydes sont stables à la température ambiante.Il existe d'autre part des oxydesintermédiaires tels que UO. et UO. mais ils ne donnent lieu qu'à de légères variations des paramè-tres de la maille cristalline sans changement de structure.Ces variations sont trop faibles pour [ i l , 12Jêtre décelées par diffraction d'électrons.

Afin de voir quel est l'oxyde qui se forme dans les conditions de l'évaporation c'est à direàbassepression ou lors d'une remise à l'air rapide, nous avons évaporé de l'uranium sur des cristauxde sel gemme clivés.

Après conservation sous vide pendant un certain temps ou remise à l'air immédiatementaprès l'évaporation, nous avons décollé la couche d'oxyde du sel gemme en le trempant dans l'eau dis-tillée. L'eau dissout le sel sous la couche et celle-ci flotte alors sur la surface de l'eau d'où elle estrecueillie sur une grille à mailles très fines. La couche ainsi préparée est alors examinée à l'aide du

,diffracteur d'électrons.

Quelle que soit la manière dont nous ayons procédé pour oxyder une couche mince d'ura -nium , nous avons toujours obtenu de l'oxyde UO, brun ou noir.

La Figure 3 représente un diagramme de diffraction de UO. et le tableau I donne les rayonsd'anneaux mesurés , les distances réticulaires correspondantes , les Intensités relatives théoriqueset la comparaison entre les valeurs théoriques et mesurées.

La concordance observée est bonne. Le flou des anneaux indique que cet oxyde est forméde cristaux extrêmement petits.

Notre deuxième ennemi était un alliage entre l'uranium et la couche de protection. Nous a-vons tout d'abord essayé d'éviter sa formation par l'emploi de couches de protection non métalliques.

Deux composés ont été essayé : Al.O, et SiO-.On sait que SiO. est partiellement réduit2 ' et SiO_.On sait que SiO. est partiellement

auche déposée est constituée d'un mélange depar le tungstène lors de l'évaporation et que la couche déposée est constituée d'un mélange de SiO et deSiO-. Ceci nous est cependant indifférent pour autant que la couche obtenue présente les qualités né -cessaires pour notre application.

Les couches de SiO. ou de Al.O, que nous avons obtenues étaient toujours amorphes (voirdiagrammes Fig. 4 et S ) et protégeaient malheureusement très mal l'uranium. Comme elles sont trans-parentes , il n'était pas nécessaire de prendre un diagramme pour voir que la couche d'uranium inter-médiaire s'oxydait dès la mise au contact de l'eau pour le décollage du sel gemme.

Ces essais ayant échoué , nous avons essayé de nous affranchir du décollage à l'eau en em-ployant comme support une mince pellicule de collodion ou de polystyrène.

Nous avons cependant constaté que les pellicules de collodion et de polystyrène résistentmal à réchauffement lors de l'évaporation , et le plus souvent , il ne reste que de très petits fragmentsde couche sur la grille. Nous avons donc abandonné ce procédé.

Il ne nous restait plus qu'à essayer des couches de protection métalliques et nous avons choi-si l'aluminium pour sa facilité d'évaporation ( tension de vapeur de 10 mm Hg soit 13,3 baryes à1148*C ) et sa grande ductilité qui lui permet de bien résister aux efforts mécaniques au moment du dé-collage du cristal de sel gemme.

- 10 -

TABLEAU I .

Rayonsmesurés

mm

8 ,2

9 ,5

13,45

15,7

16.5

19,1

20,8

Nature

U O 2U O 2U O 2U O 2uo2

U O 2U O 2

Rayonscalculés

mm

8,27

9,55

13,50

15.83

16,53

19,19

20,80

Distancesréticulaires

d A -

3,157

2,737

1,954

1.649

1,579

1,368

1,255

Intensitérelative

*

100

48

49

47

13

9

18

calemes

1,005

1,005

1,002

1,007

1,002

1,005

1,000

• D'après les cartes cristallographiques ASTM.

UO.

FIGURE 3.

- 11 -

SiO,

FIGURE 4 .

FIGURE 5.

- 12 -

L'aluminium cristallise très bien et sa maille cristalline est cubique. La figure 6 représen-te un diagramme de diffraction d'aluminium et les valeurs numériques correspondantes sont résuméesdans le Tableau 2 .

Des essais préliminaires de transparence aux électrons de 50 KeV ont montré que les cou-ches CK protection d'aluminium ne doivent pas dépasser une épaisseur de 100 - 150 Â chacune. Les é-paisseurs obtenues ont été mesurées par la pesée du filament avant et aj~rès 1'evaporation ce qui, avecla distance entre filament et support de la couche , permet de calculer l'épaisseur. La précision obtenueest suffisante pour les essais de diffraction et nous avons utilisé cette méthode pour toutes les couchesdestinées à la diffraction d'électrons. Nous reviendrons au Chapitre VII sur cette méthode de détermi-nation des épaisseurs.

Pour nos premiers essais de couches sandwich Al - U - Al nous avons préparé deux cris-taux de sel gemme avec une couche de 80 Â d'aluminium pour l'un et de 190 Â d'aluminium pour l'au-tre. Les cristaux ainsi préparés ont ensuite été disposés dans la cloche à evaporations puis recouvertsd'une couche de 260 Â d'uranium et immédiatement après d'une couche de 170 Â d'aluminium.

Ces couches sandwich ont été décollées à l'eau, puis examinées au diffracteur. La couche190 Â Al,260 Â U, 170 Â Al s'est révélée trop épaisse et nous n'avons pas pu obtenir de diagramme.Par contre la couche 80 Â Al,260 Â U/170 Â Al nous a donné un beau diagramme (Fig. 7). Sur cer-tains bords de la couche , nous avons trouvé un autre diagramme (Fig. 8 ). L'identification des subs-tances responsables de ces diagrammes a été assez difficile par suite de l'existence du petit anneaucentral que nous n'avons pu rattacher à aucun corps. Il s'est finalement avéré que cet anneau corres-pond à une réflexion "interdite" de l'uranium. Ceci admis , les diagrammes s'expliquent facilement etl'on identifie le diagramme de la figure 7 comme étant de l'uranium oc orthorhombique et de l'aluminium.

Le diagramme de la Figure 8 comporte les mêmes anneaux avec , en plus, les anneaux deUC< . H s'agit donc de Al + Uoc + UO . Dans les tableaux 3 et 4 nous avons résumé les rayons des an-neaux et leurs identifications.

On remarque dans les figures 7 et 8 que les anneaux de l'uranium sont discontinus indiquantun début d'orientation préférentielle des microcristaux.

Il est souvent observé , en diffraction d'électrons, des réflexions " interdites ". La Ion -gueur d'onde , beaucoup plus courte , des électrons autorise certaines réflexions supplémentaires in-terdites pour les rayons X, or les cartes cristallographiques ASTM que nous avons utilisées pour l'i-dentification ont été établies par diffraction de rayons X. Il ne s'agit donc pas d'une anomalie ou d'undébut de formation d'alliage car la solubilité réciproque Aluminium-Uranium est extrêmement faibleet une interdiffusion sensible conduit aussitôt à l'apparition d'un des composés définis : UA1 »UA1 ouUA1. , or aucun des anneaux correspondant à leurs cristaux n'a pu être observé.

On voit d'autre part dans les tableaux 3 et 4 qu'il manque certains anneaux de l'H<X. Ceciexplique par l'orientation préférentielle des cristaux et ne constitue pas une anomalie. Dans le tableau4 il en manque davantage , ce qui provient du très grand nombre d'anneaux du diagramme correspondantet certains anneaux peuvent être masqués par d'autres très proches.

Le résultat de cet essai est donc que la protection offerte par une couche d'aluminium aussimince que 80 Â est suffisante pour un contact avec l'eau pendant une minute environ , temps nécessaireau décollage et repêchage de la couche. Par contre , des couches que nous avons laissé flotter à la sur-face de l'eau pendant une heure étaient complètement oxydées .

L'échantillon ayant donné lieu au diagramme de la Figure 7 a été conservé à l'air pendant 8jours. Après ce temps nous l'avons examiné de nouveau mais l'uranium était alors complètement oxydéet nous n'avons trouvé que les anneaux de UO, et de Al . Un échantillon semblable , préparé par la suite,et également conservé 8 jours à l'air n'a montré qu'une oxydation partielle et localisée , mais affectantnéanmoins environ 80 % de l'échantillon. Aucun composé défini U-Al n'a été décelé.

Des essais ultérieurs ont montré que l'oxydation par l'air de l'uranium , en couche sandwichprogresse surtout latéralement à partir des bords vers le centre. Ceci est facile à observer sur une pla-quette de verre recouverte d'une couche d'aluminium puis d'une couche d'uranium et d'une deuxièmecouche d'aluminium. Les couches sont déposées de manière à ne se recpuvrir que partiellement ( voirFigure 9 ). A l'endroit où l'uranium est exposé à l'air , il s'oxyde immédiatement et devient brun. Puis,au fil des jours , on observe que la couche d'aluminium supérieure perd progressivement son brillantet que cette transformation progresse à partir de l'oxyde d'uranium et parfois aussi & partir de défautsdans la couche d'aluminium. Le temps nécessaire à la transformation complète varie entre une et trois

- 13 -

TABLEAU 2.

Rayon*mesurés

mm

11,15

12,8

18,25

21.4

22.3

Nature

Al

Al

Al

Al

Al

Rayonscalculés

mm

11,167

12.90

18.245

21.38

22,33

Distancesréticulaires

d  i

2,338

2,024

1,431

1.221

1,169

Intensitérelative

•

100

47

22

24

7

calemes

1,001

1.008

0.999

0.999

0.999

* D'après les cartes cristallographiques ASTM.

Al

FIGURE 6.

- 14 -

U oL + Al

FIGURE 7.

FIGURE 8.

- 15 -

TABLEAU 3.

Rayonsmesurés

mm

5,25

8,85

10,3

10.5

11,15

11.4

12.9

13,75

14.6

15,8

17,0

17,75

18,10

18,55

18,75

Nature

Dot

VOL

UOC

Uot

UCK

Al

UoC

Al

U *

U *

UOC

U«

Uoc

Uoc

UOC

UOC

UOC

UOC

UoC

UOC

Rayonscalculés

mm

5,279 +

8,856

10,187

10,356

10,557

11,167

11,481

12,90

13,828

14,648

15,84++

16,176

17,042

17,809

18,18

18,347

18,622

18.823

19,339

20,365

Distancesréticulaires

d A *

4,9448 +

2,948

2,563

2,521

2,473

2,338

2,274

2,024

1,888

1,778

1.648 ++

1,614

1,532

1,466

1,436

1,423

1,402

1,387

1,350

1,282

Intensitérelative

•

0

30

100

100

100

100

100

47

30

100

0

30

100

50

70

50

30

70

50

30

mes

1,007

1,001

1,006

1,005

1,001

1,007

1,000

1.005

1.002

1,003

1,002

1,003

1.003

1.002

1,002

* D'après les cartes cristallographiques ASTM

+ Réflexion " interdite " correspondant à hld = 001.

++ Réflexion " interdite " correspondent à hkl = 003.

- 16 -

TABLEAU 4.

Rayonsmesurés

mm

5,25

8,25

8,85

9,55

10,35

10,50

11,15

12,9

13,6

(flou)

14,6

15,85

17,00

17,70

18,10

18,20

Nature

Uot

U O 2

UoC

U O 2

VOL

UoC

UOC

Al

UOC

Al

/ U O 2L uoc

Uc<

U O 2

UoC

uocuocUOC

Al

UoC

RayOPScalculés

mm

5,279 +

8.2698

8,856

9,5458

10,187

10,356

10,557

11,167

11,481

12.90

13,499

13,828

14,684

15,833

16,176

17,042

17,809

18,181

18,245

18,347

Distancesrétlculaires

d A «

4,9448+'

3,157

2,948

2,737

2,563

2,521

2,473

2.338

2,274

2,024

1,934

1,888

1,778

1,649

1,614

1,532

1,466

1,436

1,431

1,423

Intensitérelative

*

0

100

30

48

100

100

100

100

100

47

49

30

100

47

30

100

50

70

22

50

mes

1,007

1,002

1.001

1,000

1,000

1.005

1.001

1.000

1,002

0,999

1,002

1,005

1,003

1,002

D'après les cartes crsitallographiques ASTM

Réflexion " interdite " correspondant à hkl = 001.

- 17 -

semaines. La perte de brillance de la couche d'aluminium supérieure peut s'expliquer par uric corro -sion d'origine électroiytique provoquée par l'humidité de l'air et le couple Al-U. Le phénomène, sûre-ment complexe, conduit probablement à la formation d'alumine et d'UO , or seul ce dernier a pu êtredécelé sur des échantillons , l'alumine étant amorphe . Il est légitime ae supposer qu'aux endroits oùl'aluminium a perdu sa brillance , l'oxydation de l'uranium est complète. La même perte de brillancede l'aluminium est d'ailleurs constatée sur les couches oxydées à la surface de l'eau.

Ces résultats sont quelque peu contradictoires car l'oxydation à la surface de l'eau est troprapide pour pouvoir être expliquée par une action par la tranche. D'ailleurs aucune progression de cegenre n'a été constatée. Il faut donc supposer qu'une couche d'aluminium de <** 100 A , condenséesous vide , n'est pas parfaitement étanche. Or on sait que des couche? de cette épaisseur condenséessous vide ne sont pas homogènes mais formées d'amas de microcristaux et comportent des lacunes parlesquelles l'air ou l'eau peuvent diffuser . Par suite de la plus grande densité de l'eau, son ef- [7, 14]fet sera plus rapide.

L'observation de la progression de l'oxydation à l'air par la tranche indique simplement qu'àl'air l'oxydation par la tranche est plus rapide, sans pour cela exclure la possibilité d'une oxydation àtravers la couche d'aluminium.

Il en résulte que la protection offerte par des couches d'aluminium aussi minces n'est pasparfaite et qu'il sera intéressant d'utiliser des couches plus épaisses ( 1000 A ) pour les écrans d'ab -sorption X.

Notre premier essai de couche sandwich Al-U-Al a été satisfaisant , en ce sens que l'ura-nium n'était pas oxydé en dehors de certains bords de la couche. L'oxydation des bords s'explique parun mauvais recouvrement des couches successives . Nous avons cependant rencontré de grandes diffi -cultes pour reproduire des couches pures car toutes les couches préparées par la suite donnaient un dia-gramme comportant au moins le premier anneau de UO. . Les quantités d'oxyde présentes , indiquéespar l'intensité des anneaux correspondants , restaient toujours faibles , mais cela n'en signifiait pasmoins que les couches étaient partiellement oxydées.

D'autre part les diagrammes obtenus n'étaient que rarement du type de la figure 7 et la plu-part du temps seuls les anneaux les plus intenses de UcX étaient visibles en dehors des anneaux de l'a-luminium et d'un halo dû à UO_ . La figure 10 montre un diagramme de ce type, (voir aussi les valeursnumériques dans le tableau 5 f. Dans ce cas il s'agissait d'une couche 150 A Alr95 A U/ 100 A Al. Lesanneaux d'uranium sont relativement flous donc les cristaux petits et leur intensité est faible par rapportà celle de l'aluminium.

La faible intensité des anneaux d'uranium s'explique par la moindre quantité d'uranium pré-sente par rapport aux quantités d'aluminium.

Nous avons tout d'abord rendu le décollage à l'eau responsable de l'oxydation des couches etnous avons accéléré les opérations de décollage , de repêchage et de mise sous vide dans le diffracteur.Ceci nous a permis d'observer des anneaux supplémentaires correspondant aux cristaux de sel gemme(NaCl , cubique face centrée ), mais aucune amélioration en ce qui concerne la pureté de l'uranium.

Nous avons alors préparé des cristaux de sel gemme avec une couche d'aluminium de 100 Aet quelques grilles de diffraction comportant la même couche d'aluminium décollée de l'un des cristauxde sel gemme. Les sels gemmes et grilles ainsi préparés ont ensuite été recouverts d'une couche d'ura-nium puis d'aluminium.

Les couches sandwich ainsi obtenues ont été montées dans le diffracteur , les couches sursel gemme ayant été décollées comme d'habitude ( le porte-échantillon du diffracteur peut accueillir s i -multanément six grilles ).

Les diagrammes obtenus avec les couches préparées par voie sèche et humide étaient rigou-reusement identiques et comportaient la quantité habituelle de UO . Le décollage à l'eau n'est donc pasà incriminer.

Etant donné que l'oxydation ne provient pas du contact avec l'eau et , sachant par ailleursque la protection contre l'oxygène ambiant est efficace , au moins pour quelques heures , il fallait cher-cher sa cause dans le procédé de préparation des couches.

- 18 -

TABLEAU 5.

Rayonsmesurés

mm

8.2

largeflou10,1-

10,7

11,15

12,85

halo

'-16,5

à

•W8,0

18,25

Nature

U O 2

<U<*

U<*

uaAl

Al

u<K

Al

Rayonscalculés

mm

8,27

10,187

10,356

10,557

11,167

12,90

17,042

17,809

18,10

18,245

Distancesléticulairea

d À »

3,157

2,563

2,521

2,473

2,338

2,024

1,532

1.466

1,436

1,431

Intensitérelative

•

100

100

100

100

100

47

100

50

70

rule.mes

1,005

1,001

1.003

0,999

d'après les cartes cristallographiques ASTM.

uranium aluminium

mm mmm Iv»rr«

Figure 9 Figure 10.

- 10 -

Quatre causes sont possibles .

a ) L'uranium peut être oxydé sur son parcours entre le filament émissif et son lieu de con-densation , par des chocs avec des molécules d'oxygène contenues dans le gaz résiduel.

b ) L'oxyde peut provenir de l'impact des molécules d'oxygène du gaz résiduel sur la couched'uranium en formation ou déjà formée.

c ) L'oxydation peut être due à la présence d'oxygène absorbé sur le support de condensation.

d ) L'oxyde constaté a pu être évaporé en même temps que l'uranium, c'est à dire provenirdu métal utilisé.

Toutes ces causes existent sûrement mais quelle est leur importance du point de vue du dé-faut constaté ? Quelques calculs approximatifs et des essais nous permettent de nous en rendre comp-te.

Supposons N. molécules quittant le filament avec une vitesse moyenne V et en directiondu support de condensation. Soit L le libre parcours moyen des molécules dans le gaz résiduel. Le nom-bre de collisions subies par une molécule et par seconde sera alors :

O> - V œ / L

Le nombre de molécules ayant subi au moins un choc pendant le temps dt est :

dN =-N eu dt

N étant le nombre de molécules n'ayant pas encore subi de choc.

En intégrant , il vient :

o

La distance , { , séparant le filament du support de condensation est parcouru dans le temps

t =

d'où

Vm

N =N eo

et le pourcentage de molécules ayant subi au moins un choc en parcourant la distance t est :

K = - ^ 102 = ( 1 - e L ) 102

o

La pression dans la cloche au moment de l'évaporation et lorsqu'elle avait été pompée pen-dant une heure au moins est de /^/5.10 " 5 mm Hg soit "NS 7.10 " • barye.

Supposons que le gaz résiduel soit de l'air et contienne 20% d'oxygène. Le libre parcoursmoyen dans l'air à la pression considérée est L = 140 cm. La distance entre filament et support de con-densation a été dès l'origine choisie égale à t = 5 cm pour réduire les chocs intermoléculaires.

Pour ces valeurs le calcul ci-dessus nous donne K = 3,5 % . Le pourcentage des chocs avecdes molécules d'oxygène est donc 0,2 K = 0,7 V

Supposons maintenant que tout rhoc uranium-oxygène produise une molécule de UO et quecette molécule soit condensée sur le support.

Une couche d'uranium de lem et de 100 A contient

" P x -45r 10~ 6

' u Muatomes d'uranium.

- 20 -

N * nombre d'Avogadro.

M = Masse atomique de l'uranium .

P u = Densité de l'uranium.

0,2 Kn atomes sont oxydés et l'épaisseur équivalente , e , de la quantité de UO déposée est :z

Muoe = 0.2Kn i— io8 en

d'où , dans le cas choisi :

e Si 1,4 A

Le calcul ci-dessus est évidemment faux par excès car tous les chocs uranium-oxygène nedonnent pas une molécule de UO. et toutes les molécules de UO_ ne sont pas condensées sur le support,étant donné que la molécule de UO_ éventuellement formée ne conserverait pas forcément la direction del'atome d'uranium initial. Nous n'avons pas tenu compte, pour la valeur du libre parcours moyen, del'influence de la pression partielle d'uranium , car seuls les chocs entre celui-ci et le gaz résiduel nousintéressent.

Une couche de 1,4 Â de UO, reste isdéceïàbie p*r diffraction d'électrons et ce n'est donc pasl'oxydation pendant le parcours, seule , qui est responsable de la présence d'oxyde constatée.

La durée du processus d'évaporation d'uranium et le temps d'exposition de la couche nonprotégée au vide , peuvent être variés. En général le temps nécessaire pour obtenir une couche d'ura-nium de 100 Â avec notre montage et à une distance de 5 cm est de 10 à 15 secondes et 1'evaporation del'aluminium débute environ 5 secondes après. Le temps d'exposition total est donc de l'ordre de 20 s e -condes. Le nombre de molécules du gaz résiduel tombant par seconde sur une surface de 1 cm sousune pression P est :

avec n =2 7T M RT

2et la masse incidente par cm et par seconde est

G = m y : 11-y 21

21TRT

En supposant de nouveau que le gaz résiduel est de l'air contenant 20 % de O_ et que la pres-sion est de 5.10~* mmJIg soit ~ 7.10~2 barye , la pression partielle de O sera de 10"5' mm Hgsoit 1,3.10* 2 barye , d'où la masse de O2 incidente par cn^et par seconde :

- 7 -2 - 1G. = 1,93 10 g cm sec

2

En supposant qne chaque molécule de O_ incidente se combine pour former une molécule deUO. la quantité de UOa formés sera :

2 2M uo ,

G = G 1 - » 1,63 10 ' ° g cm"* sec"1

2 °2 MO

s o i t , une épaisseur équivalente de UO. de

GU O 2 -7 -1— — * 1,5 10 cm sec

- 15 Â sec" l

- 21 -

En 20 secondes il se fermerait donc 300 Â d'oxyde. Mais notre calcul est extrêmement peg-s'.miste , car la probabilité d'oxydation est certainement inférieure à 100 % par choc oxygène-uranium•it la vitess.e d'oxydation décroit très rapidement dès qu'une partie de la surface de l'uranium est oxydée.Par ailleurs la teneur en oxygène du gaz résiduel est probablement inférieure à 20%. Cependant mêmeen admettant que l'oxydation réelle n'est que de 10 % de la valeur calculée, elle reste suffisante pourdonner lieu à l'effet constaté.

Une autre cause d'oxydation réside dans le gaz adsorbé sur le support de condensation. Lapremière couche d'aluminium a été préparée d'abord, puis remise et conservée à l'air pendant un tempsvariable entre 1/2 heure et une journée. De l'air est adsorbé sur cette couche et n'est que partiellementdésorbé sous vide avant le dépôt de la couche d'uranium et peut donner lieu à oxydation.

Des mesures faites pour la détermination des épaisseurs par pesée de la couche condensée(voir Chap. VII 2 ) il ressort qu'une couche d'aluminium condensée sous vide adsorbé ~*/ 6 10* 6 g degaz par cm2 de surface apparente. Supposons que la moitié de cette masse soit de l'oxygène fixé par «l'aluminium sous forme de Al O3 et le reste de l'air adsorbé en surface. Il y aurait donc 3 10~6 g/cmd'air adsorbé dont 9,6 10~7 g /cm2 d'oxygène. En se combinant en totalité avec l'uranium il forme-rait 8,1 10"° g/cm2 de UO_ ce qui correspond à une épaisseur de 74 K d'oxyde. En fait, il estpeu probable que la couche d'air adsorbé soit encore complète au moment de l'évaporation d'uranium.Mais si seulement 1/10 du gaz reste , l'épaisseur de la couche d'oxyde qui en résulte est encore de 7,4 A,donc suffisante pour faire apparaître un halo de UO. sur un diagramme de diffraction.

La quantité d'oxyde existant sur ou dans le métal à évaporer est difficile à évaluer et nousn'en sommes pas maitres en dehors d'un décapage soigné du métal. La tension de vapeur de l'oxyde UCLest de 10" 2 mmHg ou 13,3 baryes à 2300 °K. Elle n'est donc pas beaucoup plus faible que celle del'uranium ( 10" 2 mm Hg à 2169 *K ), mais il s'évapore beaucoup moins rapidement et un rapport de70/8 en faveur de l'uranium est cité pour 2071 *K. Il est donc assez peu probable que l'oxyde dé- [l2]celé provienne du métal de départ.

En résumé nous avons deux causes d'oxydation importantes : l'oxydation par le gaz résiduelet l'oxydation par le gaz adsorbé sur le support de condensation.

Ne pouvant , à priori , améliorer le vide dans la cloche à evaporation sans y apporter desmodifications importantes ou accepter des temps de pompage prohibitifs , nous avons tout d'abord es-sayé d'éliminer le gaz adsorbé sur le support de condensation. Pour cela nous a ver* déposé les troiscouches constituantes de sandwich en une seule opération de pompage , la première couche d'aluminiumétant déposée quelques secondes avant la couche d'uranium.

Avec les couches préparées de cette manière nous avons régulièrement obtenu des diagrammesde diffraction dans lesquels les anneaux de l'oxyde étaient absents. Pour plus de sécurité nous avonseffectué les evaporations sous une pression de 10" 5 mm Hg ou 1,33 ÎO"2 barye environ. (Diagram-me de la figure 11 et tableau 6 ).

Ce résultat semble montrer l'importance du gaz adsorbé sur le support mais, étant donnéles résultats de nos calculs , il nous a paru étonnant que ce remède soit suffisant. Nous avons alorspensé que cela pourrait provenir d'un effet getter de la couche d'aluminium. Celle-ci se dépose un peupartout dans la cloche et par son action de getter fait baisser la pression totale et plus par'ticalièrementla pression partielle d'oxygène. Afin de le vérifier nous avons effectué une série d1 evaporations en fai -sant varier le temps séparant le dépôt de la couche d'uranium du dépôt de la seconde couche d'alumi-nium. Nous avons ainsi constaté que l'oxydation de l'uranium ne devient sensible que lorsque ce tempsest supérieure à 10 secondes. Si pendant ce temps on évapore constamment de l'aluminium, mais enplaçant un écran devant la couche d'uranium afin d'éviter un dépôt sur celle-ci, nous n'avons pas cons-taté d'oxydation après 45 secondes. Des essais plus longs n'ont pas été faits car notre source d'alumi-nium s'épuisait alors , mais nous avons vérifié que l'effet observé ne provient pas d'un manque d'effi-cacité de l'écran. L'effet getter est donc net. En plaçant une jauge dans la cloche on observe une baissede la pression totale d'un facteur de 2 à 3 pendant et après l'évaporation d'aluminium, n est cependantprobable que la baishe de la pression partielle d'oxygène est beaucoup plus importante.

En condensant les trois couches du sandwich rapidement l'une après l'autre on arrive doncà éliminer les deux causes principales d'oxydation. Il est évident que ceci n'est valable que pour des cou-ches de protection présentant un effet getter notable.

Il nous reste à expliquer pourquoi dans des conditions apparemment semblables , nous obte -nions des couches d'uranium formées tantôt de gros cristaux et tantôt de micro-cristaux ( fig. 7 et 11).

- 2 2 -

TABLEAU 6.

Rayonmesuré

mm

flou

10,1-10,7

11,15

12,85

flou 17,5

18,20

21.35

Nature

Uot

u<*

VOL

Al

Al

UO(

U<*

Al

Al

Rayoncalculé

mm

10,187

10,356

10,557

11,167

12.90

17,042

17.809

18,245

21,38

Distanceréticulaire

d' Â •

2,563

2,521

2,473

2,338

2,024

1.532

1.466

1,431

1,221

Intensitérelative

•>

100

100

100

100

47

100

50

22

24

mes

1,001

1.003

1,002

1,002

• D'après les cartes cristallographiques ASTM.

UOC + Al

Figure 11.

-23 -

TABLEAU 7.

Rayonme*uré

mm

5.25

6.0

8.45

8.85

10.2

10.4

13,7

14.6

16,95

17.75

18.10

18.05

Nature

U*

UA12

UA12

Utf

i*x

."(*

UA12

Uo(

Uo(

U«

u«vd

Rayoncalculé

mm

5.279 +

6,001

8.422

8,856

10,187

10,356

13,67

14,684

17,042

17,809

18.181

18,622

Distanceréticulaire

d A *

4.9448 +

4,35

3,098

2,948

2,563

2.521

1,910

1.778

1,532

1,466

1.436

1,402

Intensitérelative

•

0

60

100

30

100

100

50

100

100

50

70

30

calcme»

1,007

1,000

0,997

1,001

0,999

0.999

1.001

1.002

1.005

1.002

1.003

0,999

* D'après les cartes cristallographiques ASTM .

+ Réflexion " interdite " correspondant à hkl = 001.

U 0C • UA1Figure 12.

- 24 -

II est bi?n connu que , lorsque l'on condense un métal sur un support chauffé , on obtientune couche fortement cristallisée et , même dans des cas particulièrement favorables , monocristalline.Nous avons donc immédiatement pensé qu'il pourrait s'agir d'un échauffement accidentel du cristal desel gemme servant de support de condensation.

En effet , lorsque l'on utilise un sel gemme pour la première fois , son épaisseur est de 2-3 mm. Il est plan et repose bien sur son support. Il ne s'échauffera donc que peu lors des evaporations.Avant chaque nouvelle utilisation le sel gemme est clivé et l'on arrive ainsi après deux ou trois utilisa-tions à des rristaux très minces ( 6,3-0,5 mm). Lorsqu'il est très mince le cristal se courbe au cli-vage. Un tel cristal s'échauffera facilement lors de l'évaporation et cela d'autant plus qu'il y a mauvaiscontact thermique entre le cristal et le support sur lequel il repose.

Nous avons vérifié cette hypothèse en évaporant sur des cristaux spécialement minces etcourbés et nous avons ainsi pu obtenir à volonté des couches d'uranium fortement cristallisées. Il estd'ailleurs apparu que la cristallisation est d'autant plus forte que la vitesse de croissance du dépôt estfaible. Ceci correspond également bien aux expériences connues concernant d'autres métaux. [7J

Des couches fortement cristallisées ont également été obtenues en condensant l'uranium surun cristal de sel gemme épais mais placé dans un petit four chauffé à environ 300 *C. Le diagramme ob-tenu est représenté dans la figure 12 ( voir aussi les valeurs numériques correspondantes dans le ta-bleau 7 ).

L'uranium est bien cristallisé mais il y a également formation de l'alliage aluminium-ura-nium, UA1 , avec disparition totale des anneaux d'aluminium.

Auparavant , nous n'avions jamais rencontré d'alliage, même dans les diagrammes d'ura-nium fortement cristallisé or, un cristal mince de sel gemme ne reste chaud que quelques minutes auplus , tandis que notre four demande 45 minutes pour refroidir. L'interdiffusion aluminium-uranium adonc tout le temps de se produire.

Ceci montre que , bien que nous n'ayons jamais rencontré d'alliage dans les diagrammes cor-respondant aux evaporations normales , sa formation est à craindre et l'échauffement du support à évi-ter.

Ainsi que nous le verrons au Chapitre VU , les couches déposées sur un support froid etayant une structure cristalline fine , sont également préférables du point de vue de la mesure du coeffi-cient d'absorption X.

Cette étude de la technologie de la préparation de couches d'uranium pures montre donc que :

- L'uranium doit être protégé par deux couches étanches d'un autre corps .

«8 —5- L'évaporation doit être faite sous un vide excellent ( p é 10" mmHg ou 1,33 10* barye)pour éviter l'oxydation par le gaz résiduel et qu'à défaut d'une cloche permettant de travail-ler à de telles pressions on peut utiliser l'effet getter de couches de protection telles quel'aluminium.

- Les différentes couches doivent être déposées en succession rapide pour éviter l'oxydationpar des gaz adsorbés.

- Il est intéressant d'utiliser des vitesses de croissance de la couche d'uranium grandes.(ÀlOÂ/sec . )

- Dans le cas de couches de protection en aluminium il faut veiller à ce que le support decondensation .reste froid.

VII . - MESURE DES EPAISSEURS DES ECRANS .

Dans le cas qui nous intéresse , on désire mesurer l'épaisseur des couches formant écrand'absorption de rayons X pour pouvoir déterminer les différents coefficients d'absorption , % , dansle spectre du métal étudié.

La loi d'absorption s'écrit :

I -î> Xs e ° X « épaisseur vrwie de l'écran.

- 25 -

d'où le coefficient d'absorption mesuré, %m

X = épaisseur mesurée de l'écran,m

Dans le spectrographe à rayons X les intensités relatives sont déterminées à l'aide d1 emul-sions photographiques et par densitométrie . La précision obtenue est de l'ordre de + 5%.

Ces mesures restent parfaitement valables tant que l'on utilise des écrans épais ayant lastructure du métal massif et des surfaces l isses. On sait cependant, qu'àl'échelle sub-microscopique, les sur-faces métalliques , mêmes polies , ne sont pas lisses mais formées d'aspérités plus ou moins grandes.Ceci reste vrai pour les couches condensées sous vide et prend même une importance considérable dufait que le rapport entre les dimensions des aspérités et l'épaisseur totale croît au fur et à mesure queles couches deviennent plus minces. A la limite , on obtient des couches lacunaires formées d'agglo-mérats de microcristaux , séparés par des espaces vides. L'épaisseur moyenne au dessus de laauelle [7]les couches cessent d'être lacunaires dépend du métal condensé , du support et des conditions d'eva-poration. Comme ordre de grandeur , on peut citer 100 Â.

Quelle sera la signification de l'épaisseur d'une telle couche ? Elle peut être définie commeétant la hauteur géométrique maximale, minimale ou moyenne de la couche. Elle peut également êtredéfinie comme étant la masse par cm divisée par la densité du métal massif.

De toutes manières c'est une grandeur fictive et sa signification est différente de la notionhabituelle d'épaisseur , car on ne connaît pas a priori la structure de la couche et la densité du métaldéposé est inférieure à la densité du métal massif. [7, 14]

La définition à utiliser dépend , de plus, de la méthode de mesure employée., L'interferomé-trie optique mesure la hauteur géométrique moyenne et les méthodes basées sur la pesée ou le comptagede particules mesurent la masse par cm^ de la couche.

Cette dernière notion correspond à une grandeur physique bien réelle et indépendante et c'estelle que nous préférons. Nous définirons donc l'épaisseur comme étant la masse /cm^ divisée par la den-sité du métal massif.

Etant donnée la forme exponentielle de la loi d'absorption de rayons X et la structure irrégu-lière des couches il est évident que la valeur , 5̂ » du coefficient d'absorption mesuré sera erronée.Nous allons essayer de voir quel est l'ordre de grandeur de l'erreur commise.

Les écrans d'uranium à préparer ont une épaisseur de l'ordre de 100 A . Leur surface seradonc fortement accidentée. La structure d'une telle surface est très compliquée et variable d'un échan -tillon à l'autre. Le calcul de l'absorption X d'un écran réel , en fonction de sa structure, serait trèscompliqué. On peut cependant obtenir un ordre de grandeur de l'erreur en faisant le calcul pour une struc-ture simplifiée et schématique mais ressemblant aux structures réelles.

Supposons que la structure de la couche soit celle représentée dans la figure 13 et que les di-mensions latérales des surfaces planes soient grandes devant la longueur d'onde du rayonnement incidentSoient les trois épaisseurs X. , X- , X_ , liées par la relation X^ = J_ Xg = _1_ X^ et les surfaces re-latives correspondantes : 3 2

S 16 S 16 S 16

En supposant la densité du métal déposé égale à la densité du métal massif, nous avons l'in-tensité traversante relative pour une telle structure :

i - J L \ le -**l + 8 e - S X 2 +e " ^X3 1lo 16 l J

o

^ « coefficient d'absorption X réeld'où avec 1 I

o

- 26 -

le coefficient d'absorption mesuré :

1 1 fcX

mavecX = épaisseur mesurée , ( par pesée , par exemple )

m 7 V 4- A V 4- Y

X • ' ' 3 - i l . x,m 16 8

Prenons comme exemple un écran d'uranium de X = 100 Â .m

. Le coefficient d'absorption X de l'uranium aux longueurs d'onde étudiées est d'environ2,5. 10 cm"1 .

En effectuant le calcul on trouve :

/y ^ -1 #*» 4 - 1^ =2,25. îvT cm pour © = 2,5.10 cmm

soit un écart de - 10 %.

L'erreur introduite par la structure de la couche est donc relativement importante. Elle va-rie de plus avec le coefficient d'absorption réel et l'épaisseur de la couche.

Etant donné , d'autre part , que nous avons fait le calcul pour une structure très simplifiée,ceci n'est qu'un ordre de grandeur et en pratique l'erreur peut être beaucoup plus grande. Il n'est guèrepossible de faire des corrections à. moins de connaître la structure exacte de la couche et d'effectuer lecalcul correspondant .

La seule chose que l'on puisse tenter en pratique est de chercher à obtenir des couches àstructure fine et relativement lisse. Pour cela on évapore rapidement et sur un support froid.

En résumé , on voit que la mesure de % est très peu précise et qu'il ne sert à rien de cher-cher à déterminer l'épaisseur des écrans avec une très grande précision. Une erreur de + 5 % sur lamesure de l'épaisseur sera donc parfaitement acceptable.

Il nous reste à choisir une méthode de mesure appropriée. Etant donné notre choix de la dé-finition de l'épaisseur , seules les méthodes qui déterminent la masse /cm2 peuvent être utilisées. Troisméthodes sont alors possibles :

1 ) comptage de particules OC ;

2 ) mesure de la masse condensée ;

3 ) mesure de la masse évaporée .

Nous avons examiné les trois méthodes pour pouvoir choisir celle qui convient le mieux ànotre problème.

VIIr - MESURES D'EPAISSEUR PAR COMPTAGE DE PARTICULES OC.

L'uranium naturel, composé des trois isotopes U__ , U235 » et U _ . , émet des particulesOC et des rayons Y . Cette radioactivité naturelle permet ae mesurer la quantité d'uranium présentepar le comptage du nombre de desintégrations subies par seconde. Dans le tableau 8 nous avons résuméles caractéristiques radioactives des trois isotopes de l'uranium. Il en résulte qu'un gramme d'ura -nium naturel subit 2,6066. 10 * désintégrations par seconde. Une couche d'uranium naturel (densité* 18,7 g/cm' ) de 1 cm2 et d'une épaisseur de 100 À soit 1,87 10~s g/cm2 subit donc 0,488 désin-tégrations par seconde. Ceci est peu et la méthode de comptage employée devra présenter un comptageparasite ou bruit très faible.

Le comptage des rayons V est à éliminer car la p?.*ésence, au Laboratoire de Chimie Phy-sique , de nombreux tubes à rayons X , dont un de 1 Mev et de contaminations donnent lieu à un comp-tage parasite important et un blindage efficace est difficile et lourd.

- 27 -

— Xi

Figure 13

- 28 -

En utilisant un compteur ne répondant qu'aux particules OC il est au contraire facile deréduire le comptage parasite à un niveau très faible , car l'activité OC de l'air ambiant est extrême-ment réduite.

Nous avons donc utilisé un cristal scintillateur de sulfure de zinc activé à l'argent et montésur un photomultiplicateur. Le cristal est recouvert d'une couche d'aluminium de 2 pim pour élimi-ner la lumière ambiante. Le signal fourni par le photomultiplicateur est amplifié et lorsque son ampli-tude dépasse un seuil réglable , compté par une échelle électronique.

Le comptage parasite provient d'une part du bruit propre du photomultiplicateur et de l'am-plificateur , et d'autre part du rayonnement parasite extérieur.

Ces deux sources de bruit peuvent être éliminées par le réglage du seuil de comptage à unevaleur suffisamment élevée. En effet, les particules OC possèdent une grande énergie et donnent lieu

TABLEAU 8.

Isotope

U234

U235

U238

U naturel

Abondancedans le U

naturel

0.0058 %

0.71%

99.28 %

Période

Années

2.48. 105

7,1. 108

4.498. 109

Radia .ion émise

et énergie

OC 4,76 MeV

7 0,055 MeV

a 4,4-4, 58 MeV

OC 4,18 MeV

7 0,045 MeV

Désintégra-tions par

g/ sec.

2.28. 108

T.93. 104

1.236. 104

Désintégra -tions par gU naturel etpar sec.

1.32281. 104

5,63206. 102

1.22744. 104

2.6065. 104

à des impulsions de grande amplitude tandis que l'amplitude du bruit d'amplification et des impulsionsdues aux rayons X ou V reste faible .

Après quelques tâtonnements , nous avons choisi un réglage du seuil donnant un comptageparasite suffisamment faible. Ce réglage correspond au comptage de toutes les impulsions d'amplitudesupérieure à 10 V. le gain de l'amplificateur étant de 400 et la tension d'alimentation ou photomultipli-cateur type Dumont 6292 de 1000 V.

Avec ce réglage , nous avons effectué un comptage de bruit pendant une journée. Nous avonsainsi compté 183 coups pour 26.662 secondes soit 6.87. 10"3 coups/sec. L'erreur statistique de comp-tage, ayant 90 % de chances de ne pas être dépassée, est :

164[15]

C étant le nombre de coups comptés. Le comptage parasite est donc de :

-3 +6.87. 10 coups/sec. - 12%.

Lorsque le tube à rayons X de'l MeV était en fonctionnement sous 700 KV. nous avons cons-taté une augmentation du bruit de 50 % env . on. Le régime d'utilisation de ce tube étant variable . nousavons préféré, par la suite . ne pas effectuer des comptages pendant son fonctionnement.

Lors d'une désintégration , la particule OC correspondante est émise dans une directionquelconque et pour un nombre suffisant de désintégrations, nous pouvons admettre que les directionsd'émission dont uniformément réparties dans 4 TT stéradians . Etant donné que nous ne pouvons espé-rer compter toutes les particules . nous devons définir l'angle f>*lide à l'intérieur duquel le comptage•era effectué. Ceci est obtenu à l'aide d'un canal cylindrique à tp .<g parallèles interposé entre la cou-che d'uranium et le cristal scintillateur (figure 14 ).

- 2D -

Le nombre de particules traversant le canal et incident sur le cristal sera

C = N —o

2 TNQ étant le nombre de désintégrations par seconde et par cm de couche emissive et -jt- un facteur de" géométrie " lié aux dimensions du canal. *

Dans notre cas , nous avons intérêt à choisir T aussi grand que possible , c'est à dire àutiliser un canal large et court. Le diamètre du canal est limité par la surface utile du cristal scintil-lateur et celle de la couche d'uranium, tandis que la longueur minimale du canal est dictée par des con-sidérations d'ordre mécanique. Nous avons choisi un canal d'un diamètre de 1,6 cm et d'une longueur de0,2 cm.

La formule de Kovarik , ci-dessous, permet de calculer la facteur de " géométrie " fi6l

5 , a > !"128 k '

avec a = rayon du canalh = hauteur du canal

a + h

On trouverait ainsi pour notre canal :

C » 0,6066 No

Mais pour que ce raisonnement nous donne le nombre de coups comptés , il faudrait quetoutes les particules admises par le canal , parviennent au cristal scintillateur et qu'elles possèdent en-core une énergie suffisante pour pouvoir être comptées.

On sait que la trajectoire des particules OC est toujours rectiligne , sauf en fin de parcourset qu'elle est limitée par les chocs avec les atomes de la matière traversée. La longueur du parcoursest fonction de l'énergie d'émission de la particule et généralement indiquée dans les tables comme par-cours dans l'air à température et pression normales ( TPN) ( T = 15"C ; P = 760 mm Hg ).

Nous avons ainsi les distances de parcours maximales, ft , des particules OC émisespar les isotopes de l'uranium

U234U235U238

m

* - ,

* . .

= 22

= 30

= 26

, 1 mm;

mm ;

,5 mm

Le parcours dépend de la matière traversée par la particule et . La règle de Bragg et Klee-man permet de calculer le pouvoir d'arrêt, A , d'un élément par comparaison avec celui de [l7,18]l'air TPN.

A = 3,15.103 '

f = densité ; M - masse atomique .

Si Tfi est le parcours dans l'air TPN , le parcours dans la substance effectivement traver-sée sera :

j

m ^ ^ a

Les valeurs obtenues par cette règle ne sont qu'approximatives et l'erreur peut atteindre+ 10 %.

- 30 -

ZnS

canalranium

J• / / / / / / •

bloc transpare nt

vers photomultiplicateur

Figure 14

ZnS

Figure IS

- 31 -

On peut donc dire qu'une distance R parcourue dans la substance est équivalente à une dis-tance AR parcourue dans l'air TPN. A priori m ceci n'est valable que pour la totalité du parcours.Nousavons cependant vérifié (voir plus loin ) que dans le cas qui nous intéresse on peut également appliquercette règle à une fracti-M du parcours total sans commettre une erreur trop importante. Dans ce cas,onpeut appeler A " parcours équivalent " puisque 1 cm parcouru dans 1& substance équivaut à A cm parcou-ru dans l'air TPN.

Avant de parvenir au cristal scintillateur, la particule OC doit traverser une couche d'airde 0,2 cm d'épaisseur puis une couche d'alumhiium de 2.10"* cm. L'angle d'émission de la par tic» Jesera à priori quelconque. Dans la figure 15, nous avons schématiquement représenté la disposition descouches d'air et d'aluminium dans le canal.

Soient h la hauteur de la couche d'air , e l'épaisseur de la couche d'aluminium et H et R1 lesdistances parcourues par la particule dans ces deux milieux. La distance totale parcourue par la parti-cule sera :

eR • R» = R (1 + T ~ )n

En exprimant cette distance par le parcours équivalent dans l'air TPN, nous avoua

W = A a i r R + A A l R 1 = R ( A a i r * l T A Al >

« 3,79.10" * -T— ; T en *K , P en mmHg.T

A ^ « 1,634. 103

-r * w3 'p

a = R < ~ • 4,31) 3,79.10"1

En supposant l'air à température et pression normales , il vient :

D * 2.634 R/ 2 2

La plus grande distance R permise par notre canal est R = y h + a » 16,125 mm, d'oùIft = 42,47 mm. Les distances de parcours maximales de nos particules OC sont toutes inférieures à

cette valeur. Toutes lea particules admises par notre canal ne seront donc pas comptées et ceci d'au -tant plus que la particule doit encore posséder une énergie suffisante pour donner lieu à une impulsioncomptée.

Pour pouvoir déterminer le coefficient de géométrie réel de notre canal et du cristal scintil-lateur associé il nous manque encore deux données. D'une part, l'énergie résiduelle que doit posséderla particule OC pour être comptée et . d'antre part . la répartition du nombre de particules suivant ladistance R parcourue entre l'émission et l'impact

L'énergie résiduelle de la particule peut être exprimée par la différence entre sa distancede parcours maximale et la distance déjà parcourue. Afin de connaître l'énergie résiduelle nécessairepour donner lieu à un comptage, il suffit donc de mesurer la distance entre cristal et uranium pour la -quelle aucune particule n'est plus comptée.

Afin d'effectuer cette mesure , nous avons réalisé un petit montage simple permettant de dé-placer une couche épaisse d'uranium (<>* 1000 A ) dans une direction normale & son plan. Le plan de lacouche d'uranium est parallèle à la surface du cristal et le mouvement eai obtenu à l'aide d'une vis aupas de 100. Nous avons ainsi relevé les comptages en fonction de la distance couche-cristal figurant dansle tableau 9 et la courbe de la Figure 16.

On voit que pour des distances supérieures à 26 mm le comptage est celui du bruit et l'on re-marque sur la courbe le changement de pente dû au comptage des particules lentes de l'u«38 q u i

tent à celles de l 'U , , . pour les distances inférieures à 20 mm.

- 34 -

Pour R * 26 mm la direction d'incidence des particules est normale au plan du cristal et ladistance totale est :

-326,0 mm dans l'air et 2.10 mm dans 1*aluminium.

Lors de l'expérience , la pression atmosphérique était de 771 mmllg et la température de22 *C.

TABLEAU 9 .

Distancemm

bruit

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Coups

5

760

686

612

543

461

394

680

550

408

330

Tempssec.

1000

200

200

200

200

200

200

400

400

400

400

Coupssec.

5.10"3

3.8

3,43

3,06

2,72

2 , 3

1,97

1,70

1,37

1,02

8,25.10'1

Distancemm

20

21

22

23

bruit

24

25

bruit

26

bruit

27

Coups

604

534

356

221

7

139

63

10

7

4

8

Tempssec.

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

Coupssec.

6,05.10"1

5;34.10"1

3,56.10"1

2,21.10"1

7.10"3

1.39.10"1

6.3.10"2

HT2

7.10"3

4 . l u " 3

8.10"3

Ceci nous donne un parcours équivalent total dans l'air TPN de

8R = 26 x 0,992 + 2.10"3 x 1, 634. 103

Pour U234

.= 29,1 mm

- 32,1 mm d'où , en admettant une erreur de + 0,5 mm dans nos mesuresde distance, le parcours résiâuel nécessaire pour le comptage :

*T0 = 3 mm + 0, 5.

Les distances maximales que peuvent parcourir les particules pour être comptées sont donc,exprimées en parcours d'air TPN et en parcours R dans l'air du canal :

234

235

238

29,1 mm

27 mm

23,5 mm

R =11,0 mmcR =10,3 mmcR =8,9 mm

c

Afin de vérifier si la règle de Bragg et Kleeman peut , sans erreur excessive , être appliquéeà des fractions de parcours , nous avons effectué trois autres séries de comptages en fonction de la dis-tance. Nous avons utilisé le même montage que précédemment mais les comptages étaient effectués a-vec une feuille d'aluminium supplémentaire placée soit contre l'échantillon d'uranium, soit contre la sur-face du cnstal. L'épaisseur de la feuille d'aluminium était de 7,4 jui m et a été déterminée par pesée d'u-ne feuille de 39 cm2 . La troisième série de mesures a été faite sans la feuille d'aluminium.

Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 10 et la figure 17. On remarque qu'enprésence de la feuille d'aluminium la distance au delà de laquelle il n'y a plus de comptage tombe à 14,2mm contre 25,8 mm en son absence. De plus, cette distance est sensiblement la même avec la feuilled'aluminium devant la source ou le cristal. 7,4 ^im d'aluminium sont donc équivalents à 25,8-14.2 «11,6 mm d'air.

- 35 -

Lors des mesures , la température était de 19"C et la pression atmosphérique de 755 mmHg,d'où A . • 0,980. Un parcours de 7,4 u m dans l'aluminium est donc équivalent à un parcours de 11,6z 0,980 F- 11,4 mm dan» I'RSF TPÏI.

Par extension de la règle de Bragg et Kleeman, on trouve un parcours équivalent à 12,1 mm.

La précision de notre mesure est de l'ordre de + 1 mm. La concordance entre la valeur me-surée et calculé est donc suffisante et justifie dans notre cas'l'extension de la règle de Bragg et Kleemaa

TNous avons ensuite calculé le facteur de géométrie -̂ jr, qui donne le nombre de particuleseffectivement comptées par rapport au nombre total de particules émises par la couche» Pour cela nousavons tenu compte du fait que seules sont comptées les particules ayant parcouru, entre leurs points d'é-mission et d'impact , une distance , R, comprise entre la hauteur , h, du canal et une valeur limite R .

c

avec

Le calcul donne l'équation

TTa2

AIT

S * 2

NIR + X

c

hT a S

al o«e

R + Xc XR

X• • • •

Rc

h 4 R +Xc

8192

175

2097152

luff

h 8)

a

3h2 R c

15h4 R c

_ 2 _ X5

15h c 105 h6 Rc

R +XcX 1 X3 2

R c 3h2 R c 15 h4 Rc

16

315h8

X—m

R

9

Vavec X • ^ Rc2 - II

pendice).a = rayon du canal h = hauteur du canal (voir le calcul détaillé en ap-

Pour notre canal { a = 0,8 cm , h=0,2 cm ) le calcul numérique, des cinq premiers termesde la série , donne les valeurs du tableau l i a l'aide duquel nous avons tracé la courbe de la figure 18.

Sur cette courbe , nous relevons les valeurs de **> correspondant aux R de chaque iso-tope d'uranium. Avec les valeurs de N correspondantes , cela nous donne le nombre cfe coups/sec,comptés pour chacun- d'eux.

Isotope

U

U

U

234

235

238U

naturel

N

•

11.

10.

8.

cmm048

25

92

411

0.6033

0.6002

0.5923

1.

5.

1.

o

3228.104

632.102

2274.10*

o

. 7.980.103

3.380.102

7.270.103

1.5588.10

- 36 -

TABLEAU 10.

Feuille d'aluminiumdevant la source

Feuille d'aluminiumdevant le cristal

Sans feuille d'aluminium

Distance mm

79

1011

1213

bruit

79

1011

1213

bruit

1820

2223

2425

bruit

Coups

224238

186144

15776

5

182195

156159

14082

9

234272

171157

21171

8

Temps

200400

400600

10001000

1000

200400

400600

10001000

1000

200400

400600

10001000

1000

Coups sec.

1,1200,5950,4650,2400,1570,0765.1O"3

0,9100,4870,3910,265

0,1400,0829.10"3

1,1700,681

0,4270,2620,2110,0718.10"3

TABLEAU 11.

R mmc

2

3

4

6

8

9

10

11

12

14

16,125

A ,cm

0

0,30043

0,43076

0,54009

0,58114

0,59302

0,59915

0,60310

0,60560

0,60799

0.60811

- 38 -

2 4Une couche de 1 g/cm d'uranium naturel donnera donc lieu à 1,5588 10 coups/sec, comptés.

Examinons maintenant l'influence des erreurs commises. En admettant une erreur de + 10%sur la valeur du pouvoir d'arrêt relatif de l'aluminium , A. . , et de + 0, 5 mm sur fe* , nous trou-vons a l'aide de la courbe -ZL* f ( R ) ( Fig. 18 ) une erreur de + 0,8% et 0.9% sur la valeur de C del'uranium naturel. Cette erreur est faible et, de plus toujours la même.

En supposant que la pression atmosphérique varie entre 745 et 775 mmHg et la températureentre 10 et 30*C , le pouvoir d'arrêt relatif de l'air varie de A • 0,931 à 1,002 , d'où une erreur surle comptage de • 0,13 % et - 0,01 %. L'erreur introduite par ltarvariations de densité de l'air ambiantest donc négligeable.

2Les couches d'uranium dont nous désirons déterminer la masse/cm ont évidemment une cer-

taine épaisseur et les particules O< émises à l'intérieur de la couche sont freinées par l'uranium lui-même . Le pouvoir d'arrêt relatif de l'uranium, donné par le calcul , est :

Av «3.81.103

En supposant que toutes les particules doivent traverser une couche de 1000 Â d'uranium,l'extension du calcul de f\ pour l'ensemble des couches d'air et d'aluminium (page 29 ) donne :

•R-RU+JL A . . + - J L Afî)h Al h U

*R= R 2,824 contre ft* R 2,634

sans absorption dans l'uranium. A l'aide de la figure 18 on trouve ainsi une diminution de comptage de-0,65 V Elle est d'autant plus négligeable que les lieux d'émission des particules sont uniformément ré-partis sur toute l'épaisseur de la couche et non pas tous situés en dessous comme nous l'avons supposépour simplifier. -De plus, nous n'effectuerons généralement pas de comptages de couches aussi épaisses.

En résumé , nous avons •

. coups'/secC -1,559.10* — + 1 %

O . 2 -g/cm

A cette erreur , il convient d'ajouter l'erreur statistique , fonction du nombre de coups, C,comptés , et ayant 90 % de chances de ne pas être dépassée

La validité de principe de la méthode étant établie, il nous reste à vérifier si les résultatsobtenus en pratique correspondent à nos calculs. Pour cela, nous devons comparer les résultats obte-nus par comptage OC a ceux obtenus par une autre méthode. Les comparaisons étant toujours plus faci-les lorsque les couches sont épaisses , nous avons tout d'abord vérifié la linéarité du comptage enfonction de l'épaisseur de la couche.

Pour cela , nous avons réalisé un montage permettant d'obtenir , en une evaporation, 9 cou-ches d'épaisseur différente et dont l'échelonnement est connu.

Ceci a été réalisé grâce au montage de la figuré 19. Son principe est basé sur la loi donnantla masse par cm2 condensée à partir d'une source ponctuelle en fonction de la distance entre source etlien de condensation.

m 2* masse/co déposée

•

M * masse évaporée

£ * distance source-support

L'évaporation est faite sur des lamelles de verre couvre objet de 22 x 32 mm. Les lamellessont numérotées de 1 à 9 et les distances, / utilisées, ainsi que les rapports théoriques entre les é-paisseurs et les erreurs basées sur une incertitude sur la distance de + 2 mm sont résumés dans letableau 12.

- 3 9 -

fi(«ttnent

19 -

- 40 -

La validité de la méthode suppose que la source est ponctuelle et que la pression est suffi-samment basse pour que la fraction des molécules déviée de la ligne droite reste négligeable.

Comme source , nous avons utilisé un filament de tungstène ( 0 =0 ,5 mm) droit compor -tant une petite goutte du métal à évaporer. Le diamètre de la goutte était de 2 mm au plus , donc négli-geable devant t . L'axe du filament était disposé suivant la normale au plan de la figure 19.

Nous avons ainsi réalisé deux séries de lamelles comportant des couches d'uranium d'épais-seurs échelonnées entre 25 et 1000 A et effectué les comptages correspondants.

TABLEAU 12.

Echantillon N*

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Distance mm

250

204

177

158

144

125

112

94,5

79

Rapports théoriques

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 ,4

0,5

0,7

1,0

Erreur %

+ 1,6

+ 2

+ 2,3

+ 2,5

+ 2,8

+ 3,2

+ 3,57

+ 4,2

+ 5,1

En prenant l'échantillon N° 9 comme référence nous en avons déduit les rapports mesurésentre les épaisseurs ou comptages des différents échantillons de la série (voir tableau 13 ).

Notre montage d'evaporation ne définit que les rapports entre les épaisseurs des couches.Nous ne pouvons donc comparer que les rapports mesurés et les rapports théoriques définis par le mon-tage. C'est ce que nous avons fait dans la figure 20 et le tableau 13. Les écarts constatés sont faibles.Le comptage est donc bien une fonction linéaire de l'épaisseur des couches entre 25 et 1000 Â.

Nous verrons dans ce qui suit qu'en tenant compte de l'adsorption d'air et en soignant parti-culièrement la mesure de la surface de la couche condensée , la pesée permet de déterminer l'épais -seur d'une couche d'uranium d'environ 1000 Â avec une précision de l'ordre de + 1,5 %. Nous avons uti-lisé de telles couches pesées pour vérifier le coefficient de comptage , C , déterminé par le calcul .Les résultats de la comparaison figurant dans le tableau 14. Les valeurs obtenues par les deux méthodesse recoupent à + 1,5 % ce qui vérifie parfaitement nos calculs.

Nous avons par la suite conservé quelques uns de ces échantillons pour une vérification rapidede notre montage de comptage OC , évitant ainsi des erreurs provenant d'un déréglage éventuel.

La détermination des épaisseurs par comptage OC est donc une méthode précise mais a s -sez longue. Il faut en effet compter pendant une heure environ pour obtenir 1000 coups avec une cou-che d'uranium de 100 Â . L'erreur statistique est alors de + 5 %. Pour une erreur statistique de +1,64%il faut compter 10.000 coups , soit pendant une journée de travail. C'est cependant cette méthode'quenous avons adoptée pour la mesure de l'épaisseur des couches d'uranium des écrans d'absorption X, carc'est elle qui nous permet d'obtenir la meilleure précision.

VII . - MESURES D'EPAISSEUR PAR PESEE DE LA MASSE CONDENSEE.

Le principe de cette méthode est extrêmement simple. Le support sur lequel la couche seracondensée est pesé avant 1' evaporation et après. La différence de poids mesurée est divisée par la sur-face de la couche condensée, d'où la masse /cm 2 déposée.

TABLEAU 13.

Echan-tillonn*

la

2a

3a

4a

5a

8a

7a

8a

9a

lb

2b

3b

4b

5b

6b

7b

8b

9b

bruit

Coups

1000

1000

2000

2000

2000

3000

1000

5000

5000

2000

2000

3000

3000

3000

5000

5000

5000

5000

Temps se 2.

10526

6623

10990

8438

7353

8043

6696

7899

5618

6324

4346

4765

4083

3264

4085

3241

2375

1665

Coup/sec,-bruit

0,088

0,144

0,175

0, 230

0,265

0,366

0,441

0,626

0,883

0,3095

0,453

0,629

0.734

0,912

1,218

1,536

2,096

2,993

7.10-'

Rapportsmesui'és

0,0997

0,161

0,196

0,258

0,296

0,409

0,493

0.7

1.0

0,1035

0,151

0,21

0.245

0,305

0,407

0,513

0,701

l.B

RapportsThéoriques

0,1

0,15

0.2

0,25

0.3

0.4

0,5

0.7

1.0

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0.4

0,5

0,7

1.0

Ecarts

-0,3%

+7,3%

-2%

+3,2%

-1.3%

+2.2%

-1,4%

0

0

+3.5%

+0.7%

+5%

-2%

+1.7%

+1.8%

+2.6%

+0,14%

0

Erreur decomptage+

montage

+ 6.8%

+ 7-2%

+ 6%

+ 6,2%

+ 8,5%

+ 6,2%

+ 6,6%

+ 6.3%

+ 7,4%

+ 5.3%

+ 5.7%

+ 5.3%

+ 5.5%

+ 5,-8%

+ 5.5%

+ 5,9%

+ 6.5%

+ 7,4%

Nous avons utilisé les mêmes lamelles de verre que précMemment et la surface de la cou-che condensée était comprise entre 5 et 5,7 cm2 . Cette surface (rectangulaire) est mesurée à l'aided'un réglet en verre gradué au 1/2mm, avec une précision de + 0,2 mm sur les dimensions linéaires soitde + 1,8% sur la surface. Les pesées sont effectuées à l'aide'd'une microbalance Mettler donnant despes'éea reproductibles à + 2.10-6 g%

L'uranium étant rapidement oxydé à l'air , nous avons préféré le platine pour nos pre-mières vérifications de la méthode. Nous avons donc , à l'aide du montage précédemment décrit, prépa-ré une série de 9 lamelles comportant une couche de platine.

Les résultats des pesées et les épaisseurs déduites figurent dans le tableau 15.

En prenant l'épaisseur mesurée de l'échantillon N* 9 omme référence , on en déduit lesrapports entre les épaisseurs mesurées. Ici encore nous ne pouvons comparer que les rapports mesu-rés et les rapports théoriques définis par le montage (voir figure 21 ).

On voit que plus les couches sont minces , plus l'écart entre les valeurs mesurées et théo-riques est grand. Aux écarts réguliers s'ajoutent des écarta irréguliers pouvant provenir d'un accidentsurvenu à 1* lamelle de verr» W s des manipulations. Une écaille de verre infime suffit en effet pourprovoquer une différence de poids sensible.

-43 -

TABLEAU 14.

Echantillon

Comptage coups/sec.

Masse / cm parcomptage

Erreur de comptage10.000 coups

Diff. de poids U g

2Surface cm

2Masse/cm pesée

Masse / cm-adsorption *

Erreur de pesée %

Ecarts entre lesmesures %

9b

2,99 *

1,920

1,64%

1,051.10"3

5,32

1,975.10"*

1,935.10"*

1.4%

0.8%

le

1,562

1,002.10"4

1,64%

5,53.10"*

5.313

1,041.10"*

1,001.10"4

1.7%

0.1%

2c

4.621

2,96.10"*

1.64%

1.708.10"3

5,62

3.040.10"*

3,000.10"*

1.25%

1,2%

3c

*,744

3,043.10"*

1.64%

1,883.10"*

5,375

3,503.10"*

3,463.10"*

1.2%

1.4%

4c

3.524

2,261.10"*

1.64%

1,177.10"*

5,42

2,171.10"*

.. 2,131.10"*

1.35%

0.6%

—6 2adsorption d'air sur le couches d'uranium <-x/ 4.10 g/cm .

Echantillon N*

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Différence depoids mesurée g

6.5.1O"5

9.10' 5

1.11.10"*

1,36.10"*

1,33.10"*

1.86.10"*

2.31.10"*

3.02.10**

4,22.10"*

TABLEAU

2Surface cm

5,675.19

5.455.7

5,585.665.33

5.445.19

15.

Masse/cmg/cm2

1.145.10"5

1,73.10"5

2.03.10"5

2.385.10"5

2,34.10"5

3,28.10~5

4.34.10"5

5.55.10"5

8.12.10"5

Epaisseur Â

5&

81

95

111

109

153

203

259

380

Rapportsmesurés

0,1440,213

0,2510,2940,2860.4030,5340,6821,0

- 45 -

On voit d'autre part que la différence entre les masses/cm théoriques et mesurées augmen-te d'abord lorsque l'épaisseur diminue puis reste sensiblement constante. Ceci est probablement dû àla structure accidentée de la couche et à l'adsorption d'air. La surface de verre étant presque parfaite-ment lisse, le gaz qui s'y trouve adsorbé avant l'évaporation peut être négligé. La masse/cm2 de l'é -chantillon N* 9 est de 8,12.10-5 g/cm2 , celle de l'échantillon N* 1 devrait donc être de 8 ,12 .10-6 g / c m

2

or nous avons mesuré 1.145.10"5 g/cm2 , d'où un écart de 3,3.10"6 g/cm2 .

2 8Une couche monomoléculaire d'air de 1 cm pèse /-»^ 5.10 g. La surface réelle de la cou-

che serait donc /^/66 fois plus grande que la surface apparente si l'on suppose l'adsorption d'une cou-che monomoléculaire d'air.

La diminution des écarts constatés lorsque l'épaisseur augmente peut provenir de ce que lacouche devient plus lisse lorsque la vitesse de croissance du dépôt augmente ou. plus simplement , dufait que nous avons pris le rapport mesuré égal à 1 pour l'échantillon N* 9.

En préparant de la même manière des couches d'aluminium nous devons trouver des écartssupérieurs à ceux constatés avec le platine par suite de l'oxydation superficielle de l'aluminium. Ceci aété vérifié à l'aide des mesures du tableau 16 dont les résultats ont été portés dans la figure 21. Les é-carts constatés sont du même genre que pour le platine , mais plus forts. Ainsi l'écart est de 6,6.10~6

g/cm 2 pour l'échantillon N* 1. (Afin d'être dans des conditions de pesée semblables, les couches d'alu-minium sont plus épaisses).

Les comparaisons faites à l'aide des rapports mesurés et calculés entre les épaisseurs desdivers échantillons ne sont pas abnlus puisque nous sommes obligés de supposer exacte l'épaisseur me-surée de l'un des échantillons.

N'ayant pas de moyens de vérification pour le platine et l'aluminium, nous avons utilisé deslamelles recouvertes d'une couche d'uranium.Une partie des deux séries de 9 lamelles dont nous nous som-mes servies pour la vérification de la linéarité du comptage OC avait été pesée avant et après l'évapora-tion. Pour la pesée, nous avons attendu que l'uranium soit complètement oxydé et déduit la masse d'ura-nium condensé du poids de UO_ mesuré. Nous avons ensuite comparé les résultats obtenus par comptageet par pesée ( Voir tableau 17 et Fig. 22).

TABLEAU 16.

Rfhantiii'Mi N*

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Différence depoids mesurée g

5.6.10"5

5.4.10"5

6,8.10"5

7,8.10"5

9,0.10"5

1,09.10~4

1.15.10"*

1.42.10"4

1.76.10"4

Surface cm

5,68

5,33

5,67

5,67

5,78

5,57

5,41

5,55

5,42

Masse/cmg/cm2

9.85.10"6

1,012.10"5

1.203.10"5

1,375. 10"5

1.555.10"5

1.737.10"5

2,125.10"5

2,56.10"5

3.25.10"5

Epaisseur Â"

365

375

448

509

576

644

788

948

1203

Rapportsmesurés

0,303

0,312

0.372

0,423

0,479

0.535

0,655

0,788

1.0

Ici encore on constate le même effet mais l'écart entre les valeurs oMenues par pesée et parcomptage OC reste de l'ordre de 4.10-6 g/cm? jusqu'à la couche de 1000 A.

En résumé, on voit que lorsqu'on cherche à peser des couches très minces , les résultatssont considérablement faussés par l'adsorption d'air. La masse d'air adsorbé est de l'ordre de 3-7.10"6

g/cm2 et l'erreur est d'autant plus grande que la couche est plus légère. Les pesées ne deviennent pré-cises que lorsque la masse d'air adsorbée est négligeable devant la masse/cm* de la couche. Dans ce

- 46 -

cas, la précision obtenue est de

m = masse totale de ' • couche pesée.

!+ (1 .8 + )%

En goigruui., particulièrement la mesure de la surface de la couche condensée, l'erreur peut6' -e réduite à -v + 1,5 % pour les couches de masse/cm2 plus grandes que 2.10"4 g/cm2 .

Pai- suite de son manque de précision pour les faibles épaisseurs qui nous intéressent , nousn'avons pas utilisé cette méthode.

VII, . - MESURES D'EPAISSEUR PAR PESEE DE LA MASSE EVAPOREE.

Ici encore le principe est très simple. Le filament comportant le métal à évaporer est peséavant et après 1'evaporation , et la distance entre filament et support de condensation est mesurée. Laloi de l'évaporation à partir d'une source ponctuelle nous donne alors la masse par cm2 déposée.

TABLEAU 17.

Echantillon N*

6a

7a

8a

9a

5b

s

(b

8b

9b

Masse/cmpesée

g/cm2

2,79.10"®

3,17.10~®

3,85.10"®

5,35.10"®

6.14.10*®

7.58.10"®

1,063.10"4

1,385.10"4

1.975.10"4

Masse /cmcomptéeg/cm2

.345.10"®

2,82.10"®

4,01.10"®

5,66.10"®

5,84.10"®

7,8.10"®

9,86.10"®

1,34.10"*

1.92.10"4

Différence g

4,45.10"6

3.5.1O"6

-1,6.10"6

-3.1.10"6

3.10"6

-2.2.10"6

7.7.10*6

4.5.10"6

5.5.10"6

Epaisseurcomptée Â

125,5

151

214,5

303

313

418

527

719

1055

La validité de la méthode suppose, en dehors des conditions déjà énumérées lors de la discus-sion de la méthode de mesure par comptage OC , que le métal soit uniformément évaporé dans Ajf sté-radians et que l'évaporation soit suffisamment lente pour qu'il n'y ait pas de projections brusques de par-ticules de métal fondu.

Ce dernier défaut peut être évité par l'évaporation lente à température modérée bien que ce-la ne soit pas toujours souhaitable du point de vue de la pureté de la couche obtenue. Le défaut de sphé-ricité de la source est par contre inévitable. Sur un filament rectiligne la goutte de métal n'est passphérique mais allongée dans le sens du filament. La surface évaporante est donc plus grande dans lesens perpendiculaire à l'axe du filament. Ce défaut est encore accentué dans le cas du filament 1 de lafigure 1, or , c'est ce type de filament que nous avons généralement utilisé car la position de la gouttey est bien définie.

Le support de condensation étant toujours placé dans une direction normale à l'axe du fila -ment, et dans le cas du filament 1 au dessus de l'ouverture de l'encoche, l'épaisseur de la couche conden-sée sera supérieure à la valeur déterminée par pesée de la masse évaporée.

- 4 8 -

Pour une couche d'uranium de 100 A condensée à une distance de 5 cm . on calcule une masseévaporée de 5.9.10~3 g. La pesée ne présente donc pas de problème et nous avons utilisé pour celaune balance Mettler d'une précision de + 2.10-5 g# La précision sur la masse évaporée est donc ~+ 0,7% . Ajoutons à cela une incertitude sur la distance de + 2 mm soit 4 % pour l = 5cm. L'erreur théo-brique totale sera donc de + 5 %.

Pour vérifier l'exactitude de la méthode , nous avons préparé quelques couches d'uranium,et avons comparé les résultats obtenus par pesée de la masse évaporée et par comptage oc .

La distance d'évaporation était uniformément de t - 5 cm, et le filament utilisé du typelde la figure 1. La quantité d'uranium déposée sur le filament était de l'ordre de 0,04 g.

Echantillon

1

2

3

4

5

Masseévaporée g

3,62.10"3

3.78.10"3

5.12.10"3

5.19.10*3

5.67.10"3

TABLEAU

Masse /cmcalculée

g/cm2

1.15.10"5

1.203.10*5

1.63.10"5

1,65.10'5

1.805.10"5

18.

Masse/cmcomptéeg/cm 2

1,47.10'5

1.57.10"5

1,983.10"5

2,11.10"5

2,24.10* 5

Ecart %

-28%

-30,3%

-21.5%

-28%

-24%

Epaisseurcompt ée A

79

84

106

113

120

Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 18.

On voit que la dispersion des résultats est de l'ordre de l'erreur prévue mais que les valeursmesurées sont trop faibles de 25 % environ.

Cette méthode est donc parfaitement utilisable sous réserve d'être étalonnée pour des condi-tions d'évaporation bien définies. Le filament , la masse de métal qui s'y trouve placée et la directiond'évaporation doivent toujours être les mêmes.

Dans ces conditions , cette méthode simple permet d'obtenir une précision suffisante dans biendes cas. Elle est en particulier supérieure à celle de la mesure de la masse condensée dans le cas decouches très minces.

Nous nous sommes beaucoup servis de cette méthode, en particulier pour les couches destinéesà l'examen par diffraction d'électrons et les couches de protection des écrans d'absorption X.

VIII . - PREPARATION ET PRESENTATION DES ECRANS D'ABSORPTION X D'URANIUM.

Nous avons vu que le support des écrans doit être peu absorbant et que les couches sandwichprotègent bien l'uranium. Les couches sandwich que nous avions préparées pour les vérifications de pu-reté par diffraction d'électrons ne peuvent pas convenir en tant qu'écrans d'absorption X. Elles sonttrop minces pour pouvoir être décollées et repêchées par la technique du sel gemme en d'aussi grandessurfaces.

L'absorption X due au support reste faible même si l'on utilise des couches de protection beau-coup plus épaisses. Aussi avons-nous utilisé des couches d'aluminium de / v 1000 A chacune, soit uneépaisseur totale de la couche sandwich de A/ 2000 A. La technique du sel gemme reste assez hasar -dense , même avec des couches aussi épaisses et nous avons préféré utiliser la technique mise au pointpar le service de Techniques Nucléaires du CE.A. Le procédé de condensation des cou- [20,21, 22]ches successives restant le même , les conclusions tirées des examens par diffraction d'électrons res -tent valables.

- 49 -

Une plaque de verre de 4 x 4 cm est recouverte d'une couche très mince et invisible de soudecaustique puis trempée dans un bain de polystyrène dissoute dans du chloroforme. La plaque est ensuitesortie du bain et séchée sous un épiradiateur. Une couche de polystyrène de 2-3 >jm est ainsi déposéesur le verre.

Deux filaments dégazés et comportant la goutte de métal à évaporer sont montés dans la clo-che à evaporation. Les filaments sont du type 1 de la figure 1 et le filament comportant l'aluminium aété auparavant pesé. Un cache disposé entre les filaments évite les dépôts réciproques.

La plaque de verre comportant le polystyrène est ensuite placée à une distance de 5 cm au-des-sus des filaments. Les bords de la plaque sont recouverts d'un cache et seule une surface de 2 x 2 cmreste découverte. Une partie du cache est constituée par une lamelle de verre couvre-objet de 22x32 mmqui servira ensuite à la mesure d'épaisseur de la couche d'uranium. Une deuxième lamelle couvre-objetest disposée à proximité. Elle servira à l'observation de la croissance du dépôt d'uranium.

-5 -2La cloche est évacuée jusqu'à une pression de l'ordre de 10 mmHg soit 1,3.10 barye, o»

qui nécessite un pompage de 4 heures environ.Après ce temps de pompage , on condense la première couche d'aluminium de 1000 A environ.

Pendant cette opération , la deuxième lamelle de verre est protégée par le cache manoeuvré de l'exté-rieur. L'épaisseur de la couche d'aluminium est estimée au dépôt sur la cloche en verre.

L'uranium est évaporée immédiatement après sous une intensité de courant de chauffage deAs 22 Ampères. Pendant de temps , le cache mobile devant la lamelle de verre est enlevé et l'épais-

seur d'uranium obtenue est estimée au noircissement de cette lamelle. La durée de i'évaporation d'ura-nium est de '"v/ 10 secondes.

La deuxième couche d'aluminium de 1000 A est déposée aussitôt après et de la même manièreque la première. Après la remise à l'air de la cloche , les bords de la couche de polystyrène sont cou-pés à l'aide d'une lame de rasoir, puis le polystyrène et la couche sandwich déposée par dessus, sontdécollés en trempant la plaque de verre lentement dans l'eau distillée. Pour cela , nous utilisons unpetit appareil représenté dans la figure 23. L'eau dissout la couche de soude caustique et pénètre ainsisous le polystyrène. La couche de polystyrène flotte sur l'eau et évite le contact direct entre l'eau et lacouche sandwich. La durée de l'opération de décollage est de 2-3 minutes.

L'ensemble eut repêché à l'aide d'une moitié du cadre représenté figure 24, puis mis dans undessicateur pour le séchage. Lorsque la couche est sèche le cadre est assemblé et l'écran prêt à l'em-ploi.

L'épaisseur totale des couches de protection est déterminée par pesée de la masse évaporée.

L'absorption des rayons X par les couches d'aluminium et la couche de polystyrène est faible.Pour 2000 A d'aluminium et 3 y m de polystyrène, on calcule les absorptions X suivantes :

Aluminium Polystyrène Ensemble

X= 3 A 0,65% 1 , 4 * 2%

A = 4 A 1 . 3 % 2,67% 4%

[8] [19]

L'absorption parasite est donc très réduite.

On pourrait supprimer la couche de polystyrène en la dissolvant dans un bain de chloroformeou de dioxane mais le gain sur l'absorption X serait faible. Par contre le bain pourrait attaquer la cou-che sandwich , ce qui est à éviter.

La lamelle couvre-objet qui était placée près de la plaque recouverte de polystyrène et quicomporte également une couche sandwich est utilisée pour la mesure de l'épaisseur d'uranium parcomptage de particules oc . La présence de la couche de 1000 A d'aluminium au dessus de l'uraniumn'est pas gênante car elle conduit à une diminution de comptage de -0,25 % déduite à l'aide de la figure18 et dont il est inutile de tenir compte.

- 50 -

pat 100

couch* à décoller

Figure 23

Figure 24

- 51 -

La durée de conservation des écrans n'eut pas comme avec précision. Les essais par diffrac-tion sont sans grande signification à cet égard car les couches de protection sont alors très minces etla couche sandwich est fortement déchirée. Seuls les examens par spectrographie X faits à intervallesréguliers peuvent nous donner des renseignements à ce sujet, or l'état d'avancement de ces travaux estencore insuffisant pour cela. Il semble néanmoins légiume de compter sur une durée minimale de conser-vation de 2-3 jours.

REMERCIEMENTS.

Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Mademoiselle Y. CAUCHOIS, Professeur à laSorbonne , qui m'a proposé le sujet de ce travail et m'a permis de le mener à bonne fin. Je la remercieégalement de tout l'intérêt qu'elle a bien voulu porter à cette étude et des conseils et encouragementsqu'elle n'a cessé de me prodiguer.

Je tiens à remercier Monsieur le Professeur G. A. BOUTRY qui a toujours suivi avec bien -veillance mon travail et m'a guidé de ses conseils.

Je tiens à remercier Monsieur E.GRISON, chef du Département du Plutonium du C.E.A. pourl'hospitalité dont je bénéficie dans son département et l'aide qu'il m'apporte , ainsi que ses collabora-teurs, en vue de l'extension de ce travail au cas du plutonium.

Je remercie le Commissariat à l'Energie Atomique qui a subventionné cette étude et dans lesservices duquel j'ai toujours bénéficié d'un accueil aimable et de conseils précieux.

Je remercie tous mes collègues du Laboratoire de Chimie Physiqne qui ont bien voulu m'aiderpar leurs conseils , ainsi que dans la réalisation de mes expériences.

APPENDICE

TCalcul de -r=- en fonction du parcours limite , R » dans le tianal.ta C

Soient, fig. I, h et a la hauteur et le rayon du canal cylindrique découpant respectivement lescercles A et B sur la surface emissive de particules OC et la surface du cristal scintillateur. Ces sur-faces sont supposées planes , parallèles entre elles et perpendiculaires aux génératrices du canal.

TNous cherchons le facteur de géométrie -jjr permettant de calculer le nombre de particulescomptées en fonction du nombre total de particules émises dans tout l'espace par unité de surface duplan A. Pour cela nous devons tenir compte du fait que seules sont comptées les particules ayant par-couru une distance , R, inférieure ou égale au parcours limite , R , défini au chapitre VU. 1. L'émis-sion des particules est supposée fcomogène , c'est à dire proportionnelle à l'aire de l'élément émissifet isotrope, c'est à dire uniforme dans tout l'espace.

Soit M un point quelconque de la surface A et soit R la longueur du segment de droite joignantce point à un point quelconque P de la surface B. Le point P ne peut correspondre à l'impact d'une par-ticule comptée , émise à partir du point M, que s ! R s « R . Pour cette raison et par suite de l'hypo-thèse d'isotropie , le nombre de particules OC émises à partir de M et comptées est proportionnel à l'an-gle solide XI de sommet M défini par 1* intersection de la surface B et de la sphère de rayon R . Lenombre de particules provenant de l'élément de surface ds, entourant M, et comptées par seconde estdonc : ;

* Sk. N ds avec4TT °

- 52 -

C * nombre de particules comptées par seconde.2

N = nombre de particules émises dans tout l'espace par seconde et par cm de la surface A.

L'angle solide élémentaire d eu de sommet M est donné par :

r d / dr cos 6du; =

ou en faisant le changement de variable :

r = 1/ R" - h r dr = R dR cos Q = *IV

h

= dR di

vLe nombre de particules oc émises à partir de l'élément de surface ds et comptées par le cris-

tal scintillateur est donc :

où comme le met en évidence la figure I :

R2 - h 2 £ a - c etIT si r = y2 1+ r

= Arc cos fiP"^1^""^2 c r 2 c U R 2 - h 2

y £2 1 2 2 2 _2 . 2 2

. c + r - a . c + R - h - a= Arc cos = Arc cos fiP"^1^""^^

2

Le système ayant la symétrie cylindrique , tous les points situés à égale distance c du centredu cercle A sont équivalents . Nous avons donc pour l'élément circulaire 2 IT c de de la surface A :

No

C 2 = —Air

h

Pour toute la surface du cercle A nous avons alors

•= + r

4* Jou en intégrant sur Y :

T « fC = — N = I 2ÎT c de / —— dR / d

T *41T / c de F T dRI I R

h'

Intervertissons l'ordre des intégrations c et R et partageons l'intégration en deux parties pourir compte du fait que :

- 53 -

F - Arc cosc2 + R 2 -h 2 -a 2a

^ «i c > a-r

Nous obtenons :

T - Ti + T2 -4ir

a. ^ R 2 - h 2

chdR / — — dc + 4 TT / dR

ch

a -

L'intégration suivant c donne :R

2tr2h( a - ) dR

2^_2 .2 2c +R -h -a

- h '

R

» r 2tr2 a Arc cos

.2 . 2

2 a

ia 1/ R2 - h2 K2-h2

1 -"4 a

d'où

T = 21T ha2 a

Arc cos iR2-h2

V R 2 - h2 2 2- h

1 -

4 a

2 a

dR

irque l'on peut écrire , avec Arc cos X *-"T~ - Arc sin Xz

dR

R R

/

c -<

_ L . dR -2TT ha /

. • • J4a

dR

R

T - 2 1T2 a2 ( 1 ) - 2 tT haR

Arc sin

2a A , \ R- - h_ Arc sin

2 a

- h"

2a

- 54 -

i R2 - h 2

1 -R

R2 - h2

4adR

En développant le terme entre parenthèses en série , et en intégrant selon R terme à terme.nous avons :

T = 21T V (1 ) - 2TThaSR

avec :R +Xc 1 h

R +Xc IX

"7"2~c 3h c

512 a

R + Xc

X

R

1 X

3h2 Rc c 15h R

5 h

8192 a

R + X5

X

R 3bT Rc c15 h4 R 10 5h

X

R

(-1(2p-5 ) I ( 2p-3

2 ( 6P " 1 0 ) (p-3 )f (p-2)

log e (R + X X

c

+ ( -1 )

(2 P . i )! h

p-2 )! ( p-1) ! Xv

(2p-2) ]

avec X

- 55 -

G. A. BOUTRY. Cours de Physique appliquée a n Industries d» vide et de l'électro- f 1]nique CM.A.M.

Y. CAUCHOIS. Absorption et Diffusion des Rayons X Ceatre de Doc.OniT. Paris. [2]

J. J.KATZ, E. RABINOVITCH. The chemistry of Uranium. Me Graw-Hill. M. Y. [3]

J.R. MURRAY. A. E.R.E. M/R 799. Harwell. Berks. Mi l . [4]

S.N. CHATERJEE. Acta Cryat .1958, U 10.67s.WC. [5]

S. DUSHMAN. Scientific foundations of vacuum tiilinh|ii - John Wiley and sons N. Y [6]

L. HOLLAND. Vacuum deposition of thin films. Cir i t»^ et Hall. London. [7]

Handbook of Chemistry and Physics. 39eme édition. Chemical Robber Publishing Co. h]Cleveland . Ohio. U. S. A.

R.C. NEWMAN, D.W. PASHLEY. Phil.Mag. 1955.J6.. 927.940. [fl]

American Society for Testing Materials. 1916 Race Street, Philadelphia, U.S. A. [lo]

P. PERIO. Rapport C.E. A. n* 363, 1955. [ll]

R. I. ACKERMAN Rapport A. N.L. 5482. [12]

Z.G. PDiSKER. Electron Diffraction. Butterwortha Scpubl. London, 1953. [13]

O. S. HEAVENS. Optical properties of thin solid films. Butterworths Se. PubL [14I• * H1955.

J. SHARPE, D. TAYLOR Mesure et détection des rayonnementi. nucléaires. Dunod. [15]PARIS 1̂ 58

A.F. KOVARIK, A.I. ADAMS. Phys.ReT. 1932, 4^,718.

H. YAGODA. RadioMctiye ueasurements with nuclear emulsions. J.Wiley and [ni

Sons. N.Y. 1949.

W.H. BRAGG, R. KLSEMAN. Phil. Mag. 1905. lfi. 6,318 [it]

B.NORDFORS. ArldT for Fysik, 1957, U, 48,547.589. [l9]

P. BARREAU. P. LEGER et eoU.J. phys.Bad. 1954, 15.4A-7A. [20]

P.GABJN. P. 7RUGNE. J. PhycRad. 1954,15,829^30. [21]

P. PRUGNE, J. BLANDIN-VIAL et coll. J. Phys. Bad. 1915. 16. 730-731. [22]