Description
L'analyseur K-Edge/XRF hybride est conçu pour identifier et quantifier simultanément plusieurs éléments lourds dans des échantillons homogènes liquides ou solides. Il permet d'obtenir des précisions de mesure similaires à celles des méthodes d'analyse chimique destructives, tout étant beaucoup plus simple et plus rapide d'utilisation. L’instrument développé chez KFK Karlsruhe1 est commercialisé sous licence par Mirion.
Le système est constitué d’un densitomètre K-Edge (KED) standard augmenté d'une fonctionnalité pour l’analyse simultanée de la fluorescence des rayons X (XRF) induits, comme indiqué à la Figure 1. Il comprend un tube à rayons X, deux détecteurs LEGe™, une électronique NIM standard de spectrométrie et un ordinateur pour l'acquisition, l’analyse et l’affichage des données. Les analyses KED et XRF peuvent être effectuées simultanément ou individuellement sur un seul échantillon ou sur des échantillons séparés, en fonction de l'application et de la précision souhaitée.
Les mesures KED peuvent être réalisées sur des échantillons à un élément simple (comme Th, U ou Pu) ou doubles (comme Th/U et U/Pu). Un faisceau hautement collimaté provenant du tube de rayons X passe à travers la fiole contenant environ 2 ml d’échantillon. Au niveau de l’énergie K-Edge spécifique à l'élément, l’atténuation change brusquement lorsque cet élément est présent dans l’échantillon (Figure 2). L’énergie à laquelle ce phénomène se produit définit l’élément et l'amplitude de cette atténuation est une mesure de la concentration de l’élément dans l’échantillon.
Un autre faisceau de rayons X provenant du même tube de rayons X est utilisé pour l’analyse XRF. Ce faisceau induit l’émission de rayons X K caractéristiques des éléments lourds présents dans la solution. Les intensités de ces rayons X induits permettent de déterminer leurs concentrations relatives.
La précision obtenue avec des concentrations d’éléments lourds en solution supérieures à 50 g/l est meilleure que 0,5 % (à un sigma) pour un temps de comptage de 20 minutes 2 . Pour des analyses encore plus précises (mieux que 0,5 %), des fioles d'échantillon en verre avec des dimensions maîtrisées sont recommandées.
Une mesure XRF autonome est préférée pour l’analyse d’échantillons solides très denses ou pour des échantillons liquides de faibles concentrations. L’analyse XRF utilisant des rayons X K énergétiques fournit une précision meilleure que 1 % pour des concentrations supérieures à 1 g/l, et de 10 % à 0,05 g/l. La limite de détection est de 0,01 g/l avec un temps de comptage de 20 minutes.
Des échantillons contenant plusieurs éléments lourds peuvent être mesurés dans le mode KED/XRF combiné. Dans ce mode, la voie XRF détermine les rapports d’éléments, alors que la mesure KED donne la référence pour la détermination des concentrations absolues. L’analyse combinée KED/XRF d’une solution U/Pu avec un rapport de concentrations de 1/1 000 donne une précision de 0,1 à 0,2 % pour la concentration de l’élément principal (100 g/l) et une précision de 0,7 % pour la détermination du rapport.
La méthode K-Edge hybride s’applique idéalement aux usines de retraitement des combustibles nucléaires. L’utilisation des rayons X K d’énergie plus élevée (par rapport aux rayons X L utilisés par d’autres techniques XRF) rend possible l’irradiation de l’échantillon et la détection des rayons X à travers les parois en acier inoxydable de la boîte à gants. La réduction du volume de l’échantillon jusqu’à une valeur de l’ordre de quelques millilitres et l’utilisation d'un tube rayons X haute puissance (3 kW) assure un bon rapport signal sur bruit, même dans le bruit de fond gamma très élevé généré par les solutions de dissolution. Le même instrument peut également être utilisé pour le contrôle procédé.
Sa simplicité opérationnelle et sa vitesse d'analyse font de l'analyseur K-Edge/XRF hybride l’instrument de contrôle idéal pour les laboratoires de vérification des quantités de matière pour les applications de non-prolifération (Safeguards).
