Microscopie électronique à balayage
Rendez-vous donc à 9h moins 10 au 5 de la rue Kessler, à Clermont Ferrand."Laboratoire magmas et volcans" de l'université d’Auvergne.
Le but : analyser au MEB une série de minéraux du Crozet, en vue de la rédaction d'un article pour "Le règne minéral".
Le Crozet, c'est la Loire, et pas l’Auvergne. du moins administrativement.
Mais ça reste les monts du bourbonnais, à cheval sur les deux régions.
Nous avons ici une vue d'ensemble du MEB. la chambre du microscope, au dessus la colonne qui emet et accelère les électrons, à l'arrière la bonbonne d'azote liquide, destinée à refroidir la diode d'analyse EDS.
La grosse bonbonne d'azote liquite (marquée PGT) destinée à refroidir la diode de la sonde EDS a disparu : cette sonde elle a été remplacée par un modèle plus récent et plus performant, refroidi par une plaque à effet Peltier (on peut se "contenter" de -30°C). cette sonde fait aussi de l'EBSD (possibilité - sur section polie - de faire de la cristallographie : déterminer un groupe spacial et l'orientation dans l'espace des divers cristaux).
Bertrand, très pédagogue, fait la présentation du matériel :
Vue de l'intérieur de la chambre :
Le détecteur auxiliaire sert pour la cathodoluminescence.
Il s'agit ici d'une microsonde. elle sert à réaliser des analyses quantitatives précises. elle fonctionne sur le même principe que le MEB, mais les échantillons doivent présenter une section polie et être revêtus d'une très fine couche - quelques nanomètres - de carbone (ou d'or) afin de les rendre conducteurs de l'électricité
Ici, une autre machine, basée sur le même principe :
Le MEB, c'est quoi ?
un faisceau d'électrons balaye un échantillon, placé dans une chambre sous vide d'air.
cet échantillon va renvoyer plusieurs types d'électrons qui seront récupérés par un capteur. Il y en a plusieurs types, qui serviront à recréer une image : ceux qui rebondissent, ceux qui sont réémis par l'échantillon après pénétration des électrons primaires (électrons rétrodiffusés).
ceux qui rebondissent et les rétrodiffusés ont des niveaux d'énergie différents, ce qui permet de les différencier au niveau des capteurs embarqués..
le MEB envoie un faisceau d'électrons primaire, et son capteur d'image est sensible aux électrons secondaires. il attaque l'accélérateur d'un tube cathodique (un téléviseur) qui balaye un écran , ceci de façon synchrone avec le balayage du faisceau d'électrons. cela recrée une vue détaillée du relief de l'échantillon
(y'a plus de tube cathodique aujourd'hui, c'est informatisé - mais le principe reste le même)
il en résulte une image monochrome : une surface qui tourne le dos au capteur ressortira plus sombre que la même surface orientée de front.
Pour se faire une bonne idée du principe du MEB, il suffit de placer un bout de papier alu sur une pièce de monnaie, et de la frotter du dos d'un ongle. l'alu, comme le MEB, enregistrera un relief.
deuxièmement, une surface contenant des éléments lourds rétrodiffusera plus d'électrons : les luminosités "de visu" seront faussées. prenons l'exemple d'une calcite (blanche ) sur galène (gris-noire)
La calcite ne contient que des éléments légers, et ne renverra (rétrodiffusera) que peu d'électrons : elle ressortira gris-sombre
alors que la galène, riche en plomb, rétrodiffusera beaucoup d'électrons, et ressortira très claire.
Deuxième application :
A une tension d'accélération donnée du faisceau d'électrons, tel élément emmétra des rayons X, et ce d'autant plus qu'il est présent en quantité.
c'est la base de l'analyse EDS : le capteur EDS recueille les rayons X émis.
Exemple :
On voit ici en mauve les pics d'émission du Baryum, en turquoise celui du soufre, en vert celui de l'oxygène. en turquoise également celui du silicium.
Etc.... pour tous les éléments.
PROBLEMES :
Les éléments légers sont mal ou très peu (voire pas du tout) détectés : le pic du carbone est souvent très petit, alors que cet élément peut être dominant dans la composition chimique. on ne peut détecter qu'à partir du Bore. Hydrogène, hélium et beryllium restent invisibles.
Le pic du plomb (quand cet élément est présent) masque beaucoup d'éléments, dont le soufre, le bismuth, le molybdène, et... : gros problèmes quand on a affaire à des sulfates de plomb, ou à des sulfosels.
Par exemple, c'est très difficile de faire la différence entre une leadhillite (plomb, sulfate, carbonate) et une hydrocerusite (plomb, carbonate) surtout si le carbone n'est pas très évident.
Quand, comme ici, les spécimens sont nichés au creux d'une géode, on ne peut pas savoir si les éléments détectés sont ceux contenus par le minéral analysé, ou ceux contenus par l'environnement. les électrons qui rebondissent vont aller exciter le minéraux environnants et polluer l'analyse : Ici, si le silicium est bien détecté, mais il fait partie de la gangue et n'entre pas dans la composition du minéral analysé (barytine)
Noter à gauche du silicium un pic non caractérisé : c'est celui de l'aluminium. cet élément pollue aussi les analyses car tous les échantillons à analyser sont calés par du papier alu, dans un plateau conducteur de l'électricité
C'est impératif pour éviter les accumulation d'électrons qui ne retrouvent pas l'anode. jusqu'au années 80-90 les échantillons devaient d'ailleurs être métallisés (= recouverts d'une pellicule d'atomes d'or ou de carbone, comme pour la microsonde) pour être rendus conducteurs - sinon ça ne marchait pas
Aujourd'hui on peut travailler en "low-vaccum" (= basse pression) : on ne fait plus le vide total (ou presque total), on laisse une faible quantité de gaz qui va aider les électrons à circuler jusqu'à l'anode.
ça a d'ailleurs pour inconvénient de rendre encore moins précise la focalisation du faisceau d'électrons, et donc moins précise l'analyse quantitative.
ça influe également au niveau de la définition de l'image : on peut difficilement dépasser des grossissements de quelques milliers de fois, alors que la machine est capable de beaucoup plus.
Les échantillons sont préparés dans un plateau conducteur de l'électricité (ici un plateau en plastique recouvert d'aluminium). et calés avec du papier alu.
Le déroulé de l'analyse :
Le plateau est photographié, et tous les échantillons sont repérés. sans ça c'est très difficile de retrouver le bon cristal une fois le plateau dans le MEB.
En effet au grossissement mini on cadre un champ de 3mm, et on voit en noir et blanc avec des luminosités faussées.
Pour visualiser les déplacements du plateau dans la chambre du MEB, on a l'assistance d'une caméra infrarouge (car il ne faut surtout pas aller toucher la tête du canon à électrons !)
Le poste de travail :
A gauche, le pilotage du MEB et l'acquisition d'images. sur l'écran du milieu, le pilotage de la sonde EDS, et les spectres d'analyse.
l'écran éteint, c'est la caméra infrarouge (qui ne peut fonctionner simultanément avec l'acquisition d'images).
sur mon PC portable, la photo de l'échantillon analysé, histoire de voir à quoi il ressemble en vraies couleurs (ça aide beaucoup pour les diagnoses)
Texte et photos: Pascal Chollet http://www.mindat.org/user-10947.html#2_0_0_0_0__