5.2 Les neutrons
5.2.4 Diffusion de neutrons aux petits angles (DNPA)
5.2.4.1 Mesures expérimentales
Les expériences de diffusion de neutrons aux petits angles (DNPA), que nous avons réalisées, ont été effectuées sur le spectromètre PACE au Laboratoire Léon Brillouin (site du CEA à Saclay). La longueur d’onde du faisceau de neutrons peut être sélectionnée dans la gamme 4 Æ l Æ 20 Å. Nous présentons ici le déroulement typique d’une expérience de diffusion. La figure 5.8 représente le schéma de principe du montage expérimental d’un spectromètre de diffusion aux petits angles.
Figure 5.8: Schéma d’un spectromètre de DNPA.
Les neutrons sont acheminés jusqu’au spectromètre, puis jusqu’à l’échantillon par les guides. Afin d’obtenir l’intensité diffusée par un échantillon dans une direction donnée, on procède expéri- mentalement de la façon suivante.103 Le monochromateur permet de sélectionner une longueur
d’onde et le collimateur de focaliser le faisceau vers l’échantillon. Les neutrons sont diffusés dans toutes les directions et sont mesurés par un détecteur situé à une distance D de l’échantillon. Le détecteur est constitué d’un capteur composé de fils placés dans une atmosphère de BF3 ou 3He, gaz qui permettent de capter les neutrons et de créer une différence de potentiel entre des
fils grâce à l’émission d’un rayonnement gamma.
Grâce à la relation ≠æq = ≠ækd ≠≠æki avec q = 4Pl .sin(◊), on relie l’angle ◊ de mesure au vecteur de diffusion. Ce vecteur va nous permettre de construire la courbe d’intensité émise par l’échantillon en fonction de q. Pour faire varier la valeur de q, on peut changer soit la longueur d’onde, soit la gamme de l’angle ◊ accessible qui dépend de la distance D. Les longueurs d’onde accessibles sont comprises entre 4 Å et 25 Å et la distance D peut varier entre 1 mètre et 4.7 mètres (sur PACE).
5.2.4.2 Traitement des données
L’intensité mesurée par le détecteur, que nous appellerons l’intensité brute ID, n’est pas unique- ment l’intensité diffusée par l’échantillon mais contient aussi des intensités parasites (émises par le solvant, bruit de fond,. . .). Il faudra donc en tenir compte lors du traitement des données pour obtenir une intensité absolue, ce qui nous permettra de comparer des échantillons différents.97, 104
On a :
ID(q) = C(l).T.e.sv(q) + BD+T .B(◊).C(l) (5.14) Où T est la transmission de l’échantillon, e son épaisseur, sv(q) est la section différentielle de diffusion par unité de volume (c’est le paramètre que l’on cherche à mesurer et qui contient les informations relatives à notre échantillon). BD est le bruit de fond du détecteur, B(◊) est la diffusion parasite et C(l) le paramètre du spectromètre qui a pour expression : C(l) = F0.S.—W.e, avec F0 le flux incident de neutrons, S la surface de l’échantillon, e l’efficacité du
détecteur et —W son angle solide.
unité absolue. Pour ce faire, on procède à plusieurs mesures complémentaires, sur un échantillon témoin, sur une cellule vide, sur de l’eau légère. On obtient alors l’intensité en unité absolue de la façon suivante : I(q) = (dsv dW)eau. ID(q) Techantillon´ .e´echantillon ≠ Itemoin´ (q) Tt´emoin.eechantillon´ Ieau(q) Teau.eeau ≠ Ivide(q) Tvide.eeau (5.15) Où (dsv
dW)eau est la section efficace de diffusion de l’eau légère à la longueur d’onde considérée. Les termes ID, It´emoin, Ieau et Ivide sont les intensités mesurées, les termes Techantillon´ , Tt´emoin, Teau et Tvide sont les transmissions et e´echantillon, et´emoin, eeau et evide les épaisseurs mises en jeu lors des différentes mesures complémentaires. Ici, l’indice témoin correspond à la cellule contenant le solvant employé pour solubiliser le diffuseur (copolymères), et l’indice vide correspond à la cellule vide employée lors de la mesure de l’eau.
L’intensité absolue, dont la forme théorique est I(q) = (—r)2.V
particule.F.P (q).S(q) est déterminée pour les différentes valeurs de q. Les tracés expérimentaux obtenus sont ajustés par des modèles adaptés. Cela nous permet d’extraire les informations recherchées dans notre échantillon. Lors de nos expériences, le facteur de forme utilisé, pour ajuster nos courbes expérimentales, est le facteur de forme de la chaîne gaussienne. La chaîne gaussienne correspond à une chaîne qui effectue une marche aléatoire dont le déplacement au carré moyen est proportionnel au nombre de monomères N et dont la longueur est égale à a. La distance entre les extrémités de la chaîne est nulle en moyenne mais sa distribution suit une loi gaussienne. L’expression du facteur de forme P (q) de la chaîne gaussienne est :
P(q) = 2(exp(≠q 2R2 g) ≠ 1 + q2R2g) q4R4 g (5.16) Où Rg est le rayon de giration du polymère.
5.2.4.3 Réglages expérimentaux
Lors de nos expériences de DNPA, deux configurations différentes ont été utilisées : une longueur d’onde lneutron = 4.5 Å avec une distance échantillon/détecteur D = 4.7 m, et lneutron = 4.5 Å avec D = 1.1 m. Cela nous a permis d’accéder à des vecteurs de diffusion dont la norme q est comprise entre 1.22 10≠2 Å≠1
et 0.36 Å≠1.
Les échantillons utilisés sont des solutions concentrées en chaînes de copolymères diblocs (PS- b-PAA) dont la partie PS est deutérée (r = 6.5 10≠6 Å≠2
) et la partie PAA est hydrogénée (r = 1.7 10≠6 Å≠2
). Nous rappelons que le copolymère est dissout respectivement dans un sol- vant polaire DMFH (r = 0.69 10≠6 Å
≠2
) et DMFD (r = 6.34 10≠6 Å
≠2
) afin de sonder chacune des parties PSD et PAAH séparément. Ces solutions ont été placées dans des cellules en quartz d’épaisseur intérieure 1 mm ou 2 mm.
Les intensités diffusées ont été corrigées par la soustraction du bruit de fond éléctronique du détecteur en mesurant le spectre d’un fort absorbant de neutrons qui est le cadmium, par la soustraction de l’intensité parasitaire diffusée par la cellule de quartz et par la soustraction et la normalisation par rapport à l’intensité diffusée d’un échantillon incohérent de référence qui est 1 mm d’eau légère.
Afin d’obtenir l’intensité diffusée à l’échelle absolue (cm≠1), les procédures standards de la cor-
rection de l’intensité brute, par le volume V de l’échantillon, la transmission T du faisceau de neutrons, la soustraction du signal de la cellule vide et la correction de l’efficacité du détecteur105
ont été réalisées en utilisant le logiciel Pasinet.106
Les différentes diffusions incohérentes étaient beaucoup plus élevées que la diffusion cohérente de l’échantillon dans le DMFH (~ 0.765 cm≠1) et pratiquement du même ordre de grandeur que la diffusion cohérente de l’échantillon dans le DMFD (~ 0.055 cm≠1). En conséquence, pour obtenir une diffusion cohérente avec des transmissions très précises et dont les barres d’erreurs restent raisonnables après la soustraction des différentes diffusions incohérentes, nous avons utilisé des temps de comptages relativement longs (~ 6 heures).