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Etude Structurale et Dynamique de Solutions de Sucre Confinées

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par Gérald LELONG
Université d'Orléans - Thèse 2007
  

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2.2.1.2. Conditions expérimentales

Les expériences de QENS ont été réalisées au NIST National Center for Neutron Research (NCNR) sur deux spectromètres: le spectromètre à temps-de-vol appelé disk chopper time-of-flight spectrometer85 (DCS) et sur le high-flux backscattering spectrometer86 (HFBS), qui est un spectromètre à rétrodiffusion. Dans les deux cas, les solutions ont été placées dans des porte- échantillons cylindriques en aluminium présentant un espace annulaire de 0,1 ou 0,44mm, scellés, et placés dans un cryostat dans lequel la température est régulée à #177; 1K.

Les expériences sur le DCS ont été réalisées à 280 K avec une longueur d'onde incidente de 6 Å (0,25 < Q < 1,93 Å-1). La résolution en énergie et la normalisation en intensité ont été déterminées à partir de la mesure d'un cylindre creux de vanadium réalisée dans les mêmes conditions que celles utilisées pour les échantillons. La résolution instrumentale a été estimée à 55j.teV à partir de la largeur à mi-hauteur du pic élastique du vanadium.

Les expériences sur le HFBS ont été réalisées à 280 K avec une longueur d'onde incidente de 6,27 Å (0,36 < Q < 1,52 Å-1) pour une résolution instrumentale de 1,2j.teV. La fenêtre de transfert énergétique est de #177;36j.teV.

Nous avons mesuré sur ces deux spectromètres:

Un spectre de diffusion du vanadium,

Un spectre pour chaque porte échantillon en aluminium vide (0,1 et 0,44mm), Les échantillons à 280K (Tableau 4).

La durée d'acquisition moyenne de chaque spectre était de 12 heures pour le DCS et de 24 heures pour le HFBS. La dénomination d-glc correspond à un D-glucose sur lequel les hydrogènes non- échangeables ont été substitués par des atomes de deutérium (C6D7H5O6). De la même manière, h-glc correspond à un D-glucose sur lequel les hydrogènes échangeables ont été échangés par des deutériums (C6D5H7O6).

Tableau 4: Tableau récapitulatif des conditions expérimentales pour les échantillons mesurés sur le DCS et le HFBS. (d-glc: C6D7H5O6; h-glc: C6D5H7O6)

2.2.1.3. Traitement des données expérimentales

Durant une expérience de diffusion, et plus particulièrement dans le cas des spectromètres TOF et BS, nous mesurons le nombre de neutronsn(t) diffusés pendant le temps T par l'échantillon, détectés dans le canal correspondant au temps de vol t et de largeurt, par un détecteur placé à un angle B et couvrant un angle solide A

d t

2 B ( , )

n t T A t

( ) .

= i

0 d dt

où:

= 0 est le flux de neutrons incidents,

i est l'efficacité du détecteur,

A est un facteur qui prend en compte l'absorption de l'échantillon,

est la section efficace de diffusion en échelle de temps-de-vol.

d t

2 ( , )

B

d dt

.

La section efficace de diffusion en échelle de temps-de-vol d2B(, t) ddt donne accès à la section efficace de diffusion en énergie d2B(,) ddt *, qui est proportionnelle au facteur de structure S(Q, E) qui nous intéresse.

* La section efficace de diffusion en échelle de temps-de-vol d2B(, t) d.dt et la section efficace de diffusion

d d t dt

2 2

B ( , ) 1 ( , )

B

.

d dE d dt dE

. .

?

en énergie d2B(,) d.dE sont liés par la relation suivante:

2

m nD

2

t

2 ( )

? E E

0

détecteur par l'expression

oùmn est la masse du neutron.

dt dE peut être déduite de la relation qui lie le temps de vol t à la distance D séparant l'échantillon du

L'objectif est donc d'obtenir le facteur de structure dynamique S(Q,E), qui contient toute

l'information du système, à partir des données brutes mesurées expérimentalement, c'est-à-dire à partir de n(t). Pour ce faire, un traitement en plusieurs étapes des données expérimentales a été réalisé à l'aide de la série de programmes DAVE développée à NIST.87

2.2.1.3.1. Normalisation au moniteur

Le flux 00 pouvant être fluctuant, et les durées de mesures T plus ou moins longues, il est

indispensable de rapporter les spectres au même nombre de neutrons incidents pour pouvoir les
comparer. Tous les spectres sont donc normalisés par la grandeur 00.T , qui représente le nombre de

neutrons effectivement reçus par l'échantillon.

2.2.1.3.2. Soustraction de la cellule vide

L'aluminium est utilisé de manière courante dans la fabrication des instruments de neutronique

parce qu'il ne donne pas ou très peu de diffusion incohérente (inc= 0,0082 barn). C'est la raison pour

laquelle, la plupart des porte-échantillons pour ces types de spectromètre sont en aluminium. Néanmoins, bien que le signal du porte-échantillon soit purement élastique, de la diffusion incohérente « parasite » provenant d'impuretés peut apparaître et fausser nos mesures. Afin de s'affranchir de tels problèmes et d'extraire le signal de la solution (DS), on soustrait au signal de diffusion (DS+EC) le signal de la cellule vide (DEC) accompagné d'un coefficient A qui prend en compte la transmission de l'échantillon:

DS = D S+EC -- A.DEC (Eq. 1)

La transmission des échantillons a été calculée à partir des sections efficaces cohérentes et incohérentes du solvant et du soluté. Les transmissions étant toutes supérieures à 0,9, nous avons considéré comme négligeable les diffusions multiples. (Tableau 5)

Tableau 5: Tableau récapitulatif des épaisseurs et des valeurs des transmissions pour les différents échantillons utilisés

2.2.1.3.3. Normalisation au vanadium

Les détecteurs ne présentent pas tous la même efficacité et afin de rétablir une bonne homogénéité, il convient de normaliser les spectres par le signal obtenu par un échantillon de vanadium, qui est un diffuseur purement incohérent. De cette manière, tous les détecteurs présenteront la même efficacité après correction.

2.2.1.3.4. Regroupement

Les spectres de diffusion obtenus au niveau de chaque détecteur ne présentent pas toujours une statistique suffisante pour être exploitable, et il est courant de sommer les spectres sur des groupes de détecteurs situés dans une même région de l'espace. Dans notre cas, le nombre de groupes s'élève à 16, et ce sont ces spectres regroupés que l'on analysera par la suite.

Toutes ces étapes nous ont donc conduit à déterminer le facteur de structure dynamique S(Q,E). Les représentations tridimensionnelles des fonctions de diffusion S(Q,E) pour les échantillons dglc+H2O, 1:20 et d-glc+H2O, 1:55 mesurés sur le DCS sont présentés en figure 13.

Figure 13 : S(Q,E) en fonction du transfert d'énergie E et du transfert de moment Q pour les échantillons dglc+H2O, 1:20 (gauche) et d-glc+H2O, 1:55 (droite) obtenus sur le spectromètre à temps-de-vol DCS.

La figure 14, quant à elle, présente une coupe de ces mêmes fonctions de diffusion pour une valeur de Q donnée, ici pour Q= 0,97Å-1. Une coupe similaire a été réalisée sur les fonctions de diffusion des échantillons h-glc+D2O, 1:20 et h-glc+D2O, 1:55, obtenues sur le HFBS pour Q=0,36Å-1.

H

0

2

T = 280 K Q = 0,97 Å-1

0,05

(b)

D

0

2

T = 280 K Q = 0,36 Å-1

1:20

0,04

1:20

20

0,03

15

0,02

10

0,02

5

1:55

0,01

1:55

0

0

(a)

25

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

E (meV)

-0,01 -0,005 0 0,005 0,01

E (meV)

Figure 14 : (a) Spectres obtenus sur le DCS pour le d-glc+H2O, 1:20 (rouge) et d-glc+H2O, 1:55 (bleu). (b) Spectres obtenus sur le HFBS pour le h-glc+D2O, 1:20 (vert) et h-glc+D2O, 1:55 (violet).

Une première analyse visuelle de ces coupes nous montre un effet significatif de la concentration en sucre sur l'intensité et la largeur à mi-hauteur des spectres, et ce aussi bien sur le spectromètre à temps de vol (DCS) que sur le spectromètre à rétrodiffusion (HFBS), qui présentent pourtant des résolutions très différentes.

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La Quadrature du Net