Diffusion du rayonnement X pour la caractérisation de la rugosité superficielle : validation, analyse expérimentale et application à l'étude de matériaux utilisée en métrologie des masses

par Elise Tollens

Thèse de doctorat en Lasers, métrologie et communications

Sous la direction de Marc Himbert.

Soutenue en 2008

à Paris, CNAM .


  • Résumé

    Elements of the vectorial scattering theory of electromagnetic waves have been exposed in this thesis, for an application to the caracterisation rough of metallic surfaces. This theory links, by way of an optical factor Wii(q), angular repartition of intensity scattered by a rough surface to its power spectral density of surface roughness (PSD). Scattering in rocking curve is compared to the theoretical optical factor, and shows an aggrement between relative intensities of the scattering wings. A shift of angular position is nethertheless noticed between these maximas. We experimentally show it is correlated to a decrease of electronic density of superficial layers of the rough material and proposose to use an effective refactive index, weighted average of refractive index of the material and that of the air, to fit better experimental scattering. This work also shows an important underestimation of the surface RMS roughness, in the only case of determination by scattering. We then propose an autocorrection method, relying on specular reflexion measurements. X –ray PSD then corrected, measured for four different surfaces (different material and different roughness) are thus compared to PSD measured from scattering at (comparison of scattering at l= 0. 154 and 633 nm). Results reveal a good aggreement, especially for the smoother surfaces. X-ray scattering is then applied to the study of rough irido-platinum (reference material used in mass metrology) obtained with differents polishing procedures. X-ray reflectometry represents here a usefull tool : the three measurements modes gathered helping to discriminate effects of the polishing on the surface or in volume.

  • Titre traduit

    X-ray scattering for surface roughness characterisation : experimental analysis and application to study materials used in Mass Metrology


  • Résumé

    Des éléments de la théorie vectorielle de la diffusion sont développés pour une application à la caractérisation de rugosité de surfaces métalliques. Cette théorie relie, via un facteur optique, la répartition angulaire de l’intensité du rayonnement diffusé par une surface à sa densité spectrale de puissance (DSP). En mode rocking curve, le facteur optique calculé reproduit fidèlement l’intensité des deux maxima (pics de Yoneda) de l’indicatrice de diffusion. Un écart angulaire entre leurs positions théoriques et expérimentales a néanmoins été observé. Par vérification expérimentale, il a été corrélé à une diminution de la densité électronique des couches superficielles en présence de rugosité par rapport à un matériau massif. L’introduction de la notion d’indice effectif de la couche rugueuse (pondération air –matériau) permet alors de mieux approcher les mesures. Ce travail a également permis de mettre en évidence une importante sous estimation de dRMS déterminé à partir de la seule composante diffuse. Une procédure de correction autosuffisante a été mise au point (sur la base des mesures de réflexion spéculaire) puis validée par comparaison des DSP X et visibles (l = 0,1540 et 633 nm) pour quatre matériaux de différentes nature et rugosité. Les résultats ont montré un bon accord, notamment pour les échantillons les moins rugueux. Enfin, la diffusion du rayonnement X a été appliquée à l’étude de surfaces en Platine Iridié (matériau de référence pour la métrologie des masses). L’apport de la réflectométrie X s’avère alors très important puisqu’il permet en combinant trois modes d’analyse, de discriminer les effets du polissage en surface et en volume

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Informations

  • Détails : 1 vol. (151 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 145-151

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  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : Th A 621
  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th A 621 double
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