Chapitre III : Présentation des dispositifs expérimentaux
3. Dispositif expérimental de LII pour l’étude des flammes basse-pression de méthane
3.3. Correction des spectres acquis et détermination des fonctions de transmission des dispositifs
3.3.1 Matériel utilisé et principe
L’utilisation des diverses optiques et appareils pour la collecte d’un signal entraîne une déformation du signal original recherché. Dans notre cas, la caméra utilisée, couplée au spectromètre, a une réponse différente suivant la gamme spectrale étudiée, et l’utilisation d’optiques telles que les lentilles ou le hublot de collection peut également induire une déformation des spectres acquis. La fonction de transmission du dispositif de collection (correspondant au rapport du spectre mesuré sur le spectre théorique) doit ainsi être déterminée afin d’effectuer la correction des spectres obtenus.
Pour ce travail, nous avons utilisé une source lumineuse spécifique appelée sphère d’intégration (SphereOptics CSTM-LR-6-M), présentée Figure III-17. Elle est constituée d’une lampe insérée dans une sphère à l’intérieur de laquelle un revêtement blanc lambertien diffuse la lumière de manière isotrope. Une partie du rayonnement émis par cette lampe, positionnée à la place du brûleur, est envoyée via un orifice de sortie vers la chaîne de détection. Un spectromètre étalonné (SphereOptics SMS 500) est directement relié à cette sphère afin de mesurer le spectre d’émission de la lumière envoyée par la sphère (spectre de référence).
Figure III-17 : Présentation de la sphère d'intégration.
La température de la lampe peut être sélectionnée (~3200 K). Le spectre d’émission de la sphère, correspondant à un spectre de corps noir à la température de la lampe, peut alors être acquis par notre dispositif expérimental. Ce travail doit être fait dans les mêmes conditions que celles utilisées pour enregistrer les spectres d’émission des suies, en particulier concernant la fente d’entrée du spectromètre et le nombre d’accumulations effectuées par la
Simultanément le spectre de référence de la lampe est mesuré grâce à un spectromètre étalonné relié à la sphère. La réponse spectrale de notre dispositif de collection peut ainsi être déduite du rapport de ces deux spectres enregistrés. En effet, le spectre d’émission enregistré par notre système de détection est relié à ce spectre de référence selon la relation :
Equation III.8 La Figure III-18 présente la déformation spectrale induite par les divers éléments constituant la chaine de détection :
X
=
Figure III-18 : Effet de la dégradation spectrale par la fonction de transmission du dispositif de collection. (a) spectre émis par la lampe, (b) fonction de transmission du dispositif, (c) spectre déterminé par notre dispositif.
D’un point de vue technique, il est nécessaire de passer par un rééchantillonage des deux différents spectres pour pouvoir réaliser ces produits de fonction. Une fois la fonction de transmission déterminée, le rapport spectre expérimental / fonction de transmission permet la détermination du spectre original. Un exemple de correction d’un spectre d’émission d’incandescence induit par laser enregistré à 44 mm dans la flamme de richesse Φ=2.32 et à une pression de P=200 torr est présenté Figure III-19. Notons que la correction du spectre d’émission des suies à des longueurs d’onde inférieures à 400 nm n’a pas pu être réalisée du fait de la gamme spectrale d’émission (400-1300 nm) de la lampe de calibrage. Les deux bandes observables sur le spectre corrigé Figure III-19 (b) correspondent aux bandes de Swan caractéristiques de l’émission de , situées à 473,7 et 516,5 nm, issues de la sublimation des particules de suie. L’énergie laser utilisée pour la chauffe des suies pour l’obtention des spectres d’émission (0,15 J/cm²) a ainsi été sélectionnée de façon à limiter la sublimation des particules, en vérifiant de manière visuelle le seuil d’apparition de ces bandes.
Figure III-19 : Correction des spectres par la fonction transmission. (a) spectre brut, (b) spectre corrigé (ϕ = 2,32 / P = 200 torr / HAB = 44 mm)
3.3.2 Détermination des fonctions de transmission des dispositifs
expérimentaux de LII
L’objectif principal est ici de déterminer la fonction de transmission des deux dispositifs expérimentaux utilisés pour les études par incandescence induite par laser, à savoir le dispositif utilisant le photomultiplicateur et celui utilisant le spectromètre et la caméra.
Dispositif d’acquisition des spectres (spectromètre et caméra)
Le cas de la fonction de transmission du dispositif caméra nous offre deux possibilités. La première est de considérer que la fonction de transmission globale du dispositif expérimental correspond au produit des fonctions de transmission des divers éléments constitutifs de la chaîne de détection (lentilles, spectromètre et caméra) données par les constructeurs. La Figure III-20 présente la déformation d’un spectre de référence (dans ce cas issu de la sphère) par les divers optiques jusqu’à l’obtention du spectre mesuré expérimentalement.
Figure III-20 : Schéma démonstratif de la déformation spectrale par les diverses optiques de la chaine de
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 s ig n a l (u .a .) Longueur d'onde (nm)
(a)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 400 450 500 550 600 650 s ig n a l (u .a .) Longueur d'onde (nm)(b)
spectromètre utilisé Caméra ICCD Lentilles de collection 0 2 4 6 8 10 12 14 16 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 200 300 400 500 600 700 x x 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 300 400 500 600 700 = Spectre mesuré Spectre de référence Sphère d’intégration x 0 5 10 15 20 25 30 200 300 400 500 600 700 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 350 450 550 650 750
La fonction de transmission du dispositif peut aussi être obtenue expérimentalement grâce à l’utilisation de la sphère d’intégration, d’après le principe présenté Chapitre III.3.3.1. La Figure III-21 présente les courbes obtenues d’après les deux méthodes. Une différence notable entre les fonctions de transmission obtenues par les deux méthodes est observable. Nous attribuons cette différence aux données des constructeurs qui correspondent pour certains éléments du système à des données moyennes pouvant donc présenter des divergences avec les éléments utilisés expérimentalement.
Figure III-21 : Fonction de transmission du dispositif caméra.
Nous avons ainsi choisi de travailler avec la fonction de transmission déterminée expérimentalement pour la correction de nos spectres d’émission.
Dispositif d’acquisition des signaux de décroissances temporelles (PM)
Pour l’obtention de la fonction de transmission totale du dispositif optique associé au photomultiplicateur, il a été nécessaire d’intercaler dans la chaîne de détection un spectromètre. Or la collection des signaux LII en condition expérimentale a été réalisée sans ce spectromètre (Figure III-14). Il a donc fallu diviser la fonction de transmission ainsi déterminée par la fonction de transmission du spectromètre additionnel. Pour ce faire, nous n’avons eu d’autre choix que d’utiliser la fonction de transmission du spectromètre donnée par le constructeur.
Les fonctions déterminées via les deux méthodes précédentes sont à nouveau confrontées sur la Figure III-22. Une différence est toujours observable, suivant les raisons expliquées précédemment. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 s ig n a l (u .a .) longueur d'onde (nm)
produit des valeurs constructeur fonction de transmission mesurée 1
0 0,5
Figure III-22 : Fonction de transmission du dispositif d'acquisition des décroissances temporelles.