Développement du dispositif

3.2.1 Couplage à la chambre

Pour rappel, la CSA est un cylindre constitué par quatre tronçons en pyrex qui disposent chacun d’ouvertures en haut et en bas (voir Figure 39). Le réacteur est fermé à ses extrémités par deux flasques qui supportent les voies d’analyse IR et UV-Visible ainsi que les dispositifs d’injection des composés. Pour l’installation de la technique IBB-CEAS, deux options s’offraient à nous :

- Une installation dans la longueur, en utilisant comme support les flasques déjà existants ce qui aurait permis d’avoir une cavité optique avec une longueur de base de 6 m et une mesure intégrée sur toute la longueur du réacteur. Cette option n’a pu être mise en œuvre en raison de l’encombrement des flasques.

- Une installation transversale, en utilisant les ouvertures coaxiales sur un des tronçons du réacteur comme le montre le schéma actualisé et présenté en Figure 39. Dans ce cas, la mesure est moyennée sur la largeur de la chambre, à savoir 45 cm. Cette deuxième option permet un réglage optique des miroirs plus simple par rapport à la première option dans laquelle ces derniers seraient distants de 6 m. C’est cette option que nous avons retenue.

Figure 39 : Schéma simplifié de la CSA actualisé après l’installation de la technique IBB-CEAS

3.2.2 Choix des composants

La Figure 40 représente un schéma plus détaillé du dispositif expérimental mis en œuvre.

La technique IBB-CEAS est constituée d’une source, d’optiques de transfert, d’une cavité hautement réfléchissante et d’un détecteur. Pour un développement optimal, le choix des composants a été réalisé en collaboration avec l’équipe de Daniele Romanini et Guillaume Méjean du LiPhy, Université Grenoble Alpes, qui ont une grande expertise dans le développement des techniques IBB-CEAS.

3.2.2.1 La source LED

Afin d’éviter les aberrations sphériques des miroirs, il est conseillé d’utiliser une source lumineuse émettant une tâche large (Fiedler, Hese, and Heitmann en 2007). Notre choix s’est porté sur une source LED haute puissance Mouser Electronics (Starboard, Luminus SST-10-DR-B130, 660nm Deep Red) qui émet un signal centré sur 662 nm (largeur à mi-hauteur de 19 nm, Figure 41 : Spectre d’émission de la LED). Celle-ci est alimentée par une intensité électrique de 900 mA et une tension de 2,5V (consommation d’une puissance électrique de 2,3 W pour un flux lumineux de l’ordre de 370 mW).

Figure 41 : Spectre d’émission de la LED (en vert) et sections efficaces de NO3 (en bleu) et de NO2 (multipliées par 1000, en rouge).

La LED a été choisie de façon à ce que son maximum d’émission se trouve aux mêmes longueurs d’onde que le principal pic d’absorption du NO3 c’est-à-dire à 662 nm.

Un des inconvénients de ce type de sources, pointé par le fournisseur et à de nombreuses reprises par des études antérieures (Triki 2008) est la dépendance du spectre d’émission en fonction

de la température. En effet, l’augmentation de la température provoque un décalage en longueurs d’onde et une diminution en intensité du spectre d’émission. La source nécessite ainsi un contrôle précis en température réalisé ici par un TEC (ThermoElectric Cooling ou refroidissement thermoélectrique) Laser Mount d’Arroyo Instruments, utilisant l’effet Peltier. Un boitier de contrôle Arroyo Instrument 6310 permet à la fois de contrôler la température appliquée à la source et de fixer l’intensité électrique transmise à la LED. Dans le cadre de nos expériences, la température de la LED est fixée à 22°C et l’intensité électrique à 900 mA (pour permettre l’obtention du signal maximal).

3.2.2.2 Les optiques de transfert et le détecteur

Le faisceau lumineux est injecté dans la cavité optique puis transféré vers le détecteur grâce à des optiques de transfert. Les travaux de Fiedler, Hese, and Heitmann en 2007 ont montré que la lumière devait être convergente pour obtenir la meilleure augmentation du signal par la cavité. Le système optique de transfert a donc été conçu de manière à ce que le faisceau soit convergent au centre de la cavité et en prenant en compte les contraintes liées à l’encombrement autour de la CSA. Ainsi, le faisceau divergent émis par la LED est collecté par une lentille convexe (Thorlabs Aspheric Condenser Lens, diamètre 25,4 mm, F=16mm, NA=0,79) qui focalise le signal. Un jeu de deux miroirs concaves (Thorlabs, protected silver, diamètre 50,8 mm, f= 50 mm et diamètre 75mm, f= 500 mm) injectent ensuite le faisceau à travers le premier miroir de la cavité optique.

Enfin, le signal sortant de la cavité est transmis après passage par un collimateur (Thorlabs SMA Fiber Collimation Pkg, 635 nm, f=35,41 mm, NA=0,25) et par une fibre optique Ocean Optics VIS-NIR (diamètre de 200 µm et longueur de 5m) vers un spectromètre Ocean Optics QE65000. Ce dernier permet une mesure entre 640 et 685 nm, avec une résolution de 0,22 nm.

3.2.2.3 La cavité

L’élément central de la technique est la cavité optique : elle est composée de deux miroirs distants de 82 cm. Il s’agit de miroirs concaves à haute réflectivité LAYERTEC, de diamètre 25 mm, d’épaisseur 6,35 mm et présentant un rayon de courbure de 1000 mm. Ils sont recouverts d’un revêtement leur assurant une réflectivité nominale de 99,98 ± 0,01 % entre 630 et 690 nm. Des miroirs équivalents ont déjà été utilisés dans plusieurs développements de techniques à cavité (Ventrillard-Courtillot et al. 2010; Langridge et al. 2008; Venables et al. 2006; Wu et al. 2014).

Les miroirs sont fixés sur des montures CRD Optics qui permettent le réglage de la cavité à l’aide de trois vis appuyées sur une plaque de laiton. Ces montures sont elles-mêmes fixées à la chambre grâce à des pièces spécialement usinées qui assurent l’étanchéité du dispositif (Figure 42). L’ouverture générée par la monture se comporte comme un diaphragme qui limite le diamètre du

faisceau entrant dans la cavité à 1,27 cm (1/2 pouce) afin d’éviter les effets de bords (Ventrillard-Courtillot et al. 2010). Les deux ouvertures du réacteur permettant l’accueil des miroirs ne sont pas parfaitement l’une en face de l’autre. Les miroirs devant être parallèles pour obtenir une bonne résonance, cela implique qu’ils doivent être légèrement inclinés dans leur position serrée. Il est donc impossible de serrer les trois vis de façon optimale. Cela implique qu’il sera nécessaire de vérifier la stabilité du système lors de variations de pression (voir § 3.4.).

Figure 42 : Dispositif d'accueil des miroirs. La zone (a) correspond à l’excroissance de la CSA, (b) à la pièce usinée et (c) au support CRD Optics

La distance entre les miroirs est de 82 cm et se décompose en : - 45 cm du diamètre de la CSA,

- 21 cm correspondant aux deux excroissances de la CSA (mesurant 10,5 cm chacune, zone a sur la Figure 42),

- 16 cm correspondant aux dimensions des pièces usinées (8 cm chacun, zone b sur la Figure 42).

Les montures CRD Optics utilisées pour fixer les miroirs à la chambre disposent d’une connectique Swagelok (1/16ème de pouce) permettant l’injection de gaz près des miroirs. Ces ouvertures sont utilisées pour protéger les miroirs en instaurant un balayage à l’azote, caractérisé dans la partie 3.4.2.

3.2.3 Pilotage de l’instrument

Un programme a été développé sous Labview au sein du laboratoire pour réaliser l’enregistrement des spectres. Il permet de fixer :

- le temps d’intégration des spectres, en général choisi pour que le signal atteigne la valeur maximale sans que le spectromètre ne sature (la valeur de saturation du spectromètre utilisé est de 45 000 coups).

- le nombre d’acquisitions, fixé selon la durée de spectre souhaitée. Ainsi, pour un temps d’intégration typique de 300 ms, 1000 acquisitions sont réalisées pour obtenir des spectres de 30 secondes.

- La durée des mesures, en fixant le nombre de spectres à réaliser.