3-3 Imagerie filtrée en longueur d’onde

L'imagerie filtrée en longueur d'onde offre la possibilité de suivre préférentiellement l'évolution spatio-temporelle de certaines espèces. Dans ce travail, nous avons utilisé des filtres interférentiels de bande passante 10 nm (Thorlabs) centrée autour d'une valeur de longueur d’onde spécifique des espèces { observées. En fonction des raies observées sur les spectres d’émission, nous avons choisi des filtres correspondant aux émissions de N2, N2+ et O pour l’air ambiant et de He ou Ne selon le gaz employé pour initier la décharge. Les caractéristiques des filtres utilisés sont résumées dans le Tableau 2-2, ci-dessous.

Valeur nominale Valeur réelle Bande Longueur d’onde

Transitions observées du filtre du filtre passante d’onde pour différentes espèces 380 nm 380 nm 10 nm 380 nm N2, C 3Πu – B 3Πg(0,2) 390 nm 390 nm 10 nm 390 nm N2+, B 2∑u+ - X 2∑g+(0,0) 590 nm 586 nm 10 nm 587 nm He, 3d 3_{D1,2,3 – 2p} 3_P0,1,20 584 nm Ne, 3p [1/2]0 –3s [1/2]1 700 nm 700 nm 10 nm 703 nm Ne, 3p [1/2]1 –3s [3/2]20 780 nm 777 nm 10 nm 777 nm O, 3p 5_{P1,2,3 – 3p} 5_S20 Tableau 2-2: liste des filtres utilisés ; pour chaque filtre sont indiquées : sa valeur nominale, sa valeur réelle,

sa bande passante centrée autour de la valeur réelle du filtre, la longueur d’onde de l’espèce suivie et la transition correspondante.

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Figure 2-11 : courbe de transmission d’un filtre interférentiel (FB780-10 Thorlabs) de longueur d'onde nominale 780 nm, la largeur du pic à mi-hauteur est de 10 nm.

L’utilisation de ces filtres permet d’observer et d’étudier indépendamment les espèces contenues dans le jet lors de la propagation du front dans l’air ambiant. Les images filtrées permettent aussi, pour un instant donné, de faire la cartographie des zones occupées par chaque espèce dans le front. Cependant les filtres ne possèdent pas la même atténuation, c’est pourquoi les comparaisons effectuées entre les résultats des différents filtres ne peuvent être que qualitatives.

III-SPECTROMETRE DE MASSE A TEMPS DE VOL

La caractérisation de notre source plasma a également pour objectif le couplage de cette source à un spectromètre de masse à temps-de-vol (Time-Of-Flight Mass Spectrometer ou TOF-MS). Il s’agit alors de tester et d’évaluer les capacités de la source { ioniser des échantillons afin d’en déterminer la composition { l’aide du spectromètre de masse. Dans un premier temps, l’étude s'effectue dans l’air ambiant sans échantillon puis avec un échantillon volatil.

III-1P

TOF-MS

Le spectromètre de masse (MS) est un outil qui détecte les ions et les distingue en fonction de leur rapport masse sur charge. Il est donc couplé { une source d’ionisation. Nous avons utilisé un TOF-CI-MS (Time-Of-Flight Chemical Ionisation Mass Spectrometer) de TOFWERK dont la source d’ionisation d'origine a été retirée. L’un des avantages du TOF est de fournir des spectres contenant l'ensemble des éléments détectables simultanément.

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Le dispositif expérimental est présenté sur la Figure 2-12. Le TOF-MS peut se découper en plusieurs zones.

Figure 2-12 : schéma de la source plasma avec le spectromètre de masse.

La zone S1 se nomme IMR (Ion Molecule Reaction chamber). Il s’agit d’une chambre d’ionisation où se rencontre l’analyte introduit face { son entrée et les ions réactifs introduits sur le côté dans le cas d'une ionisation par la source polonium. Dans notre cas, la plume est placée face { la source et c’est également l{ que l’échantillon est introduit. L’IMR n’est plus alors une chambre d’ionisation mais une entrée { pression atmosphérique par laquelle les ions pénètrent dans le TOF-MS. Une photo de l'entrée de l’IMR est également présente sur la Figure 2-12, le diamètre de l’IMR est de 40 mm. Les ions vont ensuite traverser une interface composée des zones S2, S3, S4. Il s’agit de trois étages de pression distincte permettant de descendre depuis la pression atmosphérique dans l’IMR { un vide secondaire maintenu { 10-6 _{mbar dans l’analyseur} du TOF-MS (S5). Ces chambres disposent de systèmes d’optique ionique pour favoriser le transfert des ions tout en éliminant les espèces neutres.

Lorsqu’ils pénètrent dans l’analyseur les ions sont accélérés par une impulsion de tension continue appliquée dans la région d’extraction. Ils dérivent ensuite dans une zone sans champ (zone de vol) jusqu’au réflectron { partir duquel ils sont redirigés vers le détecteur MCP (Multi Channel Plate). Le réflectron permet de corriger la dispersion en énergie cinétique des ions ayant le même rapport masse sur charge. Le temps nécessaire aux ions pour parvenir de la région d’extraction au détecteur permet de les discriminer en fonction de leurs rapports masse sur charge. Les ions les plus légers sont les premiers à atteindre le détecteur et les ions les plus lourds sont les derniers. Les signaux enregistrés sur le détecteur ont une précision de 0,5 ps pour des temps de vol de l’ordre de 1 à 50 µs. Les spectres de masse sont moyennés et enregistrés toutes les secondes (fréquence maximale de 80 { 40 kHz selon l’utilisation de c}bles respectivement courts ou longs). Seuls les ions présents dans la région d’extraction au moment de l’impulsion

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de tension sont enregistrés. Ainsi un ion passant entre deux impulsions ne sera pas comptabilisé. Précisons que dans le cas d’un spectre de masse il est usuel de parler de pics et non de raies comme dans le cas de spectres optiques.

Il existe deux modes d’utilisation pour le TOF-MS:

- le mode positif qui permet l’observation des ions positifs, - le mode négatif permettant l'observation des ions négatifs.

La Figure 2-13 présente un exemple de spectre de masse obtenu dans l’air pour le mode positif avec le néon comme gaz de décharge.

Figure 2-13 : spectre de masse des ions positifs obtenu dans l'air avec le néon comme gaz de décharge.

Le logiciel d’acquisition du TOF-MS permet de suivre l’évolution temporelle des rapports masse sur charge de notre choix et donc des espèces correspondantes. Cette fonction d’affichage permet l’étude directe de l’influence de la distance entre le spectromètre de masse et la source, il s’agit d’un paramètre important de la détection.

III-2I

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Dans un premier temps, l’étude du couplage de la source plasma et du TOF-MS a été menée sans échantillon afin d’acquérir des spectres des espèces de l’air ionisées par la plume, pour les modes positif et négatif. Les paramètres d’utilisation de la plume avec le TOF-MS ont été fixés à 2,3 L.min-1 _{et 2400 V (puis 2000 V à cause des perturbations dues} { l’alimentation) en présence d'hélium et à 2,3 L.min-1 _{et 1400 V en présence de néon.}

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Dans un second temps, une étude est menée avec des échantillons volatils. Tout d’abord, nous avons testé la capacité de la source à les ioniser. Différents échantillons volatils sont disposés dans une coupelle directement placée sous la plume devant l’entrée de l’IMR conformément au schéma présenté sur la Figure 2-14. Comme nous le verrons dans la partie résultat, la source s’est révélée efficace { ioniser les échantillons testés.

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Figure 2-14 : schéma de la source avec une coupelle pour les échantillons.