Principe de mesure II.2.6.1.
La mesure de la concentration particulaire volumique d’un aérosol et de son étendue granulométrique via un principe de détection optique existe depuis plus de cinquante ans, ce qui correspond à la construction des premières salles propres (paragraphe I.1.2). Le premier compteur optique de particules a été commercialisé en 1960 aux États-Unis par la firme Royco Instruments. Cet appareil se basait sur le principe de la lumière diffusée par les particules, avec un détecteur placé à 90° de la source lumineuse. Le débit d’air était de 0.28 L/min et il pesait environ 200 kg. Depuis, la technique n’a eu de cesse d’être améliorée. À cette époque, la source de lumière utilisée était de la lumière blanche. L’introduction des lasers - et donc d’une source de lumière cohérente et monochromatique - a contribué à améliorer les capacités de mesure des compteurs optiques de particules (44). L’encombrement du capteur est également un point-clé dans l’évolution des compteurs optiques. L’action des particules contenues dans un aérosol sur la lumière peut se traduire par plusieurs effets tels que représentés sur la Figure 25 : absorption d’une partie de la lumière, réflexion ou diffraction du faisceau. Les propriétés optiques des particules feront l’objet d’une étude approfondie dans le chapitre III.
Il existe deux types de mesure optique : la mesure optique par transmission et la mesure optique par diffusion. En effet, si un faisceau lumineux traverse un milieu gazeux avec des particules en suspension, ces dernières l'atténuent par absorption et diffusion. La mesure de la lumière transmise ou diffusée par des petites particules en suspension dans un gaz permet donc d’obtenir des
informations sur la concentration et la distribution granulométrique des particules. La mesure optique permet de mesurer des particules de diamètre compris entre 70 nm et plus de 100 µm ; les concentrations de particules dans l’air pouvant varier de 103 particules/m3 (monitoring des salles propres) à 109particules/m3 (recherche en science environnementale). Ce type de mesure est réalisé par des compteurs optiques de particules qui donnent des informations dans la gamme de 0.ȝPj ȝP
Le principe de mesure est simple : l’aérosol prélevé dans le milieu ambiant par une pompe est amené dans le volume sensible du capteur par l’intermédiaire d’un bec de canard afin de limiter les flux turbulents à l’entrée du canal et de capter un maximum de particules (Figure 26). Le système pneumatique a pour but de délivrer un jet d’air focalisé dans le volume sensible. Le débit le plus largement employé est le pied cube par minute (CFM ou ft3/min) soit 28.3 L/min ou un sous-multiple du pied cube. Cet échantillon passe à travers un faisceau lumineux monochromatique. On suppose que les particules traversent le faisceau lumineux de manière individuelle. Chaque particule crée un flash lumineux par extinction ou diffusion qui est détecté par un photodétecteur. La concentration de particules dans l’aérosol est déduite du taux d’impulsions photoélectriques et la taille des particules est estimée grâce à l’amplitude de l’impulsion. L’amplitude de l’impulsion dépend de la quantité de lumière diffusée par la particule, paramètre qui dépend de sa taille mais aussi de son indice de réfraction et de sa forme. L’aérosol mesuré est ensuite rejeté dans le milieu ambiant (généralement après avoir passé un filtre qui permet de retenir les particules présentes dans le gaz).
Figure 26 : Fonctionnement d'une sonde isocinétique. 1 : l’écoulement est non laminaire, peu de particules sont captées; 2 : vers la cavité sensible du compteur de particules;
3 : l’écoulement est laminaire, certaines particules ne sont pas captées; 4 : sonde isocinétique
La diffusion du faisceau lumineux par les particules en suspension est mesurée par un photodétecteur. Suivant la position du photodétecteur par rapport à la source lumineuse il y a deux méthodes de mesure : par rétro diffusion ou par diffusion directe. La comparaison avec une mesure de référence établit la relation avec la concentration en particules. L’avantage de ce type de mesure par rapport à la mesure optique par transmission est qu’il n’y a pas de problème d’alignement de la source lumineuse et du photodétecteur. Le système optique se compose plus précisément d’un faisceau laser focalisé puis collimaté pour former un faisceau parallèle. Les particules interagissent avec le faisceau lumineux, par diffusion ou extinction. Le faisceau laser est ensuite focalisé à nouveau sur la photodiode qui se charge de convertir le signal lumineux en signal électrique. La Figure 27 schématise le principe d’un capteur optique.
Figure 27 : Schéma de principe d'un capteur optique. Aujourd’hui les capteurs optiques utilisent quasi-exclusivement des diodes laser comme source lumineuse.
L’intensité du signal est proportionnelle à la taille d’une particule (et fonction du matériau de la particule)
La linéarité de l’intensité de la mesure en fonction du diamètre des particules est limitée pour des concentrations particulaires trop élevées ou trop faibles. Dans le cas des concentrations particulaires élevées, la perte de linéarité provient notamment des diffusions multiples dues à un trop grand nombre de particules dans le volume sensible du capteur. Elle peut également provenir des formes très diverses des grosses particules (qui sont généralement des fibres). Dans le cas des concentrations particulaires faibles, la perte de linéarité peut provenir du fond de lumière parasite présent dans le volume sensible. Le niveau de sensibilité aux bruits des compteurs optiques de particules est déterminé par le critère de Rayleigh des molécules d’air.
Caractéristiques d’un compteur optique de particules II.2.6.2.
Les caractéristiques importantes d’un compteur optique de particules sont la gamme des concentrations particulaires autorisées, le débit d’échantillonnage, la sensibilité (la limite basse de détection en termes de taille de particules) et la fiabilité (en termes de taille de particules également). Le Tableau 8 ci-dessous présente les caractéristiques de quelques compteurs optiques de particules utilisés couramment en salle propre. La plupart de ces capteurs peuvent fournir directement la classification ISO des salles dans lesquelles ils sont installés par extension de leurs mesures. L’étendue granulométrique est présentée en termes de « canal ». Par exemple, le Fluke 985, possède 6 canaux. Cela signifie que les résultats sont présentés de la manière suivante : « X particules mesurent entre 0.3 et 0.5 µm (1er canal), Y particules mesurent entre 0.5 et 1 µm (2èmecanal), etc. ». La précision de la mesure de la taille des particules est donc implicitement donnée par la largeur de ces canaux. Ainsi, nous observons que la précision est plus grande pour les particules les plus petites. Ceci s’explique par les problèmes de linéarité de l’intensité de la mesure évoqués dans le paragraphe précédent.
Tableau 7 : Comparaison de quelques Compteurs Optiques de Particules (COP) Modèle de COP Étendue granulométrique Débit
d’échantillonnage
Limite de
concentration Encombrement
Fluke 985 0,3 - 0,5 - 1 - 2 - 5 - 10 ʅŵ 0,1 pcm (2.83 l/min) 10% pour 4.10
6 part/m3 27.2x10x5.3 cm 0.68 kg LightHouse 3013 0,3 - 0,5 -0,7 - 1 - 2,5 - 5 - 10 µm 0,1 pcm (2.83 l/min) 5% pour 140.106 part/m3 16x10x4 cm, 0.7 kg LightHouse 3016 0,3 - 0,5 - 0,7 - 1 - 2,5 - 5 - 10 - 25 ʅŵ 0,1 pcm (2.83 l/min) 5% pour 140.106 part/m3 22x12x6.3 cm, 1 kg PMS Handilaz mini 0,3 - 0,5 - 5 µm 0,1 pcm (2.83 l/min) 2.10 6 part/ft3 11x20x7 cm, 1 kg
Conception d’un mini-microscope pour la détection des particules II.2.6.3.
La conception d’un mini-microscope pour détecter les particules a été envisagée par certains laboratoires. L’équipe de Kang du California Institute Technology propose de coupler un système de classification inertielle à un mini-microscope par fluorescence. Le système de classification inertielle est un système d’impaction à trois niveaux, de diamètre de coupure de 2.24 µm, 0.91 µm et 0.49 µm. Le mini-microscope mesure la fluorescence des particules collectées sur les plaques d’impaction. L’information récoltée est donc l’intensité lumineuse émise par les particules fluorescentes en réaction à l’exposition d’un faisceau collimaté de longueur d’onde 470 nm. Le mini-microscope est constitué d’une lentille de grandissement 20, d’un filtre passe-haut d’une longueur d’onde de coupure de 500 nm et d’un module CMOS (45). Le système développé est représenté sur la Figure 28. Le module CMOS et la lentille proviennent d’une webcam commerciale ; la lentille ayant été inversée de sens pour avoir un grandissement. Le système du mini-microscope mesure 3 x 3.5 x 2 cm3.
Les expériences ont été menées avec des particules biologiques et non-biologiques. Concernant le système d’impaction inertielle, les déviations entre les calculs théoriques et les résultats expérimentaux sont de 11 %. La mesure de l’intensité de la lumière fluorescente émise par les particules permet de discriminer les particules biologiques des particules non biologiques, l’expérience ayant été réalisée avec des particules en latex polystyrène ou PSL (Figure 29). En effet, la fluorescence des particules en PSL est très inférieure à celle des microbes.
Figure 28 : Schéma de la puce de détection de microbes aéroportés; b) Photo du mini-microscope par fluorescence; c) Surface d’impaction en PDMS ; d) micro canal avec trois étages d’impaction (toutes les barres