Le phénomène de fluorescence

3.1.3 Absorption et réabsorption . . . . 59

3.1.4 Dépendance en température d’un colorant fluorescent dissout dans

un liquide . . . . 60

3.2 Développement d’une chaîne LIF pour la caractérisation d’eau à

tempé-rature négative . . . 61

3.2.1 Caractérisation des traceurs fluorescents . . . . 61

3.2.2 Technique à un seul colorant et une couleur - LIF1c1d . . . . 63

3.2.3 Technique à un seul colorant et deux couleurs - LIF2c1d. . . . 64

3.2.4 Méthode à deux couleurs et deux colorants - LIF2c2d . . . . 64

3.2.5 Mélange développée pour l’eau surfondue . . . . 66

3.2.6 Montage optique de la chaîne LIF2c2d . . . . 68

3.3 Calibration en température . . . 70

3.4 Étude du signal LIF en milieu diphasique (liquide/glace) . . . 72

3.5 Calibration du rapportR31en fonction de la fraction de glace dans un

mélange d’eau liquide/glace. . . 75

3.5.1 Étude de la variation de volume de l’eau en cours de solidification

par LIF . . . . 75

3.5.1.1 Caractérisation de la fraction de glace par spectrométrie

Raman . . . . 78

3.5.2 Mesures de la fraction de glace par Imagerie par Résonance

Ma-gnétique Nucléaire (IRMN) . . . . 80

3.5.2.1 Principe de l’Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire 80

3.5.2.2 Dispositif de mesure par IRMN . . . . 82

3.5.3 Calibration du signal de fluorescence à l’aide des mesures IRMN. . 85

3.6 Influence des traceurs sur les propriétés physiques de l’eau en surfusion 86

3.6.1 Influence sur les propriétés physiques de l’eau . . . . 86

3.6.2 Influence des traceurs sur la température de solidification de l’eau

3.7 Effet de la taille des gouttes sur le signal de fluorescence. . . 90

3.8 Conclusion du chapitre . . . 93

3.1 Thermométrie par Fluorescence Induite par Laser

Il a été montré dans la section2.2que très peu de techniques de mesure non-intrusives

sont susceptibles d’être utilisées pour la caractérisation de l’eau surfondue. Ainsi, le

dé-veloppement d’une technique de mesure non-intrusive, permettant la caractérisation des

transferts de masse et de chaleurs dans un fluide surfondu, reste donc un véritable

chal-lenge pour les expérimentateurs. En effet, pour permettre la caractérisation de la

tempé-rature de gouttes surfondues, la technique de mesure choisie doit répondre à différents

critères :

1. Un temps de réponse court devant les transferts de masse et de chaleurs étudiés. Si

de plus on souhaite s’intéresser à des conditions aéronautiques (vitesse de goutte

pouvant atteindre 200 m.s⁻¹), la technique doit disposer d’un temps de réponse

court.

2. Une bonne sensibilité en température sur la gamme ciblée, ici [−40 °C ;+20 °C].

3. Une sensibilité de la technique au changement de phase qui pourrait, en plus de la

mesure de température, permettre une discrimination entre la phase liquide et la

phase solide.

4. Une technique la plus faiblement intrusive possible.

Afin de répondre à ces différents critères, nous verrons que la Fluorescence Induite par

Laser (LIF) semble une technique particulièrement bien appropriée. Pour cela, les

prin-cipales caractéristiques du phénomène de fluorescence seront présentées. Puis, seront

abordées les différentes étapes de développement d’une nouvelle chaîne de mesure par

LIF pour la mesure de températures inférieur à 0 °C appliquée à des gouttes d’eau. Nous

estimerons ensuite le potentiel de la technique pour la mesure de la fraction de glace,

en comparant et étalonnant les mesures obtenues par LIF avec des mesures réalisées en

spectroscopie Raman et par Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire.

3.1.1 Le phénomène de fluorescence

Avant de s’intéresser à la mesure de température par LIF, nous allons décrire de

ma-nière détaillée le phénomène de fluorescence. La fluorescence correspond à l’émission

spontanée de photons lors du retour à l’état fondamental de molécules se trouvant dans

un état préalablement excité. La molécule peut être placée dans un état excité de

dif-férentes manières : réactions chimiques, décharges ioniques, absorption d’un

rayonne-ment électromagnétique... Dans le cas de la LIF, l’excitation provient de l’absorption du

rayonnement lumineux issu d’un faisceau laser. L’utilisation d’un laser permet de par

son caractère monochromatique, d’accorder au mieux sa longueur d’onde sur une raie

d’absorption du spectre de la molécule et de plus possède une densité de flux lumineux

très élevée. La fluorescence est par nature polychromatique du fait des multiples états

vi-brationnels des molécules. Elle est affectée d’un décalage spectral de type Stokes, vers le

rouge, par rapport à la longueur d’onde incidente. Il s’agit d’une conséquence du principe

de Franck Condon (Figure3.1). En effet, dès lors que la molécule est placée dans son état

excité, en général de type singulet, une relaxation vibrationnelle non radiative a lieu

per-mettant une transition de la molécule vers un état de plus basse énergie, correspondant à

une configuration géométrique stable. Notons que le temps d’absorption d’un photon par

une molécule est de l’ordre de la femtoseconde alors que la durée de vie d’un état excité

de fluorescence est de l’ordre de quelques nanosecondes. C’est ce qui explique l’état de

déséquilibre rencontré lorsqu’une molécule parvient à l’état excité. Les différents modes

l(nm)

𝐼

Spectre

d’absorption _{d’émission}^Spectre

FIGURE3.1 – Schéma des spectres d’absorption et d’émission d’une molécule fluorescente.

de désexcitation d’une molécule, résumés dans le diagramme de Jablonsky (Figure3.2),

sont :

— L’émission spontanée de photons (fluorescence) correspondant à la désexcitation

vers l’état fondamentale par une émission d’un rayonnement électromagnétique.

— Les conversions internes (CI) correspondant aux transferts résonnant entre les

ni-veaux de l’état excité d’énergie comparable.

— La désexcitation collisionnelle (quenching) due aux collisions inélastiques entre les

molécules. Deux types de quenching peuvent être invoqués : le quenching dû aux

collisions avec les molécules composant la phase porteuse (et dans laquelle sont

dispersées les molécules fluorescentes) et aux collisions entre les molécules

fluo-rescentes elles-mêmes lorsque leurs concentrations est élevées en particulier

(self-quenching).

— Les conversions inter-systèmes (CIS), correspondant au passage à un état

intermé-diaire de type triplet, métastable, qui se désexcite ensuite soit par quenching ou

par émission spontanée. Cette dernière est plus connue sous le nom de

phospho-rescence. La phosphorescence est caractérisée par une durée de vie relativement

longue pouvant aller de la milliseconde à plusieurs minutes, voire quelques heures.

Notons que la durée de vie de l’état excité étant de quelques nanosecondes, dans le cas

de la fluorescence [19], il devrait être possible de caractériser des phénomènes rapides en

analysant le signal de fluorescence [8] [14].

Dans le document Modélisation et développement de diagnostics optiques pour la caractérisation de gouttes surfondues en écoulement ou en interaction avec un substrat sous-refroidi (Page 77-80)