2.5 La cellule photovolta¨ıque
3.1.3 Principe de l’analyse par plasma, application au syst` eme d’analyse
d’analyse des gaz rejet´es par le proc´ed´e
La d´etection des esp`eces ´elimin´ees lors du traitement se fait en analysant les gaz de sortie. Le syst`eme d’analyse est bas´e sur l’utilisation d’un plasma haute fr´equence, coupl´e `
a la spectroscopie optique (ICP-OES1). C’est une m´ethode d’analyse `a la fois qualitative et quantitative qui pr´esente plusieurs avantages :
– Le milieu est chimiquement inerte du fait de l’utilisation d’argon, il n’y a donc pas de formation de compos´es interm´ediaires stables dans le plasma,
– la temp´erature du gaz est tr`es ´elev´ee (entre 5000 et 10000 selon le type) et les vitesses des gaz sont faibles (de l’ordre de quelques m`etres par seconde), ce qui autorise des temps de s´ejour importants et par cons´equent une meilleure atomisation,
– le gaz le plus utilis´e est l’argon qui poss`ede une ´energie d’ionisation tr`es ´elev´ee (15,76 eV), pour s´eparer les diff´erentes rayonnements, on utilise un monochromateur, – les limites de d´etection sont tout `a fait convenables dans le cadre de notre travail.
Principe de la mesure
Le plasma sert `a volatiliser les ´echantillons `a analyser qui sont g´en´eralement intro-duit sous forme d’a´erosols. Sous l’effet de la temp´erature, il s’en suit simultan´ement une dissociation en atomes et ions puis une excitation. Les spectres ´emis lors de leur d´ esexci-tation permettent d’obtenir une analyse quantitative et qualitative. La quantification se fait par d´etection des photons ´emis par les atomes et les ions. C’est une m´ethode ´el´ emen-taire car elle permet de connaˆıtre la composition de l’´echantillon sans connaˆıtre la forme mol´eculaire sous laquelle est pr´esente l’´el´ement d´etect´e.
Les esp`eces d´etectables produites par le plasma (photons ou ions) peuvent donner lieu `
a un signal ´electrique au travers de d´etecteurs. Ces derniers sont sensibles `a la charge ´
electrique dans le cas des ions ou `a la lumi`ere dans le cas de photons. L’´evaluation quan-titative des populations dans la source peut donc ainsi ˆetre effectu´ee. Par ailleurs lorsqu’il s’agit de connaˆıtre la population de chaque esp`ece diff´erente, on effectue pr´ealablement un tri qualitatif. Il consiste `a associer `a chaque population une courbe de distribution en fonction de l’´energie.
La d´esexcitation des niveaux excit´es des atomes ou des ions provoque l’´emission de photons. La longueur d’onde des photons ´emis est caract´eristique des niveaux d’´energie mis en jeu et par cons´equent de l’´el´ement consid´er´e. L’intensit´e ´emise est proportionnelle `
a la population des niveaux et `a leur probabilit´e de transition. Pour s´eparer plusieurs longueurs d’ondes, un monochromateur ou un polychromateur. Les trajets optiques des diff´erentes radiations sont s´epar´es spatialement selon leur longueur d’onde. L’intensit´e lumineuse de chaque radiation est alors convertie en courant ´electrique. La figure A.4 donne un sch´ema de principe d’un spectrom`etre optique.
Rappels sur les plasmas 43
Les m´ecanismes de transfert d’´energie en plasma HF
Il existe plusieurs types d’interactions `a l’int´erieur d’un plasma. Dans le cas des plasmas d’argon qui nous int´eressent, les principales sont les suivantes :
L’ionisation
Ar + e−*)Ar∗+ e−
Ar∗+ e− *)Ar++ 2e−
Ar est l’´etat fondamental de l’argon,Ar∗, l’´etat excit´e etAr+ l’´etat ionis´e. Hormis les ´
electrons, toutes les particules peuvent exister dans l’´etat fondamental ou dans toute une s´erie d’´etats excit´es. La plupart de ces ´etats excit´es ont une dur´ee de vie tr`es courte, de l’ordre de 10−8 secondes. Ces ´etats radiatifs se d´epeuplent par ´emission d’un photon. Les ´
etats radiatifs qui ont la plus basse ´energie (´etat de r´esonance) se d´esexcitent par retour `
a l’´etat fondamental. Certains d’entre eux ont une faible d´esexcitation par ´emission de photon car il existe des transitions interdites. Dans ce cas, la d´esexcitation a lieu lors de collisions avec une autre particule : ce sont des ´etats m´eta stables. Leur dur´ee de vie est plus longue. Le transfert d’excitation X + e−*)X∗ + e− Arcin+ X*)Arcin+ X∗ Ar∗+ X*)Arcin+ X∗ + Ecin Ar∗+ X*)Arcin+ X∗ Ar∗+ X*)Arcin+ X+∗ Ar++ X*)Ar∗ + X∗ Ar++ X*)Arcin+ X+∗ Collisions dissociatives X2 + e− *)X + X + e− Arcin+ X2+*)X + X + Ar
Recombinaison `a trois corps
X + X + Y*)X2+ Y∗
Dans les gaz rares, les ´energies d’excitation et d’ionisation sont ´elev´ees. Les ´energies d’excitation des mol´ecules sont en g´en´eral de quelques eV, tandis que leurs ´energies d’ioni-sation sont du mˆeme ordre de grandeur que celles des gaz qui les constituent. Les ´energies d’excitation de vibration des mol´ecules vont de 0.1 `a 0.5 eV pour les mol´ecules stables, et sont plus faibles pour les mol´ecules instables.
Syst`eme d’analyse des gaz de sortie
Principe L’analyse des gaz expuls´es de l’enceinte permet de contrˆoler le taux et la
nature des impuret´es ´elimin´ees. Elle se fait par plasma haute fr´equence en utilisant la d´etection par spectroscopie optique.
Le principe de l’analyse des polluants dans les gaz est tr`es simple. Il suffit en effet de remplacer l’a´erosol de la m´ethode classique par le gaz `a analyser. Les difficult´es r´esident dans l’introduction du gaz et dans l’´etalonnage.
L’introduction du gaz s’effectue ici assez facilement du fait que le proc´ed´e op`ere `a une pression stabilis´ee l´eg`erement sup´erieure `a la pression atmosph´erique. Le r´eglage du d´ebit de gaz inject´e dans le plasma se fait par un tube calibr´e : du fait de la diff´erence de pression constante existant entre le plasma d’analyse et l’enceinte, on a un d´ebit constant.