La spectroscopie d’émission optique

La spectroscopie d’émission optique est l’une des techniques les plus utilisées dans l’étude des plasmas. En analysant le spectre des émissions provenant d’un plasma, on peut déterminer les espèces chimiques excitées qui le composent, leurs densités et leurs températures. Le rayonnement émit par un plasma est une signature spécifique d’un élé- ment chimique donné. L’intensité de ce rayonnement dépend de la densité de l’élément en question dans le milieu : plus la présence de l’élément est forte, plus l’intensité d’émission dont il est responsable est grande. Les émissions d’un plasma sont essentiellement gérées par les mouvements électroniques au sein des atomes. Ceci est peut être résumé comme suit : étant donné les niveaux d’énergie discrets de l’atome, les électrons ne peuvent occuper que des positions bien spécifiques dépendant en première approximation d’un nombre entiern appelé le nombre quantique principal. Quand l’atome est stable, ses états d’énergie sont stationnaires. Autrement dit, il n’y a pas d’échange d’énergie entre l’atome et son milieu extérieur. On dit dans ce cas que l’atome est à l’état fondamental. Pour faire passer un électron de son état de repos (état fondamental) à un état d’énergie plus haut, il faudrait lui fournir une énergie au moins égale à la différence entre le niveau de départ et le niveau d’arrivée. Cette transition est généralement provoquée, soit par des chocs entre l’atome et les électrons libres du plasma, soit tout simplement par l’absorption d’un photon ayant une énergie nécessaire et suffisante pour provoquer la transition. Si la transition s’effectue entre deux niveaux d’énergie d’un même atome, on dit que ce dernier est dans un état d’instabilité appelé « état excité », l’atome tendra donc à regagner son état de stabilité (état fondamental) dès que les conditions le permettent. Ce retour à l’état de stabilité s’accompagne d’une émission de photon (désexcitation), dont l’énergie est égale à la différence d’énergie entre l’état « haut » et l’état « bas ». Dans le cas où l’électron se détache complètement de l’atome, on obtient alors un ion positif qui représentera le premier état ionisé de l’atome.

Cependant, toutes les transitions ne sont pas permises, mais obéissent à des règles de sélection définies par les lois de la mécanique quantique : les transitions permises sont imposées par les variations des nombres quantiques (l, m et s). On note aussi que les niveaux d’énergie sont différents selon que l’on considère l’atome seul, ou une molécule diatomique qui peut présenter plusieurs niveaux d’énergie (translationnel, vibrationnel ou rotationnel).

2.3.2.1 Les spectromètres

La détection des longueurs d’ondes responsables de l’émission nécessite la mise en place d’un système optique complexe. Historiquement, les spectrographes sont les pre- miers appareils à être utilisés en spectrométrie d’émission pour l’étude des étoiles et des planètes [72]. Dans ce genre d’appareil, l’analyse de la mesure s’effectue en deux étapes. Dans un premier temps, les spectres d’émission sont enregistrés sous forme de films photographiques et analysés de manière qualitative pour en identifier les raies. Ensuite, une analyse quantitative est opérée à l’aide des densimètres qui permettent d’estimer la densité de présence d’une espèce d’intérêt. Les spectrographes sont toujours utilisés en astronomie avec des systèmes optiques et des outils d’analyse plus sophistiqués. Aujourd’hui, plusieurs disciplines emploient des monochromateurs et des polychromateurs pour étudier et analyser les phénomènes optiques. Ces appareils sont communément appelés les « Spectromètres ». Les monochromateurs sont conçus pour isoler une longueur d’onde spécifique à un moment donné de la mesure. Quant aux polychromateurs, ils sont capables de balayer de manière simultanée plusieurs bandes spectrales. Ces appareils sont équipés de détecteurs à transfert de charge (détecteurs multi-canaux) à la place des densimètres pour quantifier les intensités d’émission.

En général, les spectromètres modernes sont constitués de cinq parties principales (voir Fig.(2.7)) autour d’un réseau à diffraction qui consiste en une surface plane ou convexe sur laquelle des traits parallèles sont pratiqués de manière uniforme et régulière afin de diffracter la lumière dans des directions bien précises. Ces traits définissent la période de l’appareil et sa capacité à distinguer deux longueurs d’ondes de valeurs très proches (pouvoir de résolution). Quand des faisceaux parallèles provenant du collima- teur arrivent à la surface du réseau, ils sont diffractés d’un certain angle par rapport à la normale du réseau qui dépend de la valeur de l’angle d’incidence et de la longueur d’onde d’émission (qui définissent l’équation du réseau). La lumière est ensuite passée dans un miroir de focalisation qui met en parallèle les rayons diffractés. Enfin, les rayons sont dirigés vers le plan focal du dispositif et captés par un système CCD pour être analysés.

Il faut noter que la plupart des réseaux utilisés dans les spectromètres modernes fonctionnent sur le principe de la réflexion. Toutefois des réseaux à transmission sont également présents sur certains appareils, mais ceux-ci sont de moins en moins fabriqués. Dans ce travail, nous avons utilisé deux spectromètres à réseaux, fonctionnant sur le principe de la réflexion : le Horiba Jobin Yvon iHR320 et le Avaspec-2048 Avantes.

• Le HORIBA Jobin Yvon iHR320 Fig.2.7(a)(b) : est un spectromètre de type Czerny-Turner d’une distance focale de 320 mm. il est équipé de deux réseaux à réflexion de 68 mm de côté comportant respectivement 600 et 1200 traits/mm. Ils sont montés

Figure 2.7 – Principe de diffraction par réseau d’un spectromètre de type Czerny-Turner (a), images des spectromètres optiques utilisés dans cette étude : HORIBA Jobin Yvon iHR320 (b) Avaspec-2048-2 (c)

sur une tourelle pourvue d’un système de rotation à 160 nm/s permettant des balayages rapides et précis de la gamme de longueur d’onde choisie. La largeur de la fente d’en- trée est réglable via le logiciel LabSpec5 permettant de définir la bande passante de la mesure. A titre d’exemple, pour une largeur de fente d’entrée de 80 µm, le réseau de 1200 traits/mm présente une bande passante de 0,18 nm (à 500 nm). Quand la largeur de la fente passe à 40000 µm, la bande passante devient plus grande (9,24 nm). Pour obtenir une meilleure résolution de la mesure, le fabricant conseille de choisir une bande passante inférieure à 1 nm, ceci correspond à une ouverture de fente inférieur 500 µm. Les résolutions expérimentales mesurées sont, respectivement, de 0,12 nm et de 0,05 nm pour les deux réseaux de 600 et de 1200 traits/mm.

La lumière est collectée par six fibres optiques de 200 µm de diamètre, alignées vertica- lement sur la fente d’entrée. Une sélection de la plage de longueur d’onde à assigner à chacune des fibres est possible depuis le logiciel LabSpec5. Quand la lumière arrive sur la fente d’entrée, elle est dirigée vers un miroir collimateur pour paralléliser les faisceaux, ces derniers sont ensuite envoyés vers le réseau pour être diffractés. La sélection des longueurs d’onde se fait par rotation du réseau sur l’axe de la tourelle. La lumière ainsi diffractée est focalisée grâce un miroir de focalisation et orientée vers un plan focal constitué d’un capteur CCD de 1024×256 pixels, dont chacun des pixels reçoit une lumière correspondant à une longueur d’onde distincte. La lumière reçue par le capteur est enfin convertie en signal électrique analogique, puis numérisé et traité par ordinateur. Un bon alignement des fibres permet de recevoir les six faisceaux lumineux sur six zones distinctes du capteur

CCD.

• LeAvaspec-2048 Avantes (Fig.2.7(c)) est un spectromètre symétrique de type Czerny-Turner d’une distance focale de 75 mm. Il est équipé de deux réseaux de 600 traits/mm chacun, permettant de couvrir des plages de longueur d’onde allant de 189 à 746 nm et de 592 à 1100 nm. Les deux réseaux de ce spectromètre sont res- pectivement blazés à 300 et à 1000 nm pour ces deux gammes de fonctionnement en longueur d’onde. Les diamètres des deux fentes d’entrée sont identiques et égales à 10 µm chacune. Pour la mesure des intensités, le spectromètre est muni d’un détecteur CCD de 2048 pixels sur lequel arrivent les deux faisceaux diffractés sur deux zones de détection distinctes. Le diamètre des deux fibres optiques utilisées pour les mesures est de 75 µm. La résolution expérimentale mesurée sur ce spectromètre est de 0,35 nm.