QUANTOMÈTRE FABRY-PEROT

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Submitted on 1 Jan 1967

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QUANTOMÈTRE FABRY-PEROT

T. Ben Mena

To cite this version:

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 2, supplément au no 3-4, Tome 28, mars-avril 1967, page C 2

-

239

QUANTOMÈTRE FABRY-PEROT

Laboratoire Aimé Cotton, C. N. R. S., 92-Bellevue, France

Résumé. - On décrit le principe, la réalisation et les performances d'un spectromètre Fabry- Pérot a plusieurs canaux permettant la mesure des intensités relatives de deux ou plusieurs compo- santes isotopiques et par conséquent le dosage de ces isotopes.

Abstract.

-

A high resolution Fabry-Perot spectrometer was built to measure the relative inten- sities of isotopic components. The relative abundance of the isotopes 235 and 238 of natural ura- nium (11140) is measured with an accuracy of 0.3 %.

1. Introduction. - Le problème de la mesure abso- lue des intensités a intéressé plusieurs auteurs (réf. 1

à 6) et soulève plusieurs difficultés qui ne seront pas abordées dans cet article. Parmi les causes qui limitent la précision, la plus fondamentale est bien entendu le bruit, mais d'autres causes peuvent s'avérer plus importantes et entraîner en tous cas de longues correc- tions. L'appareil qui va être décrit a été mis au point pour s'affranchir de toutes ces corrections, en permet- tant d'obtenir des valeurs relatives d'intensité. Il met, de plus, à profit la grande luminosité des méthodes de spectroscopie interférentielle. Il permet, enfin, de travailler à très haute résolution et de mesurer ainsi les intensités de composantes hyperfines ou isotopiques.

II. Principe du quantomètre. - Comme tout quan- tomètre, l'instrument décrit comporte autant de récep- teurs que de composantes spectrales à mesurer et sera constitué enfait par un certainnombre de spectromètres Fabry-Pérot placés en parallèles et réglés de telle sorte que le maximum de leurs pics de transmission soit sur l'axe de symétrie de chacune des composantes

à étudier. Ces spectromètres sont précédés d'un mono- chromateur commun, formé de l'association d'un filtre interférentiel et d'un Fabry-Perot de très faible épaisseur (Fig. 1). Les flux lumineux sortant de chacun des spectromètres sont recueillis par différents récep- teurs et les signaux envoyés à des intégrateurs. La différence de potentiel aux bornes de ces intégrateurs est à enregistrer sur un millivoltmètre. On peut aussi afficher directement la mesure relative d'intensité.

RECEPTEUR

RECEPTEUR

1

1

1

DE 0 RECEPTEUR

'ONTRCrE SPECTR-RE

1

IINTEGR~E

FIG. 1. - Principe du quantomètre F. P.

-

En haut et en bas, à droite, lire « intégrateur )) (au lieu de intégrale).

des abondances isotopiques de l'uranium. La figure 2 en donne le schéma optique.

I O LA SOURCE. C'est une cathode creuse dans

laquelle quatre cathodes fonctionnent en parallèle, l'une d'elles contenant l'échantillon à analyser.

2' LE MIROIR TOURNANT Ml nOUS permet de sélec-

tionner l'une des cathodes. L'axe de rotation du miroir Ml doit être parallèle au faisceau, selon la

disposition géométrique des sources.

30 LE MONOCHROMATEUR. Il est constitué par l'asso- ciation d'un filtre interférentiel et d'un interféromètre Fabry-Pérot.

a) Le Jiltre interférentiel découpe dans le spectre une bande Dassante dont la largeur

-

à mi-hauteur est

III. Description de l'appareil.

-

Le quantomètre de 9

A

et dont le maximum de transmission est fixé qui a été réalisé est destiné principalement au dosage sur la longueur d'onde 5 027

A

(l'ajustement s'opérant

T. BEN MENA

M ~ R O ~ R TOURNANT J ~ L E C T ~ O N N A N T

LAME A FACES IF% CHACUNE DES

MONOCHROflATEUR

SOURCE

par légère inclinaison du filtre). Ce filtre pourrait,

à lui seul, servir de monochromateur dans le cas de l'analyse d'un spectre pauvre en raies, mais il est ici nécessaire d'affiner sa bande passante par l'introduction d'un Fabry-Pérot en série.

b) L'interféromètre Fabry-Perot monochromateur doit remplir deux conditions : transmettre simulta- nément les raies à analyser et libérer le plus grand intervalle spectral libre. On a obtenu ici des résultats satisfaisants en prenant des lames de Fabry-Pérot munies d'un revêtement multidiélectrique de sept couches (finesse enregistrée de l'ordre de 50) et distan- tes de 0,01 cm Aa) = 50 cm-'). Il importe que le Fabry- Pérot monochromateur soit très stable et dans ce but nous avons utilisé un étalon Fabry-Pérot à cales opti- quement collées. Ces cales, d'épaisseur 0,1 mm, doivent être égales à mieux de 2/30 car la latitude de réglage de l'interféromètre par pression sur des cales aussi minces est très faible. Le Fabry-Perot est placé dans une enceinte où la pression peut être changée, ce qui permet un balayage restreint du spectre. Le diaphragme isolateur est un trou de sortie confondu avec la normale au Fabry-Perot et d'ouverture angulaire voisine de

a = 2

Ji/

J E

[7],

4 O CIRCUIT DE RÉFÉRENCE. Pour contrôler dans

certains cas la position de la bande passante du Fabry- Pérot monochromateur par rapport à la raie d'analyse il est nécessaire de prélever provisoirement ou d'une façon continuelle une faible partie du flux lumineux sortant du monochromateur et de l'envoyer sur une cellule auxiliaire, par l'intermédiaire d'une lame à faces parallèles escamotable.

5 O SPECTROMÈTRES RÉSOLVANTS. Une division par

brillance du faisceau principal nous permet de faire traverser les deux Fabry-Perot résolvants placés en série par deux faisceaux lumineux couvrant toute la surface des Fabry-Perot, l'étendue maximum étant ainsi utilisée grâce à la symétrie de révolution que possède l'ensemble monochromateur. Les deux spec- tromètres ainsi obtenus ont été maintes fois décrits [8], nous pouvons ajouter uniquement que le choix de l'épaisseur de chaque Fabry-Perot est très important. Les récepteurs utilisés sont des photomultiplicateurs R. C. A. 1 P 21 refroidis à l'azote liquide pour rendre les courants d'obscurité très faibles (moins que 10-l8

A) car les signaux issus des récepteurs sont intégrés

pendant un temps qui peut être de l'ordre de deux minutes.

60 SYSTÈME OPTIQUE. Entre les différents éléments

interférentiels on a placé un certain nombre de lentilles pour conjuguer entre-elles les diverses pupilles de chaque ensemble. L'ensemble des pupilles Bi forme

un système de points conjugués ainsi que l'ensemble des pupilles

Ci.

Ce choix n'est pas arbitraire, mais tient compte de l'homogénéité de transmission de chaque pupille.

IV. Performances et résultats. - Pour tester le quantomètre et connaître la précision qu'on peut atteindre sur la mesure des intensités relatives nous avons étudié l'un des problèmes qui offrent le plus de difficultés et qui est une application directe de la méthode, il s'agit du dosage isotopique de l'uranium.

l'intensité réelle des deux composantes relatives à

l'isotope 238 et à l'isotope 235 ; elles sont distantes de 41 1 mK. Leur rapport d'intensité est de l'ordre de 140 dans le cas des concentrations voisines de l'uranium naturel. La figure 3 donnera les transmissions des éléments successifs de l'appareil.

TRANSMISSION DU: FILTRE INTERFERENTIEL

AT.

C

rTRANSMISSION DU Ei? RESOLVANT POUR LA COMPOSANTE a

Si:l'on:appelle

a;

et A; les mesures obtenues sur les composantes

a

et:Apour la source 1 et a; et Ai pour la source 2, nous aurons :

En appelant T l , T,, T3, t, les transmissions maxi-

males du filtre interférentiel, du Fabry-Pérot monochro- mateur, du Fabry-Pérot résolvant pour la composante A et du Fabry-Pérot résolvant pour la composante

a

;

f et F sont des fonctions qui tiennent compte des effets dus uniquement à la source, tandis que g et G tiennent compte des effets dépendant de l'instrument seul, ou des effets instrumentaux liés aux sources.

Sans entrer dans les détails d'une longue discussion publiée ailleurs [9], disons que, si les sources 1 et 2 fonctionnent dans des conditions raisonnablement semblables, on obtient des résultats exacts dans la mesure où les fonctions g , et g2 d'une part, G, et G2

d'autre part sont identiques.

A titre d'exemple le rapport d'abondance de l'ura- nium naturel est retrouvé avec une précision de l'ordre de 0,3

%.

b) CAS DE PLUSIEURS COMPOSANTES. La même

méthode peut être utilisée dans le cas de N composantes

à condition que la source offre une étendue suffisante qui permette de séparer spatialement le faisceau prin- cipal après le monochromateur (Fig. 4) en N/2 canaux ;

chaque canal subira alors une division par brillance. La comparaison des intensités ne peut se faire qu'entre composantes d'un même canal à cause de l'inhomo- généité de la distribution de luminance des sources.

1

MONOCHROMATEUR

C2-242 T. BEN MENA

Conclusion.

-

La grande luminosité et la haute résolution du spectromètre Fabry-Pérot le désignent

à priori comme un excellent instrument pour la mesure des abondances isotopiques dans de nombreux cas (et en particulier plutonium, plomb, lithium, ura- nium). Il nous a été effectivement possible de séparer les composantes correspondant aux différents isotopes

à étudier, tout en gardant un excellent rapport signal/ bruit. Mais nous avons eu à éliminer de très nom- breuses causes d'erreurs secondaires et à mettre ainsi au point une technologie qui permet d'atteindre une précision suffisante. Cette technique est appliquée de façon optimum par le quantomètre que nous venons de décrire. Il s'agit encore de mesures délicates où le fonctionnement de la source joue un rôle plus grand encore que celui de l'instrument pour limiter la préci- sion.

Bibliographie

[l] BRODY (J. K.) et TOMKINS (F. S.), Proc. UN Inter. Conf. Peaceful Uses At. Energy 2nd Gen eva Report, 1958, p. 945.

[2] ARTAUD (J.), BLAISE (J.) et GERSTENKORN (S.), Spectro- chim. Acta, 1957, 10, pp. 110-1 18.

[3] ZAIDAL (A. N.), Soviet Physics Uspekhi, 1959, 68, 1. [4] KASHTAN (M. S.) et KHLOPINA (T. N.), Optics and

Spectrosc., 1961, 10, 4, pp. 518-523.

[5] LEE (T.) et Mc INTYRE (S. A.), Appl. Spectrosc., 1961, 15. 4.

[6] BERTHELOT (C.) et LAUES (K. F.), Rapport Euratom

307 e.

[7] CHABBAL (R.), Thèse, Paris, 1957.

[8] CHABBAL (R.) et JACQUINOT (P.), Rev. Opt., 1961, 40

no 4.