HAL Id: jpa-00243907
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Submitted on 1 Jan 1975
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Réalisation d’un densitomètre différentiel
J.C. Merle, C. Wecker
To cite this version:
J.C. Merle, C. Wecker. Réalisation d’un densitomètre différentiel. Revue de Physique Appliquee,
1975, 10 (4), pp.221-225. �10.1051/rphysap:01975001004022100�. �jpa-00243907�
RÉALISATION D’UN DENSITOMÈTRE DIFFÉRENTIEL
J. C. MERLE et C. WECKER
Laboratoire de
Spectroscopie
etd’Optique
duCorps
Solide(*)
Université
Louis-Pasteur, 5,
rue del’Université,
67000Strasbourg,
France(Reçu
le 3 décembre1974, accepté
le 19 mars1975)
Résumé. 2014 Nous décrivons un densitomètre
différentiel,
réalisé avec des moyens courants de laboratoire. Il permet d’obtenir simultanément la courbedensitométrique
d’un spectre et sa dérivée par rapport à la longueur d’onde. Les avantages et les performances de cetappareil
sontdiscutés. A titre d’exemple, nous présentons
quelques
résultatsexpérimentaux
obtenus sur le spectred’absorption
de Cu2O.Abstract. 2014 We describe a differential
densitometer,
which can beeasily
constructed with the usual resources of alaboratory.
It enables to obtain both the densitometric curve of a spectrum and its derivative with respect to thewavelength.
The advantages andperformances
of this apparatus are discussed. As anexample
wegive
someexperimental
results obtained for theabsorption
spectrum of Cu2O.Classification Physics Abstracts
0.640
Introduction. - Nous avons été amenés à réaliser
un densitomètre différentiel pour améliorer
l’analyse
des
photographies
despectres magnéto-optiques.
Cetappareil permet
d’obtenir simultanément desreprésen-
tations du
spectre
et de sa dérivée parrapport
à lalongueur
d’onde. Ilapporte
desrenseignements plus complets qu’un
densitomètrenormal,
mais nécessite desplaques
àgrains
fins.Nous discuterons certains
avantages
des mesures en modulation delongueur d’onde, puis
nous décrironsle
principe,
la réalisation et lesperformances
de notreappareil.
Son utilisation pour d’autres mesures, enparticulier
lachromatographie,
seraévoquée.
1. Modulation de la
longueur
d’onde. - L’étudespectrographique
en modulation delongueur
d’ondeprésente
une sensibilitéincomparable
pour la détection de structures peuprononcées [1] (raies
et bordsd’absorption
peu intenses parexemple).
Dans de nom-breux montages
spectrophotométriques,
la modulation estobtenue,
soit en faisant vibrer l’une des fentes d’unmonochromateur,
soit en déviantlégèrement
le fais-ceau, avant la fente de
sortie,
à l’aide d’un miroir oud’une lame vibrante
[21.
La réalisation de ces montagesest
particulièrement
délicatelorsqu’on
désire conservertoute la résolution de
l’appareil dispersif.
D’autre part,lors des mesures
d’absorption
ou deréflexion,
dessources lumineuses très brillantes sont nécessaires.
Mais ces dernières fournissent
généralement
desspectres
d’émission très structurés etimposent
l’utili-sation d’un montage à deux
voies,
onéreux etcomplexe [3].
Des résultats
comparables
à ceux d’une étude spec-trographique
en modulation de lalongueur d’onde, peuvent
être obtenus defaçon simple
àpartir
d’undensitométrage
différentiel(pseudo-modulation
de lalongueur d’onde).
La non-linéarité des
plaques photographiques empêche
toute mesurequantitative précise ;
ce faitest sans
importance
dans la mesure où l’on s’intéresse à laposition
des structures et non à leur intensité. Par contre, on bénéficie desavantages
inhérents à la détec- tionphotographique :
rendementquantique élevé,
choix du
temps d’exposition,
informations simulta- nées sur la totalité d’un spectre.Comparée
à unedétection utilisant un
photodétecteur unique,
la détec-tion
photographique
est donc avantageuse pour l’étude de spectrescompliqués,
contenant un nombreimpor-
tant d’informations.
L’utilisation d’un densitomètre
s’impose également
dans d’autres domaines que la
spectroscopie.
C’est lecas, par
exemple,
de lachromatographie (chromato- graphie
surplaques, électrophorèse, etc.).
Les échan-tillons que l’on
analyse présentent
alors des raies (*) Laboratoire associé au C. N. R. S. n° 232.Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01975001004022100
222
(ou bandes) parallèles
et diversement coloréesapparais-
sant sur un fond transparent
(gel
parexemple)
ouabsorbant
(silice
enpoudre
parexemple).
Le densito-métrage permet
d’obtenirl’absorption K
en fonctionde la distance x à une
ligne
de référence. La connais-sance de la dérivée
d K{x
est utile dans tous les casoù
K(x) présente
des fonds continus que l’on cherche à éliminer et dans les cas où l’on veut résoudre des raies peu intenses et malséparées
de raies(ou bandes) plus larges
etplus
intenses.2.
Principe
del’appareil.
-Rappelons
leprincipe
d’un densitomètre normal :
l’image
d’une fente estfocalisée sur la
plaque photographique
àanalyser
etla lumière transmise est recueillie sur un
photodétec-
teur. Un
système mécanique
translate laplaque
àvitesse constante,
perpendiculairement
àl’image
de lafente. On
enregistre
l’information délivrée par lephotodétecteur
en fonction dutemps ;
on obtient ainsi unereprésentation 1(~,)
duspectre
étudié(intensité
lumineuse I transmise par la
plaque
en fonction de lalongueur
d’onde~,).
On déterminegénéralement
leslongueurs
d’onde ensuperposant
lespectre
à étudieret un
spectre
d’émission de raies de référence.Projetons
sur le film deuximages
de fentesidentiques, parallèles
etégalement
éclairéesF1 et F2,
et recueillonsséparément
les flux transmis par deuxphotodétecteurs Dl
etD2.
Onenregistrera
alors les intensités trans- misesh
=I(À1)
et12
=I(~,2).
Si la distance entre lesimages Flet F2
tend verszéro,
laquantité Il - 12
estproportionnelle
à la dérivée duspectre
parrapport
à lalongueur
d’onde. Enpratique,
on utilisera desimages Flet FZ jointives
et on pourra mesurer simul- tanément lespectre (h
ou12)
et sa dérivée. Un telsystème
offre les avantages d’une mesure différentielle : déterminationprécise
de faiblesquantités
avec unensemble de mesures de stabilité moyenne. En consé- quence, il
permet
d’obtenir de meilleuresperfor-
mances
qu’une
dérivationnumérique,
effectuéeaprès
une mesure
classique
deI(Â).
Parailleurs,
l’utilisation de deux fentesjointives
delargeur a
estplus
avanta-geuse que l’utilisation d’une fente de
largeur a
vibrantavec
l’amplitude
totale a. Eneffet,
onobtient,
dans lesdeux cas, des
spectres
dérivés dequalité comparable,
mais le
spectre
normal estanalysé
avec une meilleurerésolution avec un
système
à fentes fixes.3. Réalisation. - Le schéma de notre densitomètre différentiel est donné par la
figure
1. Une fente Fd’ouverture et d’inclinaison
réglables
est éclairée aumoyen de la source S
(lampe
à ruban detungstène).
Deux
images
de cettefente, Fi et F~,
sont focaliséesdans le
plan
du film àanalyser.
A ceteffet,
on utiliseun
prisme
de WollastonW, qui
divise un faisceaude lumière naturelle et
parallèle
en deux faisceauxlégèrement divergents
et totalementpolarisés
dans desdirections
complémentaires.
Lesimages F1
etF2
sontdonc
polarisées.
Leur écartpeut
êtreréglé
en choisis-Fie. 1. - Schéma du densitomètre différentiel.
sant les focales des lentilles et en
jouant
sur l’orien-tation du
prisme
W.Les faisceaux lumineux transmis par la
plaque photographique
sont ensuiteséparés
par ledisposi-
tif
M ;
sur chacun desfaisceaux,
lesanalyseurs A,
etA2 permettent
de sélectionner lesflux,
selon leurpolari- sation,
pour les transmettre auxphotodétecteurs Dl
etD2.
L’essentiel du
montage
a été réalisé àpartir
d’unmicroscope
Zeiss binoculaire àobjectif unique.
Saplatine
sert deporte-plaque
et sonoptique permet
deséparer
les faisceaux. Chacun des oculaires a été muni d’unanalyseur
et d’unphotodétecteur.
Laplatine d’origine
étant munie d’une vismicrométrique,
nous yavons
adapté
un châssis servant deporte-plaque.
Sonmouvement uniforme est assuré par un moteur syn- chrone
accouplé
à la vismicrométrique.
Le montage
optique comprend,
en outre, un filtre passe bande(P. B.)
sélectionnant lapartie
rouge duspectre
de la source S : dans cetterégion,
lespolariseurs
et
analyseurs
utilisés sont efficaces et le rendement des détecteurs estimportant.
Undisque
tournant(mod.)
permet une modulation totale de l’intensité lumineuse à lafréquence
de 800 Hz. Lapartie
détec-tion
comprend
desphotodiodes
au silicium S. G. D.100 de EG &
G,
dont laréponse
estparfaitement
linéaire pour
sept
décades depuissance
lumineuse.Elles sont suivies de deux
préamplificateurs
àgain variable, qui permettent d’équilibrer
lessignaux
issusde
Dl
etD2
en l’absence de film. Deuxamplificateurs synchrones
suivis de deuxenregistreurs
fournissent simultanément lesquantités Il
et~2.
Les
photodétecteurs
étantamovibles,
lemicroscope
peut être rendu à son usage normal enquelques
secondes. D’autre
part,
lesréglages préliminaires
à toutdensitométrage :
mise aupoint
sur lefilm, largeur
defente, position respective
desimages
des fentes etparallélisme
avec les raies deréférence,
se font par observation à travers les oculaires.Ces
réglages
sont aisés etplus précis
que sur laplu- part
des densitomètres commerciaux.La
majorité
des éléments que nous utilisons était en notrepossession
et sert à d’autres fins. Enparticulier,
les
amplificateurs synchrones
et lesenregistreurs appartiennent
à une autre chaîne de mesures. On pour- rait se contenter d’unsimple amplificateur
différentiel et d’un seulenregistreur
pour détecter successivementh puis h --- I2.
4. Performances. - Dans les mesures habituelles de
spectrophotométrie,
la sensibilité d’un montage est limitée par les bruitsprenant
naissance au niveau duphotodétecteur.
Laprécision
des mesures est directe-ment liée au
temps
de mesure(intégration temporelle)
et à la résolution
qui
détermine le flux reçu par lephotodétecteur.
Un densitomètre utilise
généralement
des flux lumi-neux assez élevés et le bruit au niveau du
photodétec-
teur est
négligeable.
Laqualité
d’undensitométrage
est essentiellement limitée par les bruits
spatiaux,
intro- duits par lesirrégularités
desplaques photographiques,
c’est-à-dire leur
grain.
Il faut donc utiliser desplaques grain fin
et des fentes degrande
surface réalisant uneintégration
sur un nombreimportant
degrains.
Cesconditions
impliquent,
lors de laphotographie
desspectres,
destemps d’exposition
élevés(plaque
àgrain
fin =plaque lente)
et une résolution limitée(largeur
de la fente duspectrographe) ;
elles devront êtreimpérativement respectées
pour les densitomé- trages différentiels où l’on cherche à détecter des structures peuprononcées.
Dans nos conditions habituelles de
travail,
lesspectres
sont obtenus àpartir
d’unspectrographe
Bausch & Lomb de distance focale 2 m, muni d’un réseau de 2 400
tr/mm,
et ayant unedispersion
linéairede 2
Â/mm.
Sa résolutionoptimale
est atteinte avecdes fentes de 10 à 20 gm.
Nous l’utilisons
généralement
avec des fentes de 50 ~m et nous effectuons lesdensitométrages
avec desfentes
jointives
de mêmelargeur.
Le spectre densito- métré est ainsi obtenu avec une résolution de0,1 A
et le spectre dérivé avec unepseudo-modulation
de0,1 À d’amplitude.
Le
microscope
constituant le densitomètre est utiliséavec un
objectif
x2,5
et deux oculaires x 10 : sonchamp
limite la hauteur utile des fentes à 5 mm. Sa résolution est de 5 gm.5. Résultats
expérimentaux.
- Nous avons utiliséce montage pour l’étude de la série
jaune
de lacuprite,
située aux environs de 5 750
Á
à 4K,
avec diverstypes
d’émulsionsphotographiques.
La
figure
2représente
unspectre
et sa dérivée enre-FIG. 2. - Densitométrages normal (1) et différentiel (AI) donnant des représentations du spectre d’absorption du Cu20
et de sa dérivée par rapport à la longueur d’onde. Les unités sont arbitraires. L’épaisseur de l’échantillon est de 30 pm. Le spectre
a été obtenu avec un temps de pose de 15 min. et la durée totale du densitométrage est de 3 min. Le même spectre a été étudié avec un montage spectrophotométrique, utilisant le même appareil dispersif que dans le présent travail, et permettant une modula- tion de la longueur d’onde [6]. Avec une résolution six fois moin- dre que dans le cas présent, le temps nécessaire à l’exploration
du spectre est alors de 30 min. environ.
gistrés
àpartir
deplaques
Illford R 50(’)
avec desfentes de 50 pm. La
figure
3 montre des résultats obte-nus à
partir
de films Gevaert Scientia 45 C 62(1).
Le
spectre
de lafigure
2 estcomposé
de raiesnP,
formant une sériehydrogénoïde
et de raies moinsintenses
(raies
de structurefine)
à caractère S ou D.Certaines de ces raies ne sont observables que sur la dérivée du spectre, comme les raies
D,
parexemple, qui
n’avaient encorejamais
été observées. D’autres sont observables sur les deuxenregistrements,
maisleur
position
se détermineplus
aisément sur lespectre
dérivé.La
figure
3 donne unexemple
dedécomposition
dela raie 4 P en
présence
d’unchamp magnétique
dansla
géométrie
deVoigt.
L’intensité des raies D dimi- nuant considérablement enprésence
duchamp,
elles nesont
plus
observables à14,5
kG.En
plus
de la raie notée 4P1,
observée àchamp nul,
une
raie,
notée4 P3 apparaît
àpartir
de 10 kG etaugmente en
intensité, jusqu’à égaler
celle de 4Pi
à21,5
kG.Seul,
lespectre
dérivépermet
de bienappré-
cier ce
comportement.
Il nous apermis
de constaterque la
position
de 4P3, extrapolée
àchamp nul,
diffère de celle de 4Pi.
Ce résultat est fondamental pour déterminerl’origine
de la raie 4P3 [5].
(1) Indications des fabricants :
- Illford R 50 : grain très fin et contraste très élevé.
~
résolution : 180 lignes/mm,- Gevaert Scientia 45 C 62 ~ contraste : -- ?.5.
(
sensibilité : 12 à 15 DIN.224
FIG. 3. - Densitométrage différentiel (en unités arbitraires)
de la raie d’absorption 4 P de la série jaune de la cuprite. L’échan- tillon est étudié en présence d’un champ magnétique perpendi-
culaire à la direction d’observation, et dans la polarisation 7r.
L’épaisseur de l’échantillon est de 30 gm.
6. Utilisation du densitomètre en
chromatographie.
-Comme nous l’avons noté au
paragraphe 1,
le densi- tomètre estd’usage
courant pourl’analyse
des chro-matogrammes
sur couches minces et des électro-phorèses.
De tels densitomètres ne diffèrent pas fondamentalement de ceux que l’on utilise enspectro- graphie,
mais les échantillons sont toutefoisgénéra-
lement éclairés en lumière
colorée,
dans une bandespectrale adaptée
àchaque
casparticulier.
Nous avons étudié deux
types
d’échantillons. Dans lepremier
cas(électrophorèse),
ceux-ci ont la formede
cylindres
d’un centimètre de diamètre et d’une dizaine de centimètres delongueur.
Ils sontcomposés
d’un
gel transparent,
nonbiréfringent
où l’on dis-tingue
un certain nombre dedisques
colorés(bandes)
orientés
perpendiculairement
à l’axe ducylindre.
Laforme
particulière
de l’échantillon réduit la résolution efrective de notreappareil
à 200 gm, cequi
est toutefoislargement
suffisant dans le cas étudié. Les densito-métrages
différentiels obtenus sont de bonnequalité,
le
gel n’ayant
pas de structuregranulaire
détectable.Ils
permettent
de localiser certaines bandes de faible intensité que l’ondistingue
très mal sur les densito-métrages
normaux. La bonnequalité optique
desgels permet
de penserqu’un
densitomètre différentielpuisse
résoudre un certain nombre deproblèmes
rencontrés en
électrophorèse.
Nous avons
également
étudié deschromatogrammes
sur couches minces. Le
support
est alors constitué d’une couche de silice enpoudre, mélangée
à un liantet étalée sur une lame de verre. Sur ce support
laiteux,
on
observe,
entransparence,
des bandesparallèles
et colorées.
La
poudre
de silicedépolarisant
lalumière,
nousavons été amenés à modifier notre
appareil
enprenant
comme modulateur
(Fig. 1)
unpolariseur
tournantet en
supprimant
lesanalyseurs A,
etA,.
Avec cesystème,
les fentesFlet F2
sont éclairées alternative- ment. La détection se fait à l’aide de l’un desphoto-
détecteurs
qui
délivre unsignal
différentiel alternatif dont l’intensité estproportionnelle
à laquantité Il - Il
de lafigure
1. Cesignal
est mesuré par l’inter- médiaire d’unamplificateur synchrone.
Lephoto-
détecteur délivre
également
unsignal continu,
propor- tionnel àIl + I2
et que l’on mesure à l’aide d’un électromètre. Cecipermet
d’obtenir lespectre classique.
Néanmoins,
la résolution estmoindre,
pour cespectre,
que dans le cas du
montage
de lafigure 1,
car il estanalysé,
enfait,
avec une fente dont lalargeur
estdouble de celle de
Flou F2 (2).
Sur les échantillons que nous avons
étudiés,
la siliceprésentait
ungrain important
et les dérivées que nous avons obtenuesn’ont,
enconséquence,
pasapporté
denouvelles informations. Il semble
cependant
que desmesures différentielles
puissent
êtreutiles,
d’unepart
pour éliminer le rôle du fond continu
d’absorption qui
varie avecl’épaisseur
non uniforme de la couche de silice et, d’autrepart
pour des mesuresquantita-
tives de l’intensité
intégrée
des raies(ou bandes)
absorbantes. Mais il serait alors nécessaire de faire
une étude
systématique
de la formeanalytique
de cesraies,
cequi
suppose des conditionsexpérimentales parfaitement
contrôlables pour assurer une bonnereproductibilité
desspectres.
7.
Perspectives.
-L’originalité
du densitomètre décrit ci-dessus vient de l’utilisation d’une doublefente,
cequi permet
d’obtenir simultanément unspectre
et sa dérivée avec une résolution
optimum. L’optique
que nous utilisons
paraît adaptable
sur certains densi- tomètres commerciaux. Parailleurs,
lesperformances
de notre
appareil pourraient
être accrues, en fonctionde besoins
précis,
par l’utilisation de certainsprocédés
connus :
adjonction
d’un second faisceau lumineuxpermettant
unecompensation
des instabilités de lasource
lumineuse, couplage
des mouvements duporte- plaque
et del’enregistreur,
asservissement de la vitessed’analyse
à un programme extérieur ou à cer- tainescaractéristiques
desspectres étudiés,
etc.Enfin,
enremplaçant
les fentes utilisées pour lesdensitométrages
par des trous circulaires et en utilisantune
platine possédant
deuxdegrés
deliberté,
on pour- raitanalyser
uneimage
à deux dimensions. Pourchaque point analysé,
on obtiendrait à la foisl’absorption
et sa
dérivée, prise
sur un axe d’orientation donnée.(2) Le dispositif décrit ici pourra être utilisé pour tout sup- port biréfringent. Nous n’avons rencontré qu’exceptionnelle-
ment de tels supports, dans le cas des films photographiques.
La direction de cet axe, dans le
plan
del’image, peut
varier continûment si l’on fait tourner leprisme
deWollaston
(Fig. 1).
Cettepropriété
semble intéressante pour l’établissement de courbes d’iso-noircissementsou de courbes de
plus grande
pente.8. Conclusion. - Le densitomètre décrit ici a été réalisé avec des moyens courants de laboratoire. Il
offre,
pourl’analyse
normale d’un spectre, desperfor-
mances
comparables
à celles desappareils
usuels. Laprécision
et la facilité desréglages
en font un outilcommode et fiable.
L’expérience
nous a montré que les mesures diffé- rentiellesqu’il permet
d’effectuerapportent
des ren-seignements
très utiles lors d’uneanalyse spectrale
fine. Nous avons pu, en
particulier,
détecter des raiesd’absorption
de très faible intensité et déterminer leurposition
avecprécision.
Lesprogrès
réalisésactuellement dans le domaine des émulsions
photo- graphiques
destinées auxhologrammes (plaques
ditesholographiques,
à trèsgrande résolution) permettent
d’espérer
une amélioration très sensible de sesperfor-
mances.
Un densitomètre différentiel pourra être avanta- geusement utilisé dans tous les cas où
l’image
que l’onanalyse
n’a pas un caractèregranulaire
tropprononcé.
Comparé
à unappareil classique,
il donnedavantage d’informations,
sansallonger
ni les temps deréglages,
ni les temps
d’analyse spectrale.
Son utilisation devrait donc segénéraliser.
Remerciements. - Nous tenons à remercier le Professeur S. Nikitine
qui
nous a constamment encou-ragés
etqui
nous asuggéré
certainesexpériences.
Nousremercions
également
MM. P. L. Wendel et C.Noguet
pour leurs conseils
techniques.
Les
chromatogrammes
surplaque
et les échantil-lons
d’électrophorèse
nous ont étéprêtés
par MM. G.Rebel,
J. P. Fuchs et G. Hildwein du Centre de Neurochimie du C. N. R. S.(Directeur :
M. P. Man-del)
deStrasbourg.
Nous les en remercions vivement.Bibliographie
[1] STAUFFER, F. R. et SAKAI, H., Appl. Opt. 7 (1968) 61.[2] CARDONA, M., Modulation Spectroscopy (Acad. Press) 1969.
[3] SHAKLEE, K. L. et ROWE, J. E., Appl. Opt. 9 (1970) 627.
[4] ARAMU, F. et RUCCI, A., Rev. Sci. Instrum. 37 (1966) 1696.
[5] MERLE, J. C., WECKER, C., DAUNOIS, A., DEISS, J. L. et NIKITINE, S., Surface Science 37 (1973) 347.
[6] DAUNOIS, A., MERLE, J. C., DEISS, J. L. and NIKITINE, S., Phys. Stat. Sol. (b) 50 (1972) 691.