HAL Id: jpa-00243382
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Submitted on 1 Jan 1970
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Spectromètre à deux voies à exploration rapide
J.P. Aicardi, J. Barcelo, F. Bombre
To cite this version:
J.P. Aicardi, J. Barcelo, F. Bombre. Spectromètre à deux voies à exploration rapide. Re- vue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1970, 5 (2), pp.245-248.
�10.1051/rphysap:0197000502024500�. �jpa-00243382�
REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE
Supplément au « Journal de Physique »
SPECTROMÈTRE A DEUX VOIES A EXPLORATION RAPIDE
par J. P. AICARDI, J. BARCELO et F. BOMBRE U. E. R. des Sciences Exactes et Naturelles de Perpignan, 66
(Reçu le 3 juillet 1969, revisé le 12 septembre 1969)
Résumé.
2014Description d’un spectromètre Ebert-Fastie à réseau, à deux voies. Il permet
l’exploration rapide (jusqu’à 1 Å/03BCs) d’une large bande spectrale (jusqu’à 5 000 Å d’étendue) avec
une résolution effective de 1,5 Å environ. Spectres illustrant les possibilités de l’appareil.
Abstract.
2014A description is given of a grating spectrometer, two channels, set up as devised by Ebert-Fastie. It allows extremely rapid scanning rates (over 1 Å/03BCs) over a wide spectral range
(about 5 000 Å wide with a 1 200 lines per millimeter grating) with an effective resolving power of 1,5 Å. The basic principles of the instrument are described together with some spectra illustrating
its capabilities.
Tome 5 Nul 2 AVRIL 1970
1. Introduction.
-Ce spectromètre est destiné à
des mesures de cathodoluminescence de poudres et de
monocristaux. Dans ces expériences, il y a intérêt à diminuer la durée d’observation du phénomène pour limiter la détérioration ou la destruction de la partie
de la substance bombardée [2, 7]. Cet appareil peut également être utilisé dans de nombreux problèmes
de spectroscopie, nécessitant l’exploration rapide
d’un intervalle spectral donné.
-
En cinétique chimique, par exemple, l’étude des spectres d’absorption au cours de la réaction permet de préciser le mécanisme réactionnel [9, 13].
-
Dans les plasmas, l’examen du profil de certaines
raies permet de déterminer la température et la densité électronique de ces derniers [4, 10, 1l, 12].
Les spectromètres rapides ultra-rapides existants [3, 4, 5, 9,10,11,12,13] donnent directement le spectre
sur l’écran d’un oscillographe et permettent d’aborder de tels problèmes.
Il existe de nombreux procédés pour réaliser une
exploration spectrale rapide. Le balayage peut s’effec-
tuer de deux manières :
-
par défilement du spectre sur la fente de sortie,
-
par déplacement de la fente de sortie sur le spectre fixe.
Pour des raisons technologiques évidentes (fragilité
du détecteur en particulier) seule la première méthode
est habituellement retenue. On utilise alors l’un ou
l’autre des dispositifs de balayage suivants :
-
rotation du réseau
-
oscillation du réseau
-
miroir tournant
-
miroir oscillant.
Le choix du mode d’exploration est important car
il détermine en grande partie les qualités du spectro- mètre.
Il affecte le facteur de transmission donc la lumino- sité du montage et fixe en outre, le temps mort entre deux explorations successives ; il influe encore et de façon importante sur la résolution effective qui peut être atteinte compte tenu du système dispersif utilisé.
L’information spectrale sera d’autant meilleure que le taux d’exploration temporel, défini comme étant le rapport du temps mis pour l’exploration à la période
de répétition, sera voisin de l’unité. Aux diverses
causes de pertes de résolution s’ajoutent celles liées
aux conditions nouvelles d’observation du spectre,
au temps de réponse du détecteur et des circuits élec-
troniques.
II. Analyse critique des spectromètres rapides exis-
tants.
-Mis à part le spectromètre de Nièsel [13]
et de Larcher [12] (système oscillant), les diverses
réalisatio is font appel quel que soit le montage spec-
troscopique adopté, à un ou plu-ieurs miroirs tournants.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0197000502024500
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Si l’utilisation d’un système oscillant (réseau ou miroir) permet d’obtenir des taux d’exploration voisins
de l’unité, la vitesse d’exploration subit des variations tiès importantes au cours de chaque passage. De plus,
les oscillations rapides entraînent des variations de vitesse et d’accélération qui créent des contraintes ; celles-ci provoquent des déformations toujours défa-
vorables surtout pour un réseau oscillant. Pour limiter
ces effets, la vitesse d’exploration reste faible.
Lorsque l’exploration s’effectue à l’aide de miroirs tournants, les perturbations introduites diffèrent sui- vant le type de montage.
Pour que la vitesse de rotation du système mobile
soit élevée, il est nécessaire de réduire au maximum l’inertie de l’ensemble. On est donc conduit à limiter les dimensions des miroirs. Le système dispersif risque alors de ne pas être éclairé en totalité d’où une
perte de luminosité et de résolution [4] ou bien consen-
tir à réduire le domaine spectral exploré [10]. L’utilisa-
tion d’un grand nombre de miroirs pour augmenter le
taux d’exploration entraîne des réglages délicats [3, 5] ;
de plus les explorations successives se faisant suivant des chemins optiques différents, il apparaît des fluc-
tuations d’intensité qui peuvent être importantes.
Dans la plupart de ces montages, le balayage sur l’écran
de l’oscilloscope est synchronisé à partir de la rotation du système d’exploration. Un rayon lumineux issu d’une source auxiliaire se réfléchit sur le miroir tour- nant et converge sur une photodiode convenablement
disposée. Celle-ci produit une impulsion chaque fois
que le miroir passe par une position donnée ; cette impulsion amplifiée mise en forme, déclenche le
balayage de l’oscilloscope lorsque le spectre défile
sur la fente de sortie.
Une telle solution entraîne de nouvelles fluctuations
qui diminuent la résolution ; en effet, le déclenchement du balayage ne se produit pas pour des positions rigoureusement identiques du spectre.
-
Une fois la base de temps déclenchée, le dispo-
sitif de balayage ne tourne pas avec une vitesse suffit- samment constante.
-
Le défilement du spectre sur la fente de sortie obéit à une loi en sinus, alors que la vitesse de balayage
sur l’écran de l’oscilloscope est constante.
III. Description du spectromètre.
-a) SOLUTIONS
RETENUES.
-Afin d’obtenir un spectromètre rapide,
de bonne résolution, lumineux et utilisable dans un
large domaine spectral, nous avons envisagé de réaliser
le balayage à l’aide d’un réseau échelette tournant et consenti de ce fait à diminuer le taux d’explora-
tion.
On pourrait craindre que la mise en rotation rapide
du système dispersif entraîne l’apparition de pertur- bations dues aux contraintes et aux déformations éventuelles de celui-ci. Des essais préliminaires nous
ont montré que sous réserve de précautions impor-
tantes quant à la réalisation mécanique, cette solution
était possible à condition de placer le spectromètre
sous vide. Il apparaît, en effet, lors des rotations rapi- des, des turbulences et des variations de pression au voisinage du réseau qui créent des variations d’indice
sur les trajets optiques.
Pour éviter toutes les perturbations introduites par la synchronisation, un dispositif d’asservissement lié
au réseau remplace les systèmes utilisés habituelle- ment.
Enfin, un spectre étalon ou les franges d’un Perot- Fabry juxtaposées au spectre étudié complètent cet
ensemble et « bouclent » ce système d’asservissement.
b) MONTAGE OPTIQUE. : l
Le monochromateur est un Ebert Fastie (Fig. 1).
Les qualités optiques de ce dispositif sont bien connues [6] ; ces qualités jointes à l’utilisation de fentes courbes
corrigent à la fois, l’erreur due à l’astigmatisme et à
la courbure de l’image. Nous avons choisi ce dispositif
comme étant le mieux adapté à notre travail. En effet,
la possibilité d’utiliser des fentes de 45 mm de hauteur permet non seulement d’augmenter le flux lumineux
disponible, tout en ayant une bonne image, mais
aussi d’introduire un second faisceau de repérage optique [8].
1.
FIG. 1.
-Schéma optique.
FIG. 2.
-Schéma synoptique.
FIG. 3.
Le miroir collimateur a une distance de 1 150 mm
et le monochromateur est ouvert à f/15. La disposition
des voies 1 et 2, totalement indépendantes et entière-
ment placées sous vide, permet d’étudier sur l’une d’elles un spectre d’émission ou d’absorption et d’intro-
duire sur la seconde un spectre cannelé provenant d’un étalon Perot-Fabry.
c) MONTAGE ÉLECTRIQUE.
-Nous asservissons directement la longueur d’onde à la position du spot
sur l’écran de l’oscilloscope. Un potentiomètre à rota-
tion continue lié rigidement à l’axe du réseau, fournit
une différence de potentiel proportionnelle à l’angle
de rotation du réseau. L’angle de rotation correspon- dant au domaine spectral étudié étant faible, de
l’ordre de 20°, un deuxième potentiomètre donne une
tension de référence ajustable qui permet d’isoler la
partie utile du signal disponible aux bornes du codeur.
A cette fin, un circuit écréteur permet de prélever une
faible partie de ce signal, celle-ci est comparée à la
tension de référence. La différence entre ces deux tensions est amplifiée ; après un nouvel étage écréteur- amplificateur le signal est appliqué à l’entrée X de l’oscilloscope. Un tel dispositif permet d’apprécier
une rotation du réseau d’une seconde d’arc ce qui correspond à la résolution optique de notre appareil [1]. Le schéma synoptique est représenté par la figure
ci-dessus.
IV. Résultats.
-Nous avons équipé le spectromètre
d’une gamme de vitesses très étendue permettant d’explorer un intervalle spectral depuis des vitesses lentes 4 A/minute jusqu’à des vitesses très rapides
1 À/ils. Cette possibilité confère à cet appareil une grande souplesse d’emploi.
a) VITESSE LENTE.
-Sur la partie inférieure de la fente d’entrée, nous projetons les franges à l’infini
d’un étalon Perot-Fabry, sur la partie supérieure, le spectre d’une lampe au mercure basse pression super-
posé au spectre à étudier. A la sortie, les signaux sont
reçus sur deux photomultiplicateurs 150 AVP et
56 AVP de la Radiotechnique et envoyés sur les deux
voies d’un enregistreur « SEFRAM ».
Le cliché n° 3 représente les franges du Perot-Fabry, comprises entre les deux raies jaunes du mercure ;
l’interfrange calculée est 039403B4
=0,626 + 0,002 cm-1.
La résolution atteinte est de 40 000. Ce système de franges constitue un repère qui permet de déterminer
avec précision les longueurs d’onde de raies inconnues par rapport aux raies étalons.
b) VITESSE RAPIDE.
-Le spectre de référence est
FIG. 4.
-Longueur d’onde en A
3 664 3 655 3 651 1 3611 3610
Raies violettes du mercure et du cadmium dans le 3e ordre.
Lampe Zn-Cd-Hg haute pression. Amplitude verticale : 1,5 V/cm.
Amplitude horizontate : 0,05 V/cm. Vitesse d’exploration :
1 Å/03BCs.
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constitué par une lampe Zn-Cd-Hg haute pression.
l’autre voie est utilisée pour le spectre de l’échantillon.
Afin de diminuer le phénomène de traînage, les résis-
tances de charge des deux photomultiplicateurs sont
ramenées de 50 kQ à 20 k03A9, Les tensions prélevées
sur ces derniers sont emoyées sur les plaques de
déviation verticale de l’oscilloscope Ribet-Desjardins
FIG. 5.
-Spectres d’une lampe Hg basse pression et d’une lampe à iode. Dans le 1 er ordre : Amplitude verticale: 1,5 V/cm Amplitude horizontale : 0,7 V/cm. Vitesse d’exploration : 1 _B/tLs.
Durée d’enregistrement : 1,5 ms.
à deux voies ou d’un oscilloscope Airmec grand écran
selon la vitesse choisie, la résolution est de 2 500.
Les figures 4 et 5 représentent le spectre étalon de la
lampe Zn-Cd-Hg pris sur une seule voie et le spectre rémission d’une lampe à iode avec le spectre de référence d’une lampe Hg basse pression. La vitesse.
d’exploration est de 1 A.JJls, le temps de pose correspond
à 60 passages successifs.
V. Conclusion.
-Les performances escomptées
au début de ce travail sont atteintes :
-
Souplesse d’emploi permettant de passer des vitesses lentes aux vitesses élevées.
-
Domaine spectral étendu.
-
Bonne luminosité.
-
