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RÉSUMÉ
La méthode de la spectrométrie photoacoustiques (SPA) est l’objet principal de cet article. Cette méthode permet de détecter et d’analyser les gaz toxiques et polluants avec fiabilité. Pour commencer, le principe d’ensemble de cette méthode est abordé, avec l'historique de la technique et la spectrométrie photoacoustique moderne. L'analyse du processus de détection de gaz s'avère indispensable au travers des bruits en détection, du rapport signal sur bruit et des améliorations du signal. Le cas de l’application à la détection du gaz méthane est également abordé dans cet article.
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Virginie ZENINARI : Docteur en physique de l’université de Reims Champagne Ardenne (URCA) - Maître de conférences, habilitée à diriger des recherches à la faculté des sciences exactes et naturelles de Reims (URCA)
INTRODUCTION
Le principe de la spectrométrie photoacoustique (SPA) consiste à exciter un échantillon avec une lumière modulée de longueur d’onde définie. Les molécules absorbent une partie de l’énergie lumineuse qu’elles convertissent, après désexcitation, en un signal acoustique capté par un microphone. La SPA est une méthode, à la fois très stable et facile d’emploi, permettant de détecter de très faibles concentrations de gaz, et très efficace, notamment à la pression atmosphérique ; la dynamique de mesure s’étend sur, au moins, 5 ordres de grandeur.
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1. Du photophone à la photoacoustique
La détection photoacoustique consiste à exciter des molécules avec de la lumière puis à détecter leur désexcitation, non radiative, grâce à un microphone acoustique. Cette technique est loin d’être nouvelle puisque son origine remonte en 1880, lorsque Alexandre Graham Bell découvrit cet effet dans les solides et, ensuite, dans les gaz. Ce procédé fut oublié puis redécouvert, lors de l’invention du microphone, dans les années 1930, et du laser, dans les années 1970.
Les méthodes de mesures photoacoustiques ont trouvé des applications grandissantes en spectrométrie et dans l’étude de l’interaction de la lumière avec la matière. L’effet photoacoustique consiste en la formation d’ondes acoustiques dans un échantillon éclairé, périodiquement, par de la lumière. L’origine de cet effet s’explique par les transitions non radiatives transformant une partie de l’énergie du rayonnement absorbé en énergie thermique qui, sous certaines conditions, donne des vibrations acoustiques. L’interprétation de l’effet photoacoustique contient déjà l’esprit des deux principales applications qui vont découler de cette découverte :
-
la possibilité de détecter, par l’intermédiaire d’un son, des bandes d’absorption difficilement accessibles aux méthodes optiques (substances très peu transparentes ou incluses dans une matrice opaque, gaz absorbants très dilués, etc.) ;
-
la mesure du retard entre l’absorption lumineuse et l’apparition du son qui caractérise le temps de retour à l’équilibre, ou temps de relaxation du corps étudié.
À l’origine, Bell, lorsqu’il découvrit le phénomène, le décrivit comme étant la production de son par la lumière. Le dispositif construit pour étudier ce phénomène fut donc baptisé « photophone ». Il le développa ensuite pour créer un nouveau type de communication téléphonique. Plus tard, quand l’effet photoacoustique combiné à la lumière monochromatique fut utilisé pour étudier les spectres d’absorption des gaz et des vapeurs, la cuve fut appelée « spectrophone ». Ensuite, le même phénomène fut reconnu sous les noms d’ optoacoustique ou encore optico-acoustique. À partir des années 1980, cette dénomination a été évitée...
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ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
1.1 Systèmes Omnisens (Suisse) http://www.omnisens.ch/
Les analyseurs de traces de gaz de Omnisens combinent la spectrométrie photoacoustique avec une technique de détection innovante et très sensible. Cela permet d’obtenir un temps de réponse rapide, une limite de détection basse et un fonctionnement sans recalibration périodique. L’appareil TGA320-X permet de détecter l’ammoniac (NH 3) pour des applications dans les salles d’élaboration des semi-conducteurs. En effet, dans les industries de fabrication des semi-conducteurs, la contamination par l’ammoniac est un problème croissant, car des concentrations de gaz, de plus en plus faibles, peuvent ruiner des productions entières. Ainsi, la détection de traces de gaz ammoniac est une clé pour l’amélioration de la productivité. L’appareil TGA310 est dédié à la détection de l’ammoniac pour les applications environnementales : pollution de l’air, technologies propres dans l’industrie, production d’énergie, risques sur la santé. L’appareil...
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