Brevet FR2325241A1 — publié le 19770415

La présente invention concerne un modulateur pour spectrogra- phie, notamment un modulateur Stark pour la spectrographie micro onde. On sait qu'un spectromètre à modulation Starck comporte u guide d'ondes allongé contenant l'échantillon de gaz qui doit être analysé, ce guide d'ondes étant relié, à l'une de ses extrémités, à une source hyperfré- quence( tel qu'un klystron) et à son autre extrémité, à un cristal détecteur hyperfréquence. Le guide d'ondes comporte une électrode Stark isolée à laquelle est appliquée ajie tension électrique périodique pour produire dans le guide d'ondes wn champ électrique à variation périodique La spectrographie d'absorption permet de mettre en évidence des transitions entre les niveaux de rotation des molécules du gaz analyse.A cet effet, on fait varier lentement la fréquence de la source hyperfréquence en fonction du temps de manière à balayer tout le domaine analysé s'éten dant par exemple de 8000 MHz à 60 000 MHz. En l'absence du champ électrique produit par le modulateur, les transitions entre les niveaux de rotation des molé cules sont détectées à partir des variations du courant du cristal , chaque transition se manifestant par une bande d'absorption très fine (de 0,1 MHz à 1 MHz). Ainsi, par exemple, lors du balayage de la bande de fréquence,- une transition apparaît pour une fréquence f en l'absence du champ électrique produit par le modula- teur. Par contre, lorsque le champ électrique est présent, l'absorp tion pour l@onde de fréquence f0 disparait mais le gaz absorbe alors de l'éner gie micro onde pour une ou plusieurs autres fréquences f1, f2. Ceci ce traduit par l'apparition de transtions supplémentaires appelées composantes Stark.Elles sont dirigées vers les ordonnées négatives, alors que la transition en l'absence de champ électrique est dirigée vers les ordonées positives Dans les sp ectrographes consaus , le modulateur produit des signaux carres ayant une amplitùde t pendant une demi-période et nulle pen dant l'autre demi-période.Dans les cas d'un spectre dense, une telle modula tion présente l'inçonvénient de faire apparaître en quelque sorte une "inter férence" des composantes Stark, dues à une transition ,avec d'autres transi tions voisines, II peut se produire en fait un brouillage d'une faible transition par des composantes Stark , d'une autre transition intense, ces deux transitions provenant soit de la même molécule, soit de molécules différentes. Le fait que les composantes Stark apparaîssent négativemt-nt sur le spectre par rapport aux transitions ,nuit à une bonne détermination de l'aire de ces transitions et de ce fait toute mesure de la composition d'un mélange est entachée d'une erreur qui peut être importante. Dans le cas de transitions isolées, il peut également apparaître une distorsion de chaque transition elle-même par sa composante Star la plus voisine. D'une manière générale, l'interférence des composantes Star sur les transitions entraînè un défaut de. définition de la base de référence du signal mesure. Un autre inconvénient du modulateur Stark connu est qutil engendre des signaux parasites importants car les pointtsde courant qu'il produit sont très grandes aux instants T/2 et T, T étant la période ces pointes correspondent aux fl a ncs de montée et de descente des carrés. Le modulateur Stark connu ne permet pas , du fait de sa concep- tion, d'obtenir de très hautes tensions et ceci a pour conséquence directe que l'efficacité de la modulation est limitée dans certains cas. Enfin, aucune protection n'est possible contre un claquage accidentel dans le gaz contenu dans la cellule d'analyse formée par le guide d'ondes. Ce claquage entraîne instantanément la mise hors service des tran- sistors interrupteurs utilisés dans le modulateur Stark et également un cla quage- de; l'alimentation. La présente invention yise essentiellement à remédier à ces inconvénients en procurant un modulateur de conception particulièremvnt simple , améliorant les perforrnances des mesures et augmentant la fiabilité de l'appareil. A cet effet, ce-modulateur pour spectrographie, notamment modulateur Stark pour spectrographie micro onde, associé à une cellule contenant-un échantillon de gaz à analyser, lequel est traversé par le fais ceau d'analyse et est soumis par ailleurs à un champ électrique ou magnéti- que produit par ledit modulateur, est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour produire un champ périodique nul pendant une demi-période et continuellement variable pendant l'autre demi-période. Le modulateur suivant l'invention présente principalement l'avantage que , du fait que l'amplitude du champ, lorsqu'il est présent, varie continuellement, l'absorption micro onde correspondante est étalée sur une bande de fréquence aussi grande que le déplacement des composantes Stark individuelles, qui serait fourni par la valeur de crête du champ appliqué. De cette façon, les composantes Stark sont noyées dans le bruit du niveau de réfé- rence et les transitions présentes en l'absence de champ ont une forme bien définie et leur aire peut etre mesurée avec une plus grande précision. Un autre avantage du modulateur suivant l'invention est qu'il permet d'ob- tenir une tension de modulation beaucoup plus élevée, ce qui est particulièrement appréciable dans certains cas d'analyse. Enfin, du fait de sa conception propre, le modulateur présente une garantie de protection totale contre les claquages accidentels pouvant se produire dans la cellule. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécu- tion de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est un schéma d'un modulateur Stark suivant l'invention utilisé pour la spectographie micro onde. La figure Z est un schéma électrique d'une forme d'exécution particulière du modulateur permettant d'assurer une protection totale contre les claquages. La figure 3 est un schéma électrique d'une variante d'exécution permettant de décaler vers les tensions positives le palier inférieur. La figure 4 est un schéma électrique d'une autre forme d'exécution suivant l'invention. Sur la figure I sont représentés d'une manière simplifiée les éléments constitutifs essentiels d'un spectrographe micro onde à modulation Stark. Ce spectrographe comporte une source hyperfréquence 1 commandée par un ensemble 2 d'alimentation, de balayage en fréquence et de stabilisation de la fréquence. La source hyperfréquence 1 est reliée à l'entrée d'une cellule 3 contenant le gaz à analyser èt qui est constituée par un guide d'ondes. A la sortie du guide d'ondes est branché un cristal détecteur hyperfréquence 4 lui-meme relié à un étage 5 assurant Itinterprétation des signaux fournis par le. cristal détecteur-4 et ccrnp"enantunacateur deux synchrone et, par exemple, un oscilloscope et un enregistreur ou une- table traçante 5b. A l'intdrieur de la cellule 3 est disposée une électrode isolée 6 laquelle coopere avec la paroi du guide d'ondes 3 pour produire entre elles un champ électrique. Cette électrode 6 et la paroi du gui de d'ondes 3 sont reliées à un modulateur Stark 7 produisant un signal électrique périodique de forme telle que le champ électrique résultant entre l'électrode isolée 6 et la paroi du guide d'ondes 3 soit nul pendant une de mi -période et continuelle- ment variable pendant l'autre demi-période. Cor ne il est représenté sur la figure 1, le modulateur 7 comporte un transformateur 8 élévateur de t e n s i o n d o n t l'enroulement primaire Sa est relié à un générateur 9 de signaux périodiques de forte puissance. Les extrémités de l'enroulement secondaire 8b du tran: > for- mateur 8 sont respectivement reliées à l'électr-ode isolée 6 et à la paroi du guide d'ondes 3. Pour obtenir le palier inférieur durant la demi-période pendant laquelle le signal et le champ électrique sont nuls, on peut d'une manière simple réaliser une mise en court-circuit unidirectionnelle par @ moins une diode 10 branchée en parallèle aux bornes de 1' enroulement secondaire. Le transformateur 8 a une forte puissance et la fréquen nee résonance du circuit secondaire doit être sensiblement égale à la fréquence du signal périodique appliqué à l'enroulement primaire 8a. Le signal d'attaque produit dans le circuit secondaire peut avoir une forme demi-sinusoidale ou toute autre forme de signal redressé demi-onde. Ce signal de modulation doit satisfaire à un certain nombre de conditions a)rester nul toutes les demi-périodes b)être d'amplitude aussi grande que possible, les limites étant fixées par le claquage dans la cellule 3 (fonction de la pression du gaz et de la constitution de la cellule ) et par la puissance du modulateur 7 c) avoir des pentes à l'origine importan tes La forme effective du signal de modulation est liée à la façon dont est réalisé le montage du modulateur 7.On peut modifier la forme du signal de modulation en désaccordant par exemple le transformatèur 8 (chan- gement de la capacité répartie, changement du rapport des spires) en modifiant le rapport cyclique de signaux.de commende appliqués à des interrupteurs moyenne puissance branchés dans le circuit primaire ou en changeant très légèrement la fréquence de travail. L'enroulement primaire 8a du modulateur 7 peut être alimenté soit par un amplificateur de puissance fonctionnant par tout ou rien, soit par un circuit comprenant un ou plusieurs transistors interrupteurs. Le circuit primaire peut être rudimentaire; il doit être seulement prévu pourfaire passer un courant variable dans l'enroulement primaire du transformateur. Ce courant est fourni par une source de tension qui n'a pas besoin d'être constante. L'amplitude maximale atteinte par le champ él ect riqu ou la fora de variation du champ peut être reproduite exactement ou non d'une période à l'autre. On peut notamment obtenir une variation de l'amplitude maximale d'une période à l'autre au moyen d'une modulation d'amplitude du signal d'attaque avant le transformateur 8, c'est-à-dire une modulation d'amplitude du courant dans le circuit primaire, cete modulation d'amplitude ayant une fréquence plus basse que celle du signal de modulation. Cette modulation d'amplitude peut être obtenue par un filtrage sommaire des alimentations , du générateur de signal 9 , des amplificateurs attaquant éventuellement le transformateur 8 . On peut à cet effet supprimer toute capacité de filtrage dans-le circuit primaire ou utiliser une capacité faible. Suivant une caractéristiqu co mplémentaire de l'invention, le modulateur Stars 7 présente toute garantie de protection à l'égard des claquages éventuels pouvant se produire dans la cellule 3 , et ce malgré l'emploi d'un signal de modulation d'amplitude trag élevée. Un schéma du circuit du modulateur 7 permettant d'obtenir cette protection est représenté sur la figure 2. Ce modulateur 7 comporte , dans le cir cuit relié à l'enroule- ment secondaire 8b,deux diodes 10 et 10a branchées en parallèle et dans le -même sens aux bornes de ltenro.llement secondaire 8b. Aux bornes de ces diodes est relié un pont de mesure l l comprenant deux résistances 12 et 13 et deux condensateurs 14 et 15.Le condensateur 14 représente la capacité de la cellule d'analyse 3. La résistance 12 est en série avec le condensateur 14 et il en est de meme pour la résistance 13 qui est branchée en série avec le condensateur 15j ces deux ensembles de composants en série étant euxmêmes branchés en parallèle sur les diodes 10 et 10a. Les points de jone- tion entre la résistance 12 et le condensateur I4 d'une part et la résistance 13 et le condensateur 15 d'autre part sont reliés .-iu extrémités d'un enroulement primaire d'un transformateur de détection 16 dont l'enroulement secondaire est connecté à un cir cuit de détection de seuil 17. Ce dernier circuit est lui-même relié au générateur 9. Les valeurs des élément s 12 à 15 sont choisies de manière qu dans les conditions normales le pont de mesure ll soit équilibré pour toutes les fréquences. Aussitôt qu'un déséquilibre apparaft, à la suite d'un claquage accidentel dans la cellule 3, un courant parcourt le transformateur 16 qui, par l'intermédiaire du circuit de détection .de seuil 17 provoque la disjonction très. rapide, en quelques microsecondes, du générateur 9. Grace au fait que le signal de modulation présente une montée en tension relativement lente, la détection du claquage s'effectue instantanément au cours de la montée en tension et on dispose d'un temps suffisant pour obtenir une dis jonction au cours meme de la demi-période où le défaut apparat, et ce avant la crete. On obtient ainsi une protection parfaite du générateur 9 et de la cellule 3. On peut travailler de cette façon avec la tension maximale supportable par -le gaz. Le modulateur 7 présente d'autres avantages à savoir que le transforma- teur peut avoir une construction compacte sans connexion directe avec- l'extt-- rieur; ceci se traduit par un isolement parfait vis-à-vis des masses. Decc fait, on obtient une réduction maximale des fuites électromagnétiques a la masse et. grâce à un blindage entourant l'ensemble des composants, blin dage indiqué en trait mixte sur la figure 2 ; on peut également réduire les pertes de rayonnement.Ceci se traduit par un accroîssement de la sensibilité du à la réduction du rayonnement parasite, Le modulateur 7 permet en outre d'observer seulement les composantes Stark de chacune des transitions, les composantes elles-memes, à l'inverse du cas présent, étant estompées. Par un système de deux connecteurs, non représentés , on insère en série avec la cellule 14, et à sa place, une capacité d'isolement, et on branche en parallèle une alimentation par l'intermédiaire d'une liaison à diode et résistance, comme l'indique la figure 3. De ce fait, on régle le niveau du-palier inférieur du signal. On peut ainsi le décaler vers les tensions positives, proportionnellement à l'amplitude de la tension continue de l'alimentation continue schématisée sur la figure 3 comme une pile variable le spectre micro onde observé se compose alors des seules composantes Stark, que l'on obtient quand le champ électrique appliqué est défini par la tension du palier inférieur. Cette procédure permet d'analyser l'effet Stark de chacune des transitions et de mesurer en particulier le moment dipolaire de l'espèce moléculaire étudiée. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le système de mise en forme du signal de modulation comprend deux diodes à avalanche contrlée 10, 10a, montées tête-bêche. La conduction de chacune d'elles est commandée par un système générateur d'impulsion, non représenté sur la figure 4, pour obtenir que les alternances soient successivement positives et négatives, les paliers étant définis par les périodes de blocage des deux éléments. Bien que l'on ait décrit, à titre d'exemple non limitatif de l'invention, un modulateur Stark utilisable pour la spectographie micro onde, il est évident que l'invention s'applique à un modulateur utilisable pour d'autres types de specto- graphie et dont le signal de modulation est utilisé pour produire un champ magnétique. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée au mode d'application et de réalisation qui vient d'entre décrit et qutil pourrait etre conçu diverses variantes sans sortir pour autant de l'esprit de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Modulateur Starck pour spectrographie micro-onde, associé à une cellule contenant un échantillon de gaz à analyser, lequel est traversé par le faisceau d'analyse et est soumis par ailleurs à un champ électrique ou magnétique périodique produit par ledit modulateur, ce champ étant nul pendant une demi-période, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une diode assurant une mise en court-circuit unidirectionnelle afin de produire le palier inférieur de la demi-période durant laquelle le champ est nul et une variation continue du champ pendant l'autre demi-période. -2.- Modulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens produisant le champ périodique comportent un transformateur 8 élévateur de courant ou de tension, dont l'enroulement primaire 8a est relié à un générateur 9 de signaux périodiques de forte puissance. 3.- Modulateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte-au moins une diode 10 branchée en parallèle sur l'enroulement secondaire 8b du transformateur 8 élévateur de courant ou de tension. 4.- Modulateur suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur 8 à forte puissance et dont la fréquence de résonance du circuit secondaire est sensiblement égale à la fréquence du signal périodique appliqué à son enroulement primaire Sa. 5.- Modulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens produisant le champ périodique sont agencés de manière que l'amplitude maximale atteinte par le champ durant la demi-période pendant laquelle il existe ou la forme de variation de ce champ se reproduisent exactement d'une période à l'autre. 6.- Modulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour réaliser une modulation d'amplitude du signal d'attaque avant le transformateur 8 (de fréquence inférieure à celle du signal de modulation) afin de faire varier d'une période à l'autre l'amplitude maximale atteinte par le champ ou la forme de variation de ce dernier. 7.- Modulateur suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage léger des alimentations, du générateur de signal périodique, des amplificateurs attaquant le transformateur, afin d'obtenir la modulation d'amplitude. 8.- Modulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs diodes dont on contre les instants de conduction pour définir le palier au cours duquel le champ est nul. 9.- Modulateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu au moins deux des diodes sont montées en inverse l'une par rapport à l'autre pour obtenir que les alternances non nulles du signal de modulation soient alternativement positives et négatives. 10.- Modulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un pont de mesure 11 dans une brenche duquel est insérée la capacité de la cellule de mesure reliée à l'enroulement secondaire 8b du transformateur 8, ce pont de mesure étant branché en parallèle aux bornes de la ou des diodes 10 assurant la mise en court-circuit unidirectionnelle et un transformateur 16 branché en diagonale dans le pont pour détecter un déséquilibre de ce dernier, ce transformateur étant connecté à un circuit de détection de seuil 17 relié au générateur 9 de signal d'attaque périodique de l'enroulement primaire du transformateur 8 afin de provoquer une disjonction très rapide dans le cas de la détection d'un claquage accidentel dans la cellule de mesure. 11.- Modulateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un système de décalage de la tension du palier utilisé, conjointement ou non, avec le pont de détection, pour observer uniquement les composantes Starck individuelles dont le déplacement correspond à la valeur du champ appliqué au cours du palier.