Brevet FR2388261A1 — publié le 19781117

La présente invention concerne les dispositifs d'analyse spectrocopique de produits polluants dans l'atmosphère. On connait un dispositif d'analyse spectroscopique de produits polluants dans l'atmosphère, comprenant essentiellement un générateur laser muni de moyens capables de faire varier la longueur d'onde d'émission successivement suivant une série de raies3 un système optique divisant le faisceau émis par le genérateur laser en un faisceau de référence et un faisceau de mesure, un détecteur de référence recevant-le faisceau de référence, un détecteur de mesure recevant le faisceau de mesure après qy'il ait traversé l'atmosphère à analyser et un circuit électronique de traitement des signaux de sortie du détecteur de référence et du détecteur de mesure , ce circuit étant apte à délivrer des données sur les produits polluants contenus dans l'atmosphère à analyser. Un tel dispositif est généralement utilise lorsque la largeur de la zone d'atmosphère traversée par le faisceau de mesure est relativement grande et lorsque cette zone est éloignée du dispositif d'analyse, un réflecteur étant alors disposé au delà de la zone à analyser pour renvoyer le faisceau de mesure vers le détecteur de mesure. Lorsqu'il s'agit d'effectuer une analyse locale de l'atmosphère dans une zone relativement petite, la précision du dispositif décrit ci-dessus est insuffisante. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif d'analyse spectroscopique de produits polluants dans l'atmosphère, ce dispositif étant capable de délivrer des données précises sur l'existence et éventuellement le dosage des produits polluants contenus dans l'atmosphère située à proximité du dispositif. La présente invention a pour objet un dispositif d'analyse de produits polluants dans l'atmosphère, comportant - une source laser formée d'au moins un générateur laser comprenant . une cavité optique résonnante composée de deuxréflecteurs, un réflecteur totalement réfléchissant et un réflecteur partiellement transparent, . un milieu amplificateur laser disposé à l'intérieur de la cavité, . des moyens d'excitation de ce milieu amplificateur, aptes à créer dans la cavite un rayonnement cohérent oscillant d'un réflecteur à l'autre, une fraction de ce rayonnement sortant de la cavité à travers le réflecteur partiellement transparent lorsque le gain d'amplification est supérieur aux pertes de la cavité, . un système optique tournant apte à faire varier la longueur d'onde dudit rayonnement successivement suivant les différentes raies d'émission du milieu amplificateur, ces raies comprsnant les raies d'absorption desdits produits polluants, - des moyens pour placer sur le trajet du rayonnement une portion de l'atmosphère à analyser, - un récepteur lumineux disposé à l'extérieur de la cavité pour recevoir le rayonnement ayant traversé ladite portion et apte à délivrer des signaux électriques représentatifs de l'intensité du rayonnement qu'il reçoit, - et un circuit da traitement desdits signaux électriques, sensible à la rotation dudit système optique, ce circuit étant capable de fournir des données sur l'absorption dssdits produits polluants pour les différentes raies d'émission du milieu amplificateur, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour placer sur le trajet dudit rayonnement une portion de l'atmosphère à analyser comportent une cellule de mesure munie de deux fenêtres opposées transparentes au rayonnement, des moyens pour remplir cette cellule de mesure de ladite portion d'atmosphère et des moyens pour disposer cette cellule de mesure à lrintérieur de la cavité' optique resonnante. L'invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 2 et. 3 sont des vues en coupe de deux modes de réalisation d'une cellule faisant partie du dispositif illustré par la figure 1, - et les figures 4,5 st 6 representent schématiquement d'autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, un générateur laser comporte une cavité optique résonnante composée de deux réflecteurs 1 et 2, à l'intérieur de laquelle est disposée un milieu amplificateur laser 3. Le réflecteur 1 est constitué par un réseau mobile en rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe d'émission du laser. Le réflecteur 2 est partiellement transparent pour laisser sortir le faisceau laser 4 de la cavité lorsque le gain d'amplification est supérieur aux pertes de la cavité. Le silieuamplificateur 3 peut être un mélange de gaz constitué par exemple par du gaz carbonique de l'hélium et de l'azote. Ce gaz est enfermé dans un tube muni d'électrodes.Celles-ci sont alimentées par une source de courant électrique non représentée afin d'exciter le milieu amplificateur 3. te faisceau 4 est reçu par un récepteur 5 apte à délivrer des signaux électriques représentatifs de l'intensité du faisceau. Ces signaux sont transmis à un circuit électmnique; 6 de traitement dont la sortie peut entre connectée à un appareil d'éffichage 7. La rotation du réseau 1 est comnandée par un moteur électrique 8 qui entraine aussi en rotation un codeur angulaire 9 dont la sortie est reliée au circuit 6. Selon une caractéristique de l'invention, une cellule 10 contenant un prélèvement de l'atmosphère à analyser, qui peut etre l'atmosphère du lieu où se trouve le dispositif est insérée dans la cavité optique résonnante de manière que l'atmosphère prélevée soit traversée par le rayonnement laser 11 oscillant dans la cavité. Lorsqu'on fait varier progressivement l'inclinaison du réseau 1 sur l'axe d'émission du laser, on sait que la longueur d'onde du rayonnement laser Il prend successivement une série de valeurs correspondant aux différents raies d'émission du milieu amplificateur 3. Lorsque le générateur 3 est un laser à gaz carbonique, ces raies d'émission sont particulièrement nombreuses et certaines d'entre elles correspondent aux raies d'absorption de produits polluants pouvant se trouver dans l'atmosphère à analyser. Ces produits polluants peuvent être par exemple des gaz sortant de cheminées d'usines ou des gaz d'échappement de véhicules à moteur. Il peuvent etre aussi des gaz toxiques de combat. Le rayonnement laser 11 est donc absorbé dans la cellule 10, au cours de la rotation du réseau 1, pour les longueurs d'onde du rayonnement 11 qui correspondent aux raies d'absorption des produits polluants se trouvant dans l'atmosphère à analyser. Chacune de ces longueurs d'onde correspond à une inclinaison du réseau 1. L'absorption du rayonnement 11 est évidemment fonction de la concentration du produit polluant. Le faisceau laser 4 qui est une fraction du rayonnement laser 11 a donc une intensité directement représentative de celle ou rayonnement oscillant 11, la longueur d'onde du faisceau 4 et du rayonnement Il étant la même à un instant donné. Le circuit électronique 6 reçoit du récepteur 5 des signaux représentatifs du spectre d'émission du milieu amplificateur 3, certaines des raies de ce spectre ayant subi une absorption fonction de la concentration du gaz contenu dans la cellule 10. Grâce au codeur angulaire 9, le circuit 6 reçoit des informations relatives à l'angle d'inclinaison du réseau 1 sur l'axe d'émission et par conséquent relatives aux différentes longueurs d'onde du spectre d'émission. Le circuit électrique 6 délivre alors à sa sortie des signaux représentatifs de la variation de l'absorption du rayonnement 11 dans le gaz à analyser, en fonction de la longueur d'onde. En comparant ces signaux avec ceux obtenus lorsqu'on place dans la cavité une cellule identique à la cellule 10 mais remplie d'un gaz neutre tel que- l'azote, il est possible de détecter la présence de produits polluants dans l'atmosphère à analyser et mème de mesurer la concentration de ces produits. Cette mesure est affichée par le dispositif 7. Le circuit électronique de traitement peut être par exemple du type de celui décrit dans la demande de brevet français n073 33 695 déposée le 20 septembre 1973. il est à noter d'ailleurs que lorsque la concentration d'un produit polluant atteint une certaine valeur, les pertes dans la cavité sont -supérieures au gain d'amplification et le seuil d'émission laser n'est pas atteint. Par conséquent, lorsqu'une raie du spectre d'émission du milieu 3 n'est pas reçue par le circuit 6, l'atmosphère à analyser contient le produit polluant correspondant, dans une proportion supérieure à une valeur qu'il est possible de déterminer par exemple par des mesures préalables. Le dispositif d'analyse représenté sur la figure 1 permet d'obtenir des mesures beaucoup plus précises que le dispositif selon l'art antérieur cité plus haut, dans lequel l'absorption du rayonnement laser dans l'atmosphère à analyser s'effectuait sur le trajet du faisceau 4 émis par le générateur laser. En effet, il est connu que l'introduction d'une perte même faible à l'intérieur d'une cavité laser peut avoir un effet très important sur l'énergie de sortie du faisceau. Sur la figure 2 est représenté un mode de réalisation particulièrement simple de la cellule disposée dans la cavité laser. Les parois de la cellule sont formées d'un corps cylindrique 12 muni de deux fenêtres planes opposées 13 et 14. Le corps 12 peut être réalisé en acier inoxydable et peut comporter deux ouvertures 15 et 18 latérales de remplissage. Ces ouvertures peuvent être utilisées éventuellement pour faire circuler un gaz, comme il sera expliqué dans ce qui suit. Les fenêtres 13 et 14 sont transparehtes au rayonnement Il oscillant dans la cavité laser. Pour éviter les réflexions parasites, ces fenêtres peuvent être disposés à l'angle de BREWSTER et peuvent être recouvertes de couches multidiélectriques antireflet.Lorsque le générateur laser est à gaz carbonique, les fenêtres 13 et 14 peuvent être réalisées par exemple en germanium ou en sélénure de zinc. La figure 3 représente un mode de réalisation particulièrement avantageux de la cellule, connu sous le nom de cuve de WHITE. La cellule comporte alors deux miroirs plans 17 et 18 parallèles entre eux et en regard l'un de l'autre, entre lesquels est disposé le volume d'atmosphère à analyser, une fenêtre d'entrée 19 en regard du miroir 17 et une fenêtre de sortie 20 en regard du miroir 16. Dans cette cellule, le plan des miroirs 17 et 18 est incliné par rapport à celui des fenêtres 19 et 20, de sorte que le rayonnement 11 entrant dans la cellule par la fenêtre 19 en sort par la fenêtre 20 après plusieurs réflexions. sucçessives sur suives sur les miroirs 17 et 16.Pratiquement l'inclinaison des miroirs 17 et 18 par rapport au plan des fenêtres est beaucoup plus faible que celle représentés sur la figure 3, de manière à permettre un nombre de réflexions beaucoup plus élevé. L'axe d'entrée du rayonnement est en général parallèle à l'axe de sortie à une distance 21 de celui-ci, de sorte que le miroir de sortie 2 [figure 1) de la cavité laser est décalé transversalement de cette distance par rapport au miroir 1. La cuve de WHITE permet d'augmenter le nombre de traversées de la cellule par le rayonnement 11, et d'augmenter en conséquence la sensibilité du dispositif d'analyse. Le dispositif d'analyse peut comporter aussi une cellule de référence 22 (figure 1) tout à fait identique à la cellule 10 la cellule 22 étant remplie d'un gaz neutre, et des moyens mécaniques pour insérer dans la cavité laser la cellule 22 ou la cellule de mesure 10 ; ces moyens mécaniques sont à la portée de l'homme de l'art et ne sont donc pas décrits ici. Dans ces conditions, l'utilisateur effectue tout d'abord une mesure avec la cellule de référence 22 insérée dans la cavité, la cellule 10 occupant alors la position 23 indicée en traits interrompus sur la figure 1. Les infonmations reçues par le circuit 6 au cours de cette mesure de référence sont mises en mémoire.Une mesure d'absorption dans le gaz à analyser est ensuite effectuée, en insérant la cellule de mesure 10 dans la cavité. Le circuit 6 comporte des moyens différentiels pour comparer les signaux électriques qu'il refait ou cours de cette mesure aux signaux mis er. mémoire, Dans le dispositif représenté sur la figure 4, deux cellules 24 et 25 identiques disposées cte à cote sont insérées dans la cavité laser. La cellule 24 est remplie d'un gaz neutre pour constituer une cellule de référence 5 cette cellule est disposée dans la cavité de mani-ère à être traversée par seulement la mcitié de la section droite du rayonnement oscillant 11. La cellule 25 remplie du gaz à analyser est une cellule de mesure ; elle est traversée par l'autre moitié de la section droite du rayonnement 11. Le faisceau laser sortant de la cavité par le miroir 2 est ainsi divisé en deux parties 26 et 27 qui sont dirigées respectivement sur un détecteur de référence 2B et un détecteur de mesure 29.Les signaux électriques issus des deux détecteurs 26 et 29 arrivent à 'entrée d'un circuit de traitement 30 muni d'un comparateur apte à faire la différence entre les signaux issus de ces deux détecteurs. Dans ce mode de réalisation les signaux de mesure et de référence arrivent en même temps à l'entrée du circuit 30. Les signaux de sortie du circuit 6 sont dirigés vers le dispositif 7 qui affiche en temps réel la concentration des produits polluants, sans qu'il soit besoin de mettre en mémoire les signaux de référence. Le dispositif d'analyse représenté 5U'- la figure 5 comporte aussi une cavité laser formée de deux miroirs 1 et 2, le miroir 1 étant constitué par un réseau tournant entrainé par un moteur 6. Entre le miroir partiellement transparent 2 et le milieu actif laser 3, est insere un autre miroir partiellement transparent 31 incliné à 45 degrés sur 11 axe de la cavité 1-2. Uns partie du rayonnement 11 oscillant dans cette cavité est donc renvoyé par le miroir 31 à angle droit vers un autre miroir partiellement transparent 32, de manière à former une autre cavité laser délimitée par le réseau 1 et ce miroir 32. Une cellule de référence 33 est disposée dans cette autre cavité entre les miroirs 31 et 32 et une cellule de mesure 34 est insérée entre les miroirs 31 et 2,- dans la première cavité, Les faisceaux laser 35 et 36 sortant de ces cavités sont dirigés respec tivement sur deux détecteurs 28 et 29, reliés eux même à l'entrée d'un circuit de traitement 30, Le dispositif d'analyse représenté sur la figure 6 comporte deux générateurs laser identiques dont les cavités sont limitées chacune par un réseau tournant [1, 373 et un miroir partiellement transparent (2, 36). A l'intérieur de la cavité 1-2 est disposée une cellule de mesure 40 i de même une cellule de référence 39 est disposée à l'intérieur de la cavité 37-38. Les faisceaux émis par ces lasers sont reçus par des détecteurs 28 et 29 dont les sorties sont connectées à l'entrée d'un circuit de traitement 30. Les deux générateurs laser ainsi que les deux détecteurs sont disposés à l'intérieur d'une enceinte 41 étanche aux gaz et remplie d'un gaz neutre. Le remplissage peut être effectué par une ouverture 42 ménagé dans cette enceinte, l'ouverture 42 étant reliée par une canalisation à une vanne 43 et une pompe 44. La cellule de mesure 40 est munie de moyens pour y faire circuler un gaz, qui peut être l'atmosphère à analyser entourant l'enceinte 1. Ces moyens sont constitués par deux ouvertures 45 et 46 ménagés dans la cellule 40, l'ouverture 45 étant reliée à l'extérieur de l'enceinte 41 à une vanne 47 par une canalisation traversant la paroi de l'enceinte 41 et l'ouverture 46 étant reliée à une vanne 48 st à une pompe 49 par une canalisation traversant aussi l'enceinte 41. La circulation du gaz à analyser dans la cellule de mesure 40 permet de mesurer la variation en fonction du temps, de la concentration des produits polluants. Une disposition analogue, comportant une enceinte étanche, peut être appliqués au cas ou le dispositif d'analyse ne comporte qu'un seul laser comme celui représenté sur la figure I : il est possible alors de n'utiliser qu'une seule cellule de mesure pour plusieurs mesures consécutives, en effectuant un balayage de gaz neutre dans la cellule afin d'évacuer l'atmosphère à analyser entre chacune de ces mesures. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux seuls modes de réalisation décrits et représenté. En particulier, chaque moyen du dispositif selon l'invention, paut être remplacé par un moyen équivalent. C'est ainsi que les générateurs laser peuvent etre non seulement des lasers à gaz carbonique mais aussi des lasers à azote, à colorants ou à exciplexes de gaz rares (KrF Xe F3. Ces générateurs laser peuvent être à émission continue, ou par impulsions. Le dispositif optique pour faire varier la longueur d'onde du rayonnement laser peut être non seulement un réseau tournant mais aussi un prisme tournant dans la cavité laser. Oye plus le dispositif d'analyse peut comporter plusieurs lasers de types différents, dans la cavité desquels on insère successivement une même cellule de mesure, de manière à détecter un plus grand nombre de produits polluants. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'analyse de produits polluants dans l'atmosphère, comportant - une source laser formée d'au moins un générateur laser comprenant .'une cavité optique résonnante composée de deux réflecteurs, un réflecteur totalement réfléchissant et un réflecteur partiellement transparent, . un milieu amplificateur laser disposé à l'intérieur de la cavité, . des moyens d'excitation de ce milieu amplificateur, aptes à créer dans la cavité un rayonnement cohérent oscillant d'un réflecteur à l'autre, une fraction de ce rayonnement sortant de la cavité à travers le réflecteur partiellement transparent lorsque le gain d'amplification' est supérieur aux pertes de la cavité, . un système optique tournant apte à faire varier la longueur d'onde dudit rayonnement successivement suivant les différentes raies d'émission du milieu amplificateur, ces raies comprenant les raies d'absorption desdits produits polluants, - des moyens pour placer sur le trajet du rayonnement une portion de l'atmosphère à analyser, - un récepteur lumineux disposé à l'extérieur de la cavité pour recevoir le rayonnement ayant traversé ladite portion, et apte à délivrer des signaux électriques représentatifs de l'intensité du rayonnement qu'il reçoit, - et un circuit de traitement desdits signaux électriques, -sensible à la rotation dudit système optique, ce circuit étant capable de fournir des données sur l'absorption desdits= produits polluants pour les différentes raies d'émission du milieu amplificateur, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour placer sur le trajet dudit rayonnement une portion de l'atmosphère à analyser comportent une cellule de mesure t103 munie de deux fenêtres (13,14) opposées transparentes au rayonnement; des moyens (15,16) pour remplir cette cellule de mesure de ladite portion d'atmosphère et des moyens pour disposer'cette cellule de mesure à l'intérieur de la cavité optique resonnante (1,2). 2/ Dispositif selon-la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite cellule de mesure (10) est une cuve de WHITE comportant deux miroirs plans (17,181 parallèles entre eux et en regard l'un de l'autre, ladite portion d'atmosphère étant disposée entre ces miroirs, les deux fenêtres (19,20) étant respectivement en regard des deux miroirs (17,18), cette cuve de WHITE étant disposée dans la cavité de manière que le rayonnement oscillant (11) provenant d'un réflecteur pénètre dans la cellule à travers une fenêtre (19) et en sorte par l'autre fenêtre t20) de cette cellule vers l'autre réflecteur après plusieurs réflexions successives sur les deux miroirs. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait - que lesdits moyens pour disposer la cellule de mesure t10) à l'intérieur de la cavité sont des moyens mécaniques commandables, qu'il comporte en outre une cellule de référence t22] identique à la cellule de mesure (10), des moyens pour remplir cette cellule de référence d'un gaz neutre et des moyens mécaniques commandables pour disposer la cellule de référence t22) à l'intérieur de la cavité lorsque la cellule de mesure est en dehors de la cavité, - et que ledit circuit de traitement (6] comporte des moyens pour mettre en mémoire les signaux électriques émis par le récepteur (53 lorsque la cellule de référence est à l'intérieur de la cavité, et des moyens différentiels pour comparer, pour chacune des différentes raies, les signaux mis en mémoire à caux émis par le récepteur lorsque la cellule de mesure est à l'intérieur de la cavité. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait - que ladite cellule de mesure t253 est disposée dans la cavité (1-2) de manière que seulement une partie de la section droite du rayonnement oscillant t113 dans la cavité traverse cette cellule de mesure, - qu'il comporte en outre une cellule de référence (24) identique à la cellule de mesure, des moyens pour remplir cette cellule de référence d'un gaz neutre et des moyens pour disposer cette cellule de référence dans la cavité (1,2) pour qu'elle soit traversée seulement par l'autre partie de la section droite du rayonnement oscillant, - que ledit récepteur lumineux comporte deux détecteurs (28,29), un détecteur de mesure (29) disposé pour recevoir le rayonnement (27) ayant traversé la cellule de mesure (25) et un détecteur de référence (28) pour recevoir le rayonnement t263 ayant traversé la cellule de référence (24), - et que le circuit de traitement [6) comporte des moyens différentiels aptes à comparer, pour chacune des différentes raies d'émission, les signaux émis par le détecteur de référence avec ceux émis par le détecteur de mesure. 5/ Dispositif selon la revendication Il caractérisé par le fait - qu'il comporte en outre, . un séparateur optique (313 disposé dans la cavité (1,2) entre la cellule de mesure (34) et le milieu amplificateur (3), ce séparateur étant apte à laisser passer une fraction du rayonnement oscillant et à renvoyer l'autre fraction suivant un axe différent de celui de la cavité . un autre réflecteur (32) partiellement transparent disposé suivant l'axe de renvoi pour réfléchir partiellement sur elle même l'autre fraction du rayonnement de manière à constituer avec le réflecteur totalement réfléchissant t13 de la cavité une autre cavité laser . une cellule de référence (33) identique à la cellule de mesure, cette cellule de référence étant disposée dans l'autre cavité laser entre ledit séparateur (31) et l'autre réflecteur (32) partiellement transparent, - que ledit récepteur comporte deux détecteurs, un détecteur de mesure (29) disposé pour recevoir le rayonnement ayant traversé la cellule de mesure (34) et un détecteur de référence (26) pour recevoir le rayonnement ayant traversé la cellule de référence (33], - et que le circuit de traitement (6) comporte des moyens différentiels aptes à comparer, pour chacune des différentes raies d'émission, les signaux emis par le détecteur de référence (26) et ceux émis par le détecteur de mesure (29) 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait - qu'il comporte en outre un autre générateur laser identique audit générateur laser, une cellule de référence (39) identique à la cellule de mesure (40), des moyens pour remplir cette cellule (39) d'un gaz neutre et des moyens pour disposer cette cellule à l'intérieur de la cavité de l'autre générateur laser - que ledit récepteur comporte deux détecteurs, un détecteur de mesure (29) apte à recevoir le- rayonnement émis par ledit générateur laser et un détecteur de référence (28) apte à recevoir le rayonnement émis par L'autre générateur laser, - et que le circuit de traitement (6) comporte des moyens différentiels aptes à comparer, pour chacune des différentes raies d'émission, les signaux émis par le détecteur de référence et~ceux émis par le détecteur de mesure. 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une enceinte t413 étanche aux gaz, ladite source laser et ledit récepteur (26,29) étant disposés dans cette enceinte, des moyens [42,44) pour remplir cette enceinte d'un gaz neutre, et des moyens (45 à 49) pour faire circuler un gaz dans la cellule demeure. 8/ Dispositif selon-l'une quelconque des revendications 1 et 6, caractérisé par le fait que ledit système optique tournant de chaque générateur laser est un réseau tournant (1,37) et que le réflecteur t13 totalement réfléchissant de la cavité de chaque générateur laser est constitué par ce réseau. 9/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 6, caractérisé par le fait que ledit système optique tournant de chaquegénérateur laser est un prisme tournant disposé à llintérieur de la cavité optique résonnante. 10/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 6, caractérisé par le fait que le dispositif optique tournant (1 > 6) de chaque générateur laser entraîne en rotation un- codeur angulaire (9) dont -1-a sortie est reliée audit circuit (6) de traitement.