Brevet FR2472752A1 — publié le 19810703

La présente invention onncerne la détection de vapeurs polaires dans une atmosphère gazeuse, par exemple des vapeurs polaires qui peuvent être présentes à titre d'impuretés pol- luant l'atmosphère. L'invention peut ainsi s'appliquer, par exemple, au contrôle continu de l'atmosphère dans un environ- nement industriel oà il y a un risque d'échappement de vapeurs polaires toxiques ou dangereuses dans l'atmosphère. Les détecteurs actuellement disponibles utilisent géné- ralement des réactifs liquides, ce qui en rend l'utilisation mal commode et nécessite le remplacement périodique des réac- tifs. On a donc besoin d'un détecteur capable de fonctionner avec peu ou pas d'entretien sans utiliser de réactifs liquides. Selon la présente invention, un appareil pour la détec- tion d'une vapeur polaire dans un gaz comprend un corps com- portant un passage dans lequel on peut faire passer un courant gazeux devant une source d'ionisation pour ioniser l'échan- tillon de gaz; et une électrode collectrice disposée dans le passage en aval de la source d'ionisation pour collecter les ions entraînés par le courant de gaz. On pense qu'une explication du fonctionnement de l'in- vention peut être la suivante, quoiqu'il doive être bien en- tendu que l'invention ne s'en trouve nullement limitée. Pour son fonctionnement, l'invention repose sur l'ionisation d'un gaz s'écoulant dans le passage devant la source d'ionisation. En l'absence de toute autre influence, la concentration des ions dans le gaz en aval de la source d'ionisation doit dimi- nuer avec la distance par suite de la-recombinaison et de la diffusion vers les parois du passage. Si une vapeur polaire est présente dans le gaz, on pense que cela aboutit à la for- mation d'amas d'ions sur la molécule polaire. En raison de leur plus grande masse, les amas ou grappes d'ions auront une mobilité inférieure à celle des ions du gaz et, par con- séquent, la vitesse de perte de ces amas d'ions par recombi- naison et diffusion sera moindre que celle des ions de gaz. Le courant dû à des ions et qui est collecté par une électrode placée dans le passage des gaz en aval de la source d'ionisation sera donc augmenté lorsqu'une vapeur polaire est présente dans le gaz échantillonné. L'appareil est donc sensible à des vapeurs polaires présentes dans l'atmosphère mais, bien qu'une molécule d'eau soit polaire, l'eau atmosphérique et les variations de l'humi- dité atmosphérique ne sont pas facilement détectées par l'ap- pareil. Cela est probablement da au fait qu'en pratique il y aura normalement présence dans l'atmosphère de suffisamment de molécules d'eau pour saturer la réponse de l'appareil à de la vapeur d'eau. La sensibilité à des vapeurs polaires spécifiques d'un appareil simple n'utilisant qu'une source d'ionisation et une électrode collectrice peut être grandement améliorée, cepen- dant, lorsqu'on utilise un moyen pour enlever sélectivement des ions de gaz du courant gazeux tout en permettant aux amas d'ions formés sur les molécules polaires de rester. On peut y parvenir, par exemple, en utilisant un champ magnétique trans- versal par rapport au passage de gaz ou bien en prévoyant pour le gaz un long passage étroit entre la source d'ionisation et l'électrode collectrice, le rapport entre la longueur et la largeur moyenne du passage étant d'au moins 100:1 (de sorte que les ions plus mobiles diffuseront vers les parois). Cepen- dant, le procédé préféré permettant d'y parvenir le plus com- modément consiste à inclure un moyen pour appliquer, en un endroit situé dans la source d'ionisation et l'électrode col- lectrice, un champ électrostatique dans lequel les lignes de force sont transversales par rapport à la direction de l'écou- lement du gaz dans le passage. Ce champ influe à un degré considérablement supérieur sur les ions plus légers et plus mobiles de gaz que sur les amas d'ions plus lourds et moins mobiles formés sur la molécule polaire. Donc, grâce à un choix approprié de la vitesse d'écoulement du gaz, de l'intensité du champ et de la forme géométrique de ce champ, ce que l'on peut facilement déterminer par des approximations successives, il est possible de garantir que la majorité des amas d.'ions traver- sent le champ électrostatique alors que la majorité des ions de gaz sont enlevés. Le courant dét à des ions et qui est col- lecté par l'électrode collectrice sera ainsi presque totalement dl à la présence des vapeurs polaires dans le gaz échantillonné. La forme préférée de la source d'ionisation est une source d'ions alpha radioactive. Une source qui convient par- ticulièrement bien est l'Americium 241, qui a une période- particulièrement longue. Cette source est disponible à l'échel- le commerciale sous forme d'une feuille dont l'utilisation est relativement sOre et commode, et qui peut facilement être mise en forme pour correspondre à la surface intérieure du pas- sage de façon à entourer l'écoulement de gaz qui se produit dans ce passage. Lorsqu'on utilise une source radio-active d'ionisation, il est fortement souhaitable de prévoir une chicane disposée dans le passage en aval par rapport à la source afin de con- finer la zone dans laquelle une ionisation se produit et afin d'éviter que le rayonnement n'atteigne la zone de re-combi- naison, par exemple en aval du champ électrostatique. Une telle chicane doit, bien entendu, constituer une barrière efficace au rayonnement tout en ne restreignant pas de façon indue.ou excessive l'écoulement du gaz échantillonné. Il a également été trouvé préférable d'inclure un filtre à poussière pour enlever la matière particulaire se trouvant dans le gaz entrant dans l'appareil. Des filtres servant avec succès ont été fabriqués en du polypropylène à fibre grossière et,en variante, à partir de fibres de polytétrafluoréthylène (PTFE). En plus de son rôle évident, le filtre tend également à éliminer le bruit de fond, c'est-à-dire que l'on réduit l'amplitude des variations aléatoires du courant de sortie à l'électrode détectrice. Quel que soit le moyen servant à provoquer un écoulement de gaz traversant le passage de l'appareil, ce moyen doit être tel qu'il garantisse l'obtention d'un écoulement aussi régulier que possible. Toute variation de la vitesse d'écoulement du gaz aboutit bien entendu à une variation de la vitesse d'arrivée des ions à l'électrode collectrice et, donc, à une variation du courant de sortie. Ce -enre d'effet peut expliquer en partie pourquoi un filtre contribue à éliminer le bruit de fond, peut-être parce qu'il contribue à amortir des fluctua- tions mineures du débit d'écoulement du gaz. Une pompe de- forme quelconque servant à provoquer un écoulement de gaz doit être de préférence connectée au côté de l'appareil correspon- dant à sa sortie, puisque, sinon, les vapeurs polaires risquent de tendre à être adsorbées sur les surfaces internes de la pompe et, donc, de ne pas être décelées, au moins sans un certain retard. Pour des raisons semblables, il convient de maintenir à son minimum l'aire de la -surface interne au-dessus de laquelle le gaz échantillonné doit s'écouler avant d'attein- dre la source d'ionisation, afin d'éviter des effets d'adsorp- tion. L'utilisation de matériaux non adsorbants, comme du PTFE, pour constituer cette surface peut contribuer à obtenir ce résultat. On applique commodément le champ électrostatique grâce à une grille formée de fils parallèles disposés dans un sens transversal par rapport au passage en un endroit situé entre la source d'ionisation et l'électrode collectrice. - L'électrode collectrice est commodément constituée par un écran formé d'une toile métallique disposée en travers du passage. On peut mesurer le courant ionique collecté par 1'élec- trode en faisant passer ce courant dans une résistance de va- leur élevée et en mesurant à l'aide d'un électromètre la ten- sion développée aux extrémités de la résistance. Le passage doit être entouré de préférence par un matériau conducteur, afin de constituer un écran contre des champs électrostatiques parasites risquant, sinon, d'exercer une influence adverse sur le fonctionnement de l'appareil. Commodément, on obtient ce blindage sous forme d'une partie métallique forte faisant partie du corps et pouvant également servir à conférer de la solidité mécanique à l'appareil. L'invention sera maintenant décrite, à titre d'exemple seulement, en se référant aux figures d'accompagnement oà: la figure 1 est une coupe schématique en élévation d'un appareil pour la détection des vapeurs polaires dans l'atmos- phère, selon l'invention; et la figure 2 est une courbe d'étalonnage de l'appareil représenté à la figure 1; cette courbe montre la réponse ob- tenue lorsqu'on échantillonne diverses concentrations de phos- phate de triéthyle (PTE) dans de l'air. Comme représenté à la figure 1, un appareil ou dispositif pour la détection de vapeurs polaires dans l'atmosphère comprend un corps cylindrique généralement indiqué en 1, qui comporte une portion interne 2 en "Perspex" ou en "Plexiglass" et une enveloppe externe en laiton 3. Un passage pour l'air est cons- titué par un-trou longitudinal concentrique allant d'une extré- mité à l'autre de la portion interne 2. Le corps 1 est muni à une extrémité d'une projection con- centrique filetée qui engrène sur une portion filetée corres- pondante formée à une extrémité d'une enveloppe cylindrique en laiton 4 contenant une source d'ionisation 5. La source dtioni- sation 5 est une source émettant des rayons alpha de l'Americium 241sous forme d'une feuille mince, mise sous la forme d'un cy- lindre afin d'épouser la surface interne de l'enveloppe 4. Une chicane comprenant un disque 6 et un anneau 7 d'une feuille métallique mince est interposée entre le corps 1 et l'enveloppe 3 pour empêcher que le rayonnement provenant de la source 5 n'atteigne le passage formé au sein du corps 1. Le disque 6 a un diamètre supérieur au diamètre interne de l'an- neau 7, et il est maintenu à une certaine distance de cet an- neau 7 par des doigts en El métallique (non représentés), de façon à permettre le libre passage de l'air entre ces doigts. Dans le passage formé dans le corps 1, il y a une grille 8 comprenant plusieurs fils parallèles disposés en travers du passage. Les fils alternés sont électriquement reliés entre eux. Il y a également dans le passage une électrode col- lectrice 9 consistant en une toile métallique disposée trans- versalement par rapport au passage, du côté de la grille 8 éloignée par rapport à la chicane; cette toile est à une certaine distance de la paroi du passage. Un conducteur électrique blindé 10 est relié à l'électrode collectrice et il est supporté par des pièces on rondelles d'espacement il et 12 en polytétrafluoréthylène constituant un isolant électri- que. La pièce 11 est perforée pour permettre le passage de l'air. La pièce 12 constitue un joint que le conducteur 10 traverse pour sortir du détecteur. A l'extérieur du détecteur, le conducteur 10 est relié, par l'intermédiaire d'une résis- tance à grande valeur (non représentée) à un électromètre (non représenté). Un tube de laiton 13 est inséré dans l'extrémité aval du corps 1; ce tube est maintenu en place par la pièce d'es- pacement 11 et par un écrou de laiton 14 vissé sur un filetage à l'extérieur de l'enveloppe 3. Le tube 13 est fermé, à son extrémité aval, par la pièce d'espacement 12 et il comporte une branche latérale 15 assurant une connexion vers une pompe (non représentée). La pompe doit pouvoir faire passer de l'air dans l'appareil à une vitesse aussi régulière que pos- sible. En amont de la source d'ionisation 5, il y a un filtre à poussière (non représenté). Le matériau de ce filtre peut être, par exemple, un matériau à fibres grossières de poly- propylène vendu sous la marque commerciale "Bondina", ou bien, en varianteon peut utiliser des fibres de polytétrafluoréthy- lène. Pour faire fonctionner l'appareil, on y envoie de l'air grâce à la pompe et cet air est ionisé à mesure qu'il passe devant la source radioactive 5. Un groupe de fils de la grille 8 est relié à la terre, alors que l'autre groupe est maintenu à un potentiel électrique élevé de façon à créer un champ électrostatique transversal par rapport au sens d'écoulement de l'air. L'électrode collectrice 9 est maintenue à un poten- tiel électrique différent de celui de la feuille d'ionisation. Un électromètre est relié, par l'intermédiaire d'une résistance à grande valeur et du conducteur 10, à l'électrode collectrice 9, de sorte que la lecture de l'électromètre donne une indication du courant ionique collecté. On peut utiliser un s-imple processus d'approximations successives poour déterminer les positions relatives optimales de la source 5, de la grille 8 et de l'électrode 9 pour ob- tenir la variation maximale du-courant ionique dans le cas de l'introduction d'une concentration donnée d'une vapeur polaire particulière. On trouve en pratique que le temps de traversée des ions entre la source 5 et l'électrode collectrice 9 est fondamental, ce qui fixe la distance optimale entre la source et l'électrode collectrice pour un débit d'air donné ou une vitesse donnée d'écoulement de l'air. On trouve que la position optimale de la grille 8 se situe à mi-chemin entre la source et l'électrode. Dans un appareil particulier selon l'invention, on a trouvé que la combinaison suivante des dimensions et des para- mètres de fonctionnement donne les meilleurs résultats pour la détection d'lune vapeur de phosphate de triéthyle dans de l'air: Diamètre interne du corps et du support de la source d'ionisation: 10 mm Distance entre la source d'ionisation et l'électroae collectrice: 14 mm Distance entre la source d'ionisation et la grille: 7 mm Débit d'écoulement de l'air: 1,5 1/min Tension de la grille: +19V Tension de l'électrode collectrice: -1, 5V Tous les autres composants sont reliés à la terre: Source d'ionisation: feuille d'Americium 241 émettant des rayons alpha (5,5 meV); intensité: 1,5 B Ci Dans ces conditions de fonctionnement, et lorsqu'on échantillonne de l'air propre, le courant ionique se situe entre 50 et 40 pA. Lorsqu'on utilise un filtre à poussière, la fluctuation du bruit de fond n'est que de 2pA, mais lors- qu'on enlève ce filtre, la fluctuation augmente pour atteindre 1OpA. La figure 2 montre la courbe de réponse (pA, en or- données)que l'on obtient lorsqu'on échantillonne de l'air contenant une proportion variable de vapeur de phosphate de triéthyle (concentration du phosphate de triéthyle en mg/m3 en abscisses).Les valeurs des réponses représentent la varia- tion du courant ionique (les ordonnées sont représentées à une échelle linéaire) que l'on obtient pour diverses concentra- tions du phosphate de triéthyle dans de l'air (les abscisses sont données sur une échelle logarithmique). On peut donc voir que l'on obtient ainsi une indication très sensible du niveau ou de la proportion d'une impureté. REVENDICATIONS 1. Appareil de détection d'une vapeur polaire dans un gaz, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) comportant un passage dans lequel on peut faire passer un courant gazeux, une source d'ionisation (5) pour ioniser le courant de gaz; et une électrode collectrice (9) disposée dans le passage en aval de la source d'ionisation pour collecter les ions entraînés ou véhiculés par le courant de gaz. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode collectrice (9) comprend un écran formé d'une toile métallique disposée transversalement dans le passage. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (8) placé pour enlever sélectivement les ions de gaz non combinés du courant gazeux entre la source d'ionisation (5) et l'électrode collectrice (9) tout en per- mettant à des amas d'ions du gaz, formés sur les molécules polaires, de rester dans le gaz. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen (8) pour enlever sélectivement des ions non combinés du gaz comprend un moyen pour appliquer, en un endroit disposé entre la source d'ionisation (5) et l'électrode col- lectrice (9), un champ électrostatique dans lequel les lignes de force sont transversales par rapport au sens d'écoulement du gaz dans le passage. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen pour appliquer un champ électrostatique com- prend une grille formée de fils sensiblement parallèles placée transversalement par rapport au passage en un endroit disposé entre la source d'ionisation (5) et l'électrode collectrice (9). 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'ionisation (5) est une source radioactive de rayons alpha. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source radioactive de rayons alpha comprend de l'Ame- ricium 241. 2472752 8. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la source radioactive des rayons alpha est sous forme d'une feuille mise sous une forme lui permet- tant d'épouser la surface intérieure du passage de façon à entourer complètement l'écoulement gazeux circulant dans le passage. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il y a une chicane (6, 7) dans le passage en aval de la source radioactive pour confiner la zone dans laquelle une ionisation peut se produire tout en permettant un écoulement de gaz au-delà de cette chicane. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre que le gaz doit traverser avant d'entrer dans le passage. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le filtre comprend du polypropylène ou du polytétra- fluoréthylène. 12. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe placée en aval de l'électrode collectrice, ce qui permet de faire passer le courant de gaz dans le passage. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un écran de blindage constitué d'un matériau conducteur entourant le pas- sage, entre la source d'ionisation et l'électrode collectrice.