Brevet FR2504264A1 — publié le 19821022

La présente invention a trait à un procédé de balayage d'un spectre dans le domaine des longueurs d'ondes allant de 150 à 800 nm, c'est-à-dire dans le visible, le proche infra-rouge et le proche ultra-violet. L'invention concerne aussi un appareil de balayage selon le procédé, ainsi que l'utilisation d'un tel appareil à des fins d'analyse spectrale. L'analyse d'un spectre nécessite le balayage de celui-ci, généralement derrière une fente afin d'isoler la longueur d'onde ou raie spectrale que précisément on veut étudier. Le balayage revient donc à déplacer le dispositif mécanique porteur de la fente, ainsi que l'analyseur de lumière qui lui est associé, sur toute la longueur du spectre. L'appareil effectuant ce type d'analyse s'appelle un monochromateur à balayage. Ce déplacement est réalisé pas à pas, un positionnement précis étant nécessaire de façon à bien discriminer la longueur d'onde désirée à côté de ses voisines, et à laisser un laps de temps suffisant au détecteur de lumière pour remplir sa fonction. Au lieu de déplacer la fente, on peut d'ailleurs faire tourner l'élément de dispersion, prisme ou réseau. Dans d'autres types d'appareils, les polychromateurs, le spectre est étudié pour certaines longueurs d'ondes seulement à l'aide de fentes fixes dont la position correspond à celles-ci. Chaque fente peut être alors associée à son propre détecteur de lumière. On voit donc que ces appareils, qu'ils soient monochromateurs ou polychromateurs, présentent les défauts inhérents à leur structure. Dans le premier cas, la course pas à pas tout au long du spectre, c'est-à-dire son analyse complète, ne peut excéder pour des raisons mécaniques 10 000 à 20 000 pas par seconde. Or, pour que la résolution soit suffisante, le nombre de pas doit être élevé, de l'ordre de 400 000 à 500 000. Dans le deuxième cas, il est clair que seule l'analyse de raies spectrales choisies et prédéterminées est possible. L'invention s'affranchit des contraintes précitées en permettant la réalisation d'appareils à grande vitesse et haute résolution. Elle concerne un procédé de balayage dans le domaine des longueurs d'ondes allant de 150 à80O nm, consistant à former le spectre d'un rayon lumineux à l'aide d'un réseau concave,l'entrée du rayon lumineux, le réseau concave et le spectre étant situés sur un cercle dit de Rowland, caractérisé par le fait qu'on balaie le spectre par sauts successifs correspondants à des positions, donc des longueurs d'ondes discrètes, les longueurs d'ondes intermédiaires entre deux positions consécutives étant balayées en déplaçant l'entrée du rayon lumineux. Rappelons que les longueurs d'ondes de 1500 à 8000 nm correspondent au domaine visible, au proche infrarouge et au proche ultra-violet. L'invention concerne aussi un appareil de balayage qui comprend comme entrée du rayon lumineux une fente primaire, un réseau concave et une série de fentes secondaires fixes. La fente primaire, le réseau concave et les fentes secondaires sont situés sur le cercle de Rowland, selon un type de montage connu sous le nom de Paschen Runge. La fente primaire est déplaçable de façon à permettre le décalage spectral d'au moins la valeur correspondant à l'écart entre deux fentes secondaires successives. Un tel appareil peut constituer l'élément clé d'un appareil d'analyse. La lumière à analyser, après passage dans un système optique approprié, entre par la fente primaire Derrière les fentes secondaires se positionnent par sauts successifs, un ou plusieurs détecteurs de lumière, par exemple des photo-multiplicateurs. Ceux-ci peuvent d'ailleurs être associés à un calculateur de façon à affiner encore la résolution. De son côté, la fente primaire est déplacée, en continu ou pas à pas, sur une course totale de l'ordre de grandeur du millimètre ou de l'écart entre deux fentes secondaires, de façon à analyser les longueurs d'ondes intermédiaires quand l'analyseur de lumière est positionné derrière une fente secondaire. La fente primaire, donc l'entrée du rayon lumineux, peut être déplacée sur un c6té seulement pour revenir à sa position de départ après être venue en butée. Avantageusement, elle est déplacée sur les deux côtés, de part et d'autre d'une position neutre de référence. Selon un mode d'éxecution préféré, le réseau concave comporte 500 à 3000 traits / mm, Le détecteur de lumière se déplace derrière les fentes secondaires, au nombre de 250 distantes d'environ 2 mm par exemple, avec une précision de positionnement suffisante, de l'ordre de 1/5000 de sa course, celle-ci étant, par exemple, de l'ordre de 50 centimètres. La course de la fente primaire est de l'ordre du millimètre, avec une reproductibilité correspondant à 1B. Dans le cas d'un mouvement pas à pas, la fente primaire peut se déplacer de 1000 pas, soit 1/1000 de la course. Ces valeurs sont données à titre d'exemple pour un spectromètre d'environ 1 m de focale et peuvent varier selon celle-ci. En toute rigueur, le déplacement de la fente doit s'effectuer sur le cercle de Rowland mais il ressort des valeurs indiquées ci-dessus et des calculs théoriques qui en découlent qu'elle peut être tout aussi bien déplacée sur la tangente au cercle, les erreurs introduites étant insignifiantes. En pratique, c'est cette solution qu'on adopte, surtout si la fente primaire est déplacée de part et d'autre de sa position neutre, dite position de référence, qui correspond à l'alignement parfait avec la source. L'invention est illustrée sur le dessin annexé, donné à titre d'exemple. La figure 1 est une représentation schématique d'un appareil d'analyse mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 2 représente, en relation avec le déplacement de la fente primaire, le schéma de principe du balayage, entre une fente secondaire n-2 et une fente secondaire n+2, et les longueurs d'ondes correspondantes A, soit An 2 à van+2. Sur la figure 1, on a représenté le cercle de Rowland 1 et la série de fentes secondaires 2 fixées sur celui-ci. Le réseau concave 3 est également sur le cercle de Rowland 1, ainsi que la fente primaire 4. En 5 est représenté l'axe optique primaire, en 6 l'angle d'incidence et en 7 la normale au réseau 3. Pour fixer les idées, on a figuré en 8 un photo-multiplicateur, muni d'un masque 9 de façon à ne laisser entrer la lumière que par une fente étroite située en regard d'une fente secondaire. Ce photo-multiplicateur 8 est muni d'une photo-cathode 10; l'axe d'alignement avec le réseau concave 3 est représenté en 11. Le domaine 12 représente la course de déplacement de la fente primaire, ainsi que le déplacement spectral correspondant. Enfin, on a figuré en 13 la course du photo-multiplicateur 8. On voit bien sur cette figure qu'à un déplacement de la fente primaire 4 indiqué ici vers le haut, correspond un déplacement spectral indiqué ici vers le bas. On passe ainsi des positions matérialisées par des traits interrompus aux positions matérialisées par des traits pleins. Dans cette forme d'exécution, l'amplitude maximale du déplacement de la fente primaire dans un sens et dans l'autre correspond sensiblement à la demi-différence de la distance entre deux fentes secondaires. Ainsi lorsque le photo-multiplicateur est positionné derrière une fente secondaire 2, la fente primaire 4 est susceptible de se déplacer tangentiellement de chaque côté autour de sa position neutre de référence. De la sorte, les demi-distances de chaque côté d'une fente secondaire 12 sont balayées. Ceci est expliqué sur la figure 2, pour les fentes secondaires 2 de rang n-2 à n+2. La ligne sur les fentes indique quelles sont les longueurs d'ondes discrètes qui y correspondent, À n-2 à An+2 tandis qu la première ligne en-dessous indique quels sont les champs de longueurs d'ondes susceptibles d'être balayés quand la fente primaire 4 est déplacée de part et d'autre de sa position neutre. Ceci est d'ailleurs représenté parle diagramme en dents de scie représentéimnediatement en-dessous et a igné verticalement. Enfin, en bas, on trouve, toujours en représentation schématique, les sauts successifs du photo-multiplicateur, entre les pas de rang n-2 et de rang n+2. En variante avantageuse, on dispose deux photo-multiplicateur, de courses, donc de domaines spectraux différents, mais se chevauchant. Il est important de signaler ici que les détecteurs de lumière et les fentes secondaires doivent rester sur le même axe, orientés vers le centre du réseau concave. Si tel n'était pas le cas, les mesures seraient très vite faussées puis, totalement impossibles, l'analyseur de lumière n'étant plus, à travers l'ouverture du photo-multiplicateur, aligné avec la fente secondaire derrière laquelle il se trouve. On réalise cet alignement rigoureux et précis en montant le ou les photo-multiplicateurs sur un dispositif d'orientation quelconque, actif (alignement photométrique par exemple) ou passif (une came par exemple). Un tel appareil est susceptible de faire des analyses pour des spectres d'ordre quelconque, le facteur limitant n'étant que la quantité de lumière reçue par le photo-multiplicateur. On analyse de préférence les spectres d'ordre 1. En outre, si on dispose d'un réseau concave possédant un double gravage ou un gravage multiple, réalisé par exemple par des moyens mécaniques ou holographiques, on obtiendra, au même endroit, soit sur la même série de fentes secondaires, deux spectres superposés du même ordre. Ceci signifie qu'il est possible d'analyser, toujours,à l'aide de la même série de fentes secondaires, deux ou plusieurs domaines de longueurs d'ondes différents. Dans ce cas, on utilise des photo-multiplicateurs sensibles à un domaine de longueurs d'ondes et pas à l'autre, et vice-versa. En variante, on peut utiliser un photo-multiplicateur "universel", mais en interposant des filtres appropriés. Un calculateur peut piloter le déplacement et le positionnement de la fente primaire et des détecteurs de lumière. Les appareils d'analyse fonctionnant conformément au procédé selon l'invention peuvent s'appliquer aussi bien à la spectroscopie par émission qu'à la spectroscopie par absorption. Ils trouvent une large application, tant dans le domaine de la recherche que dans le domaine du contrôle industriel. Comme on le sait, l'intensité d'une raie spectrale est en première approximation proportionnelle à la concentration de l'élément chimique émetteur. On peut ainsi doser, en métallurgie par exemple, les différents constituants d'un alliage. On peut également, toujours à titre d'exemple, contrôler le fonctionnement d'une station d'épuration des eaux usées en mesurant la concentration d'éléments-traces, par exemple des métaux, dans les effluents. REVENDICATIONS 1. Procédé de balayage d'un spectre dans le domaine des longueurs d'ondes allant de 150 à 800 nm, con sistant à former le spectre d'un rayon lumineux à l'aide d'un réseau concave, l'entrée du rayon lumi neux, le réseau concave et le spectre étant situés sur un cercle dit de Rowland, caractérisé par le fait qu'on balaye le spectre par sauts successifs corres pondant à des positions, donc des longueurs d'ondes discrètes, les longueurs d'ondes intermédiaires entre deux positions consécutives étant balayées en dépla gant l'entrée du rayon lumineux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'entrée du rayon lumineux est déplacée de part et d'autre d'une position neutre de réfé rence. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'entrée du rayon lumineux est déplacé tangentiellement au cercle de Rowland. 4. Appareil de balayage pour la mise en oeuvre du procé dé selon la revendication 1, comprenant a) comme entrée du rayon lumineux une fente primaire (4), b) un réseau concave (3), c) une série de fentes secondaires fixes (2), la fente primaire (4), le réseau concave (3) et les fentes secondaires (2) étant situés sur un cercle dit de Rowland (1), caractérisé par le fait que la fente primaire (4) est déplaçable de façon à permet tre le décalage spectral d'au moins la valeur cor respondant à l'écart en deux fentes secondaires suc cessives. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la fente primaire (4) est déplaçable pas à pas. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le réseau concave (3) est un réseau dou ble ou multiple obtenu par gravage mécanique ou ho lographique. 7. Utilisation de l'appareil de balayage selon la reven dication 4 pour l'analyse spectrale, caractérisée par le fait qu'elle lui associe une source de lumiè re à analyser, localisée sur la fente primaire (4), et au moins un détecteur de lumière pouvant se position ner successivement derrière les fentes secondaires (2), une position derrière une fente secondaire donnée per mettant l'analyse de la longueur d'onde correspondante, ainsi que des longueurs d'ondes voisines par déplace ment de la fente primaire (4) et du système optique qui lui est associé, en sorte que tout le spectre puis se être analysé. 8. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le détecteur de lumière est un pho to-multiplicateur (8) monté sur une came pour que son axe reste aligné sur le centre du réseau concave (3). 9. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée par le fait qu'au(x) photo-multiplicateur(s) (8) est asso cié un calculateur. 10. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le positionnement du ou des photo multiplicateurs (8) et de la fente primaire (4) est piloté par un calculateur.