Brevet FR2522816A1 — publié le 19830909

La présente invention se rapporte au domaine de la phy- sique appliquée et plus particulièrement, aux spectro-photo- mètres destinés à la mesure des spectres de transmission. Elle peut être largement utilisée dans des études physiques, chimiques et biologiques aux fins des mesures spectro-photo- métriques de la transmission d'échantillons dans les domaines spectraux visible, ultra-violet et ultra-violet à vide L'in- vention trouve une application surtout avantageuse dans la mesure des spectres de transmission de matières fortement ab- sorbantes et luminescentes. On connait en particulier un spectrophotomètre pour la mesure des spectres de transmission (voir, par exemple, Spectrophotomètre Specord UV VIS décrit dans le catalogue NO 32 3356-8, VEB Carl Zeiss, Jena pp 4 à 6), qui comprend une source de lumière, un monochromateur unique, un détecteur de lumière relié à un dispositif enregistreur, et un porte- échantillon placé entre le monochromateur et le détecteur de lumière Ce spectrophotomètre permet la mesure de la trans- mission d'échantillons dans les limites de 100 % à 3 % de l' intensité de la lumière incidente, la gamme des longueurs d' onde étant de 900 nm à 180 nm Une telle étendue restreinte des mesures de la transmission est due à un fond important de la lumière diffuse dans le monochromateur. Est également connu Un spectrophotomètre pour la mesure des spectres de transmission (voir, par exemple, le spectro- photomètre Acta M UV/VIS-NIR, décrit dans le prospectus "Bulletin CR-7255, Beckman, Suissq,1975), qui diffère du mo- dèle précédent par le fait qu'il utilise un monochromateur double au lieu du monochromateur unique afin de supprimer le fond de la lumière diffuse, tout en respectant l'arrangerent précité des éléments constitutifs du spectrophotomètre Cet appareil assure la mesure de la transmission dans la gamme de 100 % à 0,1 % pour une largeur du spectre s'étendant de 900 nm à 180 nm Une telle gamme médiocre est évidemment in- suffisante pour les études actuelles. Il est enfin connu un spectrophotomètre pour la mesure des spectres de transmission (voir, par exemple, le spectro- photomètre décrit dans le prospectus "Computerized UV/VIS and uv/VIS/r IR Absorption Spectrophotometers", 520/530, Catalogue N EX-E 543 P, Hitachi Ltd, Tokyo, Japan), comprenant une sour- ce de lumière, un monochromateur double, un détecteur de lu- mière et un dispositif enregistreur Entre la sortie du mono- chromateur double et le détecteur de lumière est placé un porteéchantillon Le monochromateur comporte, situés en série sur le trajet de propagation du flux lumineux, une première fente, un premier élément dispersif, une seconde fente, un miroir collimateur et un second élément dispersif La premiè- re fente, disposée en amont du monochromateur double, consti- tue sa fente d'entrée, alors que la seconde fente, à travers laquelle le flux lumineux est d'abord dirigé depuis le pre- mier élément dispersif jusqu'au second élément et puis à partir de ce dernier vers l'extérieur, remplit deux fonctions: celle de la fente intermédiaire et celle de la fente de sor- tie du monochromateur, le changement du sens du flux lumineux traversant cette seconde fente étant obtenu à l'aide du mi- roir collimateur. Dans ce spectrophotomètre, grâce à une bonne réalisation des parties constitutives du monochromateur, la gamme des me- sures de la transmission a été élargie par rapport à l'appa- reil précédent jusqu'à 0,01 % pour les mêmes limites des lon- gueurs d'onde Cependant, en cas d'examen d'échantillons dont la transmission dépasse 0,1 c,, la précision de mesure est brutalement réduite Cela s'explique par le fait que le fond de la luminescence excitée par l'échantillon qui absorbe par- tiellement la lumière incidente devient comparable avec l'in- tensité de la lumière ayant traversé cet échantillon, et vu que celui-ci se situe en aval de la fente de sortie du mono- chromateur, immédiatement avant le détecteur de lumière, cet- te luminescence est perçue par le détecteur en même temps que la lumière qui a traversé l'échantillon, de sorte que la va- leur du signal reçu par le dispositif enregistreur sera con- sidérablement plus grande que celle qui correspond l'inten- sité ue la lumière transmise car l'échantillon La lumines- cence mentionnée entrave la mesure de faibles flux lumineux traversant l'échantillon en limitant la gamme des mesures de la transmission jusqu'à 0,C 1 le et rend impossible la mesure avec précision nécessaire des spectres de transmission d'é- chantillons en matériaux luminescents et fortement absorbants, ce qui réduit l'éventail d'échantillons à étudier. L'invention a donc pour objet de créer un spectrophoto- mètre pour la mesure des spectres de transmission, qui assu- rerait une amélioration de la précision des mesures et une extension de la gamme des mesures de la transmission par ré- duction de l'effet de la luminescence de l'échantillon étudié sur les résultats de la mesure. L'objectif ainsi posé est atteint par le fait que dans un spectrophotomètre pour la mesure des spectres de transmis- sion, comprenant une source de lumière, un monochromateur double constitué d'une fente d'entrée, d'un premier élément dispersif, d'une fente intermédiaire, d'un second élément dis- persif et d'une fente de sortie placés en série sur le trajet de propagation du flux lumineux, un porte-échantillon, un dé- tecteur de lumière et un dispositif enregistreur relié à la sortie dudit détecteur de lumière, conformément à l'inven- tion, le porte-échantillon est placé à l'intérieur du mono- chromateur, entre la fente intermédiaire et le second élément dispersif, de façon à pouvoir se déplacer dans une direction transversale à la direction de propagation du flux lumineux à la sortie de ladite fente intermédiaire afin de situer 1 ' échantillon à étudier sur le trajet de propagation du flux lumineux et de l'enlever dudit trajet de propagation du flux lumineux. Avec un tel emplacement du porte-échantillon, la lumi- nescence engendrée par l'échantillon est écartée par le se- cond élément dispersif de la fente de sortie du monochroma- teur sans pouvoir atteindre le détecteur de lumière, d'o un accroissement de la précision des mesures et la possibilité de la mesure de faibles flux lumineux ayant traversé l'é- chantillon. Dans cn qui suit, l'invention va être explicitée à l'ai- de de la description détaille d'un exemple de réalisation, faite avec références aux dessins annexés, sur lesquels: la Fig 1 représente schématiquement un spectrophotomè- tre pour la mesure des spectres de transmission conforme à l'invention, et la Fig 2 montre la coupe suivant la ligne II-II de la Fig 1. Le spectrophotomètre pour la mesure des spectres de transmission réalisé suivent l'invention comprend une source de lumière 1 (Fig 1), un monochromateur double à vide 2, un détecteur de lumière 3 et un dispositif enregistreur 4 La source de lumière 1 peut être constituée par exemple par un tube à hydrogène ou à deutérium assurant le rayonnement dans un large domaine spectral Le monochromateur double 2 peut être réalisé par exemple sur la base du montage Johnson-Onaka et comporte, situés en série le long du trajet de propagation du flux lumineux, une fente d'entrée 5, un premier élément dispersif 6, une fente intermédiaire 7, un second élément dispersif 8 et une fente de sortie 9 Les éléments dispersifs 6 et 8 peuvent être par exemple des réseaux de diffraction concaves, la distance des fentes 5 et 7 jusqu'aux éléments dispersifs 6 et 8 respectivement étant déterminée par le ra- yon de courbure des réseaux de diffraction utilisés comme tels. La rotation des éléments 6 et 8 afin de balayer le spec- tre optique est assurée soit à l'aide d'un moteur pas-b-pas et d'une transmission mécanique, soit par un système de sel- syns qui ne sont pas d'ailleurs représentés sur les dessins dans un souci de simplicité. On a mis dans le monochromateur 2, entre la fente inter- médiaire 7 et le second élément dispersif 8, un porte-échan- tillon 10 muni de deux fenêtres identiques 11 et 12 (Fig 2) dont l'une, par exemple, la fenêtre 11, porte fixé à elle un échantillon 13 à étudier qui masque ladite fenêtre 11 Le porte-échantillon 10 est monté à l'intérieur du monochroma- teur 2 avec possibilité de se mouvoir dans un sens transver- sal à la direction de propagation du flux lumineux après que celui-ci ait traversé la fente intermédiaire 7, de sorte que sur le trajet de propagation du flux lumineux est placé soit l'échantillon étudié 13, soit la fenêtre 12 dépourvue de 1 ' échantillon Ce déplacement est assuré par un mécanisme à soufflets 14 dont l'une des extrémités est assujetti de façon étanche sur le monochromateur 2 et l'autre s'associe au porte- échantillon 10 par l'intermédiaire d'une tige 15 Le déplace- ment de cette dernière conjointement avec le porte-échantil- lon 10 et sa fixation en deux positions peuvent être obtenus en se servant de moyens classiques quelconques qui ne sont pas représentés non plus sur la Fig 2, dans un but de clarté. Le porte-échantillon 10 avec l'échantillon étudié 13 peuvent être placés en tout endroit voulu sur le trajet de propagation du flux lumineux entre la fente intermédiaire 7 et le second élément dispersif 8, quoique sa position plus près de la fente intermédiaire 7 serait préférable du point de vue de l'étude d'échantillons de petites dimensions Si l'on veut mesurer la transmission des échantillons à diffé- rentes températures, le porte-échantillon 10 peut être réali- sé sous la forme d'un cryostat à hélium, à azote ou autre. Le détecteur de lumière 3 (Fig 1), constitué par exem- ple par un photomultiplicateur, se place à la sortie du mono- chromateur 2, sa propre sortie étant reliée à l'entrée du dispositif enregistreur 4 lequel peut être une imprimante nu- merique, un auto-enregistreur ou un calculateur électronique. Le spectrophotomètre objet de l'invention fonctionne de la manière suivante. On place d'abord le porte-échantillon 10 en une première position de mesure pour laquelle c'est la fenêtre 12 (Fig 2) sans échantillon 13, qui se trouve sur le trajet de propaga- tion du flux lumineux Le flux lumineux émanant de la sourcel (Fig 1) se dirige à travers la fente d'entrée 5 du mono- chromateur 2 vers le premier élément dispersif 6 qui le dis- perse en spectre dans le plan de la fente intermédiaire 7. Cette dernière isole de ce spectre un flux lumineux monochro- matique, fonction de sa lar Zeur, qui passe vers le second élément dispersif assurant une monochromatisation supplémen- taire du flux lumineux ayant traversé la fente intermédiaire 7 Le flux lumineux monochromatisé par le second élément dis- persif 8 est dirigé vers la fente de sortie 9 Après l'avoir traversé, il atteint le détecteur 3 qui délivre un signal électrique dont la valeur dépend de l'intensité du flux lumi- neux dans cette région du spectre Ce signal est perçu par le dispositif enregistreur 4 A noter que le monochromateur double 2 peut fonctionner aussi bien en régime d'addition qu' en régime de soustraction de la dispersion. Ensuite on place le porte-échantillon 10 en une deuxième position de mesure pour laquelle c'est la fenêtre I 1 avec 1 ' échantillon 13 qui y est fixé qui s'installe sur le trajet de propagation du flux lumineux Dans ce cas, le flux lumi- neur ayant traversé la fente intermédiaire 7, en tombant sur l'échantillon 13, est partiellement absorbé par celui-ci et partiellement le traverse pour se diriger vers le second élé- ment dispersif 8 et puis à travers la fente de sortie 9, vers le détecteur de lumière 3, comme cela a été décrit plus haut. Dans le cas oà la lumière incidente engendre dans l'é- chantillon 13 un rayonnement luminescent, ce dernier, étant spectralement différent de la lumière qui le provoque à cause du décalage de Stokes, est écarté par le second élément dis- persif 8 de la fente de sortie 9, absorbé par les parois du monochromateur 2 et ne parvient donc pas au détecteur de lu- mière 3. Après cela, on fait tourner les éléments 6 et 8 pour isoler une région suivante du spectre de rayonnement de la source 1 et l'on recommence la mesure de l'intensité de la lumière à la sortie du monochromateur 2 en deux positions du porte-échantillon 10, à savoir, lorsque sur le trajet de pro- pagation du flux lumineux se situent successivement 1 'échan- tillon 13 et la fenêtre 12 sans échantillon Ainsi, en explo- rant le spectre de rayonnement de la source 1, on enregistre au moyen du dispositif 4 les signaux électriques correspon- dants et on les compare en chaque point spectral pour obtenir le spectre de transmission (ou d'absorption) de l'échantillon 13. Grâce à la réduction du rayonnement luminescent parasite atteignant le détecteur de lumière en provenance de l'échan- tillon, le spectrophotomètre proposé assure un accroissement de la précision des mesures et une extension de la gamme de mesure de la transmission jusqu'à 10-7 h%,en d'autres termes, ordres de grandeur de gain par rapport au spectrophotomètre traditionnel Si l'on utilise dans le spectrophotomètre de ce genre un monochromateur à vide, il est possible de déplacer les spectres mesurés dans la région de 300 nm 100 nm, ce qui est très important dans les investigations modernes. Il est bien évident que d'autres variantes d'exécution du spectrophotomètre proposé sont possibles: notamment, on peut utiliser en tant que monochromateur tout monochromateur double, tant à vide qu'ordinaire, suivant que l'on étudie une région spectrale ou une autre; d'autre part, les éléments dispersifs peuvent être constitués par des réseaux de dif- fraction plans ou par des prismes, alors que la source de lu- mière peut être absolument quelconque, pourvu qu'elle assure la radiation dans le domaine spectral à examiner. Revendication Spectrophotomètre pour la mesure des spectres de trans- mission, comprenant une source de lumière ( 1), un monochroma- teur double ( 2) constitué d'une fente d'entrée ( 5), d'un pre- mier élément dispersif ( 6), d'une fente intermédiaire ( 7), d'un second élément dispersif ( 8) et d'une fente de sortie ( 9), placés en série sur le trajet de propagation du flux lumineux, un porte échantillon ( 10) avec l'échantillon ( 13), un détecteur de lumière ( 3) et un dispositif enregistreur ( 4) relié à la sortie dudit détecteur de lumière ( 3), caractéri- sé en ce que ledit porte-échantillon ( 10) avec l'échantillon ( 15) sont placés à l'intérieur du monochromateur ( 2), entre ladite fente intermédiaire ( 7) et ledit second élément dis- persif ( 8), avec possibilité de se déplacer dans une direc- tiôn transversale à la direction de propagation du flux lumi- neux à la sortie de la fente intermédiaire ( 7) afin de situer l'échantillon ( 13) à étudier sur le trajet de propagation du flux lumineux et de l'enlever dudit trajet de propagation du flux lumineux.