Brevet FR2519427A1 — publié le 19830708

La présente invention se rapporte à un dispositif de spectrométrie capable de décomposer, pour analyse, une lumière polychromatique en donnant un spectre s'étendant dans l'ultra-violet, le visible et le proche infrarou- ge Ce dispositif est notamment destiné à un instrument de spectrométrie d'émission à lecture directe. Les polychromateurs sont montés dans les instruments de spectromé- trie d'émission pour analyser la lumière polychromatique émise par excita- tion de l'échantillon à analyser Ces polychromateurs utilisent le plus sou- vent le montage de Paschen-Runge et comportent un réseau de diffraction con- cave, gravé ou holographique, qui reçoit la lumière polychromatique au tra- vers d'une fente d'entrée pour la décomposer, par diffraction, en une série de faisceaux convergents de lumières monochromatiques Certains de ces fais- ceaux sont isolés ou sélectionnés par des fentes de sortie placées au niveau des images de la fente d'entrée Dans le montage de Paschen-Runge, la fente d'entrée, le réseau et les fentes de sortie sont situés sur un cercle fictif dit de Rowland qui est tangent au réseau et a un diamètre égal au rayon de courbure du réseau Les flux lumineux sont mesurés par des détecteurs cons- titués par des photo-multiplicateurs. En spectrométrie d'émission, les raies d'analyse se situent princi- palement dans le domaine de l'ultra-violet On cherche aussi à analyser les éléments alcalins tels que le sodium, le lithium, le potassium, le rubidium et le césium dont les raies se situent dans le domaine du visible et du pro- che infra-rouge (de 5889 X à 8521 R). Pour obtenir un spectre s'étendant de l'ultra-violet au proche infra- rouge, on utilise généralement un montage de Paschen-Runge avec une grande focale (de l'ordre de I mètre) et un réseau dont le nombre de traits par mm se situe entre 1000 et 1500 En conséquence le coefficient de dispersion linéaire (nombre de nanomètres par unité de longueur du spectre) qui est in- versement proportionnel au nombre detraits par mm et à la focale est relati- veinent élevé L'utilisation d'un seul réseau pour un domaine de longueurs d'ondes aussi large n'est donc pas favorable. La présente invention se rapporte à un dispositif de spectrométrie du type polychromateur double présentant une bonne dispersion linéaire, une résolution élevée, une très haute efficacité dans le domaine de l'ultraviolet, du visible et du proche infrarouge La focale (ou le diamètre du cercle de Rowland) peut avoir une/Ya 1 befe ce qui diminue l'encombrement et conduit à une très grande stabilité aux fluctuations thermiques ou mécaniques Par ailleurs ce faible encombrement permet de réduire le poids et le prix et d'éviter la régulation en température Le dispositif utilise un réseau à champ plan dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Le dispositif selon l'invention permet d'analyser la lumière polychromatique venant d'une source d'excitation et comporte un polychromateur pourvu d'un réseau concave recevant ladite lumière polychromatique au tra- vers d'une fente d'entrée pour-la diffracter en faisceaux monochromatiques du domaine ultraviolet dirigés sur des fentes de sortie associées à des dé- tecteurs de mesure, lesdites fentes et ledit réseau étant positionné S sur le cercle de Rowland et il est essentiellement caractérisé par le fait que le faisceau d'ordre 0, symétrique du faisceau incident par rapport à la nor- male au réseau, est repris par un second montage optique qui dispmse ledit faisceau en faisceau Kmonochromatiquesdu domaine du visible ou du proche infrarouge,au moinsune fente de sortie sélectionnant un dit faisceau monochromatique mesuré par un détecteur de mesure. Selon une autre caractéristique,le second montage optique est un polychromateur dont la fente d'entrée est située au point focal image d'or- dre O du premier réseau Selon Une caractéristique le nombre de traits par unité de longueur du réseau du premier polychromateur est supérieur au nombre de traits par u- nité de longueur du réseau du second polychromateur. Selon une autre caractéristique, le réseau du second polychromateur est un réseau holographique concave à champplan Selon une caractéristique, les paramètres du réseau holographique à champ plan sont adaptés de manière à corriger l'astigmatisme du réseau du premier polychromateur. Selon une-caractéristique, le faisceau d'ordre O est réfléchi sur au moins un miroir entre le premier et le second réseau. Selon une autre caractéristique, le Uspositif comporte un monochro- mateur analysant la lumière de la source d'excitation reçue par le premier polychromateur et le second montage optique. L'invention va maintenant 'tre décrite avec plus de détails en se référant àdesmodes de réalisation donnésà titre d'exemples et représentéspar 1 l dessis annexe La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de ty Re polychromateur double conforme à l'invention permettant d'analyser lalumière venant d'une source d'excitation. La figure 2 représente le schéma d'un dispositif associant un dou- 19427 ble polychromateur à un monochromateur. Le dispositif de type double polychromateur qui est représenté sur la figure 1 sert à analyser la lumière polychromatique émise par l'échantil- lon sous l'effet de la source d'excitation I 1 Dans le mode de réalisation qui est représenté la source d'excitation est à plasma et la lumière venant de cette source est focalisée par un objectif 22 sur une fente d'entrée 21. Ce double polychromateur comporte un premier polychromateur compre- nant la fente d'entrée 21,un réseau 23 constitué par une série de traits sur une surface sphérique concave et des fentes de sortie 24 Des détecteurs de mesure de flux lumineux 25 de type photomultiplicateurs sont associés aux fentes de sortie La fente d'entrée 21, le réseau concave 23 et les fentes de sortie 24 sont positionné S sur un cercle fictif dit de Rowland-repéré C-qui est tangent au réseau 23 et a un diamètre égal au rayon de courbure du réseau - Le faisceau polychromatique 12 venant de la fente d'entrée 21 est dirigé sur le réseau 23,Ia lumière est diffractée par le réseau 23 en une pluralité de faisceaux monochromatiques 13 qui convergent et donnent des ima- ges de la fente 21 sur le cercle de Rowland les fentes de sortie 24 qui sont montées au niveau des images, sélectionnent certaines longueurs d'onde. Chaque faisceau monochromatique 13 a une position angulaire bien précise et déterminée Si l'on pose que la lumière polychromatique arrive sur le réseau 23 sous une incidence d par rapport à la normale N, la position de la lumière diffractée est donnée par la relation sin i C + sin =kn;, étant l'angle du faisceau diffracté par rapport à la, normale, N le nombre de traits par unité de longueur du réseau, X la longueur d'onde et k un nombre entier Pour chaque valeur de k, il y a un spectre correspondant aux différentes longueurs d'ondes composant la lumière polychromatique inciden- te. Les détecteurs de mesure 25 sont montés en arrière des fentes de sortie 24, par rapport au sens de propagation-de la lumière, pour mesurer l'intensité lumineuse passant au travers desdites fentes de sortie - Le réseau 23 réalisé par gravure ou holographie donne un spectre il dans l'ultraviolet fzomporte un nombre de traits par unité de longueur rela- tivement élevé (de l'ordre de 3600 traits /mm) De cette manière le coeffi- cient de dispersion linéaire-inversement proportionnel au nombre de traits par unité de longueur et à la focale-est relativement faible et la dispersion linéaire est donc bonne La focale est courte (de l'ordre de 0, 5 m) Du fait que le réseau 23 a un nombre-de traits élevé, l'ordre 0 comporte peu d'ultra- violet, du visible et l'intégralité du proche infrarouge Dans l'ordre O il n'y a aucune dispersion et le réseau 23 réfléchit la lumière essentiellement du visible et du proche infrarouge à la manière d'un miroir, le faisceau d'or- dre O étant symétrique du faisceau incident 12 par rapport à la normale N au réseau Par ailleurs le réseau 23 est optimisé pour améliorer l'efficaci- té dans l'ordre 1 pour le domaine ultraviolet. Le double polychromateur comporte un second montage optique qui décompose le faisceau d'ordre O-repéré 14 -en une pluralité de faisceaux mono- c romatiqubs 15 du domaine du visible et du proche infrarouge qui sont di- rigés sur des fentes de sortie 27 en arrière desquelles sont montés des dé- tecteurs de mesure duflux lumineux 28 qui sont des photomultiplicateurs Le faisceau d'ordre O est le faisceau 14 qui vient du réseau 23 du premier po- lychromateur et qui est symétrique du faisceau incident 12 par rapport à la normale N au premier réseau 23 Ce second montage est un polychromateur pour- vu d'un réseau 26 formé de traits enveloppant une surface sphérique concave. La fente d'entrée/fictive ou réelle de ce réseau 26 se situe au point focal image-repéré 6-de l'ordre O du premier réseau 23 c'est-à-dire au point situé sur le cercle de Rowland symétriquement à la fente d'entrée 21 par rapport à la normale N au réseau 23. Chaque fente de sortie 27 associée à un faisceau monochromatique reçoit l'image de l'image 6 de lumière essentiellement visible et infrarouge. Le second réseau donnent un spectre dans le domaine du visible et et du proche infrarouge/comporte un nombre de traits par unité de longueur plus faible (de l'ordre de 1200 traits /rm). Par exemple, le second réseau 26 est un réseau holographique sphé- rique concave à champ plan conforme au brevet français 2 334 947 et à son addition 2 396 961. Les paramètres du réseau 26 sont adaptés de manière à corriger l'astigmatisme donné par le premier réseau 23 et à éviter ainsi les pertes d'énergie Les corrections du réseau (aberrations et astigmnatisme)sont effec- tuées conformément au brevet français 2 334 947 et à son addition - Le faisceau dans l'ordre O peut 9 tre réfléchi entre le premier ré- seau 23 er le second réseau 26 par un miroir 29 Cet agencement entraine une diminutioni de l'encombrement. Les composants associés au second polychromateur c'est-à-dire le réseau 26, le miroir 29, les fentes de sortie 27 montées sur des supports et les détecteurs de mesure 28 sont montés sur un support qui est fixé sur la structure ou le bati portant les composants associés au premier réseau 23. Le spectre s'étendant dans le visible et dans l'infrarouge au lieu d'être donné par le réseau 26 pourrait tre donné par un organe dispersif ou filtrant recevant le faisceau d'ordre O venant du premier réseau 23. Le dispositif de type polychromateur double décrit ci-dessus peut- être utilisé seul pour l'analyse simultanée de plusieurs éléments Il peut aussi être associé à un monochromateur dans un ensemble illustré sur la figure 2 de manière à permettre l'analyse simultanée de plusieurs éléments parmi lesquels ds éléments non programmé ou un élément devant 'tre analysé avec une haute résolution (uranium, plutonium) Ce dispositif permet alors d'effectuer des analyses dans l'ultravioletle visible et le proche infrarouge très les mesures dans l'ultraviolet étant effectuées avec une/haute résolution. Le dispositif illustré par la figure 2 associe d'une part le dispo- sitif de type double polychromateur qui est décrit qi-dessus et qui est re- péré 2 et d'autre part un monochromateur 3 Ces deux parties du dispositif analyse la lumière venant d'une source d'excitation commune 11. Le monochremateur 3 utilise un montage de type Czerny-Turner IL- comporte une fente d'entrée rectiligne 31 sur laquelle la lumière venant de la source 11 est focalisée par un objectif 32 le faisceau 16 venantde la source Il est réfléchi selon 17 par un miroir collimateur 33 de type concave sphérique Le faisceau réfléchi est requ sur un réseau holographique plan 34 qui diffracte la lumière en donnant un faisceau diffracté 18 Ce faisceau 18 est réfléchi selon 19 par un miroir de focalisation 35 de type concave sphérique Ce faisceau réfléchi 19 converge vers la fente de sortie 36 Le flux lumineux est mesuré en arrière de cette fente de sortie par un détec- teur 37 de type photomultiplicateur Le réseau 34 pivote, sous l'action d'un moteur, autour d'un axe parallèle aux traits du réseau, les miroirs 33 et étant fixes. Les signaux des détecteurs 37, 25, 28 sont envoyés à une unité é- lectronique 5 de contr 8 le et de traitmwnt, cette unité pilo- tant l'ensemble de l'instrument équipé du dispositif. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'inven- tion imaginer des variantes et des perfectionnements de détails et de meme envisager l'emploi de moyens équivalents. 19427 REVENDICATIONS 1. Dispositif de spectrométrie permettant d'analyser la lumière polychromatique venant d'une source d'excitation ( 11), comportant un poly- chromateur pourvu d'un réseau ( 23) recevant ladite lumière au travers d'une fente d'entrée ( 21) pour la diffracter en faisceaux monochromatiques ( 13) du domaine ultraviolet dirigés sur des fentes de sortie ( 4) associées à des dé- tecteurs de mesure ( 25), lesdites fentes ( 21,24) et ledit réseau ( 23) étant positionnés sur le cercle de Rowland, caractérisé par le fait que le fais- ceau d'ordre O, symétrique du faisceau incident par rapport à la normale au réseau ( 23) est repris par un second montage optique qui disperse ledit faisceau en faisceautmonochromatiques du domaine du visible ou du proche infrarouge,, au moins une fente de sortie ( 8) sélectionnant un dit faisceau monochromatique mesuré par un détecteur de mesure ( 28). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le second montage optique est un polychromateur pourvu d'un réseau ( 26) dont la fente d'entrée ( 6) est au point focal image de l'ordre O du premier réseau ( 23). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le nombre de traits par unité de longueur du ré- seau ( 23) du premier polychromateur est supérieur au nombre de traits par unité de longueur du réseau ( 26) du second polychromateur. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le réseau ( 26) du second polychromateur est un réseau holographique con cave à champ plan. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les paramètres du réseau holographique à champ plan ( 26) sont adaptés de manière à corriger l'astigmatisme du premier réseau ( 23). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le faisceau d'ordre O est réfléchi sur au moins un miroir 10 entre le premier réseau ( 23) et le second réseau ( 26). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comporte un monochromateur ( 3) analysant la lu- mière de la source d'excitation ( 11) reçue par le premier polychromateur et le second montage optique -