Brevet FR2555747A1 — publié le 19850531

DETECTEUR INTERFEROMETRIQUE DE GAZ La présente invention se rapporte à un détecteur interférométrique destiné à la détection et l'identification spécifique d'au moins un gaz dans un mélange gazeux, notamment en vue d'opérations d'analyse etZou de dosage. On connaît deja un dispositif de ce genre, pour la spectrométrie interférentielle à modulation selective dans lequel un faisceau lumineux issu d'une source appropriée, traverse successivement une cuve qui contient le mélange à analyser, un filtre interfêrentiel et, disposée entre un polariseur et un analyseur, une lame biréfringente, avant d'être focalisé sur un détecteur. Des moyens de modulation sont associés au polariseur et/ou à l'analyseur. La lame biréfringente est choisie pour qu'un signal maximum soit recueilli sur le détecteur, pour le spectre correspondant au gaz à identifier. Dans le dispositif connu, on rencontre des limitations d'emploi, dues essentiellement à la transparence des matériaux utilisés. Ainsi, dans l'ultraviolet, grâce au fait que les structures fines d'adsorption des gaz sont le plus souvent assez larges dans ce domaine, si on peut utiliser le quartz malgre sa faible biréfringence (,an = 10-2), les limitations sont essentiellement dues aux polaroldes: on peut cependant atteindre 250 nm en collant le film "polarisant" ("POLAROID", marque déposee) sur une lame de silice. Pour atteindre 200 nm, il est nécessaire d'utiliser des nicols à lame d'air qui sont transparents jusqu'à cette dernière longueur d'onde mais qui ont l'inconvénient de présenter un champ de polarisation plus faible et sont aussi 3 à 4 fois plus coûteux. Quant à la source lumineuse, ce peut être une simple lampe quartz-iode de 100 watts pour les longueurs d'onde supérieures à 270 nm. Pour les longueurs d'onde inférieures, on peut utiliser une lampe au deutérium, ou au xénon, ou encore à hydrogène. Dans le domaine de l'infrarouge, les structures fines sont plus resserrées et conduisent à utiliser le spath de biréfringence An = 0,2 afin de réaliser des lames dont les épaisseurs ne soient pas trop grandes. L'absorption du spath et celle des films polarisant infrarouge ne permettent pas d'aller au delà de 2,5 vm. Entre 2,5 vm et 5 gram, on peut utiliser le rutile par exemple qui présente une biréfringence de 0,3. t Comme polariseurs, on peut utiliser dans ce domaine spectral des lames de spath de faible épaisseur, de l'ordre du vm;; en effet, au delà de 2,5 vm le spath devient dichrolque, l'absorption étant beaucoup plus forte pour les vibrations ordinaires que pour les vibrations extraordinaires, La source lumineuse, dans ce domaine infrarouge, peut, jusqu'à 2,5 ijm, être une lampe quartz-iode, mais entre 2,5 et 5 vm, on peut utiliser avantageusement un Globar, c'est-à-dire un barreau de carbure de silicium chauffé par effet Joule à température voisine de 1.000"C et émettant un rayonnement avec un maximum vers 2 iim. Jusqu'à 2,5 vm, le détecteur utilisé peut être une cellule PbS à la température ordinaire, mais au delà, il faut utiliser une cellule PbS ou PbSe, ou HgCdTe refroidies par effet Peltier. Ainsi, en utilisant un interferomêtre birêfringent, on peut traiter de nombreux gaz qui présentent une structure fine d'absorption dans le domaine spectral 0,2 um - 5 um. Cependant, prenant en compte le coût éleve des composants dans les domaines 0,2 - 0,25 ym et 2,5 - 5 vm, la présente invention a pour objet la réalisation d'un dispositif plus economique, approprié notamment à fonctionner dans ces domaines. Un detecteur interferométrique à modulation sélective selon l'invention destiné à la détection et/ou l'identification spécifiques d'au moins un gaz dans un mélange gazeux, notamment en vue d'opérations d'analyse et/ou de dosage, comprenant une source lumineuse dont le faisceau traverse successivement un objectif de concentration, une cuve à gaz, un filtre interférentiel propre à isoler la totalité de la bande specifique, un ensemble d'interférométrie et de modulation, avant d'atteindre une cellule de détection est caractérisé en ce que ledit ensemble consiste en un interféromètre de Fabry-Pérot dont au moins une des lames est montée sur des céramiques piézoelectriques soumises à une tension électrique de modulation. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'autre lame de l'interféromètre de Fabry-Pérot est également montée sur des céramiques piézoélectriques soumises à une tension électrique continue réglable. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description suivante donnée uniquement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de détection de l'art anterieur; - la figure 2 est une vue schématique d'une forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Le dispositif de la figure 1, qui appartient à l'état de la technique antérieur comprend une source lumineuse S, une cuve à gaz C, un filtre interférentiel F qui isole la totalité de la bande spécifique d'absorp- tion du gaz recherché, en P et A des films polarisants, respectivement un polariseur et un analyseur, et en L une lame biréfringente. Le faisceau lumineux issu de S est focalisé par une lentille 0, traverse les éléments précédents, et atteint un détecteur D, qui dans le visible et l'U.V. peut être un photomultiplicateur, et dans l'IR une cellule photoresistante. Le gaz G à analyser traverse la cuve D et l'épais- seur et la température de la lame L sont calculees de façon à obtenir un signal maximum Asur le détecteur D. Comme on l'a déjà indiqué, ce dispositif présente des limitations d'emploi et des inconvenients. Le dispositif schématisé à la figure 2 d'une forme de réalisation de l'invention, permet de remédier à ces inconvénients. On retrouve dans ce dispositif des éléments homologues de ceux du dispositif de la figure 1, affectes des mêmes références avec l'indice 1, à savoir une source S1 dont le faisceau focalisé par un objectif 1 traverse la cuve à gaz C1 que suit un filtre interférentiel F1 et atteint finalement un detecteur D1. Mais ici l'ensemble constitué par la lame birefringente L entre polariseur P et analyseur A est remplacé par un interferomètre I de Fabry-Pérot. Cet interféromètre I est constitué par deux lames 10 et 11 dont les faces en regard sont planes et parallèles et recoùvertes chacune d'une couche mince, 12 et 13 respectivement, dont le pouvoir réflecteur est voisin de 0,5 sur un large domaine spectral. Pour permettre la modulation, au moins une des lames, 11 par exemple, est collee sur des ceramiques piézoélectriques 15, de manière à faire vibrer longitudinalement ladite lame 11, par application d'une tension alternative sur les céramiques 15. De maniere avantageuse, la seconde lame, 10 ici, est également collee sur des céramiques piezoélectriques, 14, qui sont alimentées en tension continue reglable: il est ainsi possible de donner à l'epaisseur e de la lame d'air entre couches minces 12 et 13, la valeur correspondant à la différence de marche souhaitée et conduisant à un signal maximum, ce dernier réglage correspond à celui de la température de la lame biréfringente dans le dispositif de l'art antérieur. Avec ce type d'interféromètre, on peut couvrir un domaine de lon- gueur d'onde très large, compte tenu des materiaux existants. - Ainsi, avec le dispositif décrit ci-après, on peut facilement couvrir le domaine 1 um - 2,5 pm. La source S1 est un Globar de 70 W. L'objectif 01 est en fluorine ou tout autre matériau transparent dans l'IR par exemple la SZn et a une distance focale de 100 nm et un diamètre de 25 mm. La cuve C1, d'une longueur de 300 mm comporte des fenêtres en fluorine, ou aussi ZnS. Les lames 10 et 11 de l'interféromètre sont en ZnS et leurs faces en regard sont revêtues d'une couche mince de Si (pour assurer un pouvoir réflecteur de l'ordre de 0,5). L'une des lames 10 est collée sur une ceramique piézoélectrique tubulaire cylindrique de 40 mm de diamètre, 2 mm épaisseur et 27 mn de haut. L'autre lame est collée sur 3 céramiques cylindriques de diamètre 10 mm et 10 mm de haut, disposees à 1200 les unes des autres. A titre d'exemple, la distance entre lames est réglee à 1,5 nin pour l'analyse du CO et à 4 mm pour l'analyse du CO2, des moyens non représentés permettant un calage initial des lames approximativement à ces valeurs. Quant au détecteur D1, il s'agit d'une cellule photorésistante au PbSe, refroidie par effet Peltier. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de realisa- tion decrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'thonine de l'art, sans que I'on ne s' écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Detecteur interférométrique à modulation selective, destiné à la détection et/ou l'identification specifiques d'au moins un gaz dans un mélange gazeux, notamment en vue d'opérations d'analyse et/ou de dosage, comprenant une source lumineuse (S1) dont le faisceau traverse successivement un objectif de concentration lu1), une cuve à gaz (G1), un filtre interférentiel (F1) propre à isoler la totalité de la bande spécifique d'absorption du gaz à identifier, un ensemble d'interférométrie et de modulation (I), avant d'atteindre une cellule de détection, caractérise en ce que ledit ensemble (I) consiste en un interféromètre de Fabry-Pérot dont au moins une des lames (10, 11) est montee sur des ceramiques piezoelectriques (15) soumises à une tension électrique de modulation. 2.- Détecteur selon la revendication 1, caractérise en ce que l'autre lame de l'interféromètre de Fabry-Pérot est également montée sur des céramiques piézoélectriques soumises à une tension électrique continue réglable. 3.- Détecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caracterise en ce que, pour une mesure dans l'infrarouge, les lames sont réalisées en materiau transparent à l'infrarouge tel que ZnS, fluorine et présentent sur leurs faces en regard un revêtement de Si de pouvoir réflecteur voisin de 0,5. 4.- Forme de réalisation du détecteur selon les revendications 1 à-4, destinée à une mesure dans l'infrarouge, caractérisée en ce que la source lumineuse (S1) est une source émettrice d'infrarouge, telle qu'un Globar, l'objectif (oui) est en un materiau transparent à l'infrarouge, tel que fluorine ou SZn, les lames (10 et 11) de l'interféromètre etant collées, la lame 10 sur une ceramique piézoéîectrique tubulaire cylindrique et la lame 11 sur trois ceramiques cylindriques disposees à 1200 les unes des autres. 5.- Forme de realisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que: - la lentille (oui) a une distance focale de 100 m et un diamètre de 25 mm, - la cuve (C1) a une longueur de 300 mm, - la ceramique tubulaire portant la lame (10) a un diametre de 40 mm, une épaisseur de 2 mm et une hauteur de 27 mm, - tandis que les céramiques portant la lame (11) ont un diametre et une hauteur de 10 mm, - et la cellule de détection (D1) est une cellule photorésistante au PbSe, refroidie par effet Peltier.