Brevet FR2720506A1 — publié le 19951201

SPECTROMETRE DE PARTICULES SUBMICRONIQUES DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un nouveau "spectromètre de particules submicroniques" (appelé dans la suite "SPPS") afin de déterminer la distribution granulométrique des particules d'aérosol en suspension dans l'air (ou dans un autre gaz) couvrant un domaine de dimension compris entre le nanomètre (10-9m) et le micromètre (10-6m). Entre autres applications, ce spectromètre est par exemple particulièrement bien adapté à la détermination du spectre granulométrique de l'aérosol atmosphérique pour la surveillance en continu de la qualité de l'air dans des installations ou dans l'environnement. Art antérieur L'un des moyens les plus performants aujourd'hui pour déterminer la distribution granulométrique des aérosols submicroniques consiste à mesurer le spectre de mobilité électronique des particules dont on connaît par ailleurs la loi de charge. Il n'est pas inutile pour la compréhension de la suite du présent texte de rappeler que, en équilibre stationnaire, dans un volume déterminé d'atmosphère, la somme globale des charges électriques positives et négatives portées par les particules d'un aérosol qui s'y trouve est nulle. Ceci signifie qu'à chaque instant, l'échantillon contenu dans cette partie d'atmosphère comporte autant de charges positives que de charges négatives, en général selon une distribution gaussienne centrée sur la charge nulle et décroissante =2 /2720506 en fonction du nombre de charges élémentaires. C'est la loi de charge dite "loi de Boltzman". Par conséquent, on a déjà utilisé fréquemment pour la sélection des aérosols, des champs électrostatiques agissant sur les charges électriques qu'ils portent. A cet effet, on définit couramment une notion fondamentale dans ce domaine qui est celle de la mobilité électrique d'une particule chargée placée dans un champ électrostatique. Cette grandeur, qui définit la plus ou moins grande aptitude d'une telle particule à subir une déviation sous l'effet de ce champ, peut se traduire par l'égalité suivante: W =ZE, égalité vectorielle dans laquelle W est la vitesse de dérive acquise par la particule sous l'influence du champ électrique E à laquelle elle est soumise. Le coefficient Z de proportionnalité entre les deux grandeurs précédentes est précisément la mobilité électrique en question. Comme cette mobilité électrique est, ce qui est d'ailleurs conforme à l'intuition, d'une part proportionnelle à la charge électrique de la particule et d'autre part inversement proportionnelle à sa granulométrie, on conçoit la possibilité de réaliser de véritables spectromètres de mobilité électrique consistant à soumettre des particules d'aérosols entraînées dans un courant gazeux à l'action d'un champ électrique existant entre deux électrodes. Sous l'effet du champ, les particules chargées de ces aérosols se déposent, suivant leur signe, sur l'une de ces électrodes et l'abscisse de leur dépôt par rapport à la direction du courant gazeux est caractéristique de leur mobilité en ce sens que plus cette mobilité électrique est élevée, plus l'abscisse de leur dépôt est faible. On obtient ainsi un étalement dans l'espace des 3 2720506 particules collectées, qui en réalise une spectrométrie en fonction de leur mobilité électrique. Un appareil reposant sur ce principe est décrit dans le certificat d'addition français n 90 02413 du 27/02/90, publié sous le n 2 658 916 (US-5 117 190), intitulé "capteur électrostatique de particules d'aérosol et appareils en comportant application". Ce type d'appareil est illustré sur la figure 1 et comporte deux disques conducteurs coaxiaux 2, 4 espacés et parallèles entre lesquels on établit une différence de potentiel V et, donc, un champ électrique uniforme E. Le disque 2 comporte une fente annulaire 6 (rayon r1) par laquelle sont introduites les particules à analyser avec un débit q1. Une aspiration centrale 8 est prévue, par laquelle un débit d'air Q circule sous l'effet d'une pompe non représentée sur la figure. Les particules chargées ayant la mobilité électronique requise sont entraînées vers une seconde fente annulaire 10 de rayon r2 pratiquée dans le disque 4 sous l'action conjuguée: - d'un écoulement d'air filtré au débit q0, radial et laminaire, établi entre les deux disques, - du champ électrique E imposé entre les deux disques. A travers la fente 10, l'air s'écoule avec un débit q2 dans un boîtier cylindrique 12 accolé sous le disque 4. On a donc: Q=qo+ql-q2. Les particules qui traversent la fente 10 ont la même mobilité électrique Z=Q/rE(r12-r22). Pour régler cette mobilité électrique à la valeur souhaitable cas par cas, on peut agir sur les deux paramètres que sont le débit Q d'une part et la différence de potentiel V appliquée entre les deux disques conducteurs coaxiaux 2 et 4. Par le boîtier cylindrique 12 et un conduit 14, les particules peuvent ensuite être dirigées vers un 4 2720506 détecteur, du type optique, par exemple un compteur de particules par condensation, ou de type électrique, par exemple un électromètre ou un détecteur à avalanche d'électrons. Bien que satisfaisant à certains égards, ce type d'appareil présente néanmoins certains inconvénients s'il est utilisé pour sélectionner des particules de taille nanométrique. En premier lieu, le transport des particules de taille nanométrique dans les circuits du système entraîne des pertes par diffusion brownienne au voisinage des parois notamment dans le boîtier cylindrique 12, dans le conduit de sortie jusqu'au détecteur et dans le détecteur lui-même. A titre indicatif, un conduit de 30cm de longueur, au débit de 0,3 f/min collecte par diffusion brownienne environ 50% des particules de 3 nanomètres. En outre, du fait du régime d'écoulement laminaire dans les circuits, les particules se situant au centre des conduits se déplacent plus vite que celles se situant au voisinage des parois et il se produit, de ce fait, un étalement du temps de transit des particules à travers l'appareil, ce qui nuit à la précision du comptage par le détecteur, notamment lorsque le champ électrique est fonction du temps. Exposé de l'invention L'invention a pour but de résoudre ces problèmes. Elle a pour objet un spectromètre électrostatique de particules d'aérosol contenues dans une atmosphère à examiner, comprenant un premier et un second disques conducteurs coaxiaux, espacés et parallèles, entre lesquels on établit un champ électrique en les portant à des potentiels différents, l'espace compris 2720506 entre les deux disques communiquant avec l'atmosphère à examiner à travers une fente annulaire de rayon r1 pratiquée dans le premier disque, une aspiration centrale étant prévue dans le premier disque pour faire circuler dans cet espace, à partir de la périphérie des disques, un écoulement d'air filtré laminaire, centripète et stable, et le second disque étant muni d'une ouverture annulaire de rayon r2 (r2 pour les compter. Dans cette configuration, on réalise donc un deuxième étage à l'aide des troisième et second disques et on réalise ce qu'on appelle un "confinement dynamique" à l'aide d'un écoulement d'air filtré entre ces deux disques. Cet écoulement canalise les particules dès leur extraction du premier étage. Sortant ensuite du second étage, les particules sont ensuite véhiculées dans un conduit assurant leur transfert vers l'extérieur, toujours en écoulement laminaire, avec la particularité qu'elles se trouvent confinées au voisinage du centre de l'écoulement, et ceci sans contact avec les parois (donc sans perte) et avec des trajectoires identiques (donc avec des temps de transit identiques). De plus, cet appareil se prête particulièrement bien à un couplage optimal avec plusieurs types de détecteurs, ce qui permet d'envisager: 6 2720506 - une forte intégration analyseur/détecteur au sein d'un même ensemble très compact, - une excellente sensibilité, même pour des tailles nanométriques, puisque les particules sont véhiculées sans pertes aux parois. - une précision dans les résultats qu'aucun autre appareil selon l'art antérieur ne pourrait afficher; cette précision est liée à la parfaite maîtrise des temps de transit des particules dans les différents compartiments du système. Le détecteur peut être choisi parmi l'un des appareils suivants: - un compteur optique de particules du type "compteur à noyaux de condensation" capable de détecter des particules aussi fines que les ions atmosphériques (-lnm) pour des conditions de sursaturation fixées, - un électromètre du type intégral (pour les hautes concentrations) ou à impulsions (pour les faibles concentrations) Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un spectromètre électrostatique de particules d'aérosol selon l'art antérieur, - la figure 2 représente un spectromètre de particules selon l'invention, - la figure 3 représente une variante du spectromètre de particules selon l'invention, 7 2720506 - la figure 4 représente un spectromètre selon l'invention couplé avec un compteur optique de particules, - la figure 5 représente un spectromètre selon l'invention couplé avec un électromètre, - la figure 6 représente un spectromètre selon l'invention couplé avec compteur d'avalanches électroniques. Description détaillée de modes de réalisation La figure 2 représente un schéma d'un spectromètre selon l'invention. L'appareil comprend d'abord un premier étage constitué d'un spectromètre à mobilité électrique circulaire (en abrégé SMEC), comportant deux disques 18, 20 concentriques. Le premier disque 18 présente une fente annulaire 22 de rayon rI par laquelle un échantillon de gaz contenant les particules à analyser est introduit avec un débit q1. Un conduit ou tubulure d'aspiration centrale 26 extrait un débit d'air Q de l'espace situé entre les deux disques. Les deux disques étant conducteurs, on peut donc les porter chacun à un certain potentiel et établir dans l'espace 24 qui les sépare un champ électrique E. Dans le second disque 20 est pratiquée une ouverture annulaire 28 de rayon r2 qui sera traversée par un débit d'air q2. Entre les deux disques, à la périphérie de l'espace 24, est injecté, par des moyens non représentés sur la figure 2, un gaz d'entraînement (air filtré), tel qu'un écoulement laminaire circule entre les deux disques, avec un débit qo jusqu'à la tubulure 26 d'aspiration centrale qui absorbe donc un débit Q=qo+q1-q2. Si l'on appelle Z la mobilité électrique des particules, 2h la distance séparant les disques 18 et 20, V la différence de potentiel entre ces disques, la 8 2720506 théorie de l'appareil montre que les particules d'aérosols qui traversent la fente de rayon r2 ont une mobilité Z telle que: 2. 2Qh r.ir2 - 7r,=r-rZV Un second étage récolte les particules ayant cette même mobilité électrique Z. Cet étage est constitué d'une part du second disque 20 déjà décrit ci-dessus, d'autre part d'un troisième disque conducteur 32 situé en regard du second, et définissant avec ce dernier un espace 34. A partir de la périphérie de cet espace 34, on peut imposer, à l'aide de moyens connus par ailleurs de l'homme de l'art, un débit q'o d'air filtré et radial. q'o est choisi de telle sorte que l'écoulement d'air dans le second étage soit laminaire. Ainsi, les particules sélectionnées à travers l'ouverture 28 sont canalisées dès leur extraction du premier étage. En outre, un champ électrique E', obtenu en portant chacun des disques 20 et 32 au potentiel nécessaire (différence de potentiel notée V'), peut être appliqué entre ces deux disques de façon à décoller les particules des surfaces avec lesquelles elles pourraient être en contact. Le champ E' peut être en relation simple avec le champ E:E'=f(E); par exemple E'=E/10. On peut imposer, notamment, un asservissement de E' à E. Le troisième disque 32 présente en son centre une ouverture 36 qui débouche sur un conduit 38. Le centre de l'ouverture 36 est de préférence aligné avec les centres des disques 18 et 20. Les particules sélectionnées s'écoulent donc toujours en écoulement laminaire, et sont confinées au voisinage du centre de l'écoulement, dans l'axe de l'ouverture 36, sans contact avec les parois, donc sans perte. De plus, les 9 2720506 trajectoires suivies par les particules sont identiques dans tout l'appareil, y compris dans le deuxième étage et dans le conduit 38, donc les particules s'écoulent avec des temps de transit identiques et faciles à déterminer puisque les dimensions géométriques du système sont facilement déterminables. Les particules peuvent ensuite être comptées par un détecteur 40 choisi parmi des systèmes connus basés sur des méthodes optiques ou électriques. La figure 3 représente une variante de l'invention, dans laquelle la fente d'extraction annulaire 28 est réduite à un seul orifice circulaire central. Sur cette figure 3, des références identiques à celles de la figure 2 y désignent les mêmes éléments. Bien que l'orifice central d'extraction 28 représente un point singulier à la fois du point de vue aéraulique et du point de vue électrique, les particules qui viennent se déposer sur le second disque, au centre, sont aspirées avec un débit q2 à travers cet orifice 28. Ces particules ont pour mobilité Z=Q/nErl2. Le diamètre 0 de cet orifice est de préférence choisi de façon à assurer une bonne sélectivité des particules (si le diamètre est important la sélectivité est faible) mais aussi de façon à ne pas perturber l'écoulement du fluide qui le traverse (si le diamètre est faible, un phénomène de "jet" se produit au niveau de cet orifice). A titre d'exemple, un appareil a été réalisé avec rl=6,5cm et 0 =2,7mm. Cette configuration présente l'avantage de ne pas nécessiter de champ électrique auxiliaire E' et d'extraire les particules exactement dans l'axe de l'appareil. Là encore, les particules sont véhiculées en écoulement laminaire, sans contact avec les parois (donc sans perte), avec des temps de transit identiques 2720506 et en suivant des trajectoires identiques dans le deuxième étage. Comme dans le premier mode de réalisation déjà exposé, les particules peuvent ensuite être comptées par un détecteur 40 choisi parmi des systèmes connus basés le plus souvent sur des méthodes optiques ou électriques. Dans tous les cas, la distance d du conduit de liaison 38 séparant l'analyseur du détecteur 40 peut être réduite au minimum, ce qui offre l'avantage d'un excellent couplage et ce qui permet d'envisager une intégration de l'analyseur et du détecteur au sein d'un même ensemble très compact. Un spectromètre selon l'invention utilisant un compteur optique comme détecteur est illustré sur la figure 4. En fait, contrairement au schéma de la figure 2 ou à celui de la figure 3, le spectromètre est situé dans la partie inférieure et le compteur optique dans la partie supérieure, mais le principe de fonctionnement est exactement le même. Sur cette figure 4, des références identiques à celles utilisées sur les figures 2 et 3 désignent des éléments identiques. Sur le plan aéraulique, le spectromètre est alimenté d'une part avec un gaz contenant les particules à analyser (débit ql), d'autre part avec un gaz vecteur filtré (débit qo). Les références 42 et 44 désignent respectivement une pompe et un filtre. Des moyens sont prévus pour porter les disques 18, 20 et 32 aux potentiels voulus, ces moyens ne sont pas représentés sur la figure 4. Pendant la sélection électrostatique, les particules ayant la mobilité adéquate sont injectées dans le second étage, puis elles sont entraînées par un écoulement laminaire de gaz filtré (débit q'o). Elles sont ensuite transportées il 2720506 dans l'axe d'un conduit 38, toujours en écoulement laminaire afin d'éviter tout contact entre les particules et les parois. Ce petit conduit débouche en sortie d'un saturateur 46 qui contient un liquide condensable ayant pour fonction de produire une vapeur condensable lors du passage du débit q3 d'air filtré. Ceci permet de faire grossir, dans un condenseur 48, les particules préalablement à leur détection. Les particules sont ensuite comptées par un système optique par diffusion de lumière. Les particules à analyser sont entraînées par le flux gazeux à travers un faisceau lumineux 50 produit par une source 52. Chaque particule diffuse alors une certaine quantité de lumière qui est ensuite analysée par un photodétecteur 54. Des moyens d'analyse 55 sont prévus pour recueillir des données et les traiter. En introduisant les particules dans l'axe du saturateur, là o la saturation est la plus forte, on obtient un seuil de détection des particules extrêmement bas, de l'ordre du nanomètre. Cette caractéristique, combinée au temps de transit uniforme pour les particules sélectionnées et à l'absence de pertes par dépôt sur les parois, fait de l'appareil selon l'invention un instrument extrêmement précis et sensible, tout en étant relativement simple et compact. Après avoir traversé le détecteur, l'air est ensuite aspiré vers un ensemble composé d'une pompe 56 et d'un filtre 58, puis est recyclé d'une part vers le second étage du spectromètre (débit q'o), d'autre part vers le saturateur 46 (débit q3)- Le spectromètre selon l'invention peut également fonctionner avec un électromètre comme détecteur. Ce cas est représenté sur la figure 5 dans 12 2720506 12 =zw laquelle des références identiques désignent les mêmes éléments que sur les figures 2, 3 et 4. Les particules sont injectées par la fente annulaire 22, et entraînées comme précédemment à travers les deux étages. Le détecteur est essentiellement constitué d'une cage de Faraday 60, d'un filtre 62 supporté par un porte-filtre 64 conducteur et relié par une bague isolante 66, à la cage 60. La référence 70 désigne un électromètre relié au porte-filtre 64. Les particules chargées piégées sur le filtre 62 induisent un courant i qui est mesuré par l'électromètre 70 et les données peuvent être recueillies par des moyens de traitement, de mémorisation et d'analyse 71. Si N est la concentration des particules à analyser, p le nombre de charge moyen porté par chaque particule, q le débit de prélèvement au travers du filtre, il apparaît un courant électrique i tel que: i=qNpe o e est la charge électronique élémentaire. En pratique, les principales applications de cette méthode se situent dans le cas o lpl=1 (une seule charge électrique portée par les particules) et dans ce cas, la concentration des particules s'exprime directement par: N=i/qe La sensibilité de détection est donnée par la limite des électromètres existants à ce jour, c'est-à- dire 10-16 ampères environ. En terme de concentration de particules N, sachant que N=i/qe, la limite de détection des particules portant une charge sera donc: - pour q=l litre par minute: N=40 particules par cm3 environ, - pour q=10 litres par minute: N=4 particules par cm3, etc. 13 2720506 Une façon d'améliorer la sensibilité de détection est d'augmenter le débit de prélèvement des particules à analyser. Ce type de détection est, en outre, bien adapté à l'analyse de particules à fortes concentrations. Enfin, le spectromètre combiné avec ce détecteur est d'autant plus sensible qu'il est de grande dimension. Pour les très faibles concentrations et/ou les très faibles débits, le dispositif proposé ci-après est beaucoup mieux adapté que le précédent. La figure 6 donne un schéma de principe très voisin de celui déjà vu, la différence portant essentiellement sur la mise en oeuvre du système de détection à avalanches d'électrons. Sur la figure 6, des références identiques désignent les mêmes éléments que sur la figure 5. Le système de détection comporte essentiellement une aiguille 72 portée à une haute tension positive par un système d'alimentation H.T. 74. La valeur de la haute tension est choisie pour être juste inférieure à la tension d'amorcage de la décharge par "effet couronne", comme dans un compteur Geiger. Lorsqu'une particule négative arrive au voisinage de l'électrode, dans une région o le champ électrique est très intense, un électron se détache de la particule et provoque immédiatement une avalanche électronique, laquelle induit une impulsion de courant qui peut aisément être détectée par un collecteur 76 relié à un compteur d'impulsions 78. Un des avantages de ce dernier type d'appareil est qu'il peut se prêter à une miniaturisation poussée, la taille d'un capteur tel qu'on vient de le décrire pouvant être aussi petite que quelques centimètres de diamètre. 14 2720506 Les exemples donnés, en liaison avec les figures 4 à 6, peuvent être également mis en oeuvre avec un spectromètre dont l'ouverture annulaire 28 est réduite à un orifice central, ainsi que décrit ci- dessus en liaison avec la figure 3. Pour tous les appareils décrits ci- dessus, une méthode pour déterminer la distribution granulométrique d'aérosols submicroniques consiste à établir le spectre de mobilité des particules en effectuant un balayage rapide E=f(t). Alors, à partir de la connaissance des données suivantes: - loi de charge des particules initiales en fonction de leur dimension, - valeur des différents débits, - caractéristiques dimensionnelles du dispositif, - fonctions E=f(t),E'=g(t), - temps de transit des particules dans les différents compartiments, - taux de comptage des impulsions en fonction du temps, il est possible de remonter automatiquement au spectre granulométrique des particules initiales grâce à un programme de calcul, fonctionnant sur micro-ordinateur, spécialement développé à cet effet. Un tel programme repose sur une technique de calcul comme celle décrite dans l'article de S.C. Wang et al., intitulé "Scanning Electrical Mobility Spectrometer" publié dans Aerosol Science and Technology, vol. 13, p. 230-240, (1990). Un spectromètre devant couvrir une large gamme de concentrations peut regrouper deux types de détecteurs, compteur d'avalanches électroniques et électromètre. Dans un tel dispositif, les détecteurs sont montés en série dans un même ensemble et utilisés dans leur gamme de concentration respective. Une forte 2720506 analogie est à noter avec le principe de certains détecteurs optiques, du type par condensation, qui peuvent fonctionner soit en mode impulsionnel pour les basses concentrations, soit en mode intégré pour les5 plus élevées. 16 2720506 REVENDICATIONS 1. Spectromètre électrostatique de particules d'aérosol contenues dans une atmosphère à examiner, comprenant un premier (18) et un second (20) disques conducteurs coaxiaux, espacés et parallèles, entre lesquels on établit un champ électrique en les portant à des potentiels différents, l'espace (24) compris entre les deux disques communiquant avec l'atmosphère à examiner à travers une fente annulaire (22) de rayon r1 pratiquée dans le premier disque, une aspiration centrale (26) étant prévue dans le premier disque pour faire circuler dans cet espace, à partir de la périphérie des disques, un écoulement d'air filtré laminaire, centripète et stable, le second disque étant muni d'une ouverture annulaire (28) de rayon moyen r2(r2 (40) pour les compter. 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour établir entre les second (20) et troisième disques (32) un champ électrique auxiliaire E' asservi à E, permettant de "décoller" les particules sélectionnées à travers l'ouverture annulaire (28) de la surface avec laquelle elles peuvent être en contact. 17 2720506 3. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture annulaire (28) se réduit à un seul orifice d'extraction central. 4. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur est un compteur optique du type compteur de noyaux de condensation (48, 52, 54). 5. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur est un électromètre (60, 62, 64, 70). 6. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur est un compteur d'avalanches électroniques (72, 74, 78).