Brevet FR2713770A1 — publié le 19950616

-1 2713770 Procédé et appareil de mesure optique de la pression d'un mélange gazeux. La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure optique de la pression d'un mélange gazeux. Divers procédés optiques de mesure de la pression d'un mélange gazeux ont déjà été proposés dans l'art antérieur. On rappellera tout d'abord les principes sur lesquels de telles mesures sont fondées. Très schématiquement, un atome peut être considéré comme un ensemble d'électrons de charge négative en orbite autour d'un noyau de charge positive. Les rayons des orbites ne sont pas quelconques. En effet, pour que la trajectoire d'un électron soit stable, sa distance au noyau, c'est-à- dire le rayon de son orbite, doit être telle que son moment cinétique, produit de sa quantité de mouvement par ce rayon, soit de la forme n.h/2 7r, o n est un nombre entier et h est une constante dite constante de Planck. Lorsqu'un électron se trouve sur une orbite permise ainsi définie, son état est stationnaire et il ne rayonne aucune énergie. Par conséquent, à une orbite donnée correspond une énergie elle-même donnée. En revanche, si un électron passe d'une orbite permise d'énergie E1 à une autre orbite permise d'énergie E2, il subit une variation d'énergie égale à E2 - E1. Si E1 est supérieur à E2 I'électron émet alors un photon (particule élémentaire de lumière) d'énergie -(E2 - E1) dont on peut montrer que la fréquence ve est telle que: ve = -(E2 - E1)/h (1) De même, si E1 est plus petit que E2, I'électron absorbe alors un photon de fréquence va telle que: va = (E2 - E1)/h (2) 2 2713770 L'énergie des électrons, et donc des atomes est donc quantifiée. Elle ne peut prendre que certaines valeurs discrètes, et l'atome absorbe ou émet un rayonnement lumineux lorsque son énergie passe d'un niveau à un autre. En l'absence d'excitation, I'atome est son niveau fondamental o son énergie est minimale. Des processus similaires se déroulent au niveau moléculaire. Une molécule est un ensemble d'atomes dont les électrons assurent la cohésion. L'énergie d'une molécule dépend, outre de l'énergie électronique de ses atomes constituants, d'une énergie de déplacement des noyaux. Deux types de déplacements peuvent être envisagés: d'une part les vibrations, correspondant à des variations de distance entre les noyaux des atomes, et d'autre part les rotations, dans lesquelles la molécule tourne sur ellemême. On peut montrer qu'ici encore les niveaux d'énergie sont quantifiés. On peut en effet constater que, du point de vue vibrationnel, une molécule peut se trouver soit dans son état fondamental, soit dans un état excité. Les différents états excités possibles correspondent à des niveaux d'énergie discrets, c'est-à-dire que l'énergie ne peut pas varier de façon continue. Une transition vibrationnelle, c'est-à-dire une transition d'un niveau d'énergie à un autre correspondant à deux états vibrationnels distincts, se produit lorsque la molécule absorbe ou émet un photon dans le domaine de l'infrarouge, c'est-à- dire d'une fréquence de l'ordre de 1012 à 1014 Hz correspondant à des longueurs d'onde de l'ordre de 1 pm à 100 pm. De même, chaque niveau d'énergie vibrationnelle est divisé en un ensemble discret de sous-niveaux d'énergie de rotation, c'est-à-dire qu'une molécule dans un état vibrationnel donné peut se trouver dans un certain nombre d'états différents du point de vue rotationnel. Une transition rotationelle de la molécule, c'est-à-dire le passage de la molécule d'un sous niveau rotationnel à un autre en conservant le même état vibrationnel, correspond à l'émission ou l'absorption d'un photon dont la fréquence se trouve dans le domaine radio- fréquence ou infrarouge lointain, c'est-à-dire de l'ordre de 106 à 1012 hertz, ce 3 2713770 qui correspond à des longueurs d'onde allant d'environ 100 mètres à environ micromètres. Comme dans le cas de l'énergie électronique d'un atome, I'énergie vibrationnelle et rotationnelle d'un molécule ne peut varier que de quantités prédéterminées correspondant au saut d'un niveau d'énergie permis à un autre niveau d'énergie permis. Il en résulte que les fréquences des photons qui peuvent être émis ou absorbés par une molécule ont des valeurs bien déterminées, données respectivement par les formules (1) et (2) cidessus. A l'ensemble des fréquences des photons pouvant être émis par une molécule, correspond un ensemble de raies d'émission constituant le spectre d'émission de cette molécule. De même, à l'ensemble des fréquences des photons pouvant être absorbés par la molécule correspond un ensemble de raies d'absorption constituant spectre d'absorption de la molécule. Des raies proches les unes des autres peuvent être groupées en bandes qui correspondent à un certain domaine de fréquences. Les procédés de mesure optique de la pression d'un mélange gazeux sont généralement fondés sur une excitation par absorption des photons d'un rayonnement laser, des molécules d'un des constituants de ce mélange. La pression est ensuite obtenue en observant les caractéristiques du processus de désexcitation de la molécule, ou relaxation, et en reliant ces caractéristiques à la pression et à d'autres paramètres physiques connus, notamment à la température. C'est ainsi que le document US-A-5 111 055 décrit un procédé de mesure optique à distance de la pression de l'air, notamment en avant d'un aéronef, dans lequel on excite, à l'aide d'un générateur laser, des transitions de bandes d'énergie du domaine dit de Schumann-Runge de l'oxygène moléculaire. Un laser utilisable pour ces mesures est le laser à excimère argon-fluor accordable dans le domaine ultra-violet autour d'une longueur d'onde de 193 nanomètres. Cependant, les lasers argon-fluor disponibles ne sont pas embarquables sur avion et, de plus, I'obtention d'une raie laser à 193 4 2713770 nanomètres par mélange de fréquences demande également des moyens très lourds. La présente invention vise à palier ces inconvénients. A cet effet, I'invention à tout d'abord pour objet un procédé de détermination optique de la pression d'un mélange gazeux, notamment de l'air atmosphérique, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant: - à exciter dans le domaine infrarouge les molécules d'un gaz, notamment du méthane, dudit mélange, à partir d'un premier niveau vibrationnel vers un deuxième niveau vibrationnel; - à mesurer la durée de la fluorescence d'une raie du spectre d'émission dudit gaz à partir d'un des sous-niveaux rotationnels dudit deuxième niveau vibrationnel vers un autre sous-niveau rotationnel d'un troisième niveau vibrationnel; et - à déduire de ladite durée la pression du mélange gazeux. En premier lieu, le fait de travailler dans le domaine infrarouge autorise l'utilisation de moyens beaucoup moins lourds que ceux nécessités dans l'art antérieur. Par ailleurs, la pression du mélange gazeux peut être pratiquement déterminée uniquement par la durée de la fluorescence, des corrections en fonction de la température n'étant généralement pas nécessaires Toutefois, de telles corrections pourraient néanmoins être facilement réalisées puisque, comme on le verra ci-après, le présent procédé de mesure de la pression peut être combiné de façon particulièrement intéressante avec un procédé du même type de mesure de la température. Enfin, bien que la concentration du méthane dans l'air de l'atmosphère soit très faible, de l'ordre de 1,7 x 10-6, I'utilisation de ce gaz est avantageuse car cette concentration reste à peu près constante dans la troposphère, ce qui est un avantage par rapport à d'autres gaz tels que la vapeur d'eau. 2713770 L'invention a également pour objet un appareil de mesure optique de la pression d'un mélange gazeux, caractérisé par le fait qu'il comprend: - un laser susceptible d'exciter les molécules d'un gaz dudit mélange dans le domaine infrarouge d'un premier niveau vibrationnel à un deuxième niveau vibrationnel; - des moyens de détection pour détecter la fluorescence d'une raie du spectre d'émission dudit gaz à partir d'un sous-niveau rotationnel dudit deuxième niveau vibrationnel; - des moyens pour déterminer la durée de ladite fluorescence; et - des moyens pour déduire la pression du mélange gazeux à partir de ladite durée de fluorescence. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation particuliers de l'invention, associée à un procédé de mesure de la température, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 illustre le principe de l'invention, - les figures 2a et 2b sont un extrait d'un atlas du spectre solaire, - la figure 3 illustre le procédé selon l'invention et, - la figure 4 est une représentation schématique d'un appareil selon l'invention. Le procédé de mesure de température consiste essentiellement à calculer le rapport des populations de deux niveaux d'énergie d'une molécule à partir de la mesure du rapport de deux intensités de fluorescence. Si les populations considérées sont en équilibre thermodynamique, les nombres N1 et N2 de molécules se trouvant aux énergies E1 et E2 vérifient la relation de Boltzmann: 6 2713770 _( E-E,) N2 _ g2 e kT N. g. o g91 ou 92 sont les poids statistiques des niveaux E1 et E2 k et la constante de Boltzmann, et T est la température absolue. Le rapport N2/N1 est donc d'autant plus sensible à la température que l'écart d'énergie IE2-E11 est grand devant kT. Pour effectuer la mesure, on choisit alors comme niveaux d'énergie deux sous- niveaux de rotation du niveau vibrationnel supérieur de la transition utilisée (niveau excité). La mesure ne requiert qu'une fréquence d'excitation unique et conduit à un calcul de la température indépendant de la densité. La figure 1 illustre le principe général de la mesure. Les trois niveaux d'énergie Eo, E1, E2, tels que E0 E1 (J'o). Les molécules au niveau initial E0 (Jo), qui absorbent un photon, passent au niveau E1 (J'o); elles vont se répartir très rapidement entre les sous-niveaux rotationnels E1 (J'i), jusqu'à l'équilibre thermique donné par la distribution de Boltzmann. En effet, la probabilité de transition collisionnelle entre sous- niveaux est en général de l'ordre de 1010 s-1 /bar, ce qui conduit à un temps de relaxation rotationnel maximum de 10 ns, pour une pression minimale de 10 mbar (à 30 km d'altitude). Il se produit ensuite une relaxation vibrationnelle, c'est-à-dire que les molécules excitées aux sous niveaux E1 (J'i) vont retomber à des niveaux 7 2713770 vibrationnels inférieurs (cas le plus probable), soit après collision, soit après émission spontanée d'un photon. Ce phénomène d'émission spontanée constitue la fluorescence. Pour les transitions infrarouges du méthane, la durée de fluorescence est déterminée par la relaxation vibrationnelle due aux collisions entre molécules. En effet, pour des pressions supérieures à 10 mbar, la probabilité de transition vibrationnelle par rayonnement est nettement inférieure à la même probabilité par collision, la relaxation vibrationnelle étant elle même beaucoup plus lente que la relaxation rotationnelle vue précédemment. Il en résulte que la fluorescence ne dure qu'aussi longtemps qu'il reste des molécules au niveau E1, celles-ci disparaissant rapidement du fait de la relaxation due aux collisions. Le niveau E2 est choisi de telle manière que la probabilité de transition radiative E1->E2 soit forte (transition dipolaire électrique). On peut alors sélectionner deux raies élémentaires de la bande (E1, E2), correspondant à deux transitions partant des sous niveaux E1 (J'1) et E1 (J'2) tels que: |E1(J'2)-E,(J'1,)>kT Le rapport des intensités de fluorescence de ces deux raies est égal à: I2 2J' +1 P - E,(.P2)-E,(.J',) 2 _ = 2 2+1 e kr I, 2J'I+1 Pl o P1 et P2 sont les deux probabilités d'émission spontanée correspondant aux deux raies de fluorescence considérées. Le rapport P2/P1 est voisin de 1 car les raies appartiennent à une même bande. On constate que le rapport 12/11 ne dépend que de la température, car on a supposé négligeables ou identiques les atténuations des deux rayonnements de fluorescence, ce qui est le cas en général car la bande E1->E2 est une bande chaude. 8 2713770 Par ailleurs, on a vu ci-dessus que la relaxation vibrationnelle par collision est beaucoup plus rapide que la relaxation vibrationnelle par rayonnement. En effet, pour des pressions supérieures à 10 mbar, la probabilité de transition vibrationnelle par rayonnement est inférieure à 100 s-1 alors que la probabilité de transition vibrationnelle par collision est comprise entre 105s-1/bar et 107s-1/bar. Il en résulte que la durée de fluorescence varie comme l'inverse de la pression, ce qui permet de mesurer cette dernière simplement, du moins si le temps de décroissance de la fluorescence n'est pas trop court. On pourra donc, pour mesurer la pression, utiliser la durée de fluorescence sur une des raies choisies pour la mesure de la température, par exemple en mesurant le temps nécessaire pour que l'intensité de cette raie diminue de moitié. On examinera maintenant la question du choix des transitions utilisées tant en excitation qu'en fluorescence. La structure des niveaux d'énergie de la molécule de méthane, CH4 est très complexe en raison du nombre important de modes de vibration (4 modes) et de leurs couplages. Avec 5 noyaux dans la molécule, il y a en tout 15 degrés de liberté; si l'on retranche les 6 degrés de liberté de translation et rotation d'ensemble, il reste 9 degrés de liberté en vibration, ce qui conduit aux modes de vibration suivants: 1 mode non dégénéré de fréquence Vl; 1 mode doublement dégénéré de fréquence v2; 2 modes triplement dégénérés de fréquences v3 et V4. Chaque sous-niveau vibrationnel est caractérisé par un type de symétrie tétraédrique noté A1, A2, E, F1, F2. Le méthane présente une difficulté supplémentaire dans le traitement des niveaux de vibration-rotation à cause des particularités des fréquences fondamentales de vibration. 9 2713770 Ona: vl #v3 v2 # v4 et: 2v2 2v4#vl # v3 En effet, en posant v = v/c, o c est la vitesse de la lumière dans le vide, on a: v, = 2916 cm-1 v'2 = 1533 cm-1 'V3 = 3019 cm-1 1,4 = 1310 cm-1 Ainsi dès les premiers états vibrationnels excités, on doit considérer des groupes d'états d'énergies voisines, ou polyades, dont les sous-niveaux vibrationnels d'une part, et les niveaux vibrorotationnels d'autre part, vont pouvoir être fortement couplés s'ils ont la même symétrie totale. On parle alors de résonance ou d'états interagissants. Dans l'ordre croissant des niveaux d'énergie, au-dessus de l'état vibrationnel fondamental, on peut distinguer la dyade (groupe des 2 états v2 et v4), la pentade (5 états: 2v4, 2v2, V2 + v4, v1, v3), I'octade (8 états: 3v4, 2v4 + v2, 2 V2 + v4, 3v4, etc...), la tétradécade comprenant 14 états dont le niveau 2v3, etc... Etant donné la très faible concentration du méthane dans l'atmosphère, seules les transitions intenses, donc de nature dipolaire électrique, sont utilisables. En ce qui concerne l'excitation à partir du niveau fondamental 0(A1), la bande harmonique 2v3 est la plus intéressante, en raison de la possibilité de fluorescence 2v3->v3, sachant que la transition Av3 = + 1 est la plus intense. L'existence de la raie du laser Erbium - YAG à 6060 cm-1 (X = 1,65 pm), à l'intérieur de la bande 2v3, est aussi un facteur intéressant. Les raies de la bande 2v3 sont parfaitement observables dans les spectres atmosphériques enregistrés à partir du sol, en utilisant le soleil comme source, dans la région 1,6 pm - 1,7 pm. Un atlas du spectre solaire enregistré à partir 2713770 de l'observatoire de Kitt Peak par spectrométrie de Fourier à haute résolution permet de localiser les raies de CH4 au milieu des raies de CO2 et H20 [Photometric atlas of the solar spectrum from 1850 to 10 000 cm-1, Institut d'astrophysique de Liège, Kitt Peak National Observatory (1982), L. DELBOUILLE et al.] Les figures 2a et 2b constituent un extrait de cet atlas dans la région 6000 cm-1 - 6100 cm-1; cet extrait contient la branche Q de la bande 2v3 du méthane, ainsi que les raies R(0) à R(8) de la branche R. On constate que la raie d'absorption la plus intense est la plus proche du maximum d'émission du laser Er - YAG; il s'agit de la raie R(4) centrée à 6057 cm-1, qui est en réalité un multiplet dont l'intensité totale est égale à 3,9 x 10-21 cm2.cm-1. L'excitation la plus efficace consiste alors à utiliser un multiplet comme la raie R(4), avec un laser dont la largeur de bande est inférieure à la largeur à mi- hauteur de la raie. C'est en haute altitude que la raie est la plus fine, car l'élargissement est dû uniquement à l'effet Doppler de l'agitation thermique. La demi-largeur Doppler à mi-hauteur est: YD =(-. Log2)- m c avec v = 6057cm-' T= 220K 6,022x10O23 g On obtient: YD t 8xlO-3cm-' Il faut donc un laser dont la largeur de bande soit inférieure à 0,01 cm-1 ce qui correspond à 300 MHz. D'autre part, dans le cas d'une visée frontale pour un avion volant à 400 m/s, la fréquence laser est décalée d'une demi-largeur Doppler dans le référentiel lié à l'air; il faut donc effectuer, du moins en haute altitude, une correction de fréquence proportionnelle à la vitesse air de l'avion. l 2713770 Une autre possibilité, moins efficace pour l'absorption, mais qui conviendrait pour un laser à large bande (# 7 cm-1), serait d'utiliser la branche Q qui s'étend entre 5998 et 6005 cm-1 (soit 1,665 pm - 1,667 pm). Un avantage de cette solution serait un pompage plus global du sous-niveau 2v3 (F2), ce qui faciliterait le transfert par collisions vers les autres sous-niveaux 2v3 (A1) et 2v 3 (E). On augmenterait ainsi les possibilités de choix pour les raies de fluorescence. Le niveau 2v3 se décompose en trois sous-niveaux de symétries différentes: 2v3 (A1I) à 5968 cm-1 2v3 (F2) à 6005 cm-1 2v3 (E) à 6044 cm-1. En excitation, seule la bande 0(A1)-->2v3 (F2) est active. Pour la fluorescence, les trois composantes: 2v3 (F2)->v3(F2), 2v3(A1)-±>v3(F2), 2v3(E)->v3(F2), correspondant à AV3 = -1 seront actives en infrarouge. On peut admettre dans une première approche que les intensités relatives de fluorescence dans ces bandes sont du même ordre que celle de la bande fondamentale v3(F2)-->0(A1). Sur la base de cette hypothèse, et si l'on considère d'autre part les poids statistiques des 3 sous-niveaux (3 pour F2, 2 pour E et 1 pour A1), on peut dire que la bande de fluorescence la plus intéressante est la bande 2v3(F2)-*v3(F2), et ceci pour deux raisons: - I'excitation porte les molécules au sous-niveau 2v3(F2) 12 2713770 - si la relaxation entre les trois sous-niveaux est rapide, le sousniveau F2 a le plus fort poids statistique, et le rendement de fluorescence sera meilleur à partir de F2. Il faut noter à ce propos la faible séparation des 3 niveaux, relativement à kT: kT 206 cm-1 à 296 K hc On pourra donc adopter le schéma d'excitation-fluorescence de la figure 3. La figure 4 représente un mode de réalisation d'un appareillage optique permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La source utilisée pour l'excitation des molécules de méthane est ici constituée par un laser impulsionnel pouvant être précisément accordé sur une raie du spectre d'absorption du méthane qui, comme cela a été vu précédemment, se situe aux environs de 1,65 microns. Ce laser 1 est formé d'un laser 2 néodyme- YAG pompé lui-même par une diode laser, et d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) 3. La cavité OPO permet, par accord angulaire, d'obtenir une source à l'état solide accordable en fréquence dans un très large domaine spectral. L'accessibilité à chacune des raies du méthane est donc garantie. On utilise ici dans l'oscillateur 3 un cristal KTP intéressant en raison d'un accord de phase non critique au voisinage de 1,65 microns. Ceci présente l'intérêt d'une raie plus fine et d'un seuil bas. Le contrôle de la longueur d'onde du faisceau émis par le laser 1 est assuré à l'aide d'une unité de contrôle 4. Cette unité comprend une diode laser DFB dont une partie du faisceau de sortie est injecté dans l'oscillateur paramétrique optique 3 et dont l'autre partie sert à exciter les molécules d'une cellule 7 de méthane. Un détecteur optique 8 est placé derrière la cellule 7, sa sortie étant appliquée en entrée d'un asservissement 9 de type connu de contrôle de la longueur d'onde du faisceau issu de la diode 6. La sortie de l'asservissement 9 commande le circuit d'alimentation électrique 10 de la diode laser 6. 13 2713770 Comme cela a été évoqué ci-dessus, il est également envisageable en variante d'utiliser un laser Erbium-cristal. En effet, l'ion erbium possède, dans une matrice cristalline, une transition au voisinage de 1, 65 pm: 4I13/2 4]15/2 Le pompage peut être réalisé par une diode laser avec un dopage à l'Ytterbium qui présente une absorption vers 950 pm. Dans tous les cas, la détection est assurée à l'aide d'une unité 11 comportant deux détecteurs infrarouges 12 et 13 placés derrière des filtres 14 et 15 respectivement. Les filtres 14 et 15 sont des filtres spectraux très étroits de manière à abaisser suffisamment le flux solaire parasite. On peut utiliser comme détecteurs des photodiodes InSb refroidies à l'azote liquide. En outre, I'ensemble des surfaces directement en regard des détecteurs 12 et 13, ainsi que les filtres sont également refroidis à la température de l'azote liquide. Les sorties des détecteurs 12 et 13 sont appliquées en entrée d'un processeur 16 assurant la numérisation des signaux et le calcul de la température et de la pression. En ce qui concerne la température, on intègre les courants de détection relevés sur les détecteurs 12 et 13 et correspondant chacun à une des raies de fluorescence choisies. Cette intégration est effectuée pendant une durée t = 1/Q égale à la constante de temps de décroissance de la fluorescence. La valeur de t est déterminée préalablement par échantillonage d'une impulsion de fluorescence; on peut ensuite moyenner les mesures de charge Q1 et Q2 sur dix tirs successifs. La température se déduit du rapport Q2/Q1. En ce qui concerne la mesure de la pression, on rappelle que celle-ci est inversement proportionnelle à la durée de la fluorescence. On pourra donc mesurer l'intensité d'une des raies choisies pour la température et prendre 14 2713770 comme durée de la fluorescence le temps de décroissance de cette intensité entre deux valeurs de référence, par exemple en prenant en compte une décroissance de moitié de l'intensité. 2713770 REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination optique de la pression d'un mélange gazeux, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant: - à exciter dans le domaine infrarouge les molécules d'un gaz dudit mélange, à partir d'un premier niveau vibrationnel vers un deuxième niveau vibrationnel; - à mesurer la durée de la fluorescence d'une raie du spectre d'émission dudit gaz à partir d'un des sous-niveaux rotationnels dudit deuxième niveau vibrationnel vers un autre sous- niveau rotationnel d'un troisième niveau vibrationnel; et - à déduire de ladite durée la pression du mélange gazeux. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit mélange gazeux est de l'air et ledit gaz est le méthane. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit premier niveau vibrationnel est le niveau fondamental, et les molécules de méthane sont excitées vers le niveau 2v3. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on excite les molécules de méthane dans la bande 0(A1)-->2v3 (F2). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on excite les molécules de méthane dans une des raies de la branche R, notamment la raie R(4). 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on excite les molécules de méthane dans la branche Q. 7. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit troisième niveau vibrationnel est le niveau V3. 16 2713770 8. Procédé selon l'ensemble de la revendication 7 et de l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel on utilise une raie de fluorescence dans la bande 2v3(F2)->v3(F2). 9. Appareil de mesure optique de la pression d'un mélange gazeux, caractérisé par le fait qu'il comprend: - un laser (1) susceptible d'exciter les molécules d'un gaz dudit mélange dans le domaine infrarouge d'un premier niveau vibrationnel à un deuxième niveau vibrationnel; - des moyens de détection (11) pour détecter la fluorescence d'une raie du spectre d'émission dudit gaz à partir d'un sous-niveau rotationnel dudit deuxième niveau vibrationnel; - des moyens (16) pour déterminer la durée de ladite fluorescence; et - des moyens (16) pour déduire la pression du mélange gazeux à partir de ladite durée de fluorescence.