Brevet FR2786271A1 — publié le 20000526

Le dispositif de Paschen-Runge est utilisé depuis longtemps dans la spectroscopie analytique. Ceci est imputable essentiellement au fait qu'une dispersion et une formation d'images sont réalisées avec le même élément optique - un réseau concave. En fixant par avance l'angle d'incidence et la densité des traits du réseau de dispersion, on forme l'image d'une plage spectrale déterminée sur un cercle de Rowland. La résolution spectrale - qui est déterminante pour les limites de détection en spectrométrie - est déterminée par le diamètre du cercle de Rowland et par la dispersion. L'exigence d'avoir un agencement compact empêche d'utiliser des cercles de Rowland ayant de grands diamètres. Le pouvoir de résolution spectrale nécessaire est obtenu de préférence au moyen d'une dispersion élevée, c'est-à-dire d'un nombre élevé de traits de réseau par millimètre. La plage spectrale disponible est alors obte- nue à partir de la longueur du segment de cercle de Rowland utilisé. Des spectromètres de Paschen-Runge connus jusqu'alors, qui ne comportaient qu'un réseau de disper- sion, présentaient les inconvénients liés aux faits sui- vants: 1. Sous de grands angles de diffraction, l'accroissement conséquent des aberrations conduit à une altération de la résolution spectrale, de sorte que les longueurs d'arc utilisables sur le cercle de Rowland et par conséquent la plage spectrale disponible sont limitées. 2. On peut représenter une seule plage spectrale continue de sorte que des parties du cercle de Rowland sont occu- pées par des parties du spectre, qui sont fréquemment peu intéressantes du point de vue analytique. Les 1-ère et 2-ème limitations indiquées ont pu jusqu'alors être supprimées fréquemment uniquement au moyen d'une subdivision de l'ensemble de la plage spectrale entre plusieurs unités formant spectromètres. -I lin1 - 3. Des détecteurs commerciaux de lignes à semiconducteurs sont fabriqués dans des boîtiers de puces standardisés, dont les dimensions géométriques sont largement supé- rieures aux dimensions de la partie photosensible. Dans le cas d'une disposition côte-à-côte de plusieurs détecteurs de lignes le long de la courbe focale, il faut par consé- quent disposer les différents boîtiers de puces en chevau- chement pour obtenir une détection complète du spectre. Ceci peut être réalisé soit au moyen d'une disposition oblique par rapport au plan de dispersion (voir la demande de brevet allemand DE 195 23 140 A1 "Mehrkanal- Spektrometer mit Zeilensensor") soit par superposition de lignes horizontales. Dans les deux cas, un rayonnement est détecté de façon prépondérante, par les détecteurs de lignes, à une distance de quelques millimètres au-dessus et au-dessous du plan de dispersion, c'est-à-dire dans des zones, dans lesquelles la physique de formation d'images du dispositif de Rowland entraîne un accroissement des aberrations, c'est-à-dire une réduction de la résolution spectrale. Il se pose par conséquent les problèmes suivants qu'il faut résoudre: 1. Réalisation d'une unité de spectromètre, dans laquelle on peut obtenir une adaptation des plages spectrales et des dispersions au problème analytique. 2. Réalisation d'un dispositif de détection sur la courbe focale, dans lequel: (a) seul le rayonnement à proximité du plan de dispersion est détecté et par conséquent une résolution spectrale optimale est garantie, (b) avec des détecteurs de lignes à semiconducteurs usuels dans le commerce on obtient une détection du spectre offert, avec aussi peu d'interruptions que possible. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion à l'aide d'un spectromètre optique simultané à -I X11 réseaux selon l'agencement de Rowland comportant des détecteurs de lignes à semiconducteurs ou des multiplica- teurs de photoélectrons, caractérisé en ce que deux réseaux concaves de dispersion possédant le même rayon de courbure sont disposés de telle sorte que les cercles focaux des deux réseaux sont coincidents. Selon une autre caractéristique, il n'est prévu qu'une seule fente d'entrée, par laquelle le premier réseau est éclairé et dont le lieu de l'image pour l'ordre de diffraction zéro coopère, en liaison avec un miroir de renvoi, pour former une fente d'entrée virtuelle pour le second réseau. Selon une autre caractéristique, grâce au choix des deux constantes des réseaux, de l'angle d'incidence du premier réseau et de la distance angulaire entre les réseaux, des plages spectrales différentes avec des défi- nitions spectrales différentes peuvent être représentées simultanément en des emplacements quelconques de l'arc de cercle de Rowland, qui ne sont pas occupés par les réseaux. Selon une autre caractéristique, les angles d'incidence des réseaux possèdent des signes différents de sorte qu'on obtient, dans une large mesure, une compensa- tion des aberrations lors de la formation d'images sur le second réseau. Selon une autre caractéristique, grâce au choix des deux constantes des réseaux, de l'angle d'incidence du premier réseau et de la distance angulaire des réseaux, les plages spectrales de travail des deux réseaux peuvent être réparties de telle sorte que la longueur d'onde du rayonnement dans la zone de travail du second réseau est supérieure à la longueur d'onde limite du second réseau, c'est-à-dire qu'elle est diffractée dans cette zone uni- quement avec une diffraction d'ordre zéro. Selon une autre caractéristique, sur le cercle -__-",ut- de Rowland sont rangés plusieurs miroirs cylindriques dont les axes sont orientés tangentiellement et qui provoquent une déviation du faisceau de telle sorte que la courbe focale est par endroits décalée vers le bas ou vers le haut et qu'il se produit simultanément une focalisation du rayonnement perpendiculairement au plan de dispersion, dans une zone d'action présélectionnée. Selon une autre caractéristique, on obtient une détection presque sans interruption du spectre avec des détecteurs de lignes à semiconducteurs, d'une part grâce à la réflexion alternée vers le haut et vers le bas et d'autre part au moyen d'une disposition oblique des bords latéraux des miroirs cylindriques sous des angles, pour lesquels les bords des miroirs apparaissent en projection dans la direction de réseau perpendiculaire au plan de dispersion. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 représente schématiquement le sys- tème selon l'invention comportant deux réseaux de disper- sion disposés sur un cercle de Rowland; - la figure 2 représente schématiquement une unité de détection comportant deux détecteurs de lignes utilisés dans le dispositif selon l'invention; et - la figure 3 représente une vue schématique d'un exemple du spectromètre selon l'invention. A la place d'un seul réseau de dispersion, on utilise conformément à l'invention deux réseaux de disper- sion 1, 2 disposés sur un cercle de Rowland, comme le montre la figure 1. Les dimensions géométriques et les rayons de courbure des deux réseaux concordent, mais les nombres des traits de réseau par millimètre peuvent être différents. Les réseaux sont ajustés de telle sorte que -X 1[E leurs courbes focales coïncident et forment un cercle de Rowland commun 3. Les normales aux réseaux se recoupent au centre 4 du cercle de Rowland et définissent un angle b 5, qui représente la distance entre les deux réseaux. Le spectromètre ne possède qu'une seule fente d'entrée 6, par laquelle le premier réseau 1 est éclairé sous un angle d'incidence ai 7. A l'emplacement de l'image de la fente d'entrée dans l'ordre de diffraction zéro est disposé un miroir de renvoi 8, qui réfléchit le rayonne- ment en direction du second réseau 2. De cette manière l'image de la fente d'entrée agit en tant que fente d'entrée virtuelle pour le second réseau 2, qui est vu sous l'angle d'incidence a2 9. En raison de la symétrie, on a toujours: a2 = -(ai1 + d). Grâce au choix des valeurs absolues des signes a1 et b ainsi que des deux constantes du réseau, on peut obtenir simultanément l'image de plages spectrales diffé- rentes ayant des dispersions différentes dans le 1-er ordre de diffraction, au niveau de chaque partie du cercle de Rowland. Seuls en sont exclus de cela les emplacements au niveau desquels sont disposés les réseaux eux-mêmes, la fente d'entrée ou le miroir de renvoi. La multiplicité des possibilités de combinaisons spectrales augmente plus encore dans le cas de l'utilisation d'ordres de diffrac- tion plus élevés. En général, ce qui est intéressant dans la par- tie considérée du cercle de Rowland, c'est uniquement l'émission produite par l'un des réseaux. Par occultation du rayonnement respectivement indésirable, on réserve des régions, séparées sur le cercle de Rowland, pour les réseaux respectifs sur lesquels sont formées les images de plages spectrales séparées ou même de plages spectrales qui se chevauchent. Les deux plages spectrales et les dis- persions, qui leur sont associées, sont adaptées aux exi- gences analytiques actuelles. - -I [ juin Les configurations, dans lesquelles les angles a, et a2 ont des signes différents, sont particulièrement avantageuses. Dans ce cas, on obtient une large compensa- tion des aberrations lors de la formation de l'image du second réseau. Pour la zone de travail du second réseau, on obtient à partir de là deux avantages: (a) On peut utiliser des angles d'incidence et de diffrac- tion plus grands, sans réduction de la résolution spec- trale. (b) On obtient, grâce à la qualité améliorée de l'image, des densités de rayonnement plus élevées, c'est-à-dire des intensités plus élevées de signaux. On obtient un avantage supplémentaire lorsque les longueurs d'onde de la gamme des longueurs d'onde du second réseau sont choisies supérieures à la longueur d'onde limite du premier réseau. La longueur d'onde limite d'un réseau de réflexion est la longueur d'onde, pour laquelle l'angle de diffraction du 1-er ordre de diffrac- tion est égal à 90 . Pour un rayonnement ayant des lon- gueurs d'onde plus grandes, seul existe l'ordre de dif- fraction zéro. Le premier réseau agit simplement en tant que miroir concave, l'énergie de rayonnement ne se répar- tit plus sur plusieurs ordres et par conséquent des pertes d'intensité pour la zone de travail du second réseau se manifestent à peine. La détection de l'information spectrale s'effec- tue d'une part, de façon usuelle, sur des raies spectrales discrètes à l'aide de fentes de sortie positionnées de façon correspondante et de multiplicateurs de photoélec- trons (tubes photomultiplicateurs) positionnés de façon correspondante. D'autre part conformément à l'invention on obtient une détection spectrale à large bande à l'aide de détecteurs de lignes à semiconducteurs. Il s'agit de réseaux de lignes usuels dans le commerce, qui sont utili- sés normalement dans des applications autres que la spec- trométrie, avec des nombres de pixels de quelques milliers et des dimensions des pixels dans la direction de disper- sion, se situant dans la gamme de 10 pm. On équipe ulté- rieurement - lorsque cela est nécessaire - les détecteurs de lignes avec un revêtement fluorescent, qui les rend sensibles à la détection d'un rayonnement ayant des lon- gueurs d'onde inférieures à 360 nm. Chaque détecteur de lignes 13 forme, conjointement avec un miroir cylindrique 12, une unité de détection qui peut être montée différem- ment par rapport au plan de dispersion (figure 2). La lon- gueur du miroir cylindrique correspond approximativement à la longueur du réseau photosensible. Les axes des cylindres des miroirs sont orientés tangentiellement par rapport au cercle de Rowland. Les miroirs ne sont pas situés sur l'emplacement de la courbe focale, mais sont en retrait d'une certaine distance en direction du centre du cercle. Les miroirs cylindriques agissent ici de deux façons: (a) Les parties de la courbe de Rowland dans la zone des miroirs sont découpées à partir de l'arc de cercle et sont décalées de 90 vers le haut et vers le bas à l'emplace- ment o se situent les détecteurs de lignes. La qualité de la formation d'images Rowland n'est pas modifiée. Ici, des miroirs plans à la place des miroirs cylindriques condui- raient au même effet. (b) Les miroirs focalisent le rayonnement perpendiculaire à la direction de propagation. La zone verticale active lors de la focalisation est déterminée au moyen de dia- phragmes 14 disposés en avant des miroirs. Le dimensionne- ment correct des diaphragmes garantit que les détecteurs de lignes détectent uniquement un rayonnement provenant de zones proches du champ de dispersion, au niveau desquels la qualité d'image est la meilleure et la résolution spec- trale est par conséquent maximale. Grâce à une réflexion alternée vers le haut et vers le bas, on aboutit à ce -i 1iE qu'en dépit du besoin important en volume géométrique des détecteurs, les miroirs cylindriques d'unités de détection voisines peuvent se toucher. La détection du spectre peut être optimisée d'une manière supplémentaire au moyen de l'adaptation géométrique des miroirs cylindriques à la position respective sur le cercle de Rowland. A cet effet, les bords latéraux des miroirs sont découpés de telle sorte qu'ils apparaissent perpendiculaires lorsqu'on regarde le réseau. De cette manière on obtient des zones de séparation spectrales nettes lors de la détection du rayonnement de deux détecteurs de lignes voisins, et les unités de détection peuvent être placées les unes contre les autres sans intervalle vide. On va expliquer ci-après l'agencement décrit du spectromètre sur la base d'un exemple (figure 3). Le rayonnement de la source pénètre dans le spectromètre au niveau de la fente d'entrée 6, et éclaire le premier réseau 1. La partie diffractée avec l'ordre zéro est foca- lisée sur le miroir de renvoi 8 et est réfléchie, à partir de là, en direction du second réseau 2. Les angles d'incidence des deux réseaux ont des signes différents, c'est-à-dire que les aberrations apparaissant lors de la formation d'images sur le second réseau 2 sont compensées dans une large mesure. Une tôle de séparation limite l'émission des réseaux de telle sorte que deux segments d'arc séparés sur le cercle de Rowland sont réservés en tant que zones de travail (10, 11) des réseaux dans le 1-er ordre de diffraction. Les unités de détection - pour conserver la lisibilité des dessins sur la figure 3 on n'a représenté que les miroirs cylindriques - sont rangées tangentiellement sur le cercle de Rowland. Indépendamment du fait que la réflexion est exécutée vers le haut ou vers le bas, les bords 15 des miroirs apparaissent parallèle- ment aux traits des réseaux. De cette manière on obtient une séparation nette des plages spectrales d'unités de détection voisines, et on peut réunir les miroirs presque sans aucun intervalle vide. D'autre part on a indiqué les diaphragmes 14 des unités de détection, avec lesquels est réglée la zone d'action pour la focalisation verticale au moyen des miroirs cylindriques. Le dispositif formant spectromètre préréglé a été déjà réalisé du point de vue technique et les caracté- ristiques décrites ont été contrôlées sur la base de mesures. REVENDICATIONS 1. Spectromètre optique simultané à réseaux selon l'agencement de Rowland comportant des détecteurs de lignes à semiconducteurs ou des multiplicateurs de photo- électrons, caractérisé en ce que deux réseaux concaves de dispersion possédant le même rayon de courbure sont dispo- sés de telle sorte que les cercles focaux des deux réseaux sont coincidents. 2. Spectromètre optique simultané à réseaux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il n'est prévu qu'une seule fente d'entrée (6), par laquelle le premier réseau (1) est éclairé et dont le lieu de l'image pour l'ordre de diffraction zéro coopère, en liaison avec un miroir de renvoi (8), pour former une fente d'entrée virtuelle pour le second réseau (2). 3. Spectromètre optique simultané à réseaux selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que grâce au choix des deux constantes des réseaux, de l'angle d'incidence (7) du premier réseau et de la distance angulaire (5) entre les réseaux, des plages spectrales différentes avec des définitions spectrales différentes peuvent être représentées simultanément en des emplacements quelconques de l'arc de cercle de Rowland, qui ne sont pas occupés par les réseaux. 4. Spectromètre optique simultané à réseaux selon les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les angles d'incidence (7,9) des réseaux possèdent des signes différents de sorte qu'on obtient, dans une large mesure, une compensation des aber- rations lors de la formation d'images sur le second réseau. 5. Spectromètre optique simultané à réseaux selon les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que grâce au choix des deux constantes des réseaux, de l'angle d'incidence (7) du premier réseau et de la distance angulaire (5) des réseaux, les plages spectrales de travail des deux réseaux peuvent être répar- ties de telle sorte que la longueur d'onde du rayonnement dans la zone de travail du second réseau est supérieure à la longueur d'onde limite du second réseau, c'est-à-dire qu'elle est diffractée dans cette zone uniquement avec une diffraction d'ordre zéro. 6. Spectromètre optique simultané à réseaux selon les revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que sur le cercle de Rowland sont rangés plusieurs miroirs cylindriques (12) dont les axes sont orientés tangentiellement et qui provoquent une déviation du faisceau de telle sorte que la courbe focale est par endroits décalée vers le bas ou vers le haut et qu'il se produit simultanément une focalisation du rayonnement per- pendiculairement au plan de dispersion, dans une zone d'action présélectionnée. 7. Spectromètre optique simultané à réseaux selon les revendications 1 à 6 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'on obtient une détection presque sans interruption du spectre avec des détecteurs de lignes à semiconducteurs, d'une part grâce à la réflexion alternée vers le haut et vers le bas et d'autre part au moyen d'une disposition oblique des bords latéraux (15) des miroirs cylindriques sous des angles, pour lesquels les bords des miroirs apparaissent en projection dans la direction de réseau perpendiculaire au plan de dispersion. A 1ia -