Brevet FR2987117A1 — publié le 20130823

Spectromètre Domaine technique de l'invention L'invention concerne les spectromètres, et en particulier les spectromètres qui utilisent un rayonnement électromagnétique polychromatique dont les longueurs d'ondes sont comprises entre celles du rayonnement du proche infrarouge et celles du rayonnement ultraviolet. État de la technique Un spectromètre est un appareil permettant de déterminer la composition ou les propriétés physiques d'un échantillon à partir de l'analyse de la nature d'un rayonnement transmis ou émis par l'échantillon lorsque celui-ci reçoit un rayonnement ayant une longueur d'onde déterminée. Le rayonnement transmis correspond à la partie du rayonnement reçu par l'échantillon qui n'a pas été absorbé. On entend ici par rayonnement émis par l'échantillon, un rayonnement qui est soit réfléchis, soit émis par fluorescence. Par exemple, un spectromètre permet d'étudier l'absorbance (ou capacité d'absorption), le dichroïsme circulaire, ou encore la fluorescence d'un échantillon. Un spectromètre comporte généralement une source émettant un rayonnement électromagnétique polychromatique couvrant un spectre suffisamment large pour étudier les différentes propriétés de l'échantillon, par exemple une lampe à ultraviolets, ou une lampe émettant un rayonnement dans le domaine du visible ou encore celui du proche infrarouge. Un spectromètre comprend également un système de sélection de longueurs d'ondes (par exemple un monochromateur à réseau de diffraction ou à prisme) pour sélectionner une longueur d'onde particulière du rayonnement électromagnétique, afin d'illuminer l'échantillon avec un rayonnement monochromatique. De façon générale, un spectromètre comporte en outre des systèmes optiques pour focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source afin d'obtenir un rayonnement ayant un maximum d'énergie. La focalisation du rayonnement émis par la source permet d'améliorer la qualité du rayonnement transmis en direction de l'échantillon, et affine l'analyse de ce dernier. Actuellement, les systèmes optiques focalisent le rayonnement émis par la source sur une fenêtre d'entrée du monochromateur de façon achromatique, c'est-à-dire pour toutes les longueurs d'ondes du rayonnement émis. L'inconvénient de tels systèmes est que les longueurs d'ondes inutiles du rayonnement émis parasitent le monochromateur, diminuent sa durée de vie, voire dégradent ses performances. Les moyens de focalisation peuvent comprendre des miroirs elliptiques qui sont particulièrement adaptés à des spectromètres qui utilisent un large spectre de longueurs d'ondes, par exemple de l'ultraviolet au proche infrarouge. Mais ces miroirs sont fragiles, car leur revêtement résiste mal en conditions oxydantes et impose de travailler en absence d'oxygène. En effet, le rayonnement ultraviolet émis par la source réagit avec l'oxygène pour former de l'ozone qui est particulièrement oxydant, et qui dégrade très rapidement le revêtement des miroirs. Par conséquent, les spectromètres qui utilisent des rayonnements ultraviolets doivent obligatoirement loger de tels miroirs elliptiques dans des confinements avec un gaz neutre du type azote ou argon, ou sous vide. Les moyens de focalisation peuvent comprendre une ou plusieurs lentilles en verre ou quartz. Mais ces lentilles présentent des indices de réfraction différents selon respectivement les longueurs d'ondes du rayonnement émis par la source, et en particulier selon les longueurs d'ondes du rayonnement ultraviolet. Les lentilles sont donc destinées à des spectromètres à spectre limité, par exemple des spectromètres dans le domaine visible ou du proche infrarouge, et ne sont jamais utilisés pour des spectromètres à ultraviolets. Objet de l'invention Un objet de l'invention consiste à remédier à ces inconvénients, et plus particulièrement à fournir un spectromètre à large spectre de rayonnement utile pour une analyse fine d'un échantillon. Un autre objet de l'invention consiste à fournir un spectromètre qui est simple d'utilisation et qui fonctionne efficacement avec un rayonnement ultraviolet. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un spectromètre comprenant une source émettant un rayonnement électromagnétique, des moyens de focalisation pour focaliser le rayonnement émis par la source, des moyens de sélection pour sélectionner, à partir d'un rayonnement focalisé, un rayonnement monochromatique, un récipient contenant un échantillon destiné à recevoir le rayonnement monochromatique, et un analyseur d'un rayonnement transmis ou émis par l'échantillon, caractérisé en ce que les moyens de focalisation ont au moins une focalisation variable associée à une longueur d'onde déterminée du rayonnement émis. Ainsi, on augmente l'énergie du rayonnement ayant une longueur d'onde déterminée pour obtenir une meilleure qualité du rayonnement monochromatique en sortie des moyens de sélection. On obtient donc un spectromètre ayant une meilleure précision dans l'analyse des caractéristiques de l'échantillon. Les longueurs d'ondes du rayonnement électromagnétique émis peuvent être comprises entre celles du rayonnement ultraviolet et celles du rayonnement du proche infrarouge. Les moyens de sélection peuvent comprendre une fenêtre d'entrée configurée pour recevoir le rayonnement focalisé, et les moyens de focalisation comprennent une ou des lentilles et des moyens motorisés aptes à déplacer la ou les lentilles de manière qu'une distance focale associée à une longueur d'onde déterminée du rayonnement émis coïncide avec la fenêtre d'entrée. Ainsi, on s'affranchit d'avoir à motoriser ensemble le monochromateur, le récipient et l'analyseur, pour obtenir une focalisation précise d'un rayonnement de longueur d'onde donnée sur la fenêtre d'entrée des moyens de sélection. En effet, pour une analyse correcte du rayonnement transmis ou émis par l'échantillon, les moyens de sélection de la longueur d'onde doivent être à une position fixe par rapport à l'échantillon et par rapport à l'analyseur. Par ailleurs, l'utilisation de lentilles classiques qui sont insensibles à la corrosion par l'ozone évite d'avoir à utiliser un confinement en gaz inertes, tout en utilisant une source à rayonnement ultraviolet. Avantageusement, on améliore les performances du spectromètre en focalisant un rayonnement monochromatique ayant une longueur d'onde utile, c'est-à-dire une longueur d'onde égale à celle du rayonnement émis en sortie des moyens de sélection. Les autres rayonnements qui ont une longueur d'onde différente de la longueur d'onde utile sont défocalisés, en d'autres termes focalisés en avant ou en arrière de la fenêtre d'entrée des moyens de sélection, ce qui évite une irradiation inutile des composants internes de ce dernier. Le spectromètre peut en outre comprendre des moyens de commande pour commander les moyens de focalisation de manière à focaliser un rayonnement ayant une longueur d'onde déterminée sur la fenêtre d'entrée, et pour commander les moyens de sélection afin de sélectionner un rayonnement monochromatique ayant une longueur d'onde égale à ladite longueur d'onde déterminée. Ainsi, on peut synchroniser la focalisation d'un rayonnement ayant une longueur d'onde déterminée avec les moyens de sélection pour sélectionner ladite longueur d'onde déterminée. Description sommaire du dessin D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés au dessin annexé, dans lequel, la figure 1, illustre schématiquement un spectromètre selon l'invention. Description détaillée Sur la figure 1, on a représenté un spectromètre 1 comprenant une source 2 émettant un rayonnement électromagnétique 3. Le spectromètre 1 comporte en outre des moyens de focalisation 4, des moyens de sélection de longueurs d'ondes 5, un récipient 6 contenant un échantillon 7 à analyser, et un analyseur 8 pour analyser les propriétés physiques de l'échantillon 7. La source 2 est une source à rayonnement polychromatique de spectre large allant de l'ultraviolet au proche infrarouge, ou une lampe de spectre plus limité dont le rayonnement se limite au domaine visible. Par exemple, la source 2 peut être une lampe au xénon qui émet un rayonnement dont les longueurs d'ondes sont comprises entre 170 nm et 1000 nm, ou une lampe halogène émettant un rayonnement ayant des longueurs d'ondes comprises entre 400 nm et le proche infrarouge qui est limité à environ à 2000 nm, ou encore une lampe à rayonnement ultraviolet, telle une lampe au deutérium, dont les longueurs d'ondes sont comprises entre 160 nm et 400 nm. Les moyens de focalisation 4 focalisent le rayonnement émis 3 et transmettent un rayonnement focalisé 9 en direction d'une fenêtre d'entrée 10 des moyens de sélection 5, afin d'obtenir une énergie maximum du rayonnement pour un fonctionnement correct des moyens de sélection 5. Les moyens de sélection 5 permettent de sélectionner une longueur d'onde déterminée afin de transmettre, sur une fenêtre de sortie 11, un rayonnement monochromatique 12 en direction de l'échantillon 7. Les moyens de sélection 5 comprennent, par exemple un prisme 13, ou un réseau de diffraction, qui reçoit le rayonnement focalisé 9 et qui émet le rayonnement monochromatique 12 par la fenêtre de sortie 11. Le prisme 13, ou le réseau de diffraction, est orientable à l'aide d'un moteur 14 afin d'émettre un rayonnement monochromatique 12 ayant une longueur d'onde déterminée sur la fenêtre de sortie 11. L'échantillon 7 reçoit le rayonnement monochromatique 12 et émet un rayonnement 15, correspondant à un rayonnement transmis ou émis, suivant ses propriétés physiques, en direction de l'analyseur 8. Par ailleurs, le spectromètre 1 comporte des moyens de commande 16 pour commander, par l'intermédiaire d'une connexion 17, le moteur 14 du prisme 13, ou du réseau de diffraction. Les moyens de commande 16 sont en outre configurés pour commander, par l'intermédiaire d'une connexion 18, les moyens de focalisation 4. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de focalisation 4 comprennent une lentille 19 ayant un axe principal 20, un centre optique O et un axe optique 21. La lentille 19 est classique, et préférentiellement convergente. En outre elle comporte des indices de réfraction ni différents associés respectivement aux différentes longueurs d'ondes Xi du rayonnement électromagnétique émis 3. Sur la figure 1, on a représenté une lentille 19, et les trajets optiques correspondants à deux indices de réfraction différents n1 et n2, à des fins de simplification. On a représenté, sur la figure 1, un premier rayonnement focalisé 22 sur un premier foyer image F'1, à une première distance focale f'1 et ayant une première longueur d'onde X1. On a également représenté un deuxième rayonnement focalisé 23 sur un deuxième foyer image F'2, à une deuxième distance focale f'2 et ayant une deuxième longueur d'onde X2. Dans le mode de réalisation illustré, la deuxième longueur d'onde X2 est supérieure à la première Xi Les moyens de focalisation 4 comprennent en outre des moyens motorisés 24 pour déplacer, par translation selon l'axe optique 21, la lentille 19 par rapport à la fenêtre d'entrée 10. Dans un mode de réalisation préféré, la loi de déplacement de la lentille 19 est une fonction de la variation d'indice de réfraction de la lentille 19 en fonction de la longueur d'onde. Les moyens motorisés comprennent un moteur 25 qui entraîne une vis 26 pour déplacer en translation un support 27 sur lequel est montée fixe la lentille 19. Lorsqu'on souhaite illuminer l'échantillon 7 avec un rayonnement électromagnétique monochromatique 12 de longueur d'onde X2, on oriente le prisme 13, ou le réseau de diffraction, à l'aide des moyens de commande 16 pour sélectionner le rayon monochromatique 12 ayant ladite longueur d'onde X2. Puis, on synchronise les moyens de focalisation 4, via les moyens de commande 16, pour déplacer la lentille 19 de façon que le deuxième foyer image F'2 coïncide précisément avec la fenêtre d'entrée 10 des moyens de sélection, en d'autres termes que le plan focal image associé à la longueur d'onde k2 coïncide avec le plan de la fenêtre d'entrée 10 des moyens de sélection 5. En particulier, on déplace la lentille 19 en translation le long de l'axe optique 21. On peut noter que sur la figure 1, la deuxième distance focale f'2 et le deuxième foyer image F'2 coïncident avec la fenêtre d'entrée 10. De cette manière, l'énergie maximum du deuxième rayonnement focalisé 23 est transmise aux moyens de sélection 5. Lorsqu'on souhaite utiliser une autre longueur d'onde M , pour étudier une autre propriété physique de l'échantillon 7, on oriente le prisme 13, ou le réseau de diffraction, pour sélectionner un autre rayonnement monochromatique 12 ayant une longueur d'onde égale à M . Puis, on commande un déplacement de la lentille 19 de façon à rapprocher celle-ci de la fenêtre d'entrée 10 jusqu'à ce que le premier foyer image F'1 coïncide avec la fenêtre d'entrée 10. Ainsi, on fournit un spectromètre muni de moyens de focalisation permettant de focaliser un rayonnement monochromatique 22, 23 de façon précise sur la fenêtre d'entrée 10 des moyens de sélection 5 de longueurs d'ondes. En outre, la fenêtre d'entrée 10 peut être suffisamment étroite pour laisser passer un rayonnement 22, 23 ayant une longueur d'onde égale à une longueur d'onde déterminée. Les autres rayonnements ayant des longueurs d'ondes différentes sont focalisés en arrière ou en avant de celle-ci et seule une très faible proportion de ces rayonnements parasites pénètrent dans les moyens de sélection 5. Ce qui permet, notamment, de protéger les composants internes des moyens de sélection 5.25 REVENDICATIONS1. Spectromètre comprenant une source (2) émettant un rayonnement électromagnétique (3), des moyens de focalisation (4) pour focaliser le rayonnement émis (3) par la source, des moyens de sélection (5) pour sélectionner, à partir d'un rayonnement focalisé (22, 23), un rayonnement monochromatique (12), un récipient (6) contenant un échantillon (7) destiné à recevoir le rayonnement monochromatique (12), et un analyseur (8) d'un rayonnement transmis ou émis (15) par l'échantillon (7), caractérisé en ce que les moyens de focalisation (4) ont au moins une focalisation variable associée à une longueur d'onde déterminée du rayonnement émis (3). 2. Spectromètre selon la revendication 1, dans lequel les longueurs d'ondes du rayonnement électromagnétique émis (3) sont comprises entre celles du rayonnement ultraviolet et celles du rayonnement du proche infrarouge. 3. Spectromètre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens de sélection (5) comprennent une fenêtre d'entrée (10) configurée pour recevoir le rayonnement focalisé (22, 23), et les moyens de focalisation (4) comprennent une ou des lentilles (19) et des moyens motorisés (24) aptes à déplacer la ou les lentilles (19) de manière qu'une distance focale (f'1, f'2) associée à une longueur d'onde déterminée (M , X2) du rayonnement émis (3) coïncide avec la fenêtre d'entrée (10). 4. Spectromètre selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens de commande (16) pour commander les moyens de focalisation (4) de manière à focaliser un rayonnement (22, 23) ayant une longueur d'onde déterminée (M , X2) sur la fenêtre d'entrée (10), et pour commander les moyens de sélection (5) afin de sélectionner un rayonnement monochromatique (12) ayant une longueur d'onde égale à ladite longueur d'onde déterminée (X,1, X.2).