Brevet FR3050821A1 — publié le 20171103

Spectromètre optique L'invention concerne une chambre de spectromètre et un spectromètre optique en tant que tel comprenant une telle chambre. L'invention concerne aussi un procédé de réglage d'un spectromètre optique. Un spectromètre optique est par exemple utilisé pour l'observation d'un plasma. Il permet de réaliser une image du plasma, sur la base du principe de la diffraction. Dans le cas de la détection de rayons X, on utilise pour cela des éléments réfléchissants à courbure sphérique, qui permettent, grâce à leur double capacité de focalisation, d'aboutir à des images intégrant une résolution spectrale et spatiale. L'analyse des images obtenues, notamment par les spectres d'émission des impuretés lourdes, permet de déduire des informations importantes sur le plasma, parmi lesquelles des profils de température ionique, de vitesse radiale du plasma, de température électronique et de densité ionique. D'autres rayonnements peuvent être détectés (UV, IR, visible) : dans ce cas, on utilise des miroirs ou d'autres éléments réfléchissants. La figure 1 représente le schéma de principe du fonctionnement d'un spectromètre utilisé pour observer un plasma. Le plasma 1 génère un rayonnement 2 dont un faisceau est reçu par un élément réfléchissant 3A ou un élément réfléchissant 3B, lesquels réfléchissent respectivement un faisceau 4A, 4B focalisé en un point 5A, 5B, où une observation peut être faite. En pratique, des éléments réfléchissants 3A, 3B différents sont utilisés successivement pour observer un plasma, afin d'obtenir des observations différentes et complémentaires, notamment une plage plus large de températures. Les faisceaux 4A, 4B réfléchis par respectivement les éléments réfléchissants 3A, 3B sont définis par l'angle de diffraction aA, aB propre à chaque élément réfléchissant 3A, 3B et il en résulte des 3050821 2 points de focalisation 5A, 5B distincts sur le cercle 6 pour chaque élément réfléchissant 3A, 3B, comme cela est plus particulièrement visible sur la figure 2. Dans le cas des rayons X, cette géométrie utilise le principe connu de la diffraction de Bragg et ne sera pas plus détaillée. 5 Pour exploiter les principes explicités ci-dessus, un spectromètre optique selon l'état de la technique est représenté en figure 3. Il repose d'abord sur l'utilisation d'un plateau rotatif 8 fixé sur une table de rotation motorisée non représentée, comprenant quatre logements pour recevoir 10 quatre éléments réfléchissants 3A, 3B, 3C, 3D. Selon l'élément réfléchissant qu'un opérateur souhaite utiliser, il actionne la table de rotation motorisée de sorte à positionner cet élément réfléchissant au niveau de l'arrivée du faisceau incident 2 provenant du plasma 1. Sur la figure 3, l'élément réfléchissant 3A est ainsi sélectionné et se trouve en 15 position opérationnelle. Ce spectromètre repose d'autre part sur l'utilisation d'un détecteur 7 motorisé, pour permettre sa mobilité le long du cercle 6 afin de le positionner au niveau du point de focalisation 5A du faisceau 4A émis par l'élément réfléchissant 3A en position opérationnelle. Lorsqu'on change d'élément réfléchissant, la table de rotation motorisée 20 est tournée pour positionner un autre élément réfléchissant en position opérationnelle, et il faut alors déplacer le détecteur 7 pour trouver le nouveau point de focalisation de cet autre élément réfléchissant sélectionné et obtenir les images souhaitées. En pratique, un tel spectromètre présente de nombreux inconvénients parmi lesquels : 25 - Il est complexe du fait des différents éléments mobiles ; - Il s'avère difficile à régler, peu convivial pour un opérateur ; - il est finalement difficile d'obtenir le bon positionnement du détecteur par rapport à un élément réfléchissant choisi pour recevoir les images réfléchies par cet élément réfléchissant, ce qui limite la 30 précision et la fiabilité d'un tel spectromètre. 3050821 3 Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer un spectromètre optique qui ne comprend pas tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique. 5 Plus précisément, un objet de l'invention consiste en un spectromètre optique précis, fiable, d'utilisation conviviale, permettant une large observation d'un rayonnement issu par exemple d'un plasma. 10 A cet effet, l'invention repose sur une chambre de spectromètre optique, comprenant un plateau rotatif comprenant plusieurs logements pour recevoir plusieurs éléments réfléchissants, le plateau rotatif étant mobile afin de pouvoir déplacer en position opérationnelle l'un quelconque des éléments réfléchissants qui occuperaient lesdits logements, caractérisée 15 en ce que le plateau rotatif est équipé d'au moins un support pour un élément réfléchissant comprenant des dispositifs de déplacement dudit élément réfléchissant adaptés pour le réglage de la position d'un élément réfléchissant d'une part selon au moins une rotation et d'autre part selon une translation, afin de positionner un élément réfléchissant dans une 20 configuration adaptée pour former une image sur un détecteur positionné à un endroit prédéterminé par rapport à la chambre. Les dispositifs de déplacement du support peuvent être aptes à mettre en oeuvre le déplacement d'un élément réfléchissant selon trois rotations 25 autour de trois axes distincts, sensiblement perpendiculaires, et selon une translation. Le support peut comprendre une liaison de type « trait point plan » d'une plaque fixe de support du support. 30 3050821 4 Les dispositifs de déplacement du support peuvent mettre en oeuvre tout ou partie des déplacements suivants d'un support mobile lié à la plaque fixe de support du support : - réglage du parallélisme en agissant simultanément sur les 5 liaisons trait et point ; et/ou - réglage de la verticalité en agissant sur la liaison plan ; et/ou - réglage de la rotation en agissant sur une vis de rotation ; et/ou - réglage en translation en agissant sur une butée 10 micrométrique. Le support peut comprendre trois vis micrométriques pour le maintien du support mobile. 15 La chambre de spectromètre optique peut comprendre un volume intérieur dans lequel est disposé le plateau rotatif sur lequel sont montés des éléments réfléchissants, le volume intérieur étant inscrit dans une sphère de diamètre inférieur ou égal à six fois la longueur d'un élément réfléchissant. 20 La chambre de spectromètre optique peut comprendre un volume intérieur étanche et un dispositif pour y faire le vide ou pour injecter un gaz, et/ou peut comprendre un ou plusieurs dispositifs de refroidissement ou de chauffage et/ou peut comprendre un plateau rotatif de hauteur réglable. 25 L'invention porte aussi sur un spectromètre optique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre telle que décrite précédemment. Le spectromètre optique peut comprendre au moins un détecteur fixe. 30 3050821 5 Le spectromètre optique peut comprendre au moins deux chambres et deux détecteurs, avantageusement trois. Le spectromètre peut être un spectromètre à rayons X adapté pour 5 l'observation d'un plasma. L'invention porte aussi sur un procédé de réglage de la position opérationnelle d'un élément réfléchissant d'un spectromètre optique, afin de lui permettre de correspondre à une position prédéfinie d'un détecteur, 10 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - au moins une rotation d'un élément réfléchissant sur un support agencé sur un plateau rotatif au sein d'une chambre ; et - translation de l'élément réfléchissant sur le support agencé 15 sur le plateau rotatif au sein de la chambre. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi 20 lesquelles : Les figures 1 à 3 représentent schématiquement le fonctionnement d'un spectromètre optique selon l'état de la technique. 25 La figure 4 représente schématiquement une chambre comprenant un plateau rotatif multi-cristaux d'un spectromètre à rayons X selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente une vue éclatée des éléments disposés sur le 30 plateau rotatif multi-cristaux selon le mode de réalisation de l'invention. 3050821 6 La figure 6 représente une vue en perspective d'un support pour cristal utilisé dans le mode de réalisation de l'invention. 5 La figure 7 représente une vue de face d'un support pour cristal utilisé dans le mode de réalisation de l'invention. La figure 8 représente une vue de dessus d'un support pour cristal utilisé dans le mode de réalisation de l'invention. 10 La figure 9 représente une vis micrométrique utilisée dans le mode de réalisation de l'invention. La figure 10 représente le principe de positionnement d'un cristal en vue 15 de dessus simplifiée dans le mode de réalisation de l'invention. Les figures 11 à 14 représentent en vue de dessus différents réglages d'un élément réfléchissant sur un support pour cristal utilisé dans le mode de réalisation de l'invention. 20 La figure 15 représente en vue de côté le réglage en translation d'un cristal sur un support pour cristal utilisé dans le mode de réalisation de l'invention. 25 Les figures 16 et 17 représentent des vues en perspective avant et arrière d'un spectromètre optique selon un mode de réalisation de l'invention. Le concept de l'invention consiste à utiliser un spectromètre à plusieurs éléments réfléchissants, pour conserver les avantages de la solution de 30 l'état de la technique présenté en référence avec la figure 3, mais sur la 3050821 7 base d'un montage amélioré d'un élément réfléchissant, permettant son réglage avec un plus grand nombre de degrés de liberté, adapté à sa coopération avec un détecteur fixe. Ainsi, le réglage fin et convivial d'un élément réfléchissant peut être réalisé de sorte à obtenir la focalisation du 5 faisceau issu dudit élément réfléchissant au niveau du détecteur et obtenir une image précise, fiable et reproductible. Les figures 4 à 17 représentent un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce mode de réalisation porte de manière non limitative sur le 10 cas particulier de la détection de rayons X à l'aide d'éléments réfléchissants se présentant sous la forme de cristaux. Selon ce mode de réalisation, un plateau rotatif 18 comprenant quatre logements aptes à recevoir chacun un élément réfléchissant 13A à 13D de 15 type cristal est agencé au sein d'une chambre 10 fermée. Avantageusement, le vide est créé dans la chambre 10. En variante, la chambre peut fonctionner avec un gaz (par exemple de l'hélium) sous des pressions de quelques millibars. Cette dernière comprend une première fenêtre d'entrée 12 destinée à recevoir un faisceau incident 2, provenant 20 d'un plasma, et une seconde fenêtre de sortie 15 destinée à la sortie du faisceau 14A sortant, généré par un élément réfléchissant 13A (un cristal) positionné en position opérationnelle par le plateau rotatif 18. La chambre 10 peut de plus comprendre une ou plusieurs autres fenêtres 16 afin d'observer l'intérieur de la chambre, sous un angle choisi. Cette ou ces 25 fenêtres peuvent être ouvrantes pour permettre l'accès à l'intérieur de la chambre pour des opérations de maintenance. D'autre part, des ouvertures supplémentaires sont prévues pour l'alimentation électrique, pour des câbles d'échanges de données numériques, et/ou l'alimentation éventuelle en fluide thermique. 30 3050821 8 Le plateau rotatif 18, plus particulièrement illustré sur la figure 5, est fixé sur une table de rotation 19. Cette dernière peut être dotée d'un dispositif de refroidissement ou de chauffage, par exemple un serpentin dans lequel circule un fluide réfrigérant, afin de limiter les phénomènes de dilatation 5 susceptibles d'induire un dérèglement de la position d'un élément réfléchissant. Ce plateau rotatif 18 comprend des logements pour recevoir plusieurs supports 20 de caractéristiques identiques, chaque support étant adapté pour la fixation réglable d'un élément réfléchissant 13A à 13D, c'est-à-dire un cristal dans ce mode de réalisation. 10 Les figures 6 à 8 illustrent plus particulièrement un élément réfléchissant 13 de type cristal monté dans une monture de maintien 33 d'un support 20. Une embase 21 est destinée à la fixation du support 20 sur le plateau rotatif 18. Sur cette embase 21 est positionné le corps de rotation 22, fixé 15 sur un support de corps de rotation 32. Sur le corps de rotation 22 est fixée une plaque fixe de support 23. Un support mobile 24 supporte la monture de maintien 33. Selon le mode de réalisation de l'invention, le support mobile 24 est lié à la plaque fixe de support 23 du support 20 par l'intermédiaire de trois vis micrométriques 25 telles que représentées par 20 la figure 9, se terminant par une extrémité 26 de type sphère en appui sur la surface de la plaque fixe de support 23. Cette dernière met en oeuvre une liaison de type « trait point plan », pour introduire six appuis ponctuels et obtenir six degrés de liaison du support mobile. Comme illustré sur la figure 10, l'extrémité 26 de trois vis micrométriques 25, respectivement 25 désignées 37, 38, 39 dans la suite de la description, viendra respectivement en appui sur chaque liaison trait 27, point 28 et plan 29 de la plaque fixe de support 23. Les vis micrométriques 25 manuelles peuvent être remplacées par des actionneurs motorisés. 3050821 9 La figure 11 illustre une première étape de réglage du parallélisme d'un élément réfléchissant 13 de type cristal monté dans une monture de maintien 33, tel que décrit ci-dessus. Cette étape permet de garantir le parallélisme du cristal relativement à un détecteur fixe, comme illustré par 5 les deux images de droite d'un cristal en vue de face sur cette figure 11, celle du bas représentant le cristal incliné et celle du haut le cristal parallèle. Cette étape est assurée par une intervention sur les deux vis micrométriques 37, 38 agissant respectivement sur les liaisons trait 27 et point 28. 10 La figure 12 illustre une seconde étape de réglage de la verticalité d'un élément réfléchissant 13 de type cristal monté dans une monture de maintien 33, tel que décrit ci-dessus. Cette étape permet de garantir la bonne orientation verticale du cristal, comme illustré par les deux images 15 de droite d'un cristal en vue de côté sur cette figure 12, celle du bas représentant le cristal incliné et celle du haut le cristal vertical. Cette étape est assurée par une intervention sur la vis micrométrique 39 agissant respectivement sur la liaison plan 29. 20 La figure 13 illustre une troisième étape de réglage de la rotation d'un élément réfléchissant 13 de type cristal monté dans une monture de maintien 33, tel que décrit ci-dessus. Cette étape permet de garantir l'ajustement du cristal en fonction de son angle de Bragg qui lui est propre, afin d'orienter son faisceau sortant vers le centre d'un détecteur 25 fixe, comme illustré par les deux images de droite d'un cristal en vue de dessus de cette figure 13, celle du bas représentant le cristal incliné et celle du haut le cristal non incliné. Cette rotation est effectuée par l'intermédiaire d'une autre vis micrométrique dite vis de rotation 30. 3050821 10 Les trois étapes précédentes montrent qu'il est possible d'effectuer un réglage selon trois rotations autour de trois axes distincts du support mobile 24 et donc d'un cristal. Avantageusement, la rotation de l'ensemble est centrée sur le centre du cristal. 5 Les figures 14 et 15 illustrent une quatrième étape de réglage du positionnement d'un élément réfléchissant 13 de type cristal monté dans une monture de maintien 33, tel que décrit ci-dessus. Cette étape permet d'induire une translation du cristal, pour l'avancer et le reculer, selon le 10 sens de la flèche F de la figure 14. Cela permet de le positionner de sorte à focaliser son faisceau sortant à la bonne distance sur un détecteur fixe. Cette translation est mise en oeuvre par une butée micrométrique 31 de translation du cristal, représentée sur la figure 15. Cette butée micrométrique 31 permet une translation du support de corps de rotation 15 32 qui est monté sur des roulements à billes linéaires 34. Finalement, un support 20 selon le mode de réalisation comprend des dispositifs de déplacement d'un élément réfléchissant qui serait logé sur un logement formé par le support selon trois rotations et une translation. 20 En variante, le support 20 pourrait ne comprendre que des dispositifs de déplacement limités à une ou deux rotations et une translation, voire d'autres déplacements permettant d'atteindre le même résultat. A titre d'exemple, le support 20 permet de supporter un élément 25 réfléchissant de dimensions égales à 100 mm X 80 mm et de rayon de courbure de 2,7 m, pouvant effectuer des réglages en rotation selon un angle compris entre 0 et 10 degrés inclus, voire entre 0 et 5 degrés inclus, et une translation sur une plage de 20 mm, voire 10 mm. Pour affiner encore le réglage, la hauteur du plateau rotatif 18 pourrait aussi être 30 réglable, de manière complémentaire. 3050821 11 Les figures 16 et 17 illustrent un spectromètre optique intégrant les éléments décrits précédemment. Cette solution utilise avantageusement trois chambres 10 telles que décrites précédemment, atteintes en entrée 5 par trois voies 41, 42, 43 provenant d'une entrée commune 51 destinée par exemple à un positionnement au niveau d'un plasma à observer. Trois voies de sortie 44, 45, 46 permettent aux faisceaux sortant des trois chambres 10 d'atteindre respectivement leur détecteur 47. Ces détecteurs 47 sont fixes, au contraire de la solution de l'état de la technique décrite 10 en référence avec la figure 3, ce qui simplifie grandement l'architecture globale du spectromètre. Une telle approche permet l'observation simultanée du même plasma par trois éléments réfléchissants, notamment trois éléments réfléchissants distincts. En variante, au moins deux chambres pourraient être prévues, pour une utilisation combinée 15 simultanée. Il apparaît sur ces figures 16 et 17 que le spectromètre optique selon le mode de réalisation de l'invention occupe un volume important, chaque voie 41, 42, 43, 44, 45, 46 pouvant présenter une longueur de plusieurs 20 mètres. Il apparaît ainsi que le mode de réalisation de l'invention résout un problème technique complémentaire consistant à offrir une solution d'encombrement minimal. En effet, un tel spectromètre est en général associé à d'autres éléments disposés autour d'un plasma, et l'espace disponible est très restreint. On s'aperçoit, notamment sur la figure 4, que 25 la solution permet d'optimiser le volume de la chambre 10, tout en utilisant une solution à plusieurs éléments réfléchissants. On s'aperçoit en effet que le faisceau 14A sortant sur la figure 4 n'est pas gêné par le support de l'élément réfléchissant 13B voisin du fait de l'agencement optimisé choisi sur le plateau rotatif 18. Une telle chambre 10 comprend un volume 30 intérieur minimal, dans lequel est disposé le plateau rotatif 18 sur lequel 3050821 12 sont montés des éléments réfléchissants, ce volume intérieur étant inscrit dans une sphère de diamètre inférieur ou égal à six fois la longueur d'un élément réfléchissant. Naturellement, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit. 5 Notamment, la chambre 10 pourrait intégrer un plateau avec tout autre nombre de supports pour éléments réfléchissants, avantageusement inférieur ou égal à 4. Le réglage d'un élément réfléchissant pourrait être réduit à au moins une rotation et une translation. De plus, un tel spectromètre pourrait être utilisé pour tout autre domaine optique, sans 10 limitation aux rayons X et/ou à l'observation d'un plasma. Enfin, l'invention porte aussi sur un procédé de réglage de la position opérationnelle d'un élément réfléchissant d'un spectromètre, afin de lui permettre de correspondre à une position prédéfinie d'un détecteur, qui 15 comprend les étapes suivantes : - au moins une rotation d'un élément réfléchissant sur un support 20 agencé sur un plateau rotatif 18 au sein d'une chambre 10 ; et - translation d'un élément réfléchissant sur un support 20 agencé sur un plateau rotatif 18 au sein d'une chambre 10. 20 25 REVENDICATIONS1. Chambre (10) de spectromètre optique, comprenant un plateau rotatif (18) comprenant plusieurs logements pour recevoir plusieurs éléments réfléchissants (13A, 13B, 13C, 13D), le plateau rotatif (18) étant mobile afin de pouvoir déplacer en position opérationnelle l'un quelconque des éléments réfléchissants qui occuperaient lesdits logements, caractérisée en ce que le plateau rotatif (18) est équipé d'au moins un support (20) pour un élément réfléchissant comprenant des dispositifs de déplacement dudit élément réfléchissant adaptés pour le réglage de la position d'un élément réfléchissant d'une part selon au moins une rotation et d'autre part selon une translation, afin de positionner un élément réfléchissant (13) dans une configuration adaptée pour former une image sur un détecteur (47) positionné à un endroit prédéterminé par rapport à la chambre (10). 2. Chambre (10) de spectromètre optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les dispositifs de déplacement du support (20) sont aptes à mettre en oeuvre le déplacement d'un élément réfléchissant selon trois rotations autour de trois axes distincts, sensiblement perpendiculaires, et selon une translation. 3. Chambre (10) de spectromètre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support (20) comprend une liaison de type « trait point plan » d'une plaque fixe de support (23) du support (20). 4. Chambre (10) de spectromètre optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les dispositifs de déplacement du support (20) mettent en oeuvre tout ou partie des déplacements 3050821 14 suivants d'un support mobile (24) lié à la plaque fixe de support (23) du support (20) : - réglage du parallélisme en agissant simultanément sur les liaisons trait (27) et point (28) ; et/ou 5 - réglage de la verticalité en agissant sur la liaison plan (29) ; et/ou - réglage de la rotation en agissant sur une vis de rotation (30) ; et/ou - réglage en translation en agissant sur une butée 10 micrométrique (31). 5. Chambre (10) de spectromètre optique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le support (20) comprend trois vis micrométriques (25) pour le maintien du support mobile (24). 15 6. Chambre (10) de spectromètre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un volume intérieur dans lequel est disposé le plateau rotatif (18) sur lequel sont montés des éléments réfléchissants, le volume 20 intérieur étant inscrit dans une sphère de diamètre inférieur ou égal à six fois la longueur d'un élément réfléchissant. 7. Chambre (10) de spectromètre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend 25 un volume intérieur étanche et un dispositif pour y faire le vide ou pour injecter un gaz, et/ou en ce qu'elle comprend un ou plusieurs dispositifs de refroidissement ou de chauffage et/ou en ce qu'elle comprend un plateau rotatif (18) de hauteur réglable. 30 8. Spectromètre optique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre (10) selon l'une des revendications précédentes. 3050821 15 9. Spectromètre optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un détecteur (47) fixe. 5 10.Spectromètre optique selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux chambres (10) et deux détecteurs (47), avantageusement trois. 11. Spectromètre selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en 10 ce qu'il est un spectromètre à rayons X adapté pour l'observation d'un plasma. 12. Procédé de réglage de la position opérationnelle d'un élément réfléchissant (13) d'un spectromètre optique, afin de lui permettre 15 de correspondre à une position prédéfinie d'un détecteur (47), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - au moins une rotation d'un élément réfléchissant (13) sur un support (20) agencé sur un plateau rotatif (18) au sein d'une chambre (10) ; et 20 - translation de l'élément réfléchissant (13) sur le support (20) agencé sur le plateau rotatif (18) au sein de la chambre (10). 25