Spectrométrie photoacoustique

Détection photoacoustique

La technique photoacoustique a été développée en collaboration avec l’Institut d’Optique Atmosphérique (IOA) de Tomsk – Russie. Si l’on éclaire un gaz avec un rayonnement optique (à la longueur d’onde d’absorption de ce gaz) et que l’on module le rayonnement, il y a échauffement modulé du gaz et création d’un signal acoustique qu’un microphone détecte. On a ainsi remplacé une détection optique par une détection acoustique. L’amplitude du signal photoacoustique est proportionnelle à la puissance du rayonnement d’excitation et au coefficient d’absorption du gaz. La technique photoacoustique est très bien adaptée à la détection des faibles absorptions donc des traces de gaz. De plus, cette technique possède une grande dynamique, 5 à 6 décades. Cette technique a été présentée en détail dans la publication dans les Techniques de l'Ingénieur.

Détection de traces de gaz par méthode photoacoustique

SLA5

La faisabilité de la détection quantitative du méthane avec une diode laser fonctionnant à température ambiante et émettant à 1,65 µm dans la bande 2nu3 du méthane a été démontrée dans la thèse de Virginie ZENINARI (1998). Le détecteur de gaz réalisé comporte un résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz. Le montage différentiel a l'avantage d'ajouter les signaux utiles et de compenser les signaux parasites. Les améliorations du résonateur de Helmholtz et l’utilisation d’une diode laser plus puissante et de microphones de plus grande sensibilité ont permis d’amener la limite ultime de détection jusqu’à 0.3 ppm, valeur inférieure à l’abondance naturelle - 2 ppm dans l’air -. L’introduction d’un mélange de concentration inconnue de méthane permet, à partir de la mesure du signal photoacoustique, de retrouver la concentration de méthane.

Après étalonnage, le système photoacoustique résonnant devient un mesureur absolu de la quantité de méthane dans une grande gamme de mesure. Le fonctionnement en mode ouvert avec circulation de gaz s'avère très performant et utile pour la mesure de polluants troposphériques et l'utilisation de cet appareil à bord d'un véhicule pour détecter des effluves de méthane. En effet, en mode ouvert, l’échantillon à analyser est l’air ambiant, et le système différentiel permet de s’affranchir en grande partie des bruits parasites ce que ne permet pas une cuve résonnante classique. L’avancement de ces travaux a été soutenu par un contrat signé entre l’ANVAR, la Région Champagne-Ardenne et l’Université de Reims. Ces travaux sont protégés par un brevet publié à l’INPI à Paris en avril 2002 et étendu par un brevet international en 2003.

La technique photoacoustique est d’usage très général pourvu que l’on dispose d’un laser dont la longueur d’onde d’émission coïncide avec la longueur d’onde d’absorption du gaz à détecter. Dans le cadre du travail de thèse de Agnès GROSSEL (2007), nous avons développé l’étude sur la détection de gaz atmosphériques en utilisant des lasers plus puissants (QCL) émettant dans le moyen infrarouge où l’absorption du gaz est plus importante car dans les bandes fondamentales. Le signal photoacoustique est directement proportionnel à la puissance du laser utilisé et à l’absorption du gaz. L’utilisation de lasers accordables puissants émettant dans le moyen infrarouge est donc un double avantage. Plusieurs lasers fournis par la société Alpes Lasers ont été testés avec le détecteur photoacoustique réalisé précédemment. Ainsi, on a pu démontrer la détection :

Du méthane atmosphérique avec un QCL émettant à 7.9µm et fonctionnant à la température de l’azote liquide. La limite de détection est de 3 ppb, c’est à dire supérieur d’un facteur 100 par rapport aux meilleurs résultats obtenus avec des diodes lasers traditionnelles. Ce résultat permet d’envisager des mesures atmosphériques publication.
Du monoxyde d’azote (NO) avec un QCL émettant à 5.4µm et fonctionnant à la température de l’azote liquide (Limite de détection : 20 ppb). Ce résultat pourrait être amélioré très facilement par l’utilisation d’un laser plus puissant et fonctionnant à température ambiante. Les applications potentielles sont nombreuses car NO est un gaz émis par les explosifs, ainsi qu’un traceur de maladie dans l’air exhalé publication.
Simultanée du méthane (CH4), du protoxyde d’azote (N2O) et de la vapeur d’eau (H2O) avec un QCL émettant à 7.9µm et fonctionnant à température ambiante publication.

Ces travaux ont démontré toutes les potentialités de la technique en association avec les lasers à cascade quantique. Les travaux en cours sont liés à l'industrialisation des dispositifs (www.aerovia.fr), à la miniaturisation des senseurs (https://miriade.lsce.ipsl.fr/doku.php) et à l'amélioration des limites de sensibilité des senseurs par la modélisation quantitative des réponses en fréquence de ces dispositifs. Ce dernier point a fait l'objet d'une première mondiale sur le sujet.