1 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE PAR...
-
Upload
milun-dujardin -
Category
Documents
-
view
107 -
download
2
Transcript of 1 Direction de lEnergie Nucléaire Département de Physico Chimie LANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE PAR...
1Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
L’ANALYSE L’ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUEPHYSICO-CHIMIQUE
PAR LASERPAR LASER
Comment ?Comment ?
Les propriétés du Les propriétés du rayonnement laserrayonnement laser
Pourquoi ?Pourquoi ?
exemplesexemples démonstrationdémonstration
2Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
LES LASERSLES LASERS
Une grande variété de lasers et d’applicationsUne grande variété de lasers et d’applications
La diode laser 0.1 mW0.1 mW
Utilisations grand public : Lecture de codes barres, de CD ROM, télémètres
Le laserscientifique
10W10WmJmJ MW crêteMW crête
Expériences en optique, spectroscopie, interaction laser-matière, analyse physico-chimique, applications médicales
usinage des matériaux (découpe, soudage, perçage,…)
Le laser de production industrielle
kWkW
Prix de 10 euros
Le laser de très haute énergie laser Mégajoule
MJ MJ PW crête PW crête
Expériences de physique aux très hautes énergies (reproduire en laboratoire le fonctionnement des étoiles )50 m
au milliard d’euros
3Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
LES LASERSLES LASERS
Une grande variété de lasers et d’applicationsUne grande variété de lasers et d’applications
……. mais un rayonnement laser aux . mais un rayonnement laser aux propriétés uniquespropriétés uniques
4Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
LE RAYONNEMENT LASER, UNE AUTRE LUMIERELE RAYONNEMENT LASER, UNE AUTRE LUMIERE
dans toutes les directionstoutes les directions, sur un large spectre de large spectre de
longueurs d’ondelongueurs d’onde en continuen continu
dans une seule directionune seule direction un rayonnement monochromatique*monochromatique*
en continu ou sur de très courtes très courtes duréesdurées (impulsions nanoseconde à
femtoseconde)
* monochromatique = une seule couleur
Source usuelle Source usuelle émet :émet :
Source laser Source laser émet :émet :
La lumière émise peut être peut être fortement concentréefortement concentrée
La lumière émise ne peut ne peut pas être concentréepas être concentrée
Il en résulte des performances incomparables en matière Il en résulte des performances incomparables en matière d’éclairement lumineux (W/cm²)d’éclairement lumineux (W/cm²)
5Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
Un laser de 20W20W focalisé sur quelques microns* produit un éclairementéclairement de l’ordre du milliard de W/cm²milliard de W/cm² (à comparer à une centaine de W/cm² maximumcentaine de W/cm² maximum avec une lampe à incandescence). Avec un laser impulsionnel on atteint très facilement les centaines de milliards de W/cm²centaines de milliards de W/cm²
Arrivé sur la lunesur la lune (385 000 km) un faisceau laser ne mesure que 150m de diamètre150m de diamètre. L’éclairement produit par un laser de 20 W est encore suffisant pour lire un livre (~ équivalent à une nuit de pleine équivalent à une nuit de pleine lune sur terrelune sur terre).
Quelques chiffres pour fixer les idées :Quelques chiffres pour fixer les idées :
* 1 micron = 1 micromètre = 1 millionième de mètre
LE RAYONNEMENT LASERLE RAYONNEMENT LASER
6Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
LE RAYONNEMENT LASERLE RAYONNEMENT LASER
Le rayonnement laser permet uneLe rayonnement laser permet une concentration spatiale, temporelle et concentration spatiale, temporelle et
spectrale de la lumièrespectrale de la lumière
Offre des propriétés uniques pourOffre des propriétés uniques pour exciter exciter fortement et sélectivement la matière fortement et sélectivement la matière ouou
transporter l’énergie du rayonnement transporter l’énergie du rayonnement optique sur de grandes distances optique sur de grandes distances
De nombreuses applicationsDe nombreuses applications
fondées sur l’interaction laser-matièrefondées sur l’interaction laser-matière
En résumé,En résumé,
7Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
ANALYSE CHIMIQUE PAR LASERANALYSE CHIMIQUE PAR LASER
Applications des lasers en analyse chimiqueApplications des lasers en analyse chimique
Spectroscopies basées sur :Spectroscopies basées sur :- la diffusion la diffusion (spectroscopie Raman) ou (spectroscopie Raman) ou
- sur l’absorptionsur l’absorption qui conduit à qui conduit à l’excitation des l’excitation des
atomes et des moléculesatomes et des molécules (fluorescence, photo- (fluorescence, photo-
ionisation, photo thermique,...)ionisation, photo thermique,...)
Analyse atmosphérique par LIDARAnalyse atmosphérique par LIDAR
Analyse par spectroscopie de plasma induit par Analyse par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS)laser (LIBS)
DEUX EXEMPLES :DEUX EXEMPLES :
8Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
Emission de l’impulsion laser dans l’atmosphère
Principe Principe : une impulsion laser est émise dans : une impulsion laser est émise dans l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les
molécules et les particules présentes est captée par un molécules et les particules présentes est captée par un télescopetélescope
Signal reçu en fonction du tempsSignal reçu en fonction du tempsC= 300 000 km/s
donc300m = 1 µs
Trajet aller/retour doncretard 2µs pour 300m
9Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère
diffusion par les molécules et les particules (aérosols)
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
d1
t1
Signal reçu en fonction du tempsSignal reçu en fonction du temps
Principe Principe : une impulsion laser est émise dans : une impulsion laser est émise dans l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les l’atmosphère. La diffusion du faisceau induite par les
molécules et les particules présentes est captée par un molécules et les particules présentes est captée par un télescopetélescope
10Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
Signal reçu en fonction du tempsSignal reçu en fonction du temps
propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère
diffusion par les molécules et les particules (aérosols)
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
t2
Décroissance avec la distance le temps
d2
Principe Principe : le signal de fond atmosphérique reçu par le : le signal de fond atmosphérique reçu par le télescope décroît avec la distancetélescope décroît avec la distance
11Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
propagation de l’impulsion laser dans l’atmosphère
diffusion par les molécules et les particules (aérosols)
concentrées dans un nuage
Décroissance avec la distance le temps
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
Pic correspondant au nuage traversé
t3
d3
Signal reçu en fonction du tempsSignal reçu en fonction du temps
Principe Principe : quand l’impulsion traverse un nuage de : quand l’impulsion traverse un nuage de particules le signal augmente brutalement. La position particules le signal augmente brutalement. La position
temporelle du pic donne la distance à laquelle se trouve le temporelle du pic donne la distance à laquelle se trouve le nuagenuage
12Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
Les lidars sont donc des instruments qui Les lidars sont donc des instruments qui permettent d’établir en continu despermettent d’établir en continu des
cartographies de la composition chimique et cartographies de la composition chimique et particulaire de l’atmosphèreparticulaire de l’atmosphère
Leur portée est fonction de plusieurs paramètres :Leur portée est fonction de plusieurs paramètres : Puissance du laser et taille du télescopePuissance du laser et taille du télescope
Concentration des particulesConcentration des particules
Couramment quelques km à plusieurs 10kmCouramment quelques km à plusieurs 10km
Illustration : mesure de l’ozoneIllustration : mesure de l’ozone
13Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozoneApplication : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone Ozone : composé de l’oxygène qui est concentré dans la Ozone : composé de l’oxygène qui est concentré dans la stratosphèrestratosphère (10-50 km) et qui nous protège des rayonnements UV nocifs elle est menacée par la pollution et fait donc l’objet d’une surveillance
Lidar ozoneLidar ozoneStratosphériqueStratosphérique
Evolution annuelle de la Evolution annuelle de la teneur en ozone dans teneur en ozone dans
l’hémisphère sudl’hémisphère sud
14Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
- 87,2°
- 82,4°
- 71°
- 55°
- 30°
- 77°
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
Troposphère : profil de concentration Troposphère : profil de concentration d’ozone au voisinage de la Tour Eiffeld’ozone au voisinage de la Tour Eiffel
Ozone :Ozone : PolluantPolluant produit à partir des gaz d’échappement : seuil d’alerte de 250 µg/mseuil d’alerte de 250 µg/m33
Analyse de la qualité Analyse de la qualité de l’air en zone de l’air en zone
urbaineurbaine
Secteur en fort Secteur en fort
développement dans développement dans le mondele monde
Application : Suivi atmosphérique de la teneur en ozoneApplication : Suivi atmosphérique de la teneur en ozone
15Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
Le développement LIDAR au CEALe développement LIDAR au CEA LLaboratoire des SSciences du CClimat et de l’EEnvironnement
ANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDARANALYSE ATMOSPHÉRIQUE PAR LIDAR
Leosphère est une Leosphère est une start-upstart-up
créée en 2004 sur la créée en 2004 sur la base d’une base d’une
collaboration avec le collaboration avec le CEACEA
2- Essais de validation 2- Essais de validation sur le terrainsur le terrain
3- Transfert industriel3- Transfert industriel
1- Le développement 1- Le développement en laboratoireen laboratoire BrevetsBrevets
16Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
ANALYSE CHIMIQUE PAR LASERANALYSE CHIMIQUE PAR LASER
Analyse atmosphérique par LIDARAnalyse atmosphérique par LIDAR
Analyse par spectrométrie de plasma induit Analyse par spectrométrie de plasma induit par laser (LIBS)par laser (LIBS)
EXEMPLESEXEMPLES
17Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
Exemple de plasmas formés sur différents matériaux
Identification et quantification des
éléments
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
250 255 260 265 270 275 280
Inte
nsit
é du
sig
nal (
U.A
.)
Longueur d’onde (nm)
Silicium
Aluminium Fer
Magnésium
Vaporisation et formation d’un plasma
(vapeur d’atomes excités, d’ions et d’électrons)
SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASERSPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER
Enregistrement du spectre d’émission du plasma
Focalisation pour concentrerl’énergie du rayonnement(> GW/cm²)
Principe de la LIBSPrincipe de la LIBS
Laser impulsionnel
18Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASERSPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER
DEMONSTRATION PARDEMONSTRATION PAR
LA SOCIETELA SOCIETE
IVEAIVEA
start-up créée fin 2005 pour valoriser les travaux start-up créée fin 2005 pour valoriser les travaux et brevets du CEA sur la LIBSet brevets du CEA sur la LIBS
19Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
FeSi
Ca
Argile de Bure
Al + CaM g
Ti
Béton chargé au Ti (particules de 100 à 300 nm)
De très nombreuses applications De très nombreuses applications scientifiques et industrielles :scientifiques et industrielles :
Cartes de distribution Cartes de distribution des éléments des éléments chimiqueschimiques
SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASERSPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER
Analyse in-situ des aérosolsdans circuit He
Analyse in-situ dans des Analyse in-situ dans des milieux complexesmilieux complexes
Analyse de terrain portable Analyse de terrain portable ou robotiséeou robotisée
20Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
Le projet ChemCam : Analyse à distance (2 à 10m) de la Le projet ChemCam : Analyse à distance (2 à 10m) de la composition des roches martiennescomposition des roches martiennes
Cadre du projet : Prochaine mission Cadre du projet : Prochaine mission d’exploration prévue par la NASA – lancement d’exploration prévue par la NASA – lancement fin 2009 du Rover MSLfin 2009 du Rover MSL
ChemCam : Collaboration franco-américaine ChemCam : Collaboration franco-américaine Rôle du CEA Rôle du CEA expertise et développement expertise et développement méthodologique de la LIBSméthodologique de la LIBS
En route pour MarsEn route pour Mars
SPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASERSPECTROSCOPIE DE PLASMA INDUIT PAR LASER
21Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
PROJET CHEMCAMPROJET CHEMCAM
22Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
EN CONCLUSIONEN CONCLUSION
l’analyse hors du laboratoire l’analyse hors du laboratoire (contrôle sur ligne de (contrôle sur ligne de production industrielle, analyse sans prélèvement)production industrielle, analyse sans prélèvement)
l’analyse à distance l’analyse à distance (atmosphère, milieux extrêmes)(atmosphère, milieux extrêmes)
micro/nanoanalyse micro/nanoanalyse (matériaux des nanosciences, (matériaux des nanosciences, analyse à l’échelle de la molécule)analyse à l’échelle de la molécule)
L’analyse par laser enrichit le panorama L’analyse par laser enrichit le panorama des techniques d’analyse dansdes techniques d’analyse dans
trois domaines principaux :trois domaines principaux :
23Direction de l’Energie Nucléaire Département de Physico Chimie
ÀÀ
Catherine Gallou, Jean Luc Lacour et Catherine Gallou, Jean Luc Lacour et Gilles MoutiersGilles Moutiers
pour leur aide dans la préparation de pour leur aide dans la préparation de l’exposél’exposé
À À
Elisabeth Bourriah-CoindreElisabeth Bourriah-Coindre
(société IVEA)(société IVEA)
pour la démonstration LIBSpour la démonstration LIBS
Un grand merci….Un grand merci….