Mesures de traces de gaz par spectroscopie d'absorption par diodes lasers accordables. Application à la surveillance de l'environnement

Trace-gas monitoring by Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS).Application to the environmental monitoring.

• Auteur / Autrice : Tong Nguyen Ba
• Direction : Eric Tournié, Aurore Vicet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 05/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Le Clézio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Tournié, Aurore Vicet, Emmanuel Le Clézio, Bertrand Parvitte, Christophe Daussy, Weidong Chen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Parvitte, Christophe Daussy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie optoacoustique

Diodes laser

Piézoélectricité

Gaz -- Analyse

Mots clés libres

Diode laser accordable

Analyse de gaz

Effet piézoélectrique

Spectroscopie photoacoustique par quartz

Méthane

Éthylène

Laser

Gas detection

Piezoelectric effect

Quartz-Ehanced photoacoustic spectroscopy

Methane

Ethylene

Résumé

Le besoin d'analyse de gaz à l'état de traces s'est accentué ces dernières années en raison des préoccupations du public et de l'industrie sur des questions telles que le contrôle des émissions de polluants atmosphériques, la surveillance de l'environnement au sens large, la santé et la sécurité au travail. Il est donc nécessaire de posséder des instruments de détection sélectifs, sensibles et capables d'effectuer une mesure directe en temps réel. La fiabilité des systèmes de mesure est également un critère important et, selon l'application envisagée, s'ajoute aussi le besoin de miniaturisation pour aller vers des microsystèmes permettant le développement de dispositifs portables pour des opérations sur site.Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est situé dans ce contexte et porte sur l'étude et la mise au point d'un système sensible, efficace et assez simple à mettre en œuvre permettant de réaliser des mesures de traces de gaz sélectives, en temps réel et in-situ. Ce système est basé sur la spectroscopie d'absorption par quartz (QEPAS, Quartz Enhanced PhotoAcoustic Spectrocopy) qui consiste en la mesure d'une onde acoustique générée après la relaxation non-radiative des molécules excitées par l'absorption de la lumière modulée émise par des diodes lasers accordables, à l'aide d'un diapason à quartz (QTF). Le fonctionnement des sources lasers accordables et du QTF ainsi que différentes configurations du spectrophone (association du micro-résonateur et du QTF) utilisés dans cette technique QEPAS sont détaillés. Une modélisation de l'onde acoustique et de la réponse du capteur est également proposée. Deux dispositifs ont été réalisés. Le premier, nommé banc QEPAS prototype, est dédié à la mesure de l'éthylène avec une diode laser DFB émettant à 3,32 µm. Le second dispositif est une nouvelle version de capteur QEPAS, plus compacte que des dispositifs existant actuellement, dans laquelle il est possible de placer tout type de diode laser commerciale montée dans des supports de type T0xx. Ce banc compact est utilisé pour la mesure de méthane avec notamment une diode laser DFB émettant à 3,26 µm.

The need for trace gas analysis has increased in recent years due to an important concern of the public and industry on issues such as the control of emissions of air pollutants, environmental monitoring, health and security. It is therefore necessary to have the trace gas sensors able of high selectivity, sensitivity and a direct measurement in real time. The reliability of the measurement systems is also an important criterion, depending on the intended application, the need to move towards miniaturization of microsystems for the development of portable devices for on-site operations is also interesting.This thesis is in this context and focuses on the study and development of a sensitive, efficient and simple setup to make selective, in-situ and in real time measurements of trace gases. This system is based on quartz enhanced photoacoustic spectrocopy (QEPAS) which consists on the measurement of an acoustic wave generated by the non-radiative relaxation of the excited molecules after light absorption, with a quartz tuning fork (QTF). The operation of tunable laser sources, of QTF and different spectrophone configurations (combination of the micro-resonator and QTF) used in QEPAS technique are detailed. A model of the acoustic wave and the response of the sensor are also proposed. Two devices have been designed. The first one is a QEPAS prototype bench, dedicated to the measurement of ethylene with a DFB laser diode emitting at 3.32 µm. The second device is a new version of QEPAS sensor that is more compact than the currently existing devices and where it is possible to place any type of commercial laser diode. This compact bench is used for methane measurement with a DFB laser diode emitting at 3.26 µm.