Tuning forks in photoacoustic spectroscopy : Comparative study and new developments
Mise en œuvre de diapasons en spectroscopie photoacoustique : Étude comparative et nouveaux développements
Résumé
Photoacoustic spectroscopy is a detection method enabling a strong multi-gas capacity. Instead of using photodetectors, the detection is realised in the acoustic domain by using microphones, making the detection independent from the optical wavelength. In order to improve the acoustical detection, mechanical resonators such as quartz tuning forks have been used, alone or coupled to acoustical resonators. The aim of this PhD thesis is to study these systems so as to better understand the phenomena at play. Particularly, the main objective is to determine the limit of sensitivity those systems can reach and to compare them with other techniques. For that purpose, this manuscript first presents a comprehensive state-of-the-art review. Thereafter, an analytical and finite element method model, capable of describing the different sensors is described and further validated through the experimental study of various systems. In order to improve QEPAS (emph{Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy}), the use of a new radial resonator coupled to a tuning fork is presented and demonstrates a sensitivity similar to the state-of-the-art one as well as a facilitated implementation. In addition, an innovative closed-loop detection scheme is presented and modelled, and further compared to experiments, enabling a differential measurement with a reduced time compared to the conventional detection. Ultimately, a chapter is dedicated to the description and understanding of the physical phenomena at play in photoacoustics through the definition of a new model. From these, a clear positioning is made for the photoacoustic techniques allowing to determine the relevance of their use, particularly concerning QEPAS and their improvement perspectives.
La spectroscopie photoacoustique est une technique de détection possédant une forte capacité multi-gaz. La détection est effectuée dans le domaine acoustique au moyen de microphones plutôt que dans le domaine optique à l'aide de photodétecteurs, rendant la détection indépendante de la longeur d'onde optique. En vue d'améliorer la détection acoustique, des résonateurs mécaniques ont récemment ont été employés et peuvent être couplés à des résonateurs acoustiques. Le but de cette thèse est d'étudier l'utilisation de ces résonateurs en vue de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu. Plus particulièrement, l'objectif est d'estimer la limite de sensibilité de diapasons en quartz seuls ou couplés à des résonateurs acoustiques et de les comparer aux autres capteurs photoacoustiques existants.Dans ce manuscrit, un état de l'art exhaustif des différentes techniques photoacoustiques est mené. Un modèle analytique et éléments finis pouvant décrire les différents résonateurs acoustiques ou mécaniques est présenté. Ce modèle est validé expérimentalement et démontre un bon accord sur les nombreux systèmes évalués. Dans le but d'améliorer la QEPAS (emph{Quartz-Enhanced PhotoAcoustic Spectrocopy}), l'utilisation d'un nouveau résonateur radial couplé à un diapason est présentée et démontre une sensibilité similaire à l'état de l'art avec des contraintes de mises en oeuvre fortement réduites. Ensuite, un schéma de détection innovant en boucle fermée est décrit et modélisé, permettant la mise en place d'une mesure différentielle en un temps nettement inférieur aux schémas conventionnels.Enfin, un chapitre est consacré à la description et la compréhension des différents phénomènes existant dans les capteurs photoacoustiques au travers de la définition d'un nouveau modèle. Un positionnement des techniques photoacoustiques en est extrait, permettant de déterminer l'intérêt respectif de chaque technique et les perspectives d'améliorations du QEPAS en particulier.
Origine : Version validée par le jury (STAR)