Contribution au développement d’un Système d’Analyse de Feux et Emanations par Spectroscopie Infrarouge à Distance et Embarqué

Contribution to the development of a fire and smoke analysis system by infrared laser spectroscopy

• Auteur / Autrice : Florent Defossez
• Direction : Virginie Zéninari, Sylvain Brohez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Reims en cotutelle avec Université de Mons
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) - UMR CNRS 7331 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Marc Wuilpart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Zéninari, Sylvain Brohez, Robert Georges, Antoine Godard, Raphaël Vallon, Yves Hernandez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Robert Georges, Antoine Godard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ammoniac

Dioxyde de carbone atmosphérique

Oscillateurs paramétriques optiques

Spectrométrie de masse

Détecteurs de gaz

Polluants atmosphériques

Pollution atmosphérique

Indicateurs de la qualité de l'air

Mesure

Air -- Qualité

Industrie

Effets de la pollution atmosphérique

Installations classées

Mots clés libres

Oscillateur Paramétrique Optique

Spectroscopie infrarouge

Cellule multi-Passages

Fumée

Optical Parametric Oscillator

Infrared spectroscopy

Multipass cell

Smoke

Résumé

Lors de la phase aiguë d'un accident SEVESO, une évaluation précise de la qualité de l'air à proximité du site est nécessaire afin de mettre en place des mesures d'urgence vouées à protéger les populations environnantes. Il existe aujourd'hui de nombreux détecteurs de gaz commerciaux et transportables permettant d'effectuer ce type d'analyses sur le terrain. Toutefois, ces détecteurs présentent certains inconvénients, notamment dans le cas de l'analyse d'un panache de fumée. En effet, ces derniers, principalement basés sur des technologies de type : infrarouge non dispersif, électrochimique, semi-conducteur, sont souvent limités en termes de nombre de gaz détectables et peuvent présenter des problèmes de sensibilité croisée. Pour contourner ces limitations, il peut donc être nécessaire d'effectuer des prélèvements sur sites qui seront par la suite analysés en laboratoire au moyen d'instruments plus précis mais difficilement utilisables sur le terrain. Cette thèse, qui s'inscrit dans le cadre du projet SAFESIDE, vise à contribuer au développement d'un analyseur multi-gaz transportable basé sur un spectromètre laser infrarouge et capable d'effectuer des mesures localement et à distance. La détection de plusieurs gaz par spectroscopie laser infrarouge nécessitant la mise en œuvre d'une source laser largement accordable, les travaux réalisés durant cette thèse ont consisté à mettre en place un spectromètre laser à partir d'un Oscillateur Paramétrique Optique développé dans le cadre du projet. Plusieurs tests de cette source ont donc été effectués en laboratoire afin de mettre en œuvre les techniques d'absorption directe et de Wavelength Modulation Spectroscopy. En parallèle, un travail de développement de cellule de Herriott à ''motif dense'' a également été réalisé dans le but d'accroître la sensibilité des mesures locales. Les différentes briques technologiques développées ont finalement pu être mises en œuvre lors d'essais à grande échelle en environnement extérieur. Durant ces deux campagnes, des mesures locales de concentrations de CO2 et des mesures à distance de NH3 ont pu être réalisées.

During the acute phase of a SEVESO accident, a precise assessment of air quality near the site is necessary to implement emergency measures aimed at protecting the surrounding populations. There are currently many commercial and portable gas detectors that can be used to carry out this type of analysis in the field. However, these detectors have certain drawbacks, especially when analyzing a smoke plume. Indeed, these devices, mainly based on technologies such as non-dispersive infrared, electrochemical, and semiconductor, are often limited in terms of the number of detectable gases and may encounter cross-sensitivity issues. To overcome these limitations, it may be necessary to take on-site samples that will later be analyzed in the laboratory using more accurate but less field-friendly instruments. This thesis, part of the SAFESIDE project, aims to contribute to the development of a portable multi-gas analyzer based on an infrared laser spectrometer capable of performing measurements locally and remotely. Detecting multiple gases using infrared laser spectroscopy requires the implementation of a widely tunable laser source. The work carried out during this thesis involved setting up a laser spectrometer using an Optical Parametric Oscillator developed as part of the project. Several tests of this source were conducted in the laboratory to implement direct absorption and Wavelength Modulation Spectroscopy techniques. In parallel, development work on a dense-pattern Herriott cell was also carried out with the aim of increasing the sensitivity of local measurements. The various technological components developed were finally implemented during large-scale outdoor tests. During these two campaigns, local measurements of CO2 concentrations and remote measurements of NH3 were carried out.