FR2475219A1 - Procede et appareil de mesure differentielle et dispositif d'etude differentielle de proprietes optiques variant avec la temperature - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN APPAREIL DE MESURE DIFFERENTIELLE DE PROPRIETES OPTIQUES VARIANT AVEC LA TEMPERATURE. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL AYANT UN DISPOSITIF 58, 60 DE MAINTIEN D'UN ORGANE UNIQUE 10 DONT UNE FACE CONSTITUE UN ECHANTILLON A MESURER ET L'AUTRE FACE UNE REFERENCE A LAQUELLE L'ECHANTILLON DOIT ETRE COMPARE. CET ORGANE UNIQUE TRES MINCE 10 EST CHAUFFE PAR EXEMPLE PAR EFFET JOULE ET LA DIFFERENCE DE TEMPERATURE ENTRE LES DEUX FACES FORMANT LA REFERENCE ET L'ECHANTILLON EST DE L'ORDRE DU MILLIEME DE DEGRE CELSIUS. APPLICATION A LA MESURE DES EMISSIVITES ET DES REFLECTIVITES.

Description

La présente invention concerne la mesure différentielle de propriétés optiques variant avec la température, telles que l'émissivité et la réflectivité.

Plus précisément, elle concerne un procédé de mesure différentielle de propriétés optiques variant avec la température, un dispositif d'étude différentielle de telles propriétés optiques et un appareil de mesure comprenant un tel dispositif.

On sait que certaines propriétés optiques varient beaucoup avec la température. Ainsi, l'emissivite et la réflectivité qui est reliée à l'émissivité, dépendent beaucoup de la température puisque l'intensité du rayonnement émis par une surface varie comme la quatrième puissance de la température absolue.

On connaît déjà de nombreux procédés et appareils de mesure différentielle de propriétés optiques aui varient avec la température, par comparaison d'une propriété d'un échantillon à une propriété d'une référence.

Par exemple, des dispositifs d'étude du rayonnement des surfaces sont relativement courants. Le principe mis en oeuvre est la comparaison de résultats obtenus avec un corps noir et de résultats obtenus avec un échantillon ayant la même température, dans de mêmes conditions ex périnï.entales, nax exemple par utiltsatlon d'un meme spectromètre. Ces mesures nécessitent que la température de l'échantillon et la température de la référence soient bien identiques. Cependant, l'échantillon est habituellement monté dans un premier support thermostaté et la référence est habituellement un corps noir placé lui aussi dans un autre support thermostaté.Les écarts de température auxquels il faut s'attendre entre les deux sources atteignent plusieurs degrés Celsius si bien que la précision des mesures n'est pas aussi bonne que souhaitable, surtout dans le cas d'études en laboratoire de recherche.

Ainsi, le problème posé n'est pas tellement celui du maintien d'une température déterminée avec pré cision que celui de l'obtention du plus faible écart de température possible entre l'échantillon et la référence.

L'invention permet la réduction à de très faibles valeurs de l'écart de température entre l'échantillon et la référence. Alors que, selon les techniques connues, la différence de températures dont on doit tenir compte pour l'évaluation de la précision des mesures, est de l'ordre de quelques degrés ou au mieux d'un degré, dans les plages de températures couramment utilisées pour la détermination de l'émissivité, l'invention permet l'obtention d'écarts de température de l'ordre du centième ou du millième de degré.

Plus précisément, l'invention met en oeuvre un organe unique de faible capacité calorifique et formant à la fois l'échantillon et la référence.

Ainsi, l'invention concerne un procédé de mesure différentielle de propriétés optiques variant avec la température, par comparaison d'une propriété d'un échantillon à une propriété d'une référence, le procédé étant du type qui comprend le réglage de la température de l'échantillon et de celle de la référence afin qu'elles soient aussi proches que possible, et la comparaison de la valeur d'un paramètre au moins de radiations provenant de l'échantillon par un premier chemin optique à la valeur du paramètre correspondant de radiations provenant de la référence par un second chemin optique ; selon l'invention, le procédé comprend la formation d'un organe unique en une seule pièce, ayant une faible capacité calorifique et constituant à la-fois l'échantillon et la référence, et le réglage des températures de l'échantillon et de la référence comprend tout simplement le réglage de la température de l'organe unique.

L'invention concerne aussi un dispositif d'étude différentielle de propriétés optiques variant avec la température, destiné à la mise en oeuvre du pro cédé précité . Ce dispositif comprend un dispositif de maintien destiné à supporter un organe unique constituant à la fois l'échantillon et la référence à laquelle cet-échantillon doit être comparé, et un dispositif de réglage de la température de l'organe unique.

I1 est avantageux que le dispositif de maintien soit orientable, afin que les angles formés par l'échantillon et la référence avec les chemins optiques puissent être modifiés.

Le réglage de la température par chauffage de l'organe unique formant l'échantillon et la référence peut être assuré par tout moyen, par exemple par effet
Joule, par pertes diélectriques ou par induction.

Le dispositif peut comporter en outre un dispositif de réduction des pertes de chaleur, destiné à améliorer l'uniformité de température de l'échantillon et de la référence et comprenant un dispositif de réglage de la température du dispositif de maintien de l'organe unique.

Le dispositif d'étude différentielle est avantageusement disposé dans une enceinte permettant la mise sous vide ou en atmosphère contrôlée de l'organe unique formant l'échantillon et la référence, l'enceinte ayant au moins une fenêtre destinée au passage de radiations provenant de l'échantillon et de la référence.

Le dispositif d'étude différentielle peut en outre comprendre des éléments optiques qui délimitent le premier et le second chemin optique. Ceux-ci peuvent avoir une partie commune, les radiations transmises par cette partie commune provenant alternativement de l'é- chantillon et de la référence, sous la commande d'un dispositif convenable, par exemple un miroir vibrant ou rotatif.

L'invention concerne aussi un appareil de mesure différentielle de propriétés optiques variant avec la température, comprenant un dispositif d'étude différentielle du type-décrit précédemment et, en outre, au moins un dispositif détecteur de radiations. Lorsque les deux chemins optiques ont une partie commune, le détecteur unique détecte alternativement les radiations de l'échantillon et de la référence alors que, lorsque les deux chemins optiques sont distincts, l'appareil de mesure comporte avantageusement deux détecteurs séparés convenablement étalonnés.

Le dispositif détecteur de radiations est avantageusement un spectromètre associé à ùn dispositif photosensible.

Ainsi, l'invention permet notamment l'étude des propriétés optiques des surfaces (telles que l'émissivité et la réflectivité) et de leurs variations en fonction de modifications de certains paramètres physiques ou chimiques, avec une très grande précision.

Les problèmes posé s par les différences de températures entre les surfaces étudiées et par les variations des conditions expérimentales en fonction du temps ne se posent pratiquement pas lors de la mise en oeuvre de l'invention. Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, l'organe unique formant l'échantillon et la référence peut être sous forme d'une plaquette ou d'un ruban ayant deux faces dont des caractéristiques physiques (rugosité, inclusions) ou chimiques (oxydation, dépot) diffèrent, et la mesure différentielle permet alors l'étude des variations du comportement optique des ma tériaux en fonction des diverses caractéristiques physiques ou chimiques. Dans un premier exemple, l'invention convient à l'étude de l'effet de la rugosité sur l'émissivité, et l'échantillon peut alors être formé par un ruban d'une matière dont une face est polie et dont l'autre face est rugueuse. L'invention permet aussi la comparaison des propriétés de deux matières différentes, présentées sous forme d'un ruban dont une face est formée par une matière et dont l'autre face porte un revêtement de la seconde matière.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 et 2 sont des coupes transversales de deux exemples d'organes formant à la fois échantillon et référence, utilisés selon l'invention
- la figure 3 est un schéma illustrant la mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un échantillon du type représenté sur la figure 1 ou sur la figure 2 ; et
- la figure 4 est une élévation schématique d'un dispositif d'étude différentielle de propriétés optiques, selon un mode de réalisation de l'invention.

Les figures 1 et 2 sont des coupes de deux exemples d'organe unique formant échantillon et référence selon l'invention.

L'organe 10 de la figure 1 est destiné aux études des effets de la rugosité de surface sur l'émissivité. L'organe 10 est un ruban de très faible épaisseur, par exemple de 0,1 à 1 mm d'épaisseur, ayant une largeur de 24 mm par exemple, dont une grande face 12 est polie et l'autre grande face 14 est rugueuse. La face 12 constitue la référence et la face 14 l'échantillon. Lorsqu'un tel organe est monté dans un dispositif selon l'invention, il est chauffé à la température voulue pour la détermination de l'émissivité, et l'expérience montre que les différences de températures entre les deux surfaces 12 et 14 sont inférieures au centième de degré et en général de l'ordre du millième de degré, pour un ruban métallique ayant une épaisseur de l'ordre du dixième de millimètre.

La rugosité de la face 14 peut être obtenue par tout procédé convenable, selon le sujet de l'étude.

La figure 2 représente un autre type d'organe unique formant échantillon et référence, portant la référence générale 16. Cet organe qui peut avoir pratiquement les mêmes dimensions que l'organe 10 de la figure 1, comprend essentiellement un ruban d'une première matière 18, formant l'échantillon ou la référence, et portant sur une face un revêtement 20 d'une seconde matière, formant la référence ou l'échantillon respectivement.

De la même manière, l'organe unique peut être un ruban d'une matière dont une face a subi un traitement particulier, par exemple l'implantation d'ions ou la diffusion d'impuretés.

La figure 3 est un schéma d'un appareil spectrométrique permettant la mesure de l'effet de la rugosité sur ltémissivité des surfaces. L'organe unique 10 formant la référence par sa face 12 et l'échantillon rugueux par sa face 14, ayant la configuration d'un ruban, est maintenu par le dispositif décrit dans la suite du présent mémoire en référence à la figure 4. On l'a simplement représenté en vue de dessus sur la figure 3.

Lorsque cet organe 10 a atteint la température voulue pour la mesure, les radiations émises par les deux faces, c'est-à-dire par la référence et l'échantillon, sont mesurées.Les radiations provenant de la référence 12 parviennent sur un premier miroir plan 22 qui renvoie les radiations vers un second miroir plan 24 puis vers un miroir plan rotatif 26. Celui-ci est monté sur un disque qui porte un ou plusieurs miroirs 26 sur une première partie et qui est découpé entre les miroirs afin qu'il puisse laisser passer les radiations provenant de l'échantillon, comme décrit dans la suite.

Le disque 28 qui porte le miroir rotatif 26 est entraîné en rotation par un moteur 30, et un détec- teur 32 détermine quel est le faisceau de radiations qui parvient finalement sur le détecteur du spectromètre.

Les radiations réfléchies par le miroir 26 parviennent sur un miroir concave 34 qui focalise les radiations sur la fente 36 d'entrée d'un spectromètre. Celui-ci comprend de manière classique un prisme à angle droit ayant deux faces réfléchissantes, repéré par la référence 38. Les radiations reçues par une première face du prisme 38 sont renvoyées vers le miroir concave 40 qui forme un faisceau parallèle de radiations parvenant sur un prisme 42 de NaCl. Les radiations quittant le prisme 42 sont renvoyées sur un miroir 44 de Littrow qui renvoie le faisceau collimaté sur le même prisme 42 si bien que les radiations parviennent à nouveau sur le miroir concave 40. Celui-ci focalise les radiations sur la fente 46 de sortie du spectromètre, après réflexion sur la seconde face du prisme réfléchissant 38.Les radiations quittant le spectromètre par la fente 46 parviennent sur un miroir concave 48 qui les focalise sur un détecteur 50 qui peut être par exemple un détecteur pyroélectrique ou un détecteur "Golay".

Lorsque l'appareil est utilisé pour l'enregistrement des spectres d'émission, le miroir 44 de
Littrow est entraîné en rotation afin que le détecteur 50 reçoive les radiations successivement aux différentes longueurs d'onde du spectre étudié, dans la partie infrarouge du spectre dans le cas considéré.

Le faisceau provenant de l'échantillon, c'est a dire de la face 14, est réfléchi successivement par deux miroirs plans 52 et 54, puis par un troisième miroir plan 56 qui renvoie les radiations soit directement sur le miroir concave 34, soit sur le dos du miroir rotatif 26.

Ainsi, suivant la position du miroir rotatif 26, le détecteur 50 reçoit des radiations provenant de la face 12 de référence ou de la face 14 d'échantillon.

On note sur la figure 4 que les axes optiques des deux chemins optiques de référence et d'échantillon forment un même angle a avec la face correspondante de référence 12 ou d'échantillon 14. De cette manière, lorsque l'organe 10 tourne, les angles formés par la référence et l'échantillon avec les axes optiques restent toujours identiques. Cette caractéristique qui n'est pas indispensable selon l'invention, est cependant très commode pour l'étude des variations d'émissivité ou de réflectivité avec la direction.

La figure 4 est un schéma d'un dispositif d'étude différentielle des propriétés optiques variant avec la température selon l'invention. I1 s'agit essentiellement du dispositif de maintien destiné à supporter l'organe unique constituant à la fois l'échantillon et la référence, avec le dispositif de réglage de la tempé- rature.

L'organe unique formant à la fois échantillon et référence, par exemple l'échantillon 10 dé la figure 1, est maintenu dans des mors 58 et 60 qui sont chacun supportés, par l'intermédiaire d'une bague isolante 62, par une plaque 64 de guidage. Ces plaques 64 peuvent glisser sur deux tiges 66. I1 faut noter que, pour la clarté de la représentation, on a représenté les tiges 66 à 90 de leur position normale afin qu'elle ne cachent pas le ruban 10.

Les tiges 66 sont fixées, à la partie inférieure, à une pièce conique 68 qui peut glisser à la surface d'une pièce tronconique femelle complémentaire 70 afin que la position angulaire de l'ensemble formé par les plaques et les tiges, avec l'organe unique 10, puisse être réglée à volonté. La partie supérieure des tiges 66 est fixée à une plaque 72 qui porte, dans sa partie centrale, un arbre 74. Celui-ci sort d'un boîtier délimitant une enceinte sous vide, mais les fuites sont évitées le long de l'arbre 74 par un joint torique 76 serré entre une plaque 78 du boîtier de l'enceinte et une bague vissée 80.

L'ensemble décrit est en outre placé à l'inté- rieur d'un dispositif protecteur 82 à double paroi dans lequel un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, peut circuler. L'eau pénètre par une entrée 84 et s'échappe par une sortie 86. Le dispositif 82 comporte avantageusement au moins deux fenêtres 88.

L'appareil comporte en outre un ressort 90 dont une extrémité est fixée au mors inférieur 60 et dont l'autre extrémité est articulée au fond dlune cavité de la pièce 68. Le ressort est destiné à compenser les variations de longueur du ruban 10 et des mors 58 et 60 lors du chauffage du ruban.

Dans le mode de réalisation considéré, le ruban 10 est chauffé par effet Joule. L'énergie électrique parvient par l'intermédiaire des mors métalliques 58 et 60 qui sont isolés par rapport aux plaques 64 par les rondelles 62. Cependant, ce montage donnerait un défaut important d'uniformité de termpérature dans le ruban 10 si les mors 58 et 60 n'étaient pas eux-mêmes chauffés. L'uniformité de température le long du ruban 10 est obtenue par chauffage des extrémités des mors 58 et 60 par des enroulements 92 qui réduisent les pertes de chaleur du ruban 10 par ses extrémités. De cette ma nière, l'uniformité de température du ruban 10 en direction longitudinale est raisonnable dans la partie centrale qui se trouve en face des fenêtres 88 et qui est utilisée pour la mesure.Par exemple, la hauteur de la zone utilisée pour la mesure de l'émissivité, c'est-à-dire la dimension mesurée suivant la longueur du ruban 10, peut être de l'ordre de 1,4 mm.

Des thermocouples 94 permettent la détermination de la température des mors 58 et 60, à l'endroit où ils serrent. les extrémités du ruban 10. En outre, des prises 96 de potentiel permettent la détermination du gradient de température dans la partie centrale du ruban 10 dans laquelle la mesure est effectuée.

Les dispositifs de chauffage des mors peuvent être supprimés, mais dans ce cas, il faut que la longueur du ruban 10 compris. entre les mors soit suffisamment grande pour que l'uniformité de température suivant la longueur du ruban soit convenable. Les prises de potentiel 96, fixées par microsoudage sur le ruban, permettent la détermination de la plage de température homogène. Le cas échéant, ces prises de potentiel peuvent être aussi thermostatées afin que les pertes par conduction soient aussi évitées.

La rotation de l'arbre 74 permet l'orientation du ruban 10 suivant l'angle voulu pour l'étude de l'émis- sivité.

Dans le cas de l'appareil de la figure 3, il est avantageux que les mesures des radi.ations de la référence et de l'échantillon alternent rapidement afin que les propriétés de l'échantillon et de la référence susceptibles de varier au cours du temps n'aient pas eu le temps de varier beaucoup. Ainsi, le moteur 30 peut entraîner en rotation le miroir rotatif 26 afin que la période de mesure soit de l'ordre de 80 ms par exemple.

En un temps si court, l'échantillon et la référence n'ont pas eu le temps d'évoluer.

De cette manière, le dispositif et l'appareil selon l'invention permettent des études dynamiques. Par exemple, une atmosphère contrôlée peut être maintenue autour du ruban 10, par exemple une atmosphère d'oxygène.

Dans ce cas, l'oxydation des surfaces peut etre étudiée différentiellement.

On a indiqué que le dispositif d'étude différentielle, représenté sur la figure 4, pouvait être placé sous vide. Lors d'études dans le spectre infrarouge, il est souhaitable que non seulement ce dispositif mais aussi le spectromètre associé soient disposés dans une enceinte sous vide ou en atmosphère contrôlée afin que les mesures ne soient pas perturbées par les absorptions parasites dues au gaz carbonique et à l'eau de l'atmosphère.

Le dispositif 82 à double paroi évite l'élé- vation de température des éléments optiques placés à proximité du ruban.

Ainsi, l'invention permet une étude différentielle très précise des propriétés optiques d'échantillons par rapport à des références.Le très faible écart de tem pérature entre la référence et l'échantillon évite les erreurs importantes dues à la variation du pouvoir émissif avec la quatrième puissance de la température absolue.

I1 est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure différentielle de propriétés optiques variant avec la température, par comparaison d'une propriété d'un échantillon à une propriété d'une référence, ledit procédé étant du type qui comprend le réglage de la température de l'échantillon et de celle de la référence afin qu'elles soient aussi proches que possible, et la comparaison de la valeur d'un paramètre au moins de radiations provenant de l'échantillon par un premier chemin optique à la valeur du paramètre correspondant de radiations provenant de la référence par un second chemin optique, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'un organe unique en une seule pièce (10, 16), ayant une faible capacité calorifique et constituant à la fois l'échantillon et la référence, et le réglage des températures de l'échantillon et de la référence comprend le réglage de la température de organe unique (10, 16).

2. Dispositif d'étude différentielle de propriétés optiques variant avec la température, destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, catactérisé en ce qu'il comprend un dispositif (58, 60) de maintien destiné à supporter un organe unique (10, 16) constituant à la fois l'échantillon et la référence à laquelle cet échantillon est comparé, et un dispositif de réglage de la température de l'organe unique (10, 16).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de maintien (58, 60) est orientable.

4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de la température de l'organe unique (10, 16) comprend un dispositif de chauffage de l'organe unique (10, 16) par effet Joule, par pertes diélectriques, ou par induction.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (92) de réduction des pertes de chaleur, comprenant un dispositif de réglage de la température du dispositif de maintien (58, 60).

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enceinte (78, 82) maintenue sous vide ou en atmosphère contrôlée et comportant au moins une fenêtre destinée au passage de radiations provenant de l'échantillon et de la référence.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments optiques délimitant un premier et un second chemin optique.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux chemins optiques ont une partie commune.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif répartiteur de faisceau destiné à transmettre à la partie commune des chemins optiques les radiations de l'échantillon et les radations de la référence, de façon alternée.

10. Appareil de mesure différentielle de propriétés optiques variant avec la température, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'étude différentielle de propriétés optiques variant avec ].a température selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, et au moins un dispositif (36-50) de détection de radiations.