THLSE. présentée à L'UNIVERSITÉ DES SCIENCES ET DES TECHNIQUES DE LILLE. pour obtenir le grade de DOCTEUR DE SPÉCIALITÉ.

Please download to get full document.

View again

All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
 12
 
  No d'ordre 269!(? \ 1 THLSE présentée à L'UNIVERSITÉ DES SCIENCES ET DES TECHNIQUES DE LILLE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE SPÉCIALITÉ en OPTIQUE et PHYSIQUE MOLÉCULAIRE Jacques THIBAULT Double irradiation
Related documents
Share
Transcript
No d'ordre 269!(? \ 1 THLSE présentée à L'UNIVERSITÉ DES SCIENCES ET DES TECHNIQUES DE LILLE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE SPÉCIALITÉ en OPTIQUE et PHYSIQUE MOLÉCULAIRE Jacques THIBAULT Double irradiation Infra - Rouge- Hertzien appliquée à l'étude de la relaxation dans un gaz Soutenue le 9 Juillet 1971, devant la COMMISSION D'EXAMEN Jury : M. SCHILTZ, Président M. WERTHEIMER Rapporteur M. MACKE Examinateur M. UEBERSFELD Invité YSIVEKSITE DUS SZIEXLE; El TECmYIOCES DE LILLE - DOYENS HONORAIRES Me ARSIBZ'LT 9 PWur ESSEURS HONORAIF~,.,S b a BEALJcL, m. d~ctii id, BROCHARD, CA',, C'rl:.PbELûN, STGbhUDRON, CORDONNIER, DEWEIPiTLS DEHORYE, DEHORS, FAUVC,L., FL ECRY, P. GEKllAIK, HE ZM DE BALSAC HOCQUETTE KAMPE TF FFRTE E, LELONG, Mme BAERT, MARTINOT-LAGAR.DE, -, P MAZET,.. A ~ I A L, PASCAL, PAUTHE rl?~, ROSEAU, ROUBINE, ROUELLE, WIEMAN, ZAMANSKY. PRESIDENT DE L'GNIVERSITE DES SCIENCES 1, TLCHSLQUES DE LILLE M. DEFFETIN René Professeur de Biologie Marine PROFESSEURS TITULAIRES - BACCHUS Pierre BEA'JFILS Jean-Pierre BECXRT Maurice BLOCH Vincent BIAYS Pierre BONNEMAN Pierre BONTE Antoine BOUGHON Pierre BOURIQUET Robert CAPET Marcel-Francis CELET Paul COiJSTANT Eugène CORSIN Pierre DECUYPER Marce 1 DEDECKER Paul DEFPST I N René M. DELATTRE Charles M. DURCHON Maurice M. FOURET René M. GABILLARD :'obert M. GEHU Jean-Marie M. GLACET Charles M. GONTIER Gérard M. GUILLAUME Jean M. HEUBEL Joseph Mme LENOBLE Jacqueline M. LOMBARD Jacques M. MONTARIOL Frédéric M. MOKTREUIL Jean M. POI'ZET Pierre Astronomie et Calcul Numérique Chimie Générale Physique Psychophysiologie Géographie et Aménagement Spatial Chinie Industrielle Géologie Appliquée Mathématiques Botanique Institut de Préparation aux Affaires Géologie Générale Physique Industrielle Paléobotanique Mathematiques Nathémat iques Biologie Animale - Directeur de l'institut de Biologie Maritime de Wimereux Géologie Générale Zoologie Générale et Appliquée Physique Radio-Electricité et Electronique Institut Agricole Chimie Organique MPcanique des Fluides Biologie Végétale Chimie Minérale Physique Expérimentale (Optique Atmosphérique) Socj ologi e Chimie Appliquée Ckimle Biologique Informatique S\:I1l,IAKTi?Idrie-Hélène T 11,ElcU Jacques TRIDOT Gabr ie 1 r t AAVn -J~zT- IV1? Pierr.; it LL ':lcl Lz 6': r'PJ-PT CiIrard!7Fv ?'l;r TYFR?.aymond YâthEmariques t nq.,-que Théorique Lnlc,r Yinérale Appliquée Xathématiqües Automat ic,e Biologre -1 inale -+ Géologie Zinéralogie Physrque r nérale DELMYE Michel FLATRES Pierre LEBRUN André LINDER Robert LUCQUIN Michel PARREAU Miche 1 PRUDHOMME Rémy SAVART Je an SCHALLER François SCHILTZ René PR,.iL'i7SSECKS A TITRE PFIISOXNEL - -?hysio;o - - - Chimie Priyaiqur. ii,dineraie Ter cycle GCagraphiz Electronique - Botanique!'hi i: Physique Mathemat iques Sciences Economiques Chimie Générale Zoologie Physique PROFESSEURS SANS CHAIRE M, BELLET Jean M. BODARB Marcel M. BOILLET Pierre M. DERCOURT Jean-Michel M. DEVRAINNE Pierre Mle MARQUET Simone M. PROUVOST Jean Physique Biologie Végétal.? Physique Géologie Chimie Yinérale Mathématiques Xinéralogie MAITRES DE CONFERENCES (et chargés des fonctions) ADAM Michel ANDRE Charles ANGWD Jean-Pierre AUBIN Thierry BEGUIN Paul BILLARD Jean BK3UCHE Rudolphe BO ILLY Bénoni BONNEMAIN ' - an-loui s BONNOT Emest BRIDOUX Miche 1 SBTJYELLE Pierre CAPURON Alfred CAIXEZ Christian CHOQUET Marce 1 CORDONNIER Vincent CORTOIS Jean Economie Politique Mathématiques et Statistiques Géographie Mathématiques Pures Mécanique des Fluides Physique Mathématiques Zoologie Biologie Végétale Biologie Végétale Chimie Géograpt-,le et Aménagement Spatial Biolog:? mimale Analvse h~mérique Bioli~gLs ~ppliquée Infornat :que Phy-,icc.c FI [-O!., 'l ; -.i,:-l'aul.i ul!~.-..si r~~fre - fi, J diqueù FI.,. -L.\L+:s Mc - * i i+?iansrb M. I- id i\nciré y : s ~ ~ * ~ sicn - ) ~ ~ d, M. -ii:.l' ij:erre M, 1'7. Jciii:*fc:':~?i~~ e 4 M. M. M. HERvLGV ;.laurice M. HUA-D DE LA MARRI2 Pierre M. JOLf Robert M. JOU.WEL Gérard Mle KOS.IANN Yvette M, LABLACHE-COMBIER Alain M. LACOSTE Louis M. LAPIDAIS Jean M. LAURENT François M. LAVAGNE Pierre Mle LEGL'QID Sclange M. LEf?:f?:tliUK Daniel Mme LEIB.&UN Josiane M. LENTACKER Firmin M. LEROY Jean-Marie M. LER3Y Yves M. LWtNAFF René M. LOCQUENEUX Robert M. LOUAGE Francis M. LOUCHEUX Claude M. MAES Serge Mme MAILLET Monique M. WIZIEWS Christian M. MALAUSSENA Jean-Louis M. MESSELYN Jean M. MIGEON Michel M. MONTEL Marc Me MONTUELLE Bernard M. MUSSCHE Guy M. NICOLE Jacques M. OUZIAUX Roger M. PANET Marius M. PAQUET Jacques M. PARSY Fernand M. PONSOLLE Louis M. POVY Jean-Claude M. RACZY Ladislas Mme RENVERSEZ Françoise M. ROUSSEAU Jean-Paul M. ROYNETTE Bernard M. SALMER Georges Electr oterhnique L:L, L.,~nentation Physique A'nysrgue Chimie Psychophyç~c-,logie Génie Elel. t pi qüe Chimie Géographi~ Yathémat ii.e Soci~logi~ Chimie Sciefi~es ;:! mowaqiies Plathémat i Physiolog Physique Mathématiques Appliquées Biologie (Amiens) Physique Appliquée.,d;,atiques Chimie Générale Biologie Végétale Chimie Organique Automatique Gestion Mathématiques Mathématiques Mathématiques Géographie et Aménagement Spatial Chimie Electronique Géographie Physique Mesures Industrielles Chimie Macromoléculaire Physique Sciences Economiques Automatique Sciences Economiques Physique Instrumentation Chimique Physique Biologie Végétale Economie et Sociologie d'entreprises Chimie Analytique Construction Mécanique Physique Industrielle Géotechnique Mathématiques Appliquées Chimie (Valenciennes) Automatique non linéaire Physlque Industrielle et Radioélectricité Sciences Economiques Physiologie Animale Mathsrna t iques Radio-Electricité et Electronique M. SE(:UIER Guy M. SIIION Michel M. SMET Pierre M. SOMME Jean Mle SP [K Geneviève M. THOUS Daniel M. TOULOTTE Jean-Marc M. TREANTON Jean-René M, VANDORPE Bernard M. VILETTE Michel M. WATERLO'T Miche l Mrne ZI'JN JUSTIN Nicole Electronique Psychologie Physique Géographie Chimie Biologique Chimie Minérale Appliquée In ormat ique Psychologie Chimie Minérale Génie Mécanique Géologie Mathématiqrres A mes Parenfs TABLE DES -MA TIEREi' JI - DIL5'POS'fg'Ifi- E~;PERbME'IVTA I A- INS~ALI-A~~IOM!Nt RA ROUGE B- LE GUSDE D'ONDE C- INSTAi.fL4TION HYPERFREOIIEIVCE LSCI - ETCDBS,PREL.WINALIRES SUR L E BRCIMURE DE ME.?E? YI E 9 lv- LE McYILE'iC'Uki? DE PROT0.X YDE D'AZOTE A- NIVEAUX B'ENERGIE DE LA MOLECULE DE PROTOXYDE D'AZOTE B- ETUDE EXPERIMENTALE EN Fk3NCT1ON DE LA PRESSION 1 j Pressions supérieures à 1 Torr 2) F ressions ~nférieuwes à 1 Torr C- INTERPSETûT10N DES WESUI.TATÇ EXPER1MENTAUX 1) Pressions szt~érieu~s à i Torr 2) Pressions inférieures à 1 Torr V- LA MOI ECiJLE',DE BROMURE Di5 MFIPH4ir.E A- RECHERCHE DES COINGIDENCES B - RESULTATS EXPERlMENTA'UX 1) P~essions élevées 2).Pressions faibles ë- INTERPRETA'TIQ3N DES RESULTATS EXPEREMENTAUX L'étude des phénomènes liés à l'interaction d'un gaz soumis à deux rayonnements, i'un infra-rouge, l'autre hertzien,correspondant à deux transitions, respectivement de vibration rwgation et de rotation pure, de ce gaz,est récente puisque ce n'est qu'en 1967 que A.&? RONN et Q.R. LlDE publiaient les premiers travaux sur ce sujet. Ces expériences constituent un prorongement logique aux études de double - irradiation dans le domaine hertzien, en particulier dans le cadre d'une meilleure connaisspnce des mécanismes de relaxation dans!es gaz. Après un paragraphe consacré à I'instailation expérimentale propre à ce genre de manipulations, nous décrivons nos observations qui ont portées sur le protoxyde d'azote et le bromure de méthyle. Les s burces infra-rouge étant respectivement le laser a protoxyde d'azote et le laser à gaz carbonique. te premier cas présente l'avantage de disposer du même gaz dans le bser et dans Èa cellule d'absorptiori. Le protoxyde d'azote est alors irradié à la fréquence exacte de ses trahsitions, mais pour cette molécule qui est une toupie linéaire la valeur de 5 est voisine de 12,s GHz, les niveaux de rotation se séparent très fortement quand la valeur de J augmente et les limites de nos possibilités expérimentales en hyperfréquence sont très rapidement atteintes. D'autre part I'émission infra-rouge ayant lieu entre deux états excités de vibration rotation, l'énergie de l'état le pius bas étant supérieure à '1000 cm-', sa population est trop faible pour permettre une étude des transitions de rotation de cet état. Le deuxième cas pose le problème essentiel de la corncidence, c'est-&-dire le recou- vrement en fréquence de la raie d'absorption étudiée du bromure de méthyle et de la raie d'&mission du laser à gaz carbonique. Bien que ces deux dispositions soient différentes, les signaux détectés présentent une certaine analogie mais nous verrons que les mécanismes qui en sont la cause ne sont pas nécessairement comparables. Après une description des signaux hyperfréquence enregistres, nous proposons une explication qualitative pour chacune des dispositions étudiées. I - POSITION DU PROBIJEME ---- -, Par anal~gie avec les expériences de doubie irradiation hertzien - hertzien, nous appellerons fréquence de pompe l'émission infra-rouge et fréquence de sonde la fréquence hertzienne. Pour avoir quelques chances, de succès, les études de double irradiation avec obser- vation en ondes hertziennes et pompage en infra-rouge supposent un rayonnement de pompe de faibie largeur spectrale associée à une puissance d'émission impostante. Dans le domaine infra-rouge qui est celui de la transition de pompe, les sources classiques, peu nombreuses, ont pour la plupart des spectres très larges, ce qui ramène la puissance disponible par unité spectrale à des valeurs très faibles. Ces rayonnements ont, de part ia nature même de ces sources des étendues de faisceaux difficilement compatibles avec une introduction et une propagation convenable daris un guide d'onde hyperfréquence. Seul un laser évite ces inconvénients et répond aux exigences demandées. En effet, mis à part la faible divergence du faisceau qui facilite son utilisation, l'émission est pratique- ment monochromatique à l'intérieur d'un profil de gain (inférieure en largeur à quelques cen- taines de khz ) et ia puissance disponible sur cette faible étendue specttale peut atteindne plusieurs watts. Le laser à gaz carbonbque dont le domaine dp6mission est voisin de 1000 cm- 1 présente un dernier avantage qui est lié cette fors l'étude hyperfréquence. Sans entrer dans ie détail du processus d'interaction infra-rouge molecule, et si nous supposons que globalement ce processus fait intervenir le niveau fondamenta? et un niveau vibrationreilement excité de la molécule, la mise en évidence des modifications de population dans cet état excité situé vers IO011 cm-' dans l'échelle des énergies peut, dans certaines cond~tions, être envisagée par I'étiide des transitions de rotarim qui ne sont pas trop défavorisées par ie facteur de Boltzmtann correspondant à la température ordinaire. Nous venons de résumer les différents avantages offerts par le choix du laser a gaz catbonique en tant que rayonnement de pompe. II n'en subsiste pas moins une limitation essentielle pour le genre d'études entreprises : Les fréquences d'émission accessibies ne couvrent qu'une partie tres réduite du spectre. Les drfférentes raies de ce laser sont distantes d'en. viron 2 cm-', ce qui correspond à 60 GHz, alors que la largeur de la courbe de galn n'atterrit que qussques dizaines de MHz Cette remarque conditionne une partie importante des caractéristiques de la molécule étudiée. Dans le domaine infra-rouge, nous pouvons estimer les largeurs Doppler des raies à 60 MHz pour une molécule de masse moléculaire 10 et 28 MHz pour une masse molécu- 1 taire de 100. Fixons-nous 60 MHz ( 2/1800 cm^ ) comme ordre de grandeur de la distance maximale entre une raie d'émission du laser et une raie d'absorption di1 gaz nécessaire à l'ob. tention d'un effet résonant. Cette distance.correspond à un recouvrement partiel de ces deux raies. Pour que la lecture des spectres nous donne le renseignement souhaité, il faut que leur précision soit supérieure au cmm1. A queiques rares exceptions près, aux environs de 1000 cm-' les erreurs de pointé sont en général de Ibddre die cm.'. La simple confrontation des tables de mesure des raies de certaines molécules avec celles du laser à gaz carbonique ne peut être déterminante pour notre sélection. Une étude expérimentale systématique est indispensable pour affirmer ou non l'existence d'une coïncidence entre une raie d'émission du laser et une raie d%bsorption du gaz étudié. Une dernière condition doit être prise en considération. L.a coincldence doit être non seulement la meilleure possible mais aussi ia plus favorable, c'est-à-dire relative à une transition entre l'état fondamental et un état excsté, qui soit intense. Dans les spectres infrarouges, pour une branche de raies de rotation-vibration donnée, les transitions les plus importantes, pour les toupies symétriques, correspondent généralement à des valeurs de J égales ou supérieures à 20. Dans le spectre de rotation pure, ces niveaux sont à des fréquences difficilement accessibles avec se matériel hyperfréquence habituel et I'étude du niveau de départ de la pompe n'est pratiquevent pas possible. Nous sommes obligés dans ce cas de limiter l'observation aux différentes relaxations induites par le pompage. Pai contre, si la valeur de J correspondant à un des niveaux de la transition en résonance avec la pompe est plus faible, l'étude de la modification de population d'un de ces niveaux devrent directe. ment accessible. Nous voyons donc que le choix du laser comme source de pompe présente de réels avantages de puissance et de monochromaticité mais qu'il impose dans le cadre d'une étude de double irradiation un certain nombre d'exigences qui ne sont d%i!ieecrrs pas encore toutes résolues. A toutes ces caractéristiques imposées au gaz et nécessaires a son interaction avec le rayonnement infra-rouge s'ajoutent celles relatives à son interaction avec le layonnement hyperfréquence. En particulier, la molécule étudiée doit présenter un moment d~poiaire suffï- sant à la mise en évidence des variations d'intensité de raies traduisant les modifications de population de certains niveaux. D'autre part le spectre de la molécule doit permettre l'observation de plusieurs transitions dans le domaine des frdquences qui nous est accessible avec les techniques habituelles du laboratoire. A.M. RONN et D.R. LlDE [Il ont montré que ces exigences sont partiellement satisfaites pour la transition P 20 du laser à gaz carbonique et la transition (9) du bromure de méthyle : le niveau de départ de la transition résonant avec la pompe étant le niveau J =9, K = 1 de l'état fondamental de li molécule. II - DISPOSITIF EXPERIMENTAL Dans l'installation complète, nous distinguons essentiellement trois parties : - L'installation infra-rouge - te guide d'onde - L'installation hyperfréquence A- INSTALLAWiIBN INFRA-ROUGE... La source infra-rouge est un laser a gaz carbonique dont la description complète figure dans le rapport de J. HOURIEZ [2]. Rappelons simplement que ce laser émet sur une centaine de raies comprise entre 9 et 11 p. La puissance maximale disponible est de quelques dizaines de watts. La même installation permet un effet laser sur le protoxyde d'azote. Le nombre de raies d'émission est alors moins important et leurs intensitds notablement plus faibles. Pour sélectionner les différentes raies, l'accord de la cavité est modifié par la rotation, soit d'un réseau, soit d'un miroir placé derriere un prisme de déviation. La frdquence peut. être balayée dans les limites du contour d'émission d'une raie par variation de!a longueur géométrique de la cavité à l'aide d'une céramique piézoélectrique. La stabilité relative de cette fréquence est volsine de ~ Le ~ rayonnement de pompe est modulé mécaniquement par tout ou rien (ssx fréquences comprises entre 18,15 et 225 Hz). Dans un premier temps, le modulateur a été irstalié à proximité de I'entrée du guide d'onde. Le trou de couplage à l'entrée de ce guide n'est pas sous coupure pour le rayonnement hertzien qui est alors réfiéchi sur les pale?; du disque. La modulation Induire par cetle réflexion sui le sqnal de sonde est tres importante et ne Desrnet plus la dérecfion des signaux de double irradraticrn. De modula- teur a dan: été Installé dans la cavité ce qui a pour effet de drminuer tres foriei-erit les temps ae commutation de la porrrpe polir une fréquence de hachage donnée et une meme vitesse de mtation du disque ( figure 1 ), mais aiors apparaît à la mise en marche un régime transitoire. Le contrôle de l'émission infra-rouge est réalis6 à i'aide d'un monccl.rromateur ( HUET M65) suivi &un détecteur i Ge - Au de la C.Ç.F ) refrordi à P%zote liquide. 8 - LE GUIDE D'ONDE La celiule où a lieu I3nteraction doit permettre la propagation de deux rayonnements don? ies fréquences sont trés différentes et les problèmes posés sont doubles. Cette cellule est cons- rituée par un guide d'onde de la bande X ( KG 52 LI ). SE longueur totale est de 17 metres et pour des questions d'encombrements, e6le est composée de trois tronçons rectilignes drsposés en rorrne de U ( figure 2 1. La liaison entre ces ttonçons est réalisée par des coudes à pans coupés dorés intérieurement pour réfléchir convenablement le rayonnement infra-rouge. D'autre part, 3a divergence du faisceau laser est telle que 3 mètres après son *ntsoduction, ii occupe toute la sectiot? du guide. Pour linr~ter les pertes au niveau des réfiexions sur ies parois, l'alignement optique et les surfaces intérieu -es de la cellule ont été partici1li8rerr1eni soignés, Le meilange et la séparation des deux rayonnements skopere sua des coudes à pans coupes fermes par une denétre en chlorure de sodium ( figure 3 ). L'angle d'incidence du rayonnernent infra-rouge sur ces fenétres est de 45' alors que l%ngle de Brewster est de 58'. Ir en résulte une r6flexlon partielle de 10 '% pour Bes deux faces. i onde hypertr6quence introduite dans le coonde est par contre réliéchie sur la fen&tre avec une attenuation de 3 db Nous avons litmith cette atténuation à '93 db en collant sur le chlorure de sodium une mince lame ~ t cuivre! percée d'un troii crrcujaire de 6 mm de diamètre. Au nrveau (Ira coude de sortie, le faisceau infra-rouge occupe toute la sectiatl du gurde et I'a~ténuati~n n pas pu être iimitee. Amsi constituiae, l'a!ténuat;an totale de la celluie pour l'onde hyperdr6quence est inférieure à 8 db. Ce nwde de couplage adoptée atissi bien en melange qu'en séparation perrner: un corttr6le de!a puissance de pompe aprés traversée de la ceilule. 31 est à noter qu%a*ciine modrtica- Iion de sensibflite de t'antenne déeectiice causée oar une densité importante de rayonnement infra-!auge rkfléchie sur la fenêtre de soirie n'a été décelee. choppage intérieur a la cavité Fiire 1: Temps de commutation de la pompe. - synchrone, l enregistreur balayage opto. J monochromateur detecteur Ge-AU ampli. J O alimentation l - t loser CO2 - F m 2: Disposition de l'installation expérimentale. fenêtre lame Cu - infra-rouge et hyperfréquence. Figure 3 : Coude a pan coupe utilise pour le mélange des rayonnements Le gaz étudié est introcsu-t par uri sas pr&s du coude d'entrée de?a ceriuie. Le groupe de pompage est drscosé à l'autre extrémité I?n robinet pointeau rend possrbie lin Bcobf~rwni permanent. Dans ces condittons,?a pression et Ileç arnp\itudes des deux rayonnements cnt Ie nrême sens de variation le long de la ceiluie. '-'emploi de jauges électriques de tyoe Piranr utilisée
Related Search
Similar documents
View more
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks
SAVE OUR EARTH

We need your sign to support Project to invent "SMART AND CONTROLLABLE REFLECTIVE BALLOONS" to cover the Sun and Save Our Earth.

More details...

Sign Now!

We are very appreciated for your Prompt Action!

x