FR2504264A1 - Sweep system for spectral analysis in optical region - uses photomultipliers mounted behind secondary slits on Rowland circle with primary slit and concave optical system - Google Patents

Abstract

A arrangement uses a series of secondary slits which are mounted on a Rowland circle with a concave system and the primary slit. Luminous detectors in the form of photomultipliers are located behind the secondary slits. A mark allows only light to enter a photomultiplier from a narrow slit facing a secondary slit. The photo multiplier has a photocathode which is aligned with the concave system. As the primary slit is moved, the spectral displacement occurs. This movement is controlled from a calculator which also controls the position of the photomultiplier, the photo multiplier is mounted on a cam in order that its axis remains aligned with the centre of the concave system.

Description

La présente invention a trait à un procédé de balayage d'un spectre dans le domaine des longueurs d'ondes allant de 150 à 800 nm, c'est-à-dire dans le visible, le proche infra-rouge et le proche ultra-violet. L'invention concerne aussi un appareil de balayage selon le procédé, ainsi que l'utilisation d'un tel appareil à des fins d'analyse spectrale. The present invention relates to a method of scanning a spectrum in the range of wavelengths ranging from 150 to 800 nm, that is to say in the visible, near infrared and near ultra- purple. The invention also relates to a scanning apparatus according to the method, as well as to the use of such a device for spectral analysis purposes.

L'analyse d'un spectre nécessite le balayage de celui-ci, généralement derrière une fente afin d'isoler la longueur d'onde ou raie spectrale que précisément on veut étudier. Le balayage revient donc à déplacer le dispositif mécanique porteur de la fente, ainsi que l'analyseur de lumière qui lui est associé, sur toute la longueur du spectre. L'appareil effectuant ce type d'analyse s'appelle un monochromateur à balayage. Ce déplacement est réalisé pas à pas, un positionnement précis étant nécessaire de façon à bien discriminer la longueur d'onde désirée à côté de ses voisines, et à laisser un laps de temps suffisant au détecteur de lumière pour remplir sa fonction. Au lieu de déplacer la fente, on peut d'ailleurs faire tourner l'élément de dispersion, prisme ou réseau. The analysis of a spectrum requires the scanning of it, generally behind a slit in order to isolate the wavelength or spectral line that precisely one wants to study. Scanning therefore amounts to moving the mechanical device carrying the slit, as well as the light analyzer associated with it, over the entire length of the spectrum. The device performing this type of analysis is called a scanning monochromator. This displacement is carried out step by step, precise positioning being necessary so as to clearly discriminate the desired wavelength next to its neighbors, and to leave sufficient time for the light detector to fulfill its function. Instead of moving the slot, you can also rotate the dispersing element, prism or network.

Dans d'autres types d'appareils, les polychromateurs, le spectre est étudié pour certaines longueurs d'ondes seulement à l'aide de fentes fixes dont la position correspond à celles-ci. Chaque fente peut être alors associée à son propre détecteur de lumière. In other types of apparatus, polychromators, the spectrum is studied for certain wavelengths only using fixed slits whose position corresponds to these. Each slot can then be associated with its own light detector.

On voit donc que ces appareils, qu'ils soient monochromateurs ou polychromateurs, présentent les défauts inhérents à leur structure. Dans le premier cas, la course pas à pas tout au long du spectre, c'est-à-dire son analyse complète, ne peut excéder pour des raisons mécaniques 10 000 à 20 000 pas par seconde. Or, pour que la résolution soit suffisante, le nombre de pas doit être élevé, de l'ordre de 400 000 à 500 000. Dans le deuxième cas, il est clair que seule l'analyse de raies spectrales choisies et prédéterminées est possible. We therefore see that these devices, whether monochromators or polychromators, have the inherent defects in their structure. In the first case, the step-by-step race along the spectrum, that is to say its complete analysis, cannot for mechanical reasons exceed 10,000 to 20,000 steps per second. However, for the resolution to be sufficient, the number of steps must be high, of the order of 400,000 to 500,000. In the second case, it is clear that only the analysis of selected and predetermined spectral lines is possible.

L'invention s'affranchit des contraintes précitées en permettant la réalisation d'appareils à grande vitesse et haute résolution. Elle concerne un procédé de balayage dans le domaine des longueurs d'ondes allant de 150 à80O nm, consistant à former le spectre d'un rayon lumineux à l'aide d'un réseau concave,l'entrée du rayon lumineux, le réseau concave et le spectre étant situés sur un cercle dit de Rowland, caractérisé par le fait qu'on balaie le spectre par sauts successifs correspondants à des positions, donc des longueurs d'ondes discrètes, les longueurs d'ondes intermédiaires entre deux positions consécutives étant balayées en déplaçant l'entrée du rayon lumineux. The invention overcomes the above constraints by allowing the production of high speed and high resolution devices. It relates to a scanning method in the field of wavelengths ranging from 150 to 80 nm, consisting of forming the spectrum of a light ray using a concave network, the entry of the light ray, the concave network and the spectrum being located on a so-called Rowland circle, characterized by the fact that the spectrum is scanned by successive jumps corresponding to positions, therefore discrete wavelengths, the intermediate wavelengths between two consecutive positions being scanned by moving the entry of the light beam.

Rappelons que les longueurs d'ondes de 1500 à 8000 nm correspondent au domaine visible, au proche infrarouge et au proche ultra-violet. Recall that the wavelengths from 1500 to 8000 nm correspond to the visible range, the near infrared and the near ultraviolet.

L'invention concerne aussi un appareil de balayage qui comprend comme entrée du rayon lumineux une fente primaire, un réseau concave et une série de fentes secondaires fixes. La fente primaire, le réseau concave et les fentes secondaires sont situés sur le cercle de Rowland, selon un type de montage connu sous le nom de Paschen Runge. La fente primaire est déplaçable de façon à permettre le décalage spectral d'au moins la valeur correspondant à l'écart entre deux fentes secondaires successives. The invention also relates to a scanning apparatus which comprises, as an entrance to the light beam, a primary slit, a concave network and a series of fixed secondary slits. The primary slit, the concave network and the secondary slits are located on the Rowland circle, according to a type of arrangement known as the Paschen Runge. The primary slot is movable so as to allow the spectral shift of at least the value corresponding to the difference between two successive secondary slots.

Un tel appareil peut constituer l'élément clé d'un appareil d'analyse. La lumière à analyser, après passage dans un système optique approprié, entre par la fente primaire Derrière les fentes secondaires se positionnent par sauts successifs, un ou plusieurs détecteurs de lumière, par exemple des photo-multiplicateurs. Ceux-ci peuvent d'ailleurs être associés à un calculateur de façon à affiner encore la résolution. Such an apparatus can constitute the key element of an analysis apparatus. The light to be analyzed, after passing through an appropriate optical system, enters through the primary slit Behind the secondary slits, one or more light detectors are positioned by successive jumps, for example photo-multipliers. These can also be associated with a computer so as to further refine the resolution.

De son côté, la fente primaire est déplacée, en continu ou pas à pas, sur une course totale de l'ordre de grandeur du millimètre ou de l'écart entre deux fentes secondaires, de façon à analyser les longueurs d'ondes intermédiaires quand l'analyseur de lumière est positionné derrière une fente secondaire.For its part, the primary slit is moved, continuously or step by step, over a total stroke of the order of magnitude of a millimeter or the gap between two secondary slits, so as to analyze the intermediate wavelengths when the light analyzer is positioned behind a secondary slit.

La fente primaire, donc l'entrée du rayon lumineux, peut être déplacée sur un c6té seulement pour revenir à sa position de départ après être venue en butée. Avantageusement, elle est déplacée sur les deux côtés, de part et d'autre d'une position neutre de référence. The primary slit, therefore the entry of the light beam, can be moved on one side only to return to its starting position after coming into abutment. Advantageously, it is moved on both sides, on either side of a neutral reference position.

Selon un mode d'éxecution préféré, le réseau concave comporte 500 à 3000 traits / mm, Le détecteur de lumière se déplace derrière les fentes secondaires, au nombre de 250 distantes d'environ 2 mm par exemple, avec une précision de positionnement suffisante, de l'ordre de 1/5000 de sa course, celle-ci étant, par exemple, de l'ordre de 50 centimètres. La course de la fente primaire est de l'ordre du millimètre, avec une reproductibilité correspondant à 1B. Dans le cas d'un mouvement pas à pas, la fente primaire peut se déplacer de 1000 pas, soit 1/1000 de la course. According to a preferred embodiment, the concave network comprises 500 to 3000 lines / mm, the light detector moves behind the secondary slots, 250 in number being approximately 2 mm apart, with sufficient positioning precision, of the order of 1/5000 of its stroke, this being, for example, of the order of 50 centimeters. The stroke of the primary slit is of the order of a millimeter, with a reproducibility corresponding to 1B. In the case of a step-by-step movement, the primary slot can move 1000 steps, or 1/1000 of the stroke.

Ces valeurs sont données à titre d'exemple pour un spectromètre d'environ 1 m de focale et peuvent varier selon celle-ci.These values are given by way of example for a spectrometer of approximately 1 m focal length and may vary depending on this.

En toute rigueur, le déplacement de la fente doit s'effectuer sur le cercle de Rowland mais il ressort des valeurs indiquées ci-dessus et des calculs théoriques qui en découlent qu'elle peut être tout aussi bien déplacée sur la tangente au cercle, les erreurs introduites étant insignifiantes. En pratique, c'est cette solution qu'on adopte, surtout si la fente primaire est déplacée de part et d'autre de sa position neutre, dite position de référence, qui correspond à l'alignement parfait avec la source. Strictly speaking, the displacement of the slit must be carried out on the Rowland circle but it emerges from the values indicated above and from the theoretical calculations which result from it that it can be just as well displaced on the tangent to the circle, the errors introduced being insignificant. In practice, it is this solution that is adopted, especially if the primary slit is displaced on either side of its neutral position, called the reference position, which corresponds to perfect alignment with the source.

L'invention est illustrée sur le dessin annexé, donné à titre d'exemple. The invention is illustrated in the accompanying drawing, given by way of example.

La figure 1 est une représentation schématique d'un appareil d'analyse mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. FIG. 1 is a schematic representation of an analysis apparatus implementing the method according to the invention.

La figure 2 représente, en relation avec le déplacement de la fente primaire, le schéma de principe du balayage, entre une fente secondaire n-2 et une fente secondaire n+2, et les longueurs d'ondes correspondantes A, soit An 2 à van+2.  FIG. 2 represents, in relation to the displacement of the primary slit, the principle diagram of the scanning, between a secondary slit n-2 and a secondary slit n + 2, and the corresponding wavelengths A, ie An 2 to van + 2.

Sur la figure 1, on a représenté le cercle de Rowland 1 et la série de fentes secondaires 2 fixées sur celui-ci. In Figure 1, there is shown the Rowland circle 1 and the series of secondary slots 2 fixed thereon.

Le réseau concave 3 est également sur le cercle de Rowland 1, ainsi que la fente primaire 4. En 5 est représenté l'axe optique primaire, en 6 l'angle d'incidence et en 7 la normale au réseau 3. Pour fixer les idées, on a figuré en 8 un photo-multiplicateur, muni d'un masque 9 de façon à ne laisser entrer la lumière que par une fente étroite située en regard d'une fente secondaire. Ce photo-multiplicateur 8 est muni d'une photo-cathode 10; l'axe d'alignement avec le réseau concave 3 est représenté en 11. Le domaine 12 représente la course de déplacement de la fente primaire, ainsi que le déplacement spectral correspondant. Enfin, on a figuré en 13 la course du photo-multiplicateur 8.The concave grating 3 is also on the Rowland circle 1, as well as the primary slit 4. In 5 is represented the primary optical axis, in 6 the angle of incidence and in 7 the normal to the grating 3. To fix the ideas, there has been shown at 8 a photo-multiplier, provided with a mask 9 so as to let in the light only through a narrow slit situated opposite a secondary slit. This photo-multiplier 8 is provided with a photo-cathode 10; the alignment axis with the concave grating 3 is shown at 11. The domain 12 represents the displacement path of the primary slit, as well as the corresponding spectral displacement. Finally, we have figured in 13 the race of the photo-multiplier 8.

On voit bien sur cette figure qu'à un déplacement de la fente primaire 4 indiqué ici vers le haut, correspond un déplacement spectral indiqué ici vers le bas. On passe ainsi des positions matérialisées par des traits interrompus aux positions matérialisées par des traits pleins. We can clearly see in this figure that a displacement of the primary slit 4 indicated here upwards corresponds to a spectral displacement indicated here downwards. We thus pass from positions materialized by broken lines to positions materialized by solid lines.

Dans cette forme d'exécution, l'amplitude maximale du déplacement de la fente primaire dans un sens et dans l'autre correspond sensiblement à la demi-différence de la distance entre deux fentes secondaires. Ainsi lorsque le photo-multiplicateur est positionné derrière une fente secondaire 2, la fente primaire 4 est susceptible de se déplacer tangentiellement de chaque côté autour de sa position neutre de référence. De la sorte, les demi-distances de chaque côté d'une fente secondaire 12 sont balayées. In this embodiment, the maximum amplitude of the displacement of the primary slit in one direction and in the other corresponds substantially to the half-difference of the distance between two secondary slits. Thus, when the photo-multiplier is positioned behind a secondary slot 2, the primary slot 4 is capable of moving tangentially on each side around its neutral reference position. In this way, the half-distances on each side of a secondary slot 12 are scanned.

Ceci est expliqué sur la figure 2, pour les fentes secondaires 2 de rang n-2 à n+2. La ligne sur les fentes indique quelles sont les longueurs d'ondes discrètes qui y correspondent, À n-2 à An+2 tandis qu la première ligne en-dessous indique quels sont les champs de longueurs d'ondes susceptibles d'être balayés quand la fente primaire 4 est déplacée de part et d'autre de sa position neutre. Ceci est d'ailleurs représenté parle diagramme en dents de scie représentéimnediatement en-dessous et a igné verticalement. Enfin, en bas, on trouve, toujours en représentation schématique, les sauts successifs du photo-multiplicateur, entre les pas de rang n-2 et de rang n+2. This is explained in FIG. 2, for the secondary slots 2 of rank n-2 to n + 2. The line on the slots indicates which discrete wavelengths correspond to it, À n-2 to An + 2 while the first line below indicates which wavelength fields are likely to be scanned when the primary slot 4 is moved on either side of its neutral position. This is moreover represented by the sawtooth diagram represented immediately below and ignited vertically. Finally, below, we find, still in schematic representation, the successive jumps of the photo-multiplier, between the steps of rank n-2 and of rank n + 2.

En variante avantageuse, on dispose deux photo-multiplicateur, de courses, donc de domaines spectraux différents, mais se chevauchant. In an advantageous variant, there are two photo-multipliers, of races, therefore of different spectral domains, but overlapping.

Il est important de signaler ici que les détecteurs de lumière et les fentes secondaires doivent rester sur le même axe, orientés vers le centre du réseau concave. Si tel n'était pas le cas, les mesures seraient très vite faussées puis, totalement impossibles, l'analyseur de lumière n'étant plus, à travers l'ouverture du photo-multiplicateur, aligné avec la fente secondaire derrière laquelle il se trouve. It is important to point out here that the light detectors and the secondary slits must remain on the same axis, oriented towards the center of the concave network. If this were not the case, the measurements would very quickly be distorted then, completely impossible, the light analyzer no longer being, through the opening of the photo-multiplier, aligned with the secondary slot behind which it is located .

On réalise cet alignement rigoureux et précis en montant le ou les photo-multiplicateurs sur un dispositif d'orientation quelconque, actif (alignement photométrique par exemple) ou passif (une came par exemple).  This rigorous and precise alignment is carried out by mounting the photo-multiplier (s) on any orientation device, active (photometric alignment for example) or passive (a cam for example).

Un tel appareil est susceptible de faire des analyses pour des spectres d'ordre quelconque, le facteur limitant n'étant que la quantité de lumière reçue par le photo-multiplicateur. On analyse de préférence les spectres d'ordre 1. En outre, si on dispose d'un réseau concave possédant un double gravage ou un gravage multiple, réalisé par exemple par des moyens mécaniques ou holographiques, on obtiendra, au même endroit, soit sur la même série de fentes secondaires, deux spectres superposés du même ordre. Such an apparatus is capable of making analyzes for spectra of any order, the limiting factor being only the quantity of light received by the photo-multiplier. The spectra of order 1 are preferably analyzed. Furthermore, if there is a concave network having a double engraving or a multiple engraving, produced for example by mechanical or holographic means, one will obtain, in the same place, either on the same series of secondary slits, two superimposed spectra of the same order.

Ceci signifie qu'il est possible d'analyser, toujours,à l'aide de la même série de fentes secondaires, deux ou plusieurs domaines de longueurs d'ondes différents. Dans ce cas, on utilise des photo-multiplicateurs sensibles à un domaine de longueurs d'ondes et pas à l'autre, et vice-versa. En variante, on peut utiliser un photo-multiplicateur "universel", mais en interposant des filtres appropriés. This means that it is possible to analyze, always, using the same series of secondary slits, two or more domains of different wavelengths. In this case, photo-multipliers sensitive to one wavelength domain and not to the other are used, and vice versa. As a variant, it is possible to use a "universal" photo-multiplier, but by interposing appropriate filters.

Un calculateur peut piloter le déplacement et le positionnement de la fente primaire et des détecteurs de lumière. A computer can control the movement and positioning of the primary slit and the light detectors.

Les appareils d'analyse fonctionnant conformément au procédé selon l'invention peuvent s'appliquer aussi bien à la spectroscopie par émission qu'à la spectroscopie par absorption. Ils trouvent une large application, tant dans le domaine de la recherche que dans le domaine du contrôle industriel. Comme on le sait, l'intensité d'une raie spectrale est en première approximation proportionnelle à la concentration de l'élément chimique émetteur. The analysis apparatus operating in accordance with the method according to the invention can be applied to both emission spectroscopy and absorption spectroscopy. They find wide application, both in the field of research and in the field of industrial control. As we know, the intensity of a spectral line is at first approximation proportional to the concentration of the emitting chemical element.

On peut ainsi doser, en métallurgie par exemple, les différents constituants d'un alliage. On peut également, toujours à titre d'exemple, contrôler le fonctionnement d'une station d'épuration des eaux usées en mesurant la concentration d'éléments-traces, par exemple des métaux, dans les effluents. It is thus possible to dose, in metallurgy for example, the different constituents of an alloy. One can also, again by way of example, control the operation of a wastewater treatment plant by measuring the concentration of trace elements, for example metals, in the effluents.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Procédé de balayage d'un spectre dans le domaine1. Method for scanning a spectrum in the field des longueurs d'ondes allant de 150 à 800 nm, con wavelengths ranging from 150 to 800 nm, con sistant à former le spectre d'un rayon lumineux à sistant to form the spectrum of a light ray to l'aide d'un réseau concave, l'entrée du rayon lumi using a concave network, the entry of the lumi ray neux, le réseau concave et le spectre étant situés neux, the concave network and the spectrum being located sur un cercle dit de Rowland, caractérisé par le fait on a so-called Rowland circle, characterized by the fact qu'on balaye le spectre par sauts successifs corres that we sweep the spectrum by successive jumps pondant à des positions, donc des longueurs d'ondes spawning at positions, therefore wavelengths discrètes, les longueurs d'ondes intermédiaires entre discrete, the intermediate wavelengths between deux positions consécutives étant balayées en dépla two consecutive positions being swept in displacement gant l'entrée du rayon lumineux. glove entering the light beam. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par2. Method according to claim 1, characterized by le fait que l'entrée du rayon lumineux est déplacée the fact that the entry of the light beam is displaced de part et d'autre d'une position neutre de réfé on either side of a neutral referral position rence. rence. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par3. Method according to claim 2, characterized by le fait que l'entrée du rayon lumineux est déplacé the fact that the entry of the light ray is moved tangentiellement au cercle de Rowland. tangentially to the Rowland circle. 4. Appareil de balayage pour la mise en oeuvre du procé4. Scanning device for implementing the process dé selon la revendication 1, comprenant The die of claim 1, comprising a) comme entrée du rayon lumineux une fente primaire (4), a) as the entry of the light ray a primary slit (4), b) un réseau concave (3), b) a concave network (3), c) une série de fentes secondaires fixes (2), c) a series of fixed secondary slots (2), la fente primaire (4), le réseau concave (3) et les the primary slot (4), the concave network (3) and the fentes secondaires (2) étant situés sur un cercle secondary slots (2) being located on a circle dit de Rowland (1), caractérisé par le fait que la said of Rowland (1), characterized by the fact that the fente primaire (4) est déplaçable de façon à permet  primary slot (4) is movable to allow tre le décalage spectral d'au moins la valeur cor be the spectral shift of at least the value cor respondant à l'écart en deux fentes secondaires suc responding to the gap in two secondary slots suc cessives. stops. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par5. Apparatus according to claim 4, characterized by le fait que la fente primaire (4) est déplaçable pas the fact that the primary slot (4) cannot be moved à pas. step by step. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par6. Apparatus according to claim 4, characterized by le fait que le réseau concave (3) est un réseau dou the fact that the concave network (3) is a dou ble ou multiple obtenu par gravage mécanique ou ho ble or multiple obtained by mechanical engraving or ho lographique. lographic. 7. Utilisation de l'appareil de balayage selon la reven7. Use of the scanning device according to the income dication 4 pour l'analyse spectrale, caractérisée dication 4 for spectral analysis, characterized par le fait qu'elle lui associe une source de lumiè by the fact that it associates a light source with it re à analyser, localisée sur la fente primaire (4), et re to analyze, located on the primary slit (4), and au moins un détecteur de lumière pouvant se position at least one light detector that can be positioned ner successivement derrière les fentes secondaires (2), ner successively behind the secondary slots (2), une position derrière une fente secondaire donnée per a position behind a secondary slot given by mettant l'analyse de la longueur d'onde correspondante, putting the analysis of the corresponding wavelength, ainsi que des longueurs d'ondes voisines par déplace as well as neighboring wavelengths per displacement ment de la fente primaire (4) et du système optique the primary slit (4) and the optical system qui lui est associé, en sorte que tout le spectre puis associated with it so that the whole spectrum then se être analysé. to be analyzed. 8. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée8. Use according to claim 7, characterized par le fait que le détecteur de lumière est un pho by the fact that the light detector is a pho to-multiplicateur (8) monté sur une came pour que to-multiplier (8) mounted on a cam so that son axe reste aligné sur le centre du réseau concave (3). its axis remains aligned with the center of the concave network (3). 9. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée par9. Use according to claim 7, characterized by le fait qu'au(x) photo-multiplicateur(s) (8) est asso the fact that at (x) photo-multiplier (s) (8) is associated cié un calculateur.  cie a calculator. 10. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée10. Use according to claim 7, characterized par le fait que le positionnement du ou des photo by the fact that the positioning of the photo (s) multiplicateurs (8) et de la fente primaire (4) est multipliers (8) and the primary slot (4) is piloté par un calculateur.  controlled by a computer.