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SARA : Analyseur laser de traces de gaz


Daniele ROMANINI


Le contrôle de l’environnement nécessite l’analyse d’espèces chimiques en faible concentration. Ce même besoin existe dans les domaines industriel, médical, agroalimentaire... Notre méthode utilisant une diode laser et un piège à lumière (résonateur optique) permet de quantifier en temps réel (1s) les traces de plusieurs molécules : entre autres celles responsables de l’effet de serre, certains polluants atmosphériques, ou encore certains produits du métabolisme humain que l’on retrouve dans le souffle...

La technique

La méthode de Spectroscopie par Amplification Résonante d’Absorption(*) - SARA - permet un chemin d’absorption > 10 km avec un montage optique simple et compact. Notre implémentation de cette méthode, qui exploite la rétroaction optique, est protégée par 2 brevets. Comparée aux méthodes concurrentes, notamment celles basées sur l’absorption laser en cellule multi-passage, un chemin d’absorption 100 fois supérieur est obtenu dans un volume 100 fois inférieur.
(*) aussi : « Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy »



Deux méthodes de mesure ultra sensibles exploitées en même temps dans nos instruments...



Schéma expérimental pour SARA (physique complexe, montage très simple)



Performances

 

 


Avec le LSCE, nous avons comparé un appareil SARA pour le méthane avec un chromatographe (calibré toutes les 30 minutes). La mesure était effectuée sur l’air ambiant. L’accord est resté de 1% pendant 11 jours avec une seule calibration initiale de notre appareil.
Ci-contre, un extrait (1 jour) d’une série d’essais du même type pour le monoxyde de carbone, CO. L’accord est resté à mieux que 10 ppb sur presqu’un mois de mesures.
La réponse linéaire pour la mesure des concentrations par SARA a été démontrée sur une plage dynamique de 2 décades. La plage dynamique disponible peut excéder 4 décades.

 

 


Mesures embarquées sur avion


La compréhension de l’origine de la (très faible) teneur en vapeur d’eau de la stratosphère constitue aujourd’hui un enjeu majeur. Les rapports isotopiques d’une espèce dépendent de son mécanisme de formation. Leur mesure permet donc de remonter aux origines de l’espèce. Un transfert de la technologie SARA vers le CIO a eu lieu pour permettre une mesure des rapports isotopiques de l’eau directement dans la stratosphère. Après des vols d’essai en 2004-2005 avec la NASA, un appareil a finalement fonctionné sur l’avion stratosphérique Européen Geophysica au Burkina Faso (campagne AMMA 2006). Photos et résultats ci-dessous.





Un autre enjeu est la surveillance des gaz à effet de serre tel que méthane, CO2 et CO : en 2004, à bord du DC8 de la NASA, un appareil SARA a enregistré la concentration du méthane. Le pic de méthane visible sur la figure à droite est associé au passage (à basse altitude) près d’un élevage de bovins...



Avec le LSCE, des mesures aéroportées de CO au dessus de la forêt d’Orléans ont été effectuées en 2006. Ici on compare les données SARA en temps réel (trace jaune) avec les résultats d’un chromatographe (cercles) obtenus sur 11 échantillons prélevés au cours du vol.



Limites de détection par espèce



Acide fluorhydrique


Les inspecteurs de la IAEA ont besoin d’outils performants pour la surveillance de sites suspects dans les pays soumis au traité de non-prolifération.
Les fuites d’UF6, utilisé dans les usine de séparation isotopique, produiraient rapidement du HF dans l’air. Avec le CEA, un système portable pour le détecter est à l’étude.




Emissions volcaniques


Collaboration avec l’Université Naples 2 : Essais de mesure de traces dans l’émission d’une fumerole du volcan Solfatara.
Perspective : détecter les changements dans la chambre magmatique d’un volcan et prédire ses éruptions. Un laser à 2.3 µm a permis de mesurer en parallèle CH4, CO et NH3.


 


Collaborations :
- CEA : DEN/DPC Service de Chimie Physique (Saclay, FR) ;
- CIO : Centre de Recherche des Isotopes, Univ. Groningen (NL) ;
- LSCE : Lab. Sciences du Climat et de l’Environnement - CEA/CNRS (Saclay, FR) ;
- NASA : Bay Area Environmental Research Institute, Californie (USA) ;
- Univ. Naples 2 : Department of Environmental Science (IT).

Nos publications sur le sujet :

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