Interaction lumière/particule(s)

Mesure optique des caractéristiques de milieux
particulaires
Cosmétique et Photonique
Québec, 6-9 juillet 2016
Claude Rozé
CORIA-UMR 6614, CNRS, Université et INSA de Rouen
Généralités
In-situ
La mesure est effectuée directement dans le milieu
Pas de prélèvement des particules à effectuer.
Mesures optiques (SAXS, extinction, diffusion, …)
En ligne
Les particules sont prélevées de leur milieu naturel,
mais la mesure se fait en temps réel.
Ces analyses se font majoritairement en phase gaz (pas de
dépôt sur substrat).
Granulométrie SMPS, masse par microbalance…
Ex-situ
Les particules extraites de leur milieu sont déposées sur
substrat pour une analyse ultérieure.
Pesée gravimétrique, composition chimique,
microscopie électronique…
Généralités
Propriétés à mesurer : taille, forme, nature chimique (composition), température, etc.
Dépend du milieu porteur :
• Gaz (aérosol)
• Liquide
• Solide
Dynamique de mesure :
© Horiba
La taille : exemple des agrégats
An example of TEM image of diesel soot
J. Yon, R. Lemaire, E. Therssen, P. Desgroux, A. Coppalle, K.F. Ren. Examination of wavelength dependent soot optical properties
Grandeurs caractéristiques
Mesure optique : l’échelle de mesure est la longueur d’onde. On définit le paramètre
de taille par :
𝜋𝑑
𝛼=
𝜆
𝜑𝑠𝑐𝑎
𝐸
𝜑𝑎𝑏𝑠
Éclairement : 𝐸 (W/m2)
Flux absorbé : 𝜑𝑎𝑏𝑠 (W)
Flux diffusé dans tout l’espace : 𝜑𝑠𝑐𝑎 (W)
Section efficace de diffusion : 𝐶𝑎𝑏𝑠 =
𝜑𝑎𝑏𝑠
𝐸
Section efficace d’absorption : 𝐶𝑠𝑐𝑎 =
𝜑𝑠𝑐𝑎
𝐸
Section efficace d’extinction : 𝐶𝑒𝑥𝑡 = 𝐶𝑠𝑐𝑎 + 𝐶𝑎𝑏𝑠
Fonction de phase 𝑓 𝜃, 𝜑 : répartition spatiale du flux
Mesure par extinction
La quantité de lumière transmise à travers un milieu diffusant de longueur 𝑍 est :
𝐼 𝜆 = 𝐼0 𝜆 exp −𝑁 𝐶𝑒𝑥𝑡 𝜆, 𝑑 𝑍
Ren et al, 2010
Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS)
A. Abo Riziq, C. Erlick, E. Dinar, and Y. Rudich, Optical properties of absorbing and non-absorbing aerosols
retrieved by cavity ring down (CRD) spectroscopy. Atmos. Chem. Phys., 7, 1523–1536, 2007.
Mesure à partir de la fonction de phase
diffraction
Mesure à partir de la fonction de phase
Informe sur la
morphologie
Informe sur
la taille
Exemple de diffusion angulaire d’un ensemble
d’agrégats (suies)
Diffractométrie
Diffractométrie
Gamme des tailles mesurables:
– dépend de la focale de la lentille de Fourier, et de la dimension du
capteur.
– la longueur de la zone de mesure est directement liée à la focale.
Diffractométrie
Exemple du Spraytec (Malvern) :
• gamme des diamètres 0.5-200 μm à 2.25-850 μm
• zone de mesure de 150 à 675 mm
• concentration : obscuration (extinction) de 2% à 95% avec correction des effets de la
diffusion multiple
• précision : 3%, reproductibilité: 0.5%
• taux d’acquisition maximal : 2.5 kHz
Dynamic light scattering
Dynamic light scattering
© F. Onofri, IUSTI, Marseille
Utilisation de la lumière polarisée
PSG: polarization state generator
PSA: polarization state analyzer
Matrice de Müller
Jalpa Soni, PhD thesis, IISER Kolkata, India
Conclusion
Méthodes optiques :
• Non intrusives
• Bas coût (parfois !)
• Nécessite parfois une connaissance de propriétés des particules, peu accessibles :
indice optique, forme
Se poser la question : sphérique/non sphérique + dynamique (présence de grosses
particules parmi les petites) + concentration
Mesure absolue ou contrôle de qualité ?
Polarimétrie