SPIRIT

INTRODUCTION

Le LPC2E a développé une série de Spectromètres Infra-Rouges In situ Troposphérique (SPIRIT). Il s’agit de spectromètres laser à haute résolution spectrale, portables, exploités dans différentes versions : au sol et sur avion. Les performances de chaque instrument SPIRIT tiennent à leur mise en opération en quelques minutes et à l’obtention simultanée en temps réel de la concentration d’un grand nombre de gaz traces, à haute fréquence (chaque 1,6 s), avec une grande sensibilité et précision. Ces instruments s’appuient sur le couplage de deux innovations technologiques apparues dans les années 2000 : (1) l’invention au sein-même du LPC2E d’une cellule à réflexions multiples (Brevets France :FR 2889599 et international) ayant pour avantages une faible taille, une grande simplicité de réglage optique et une grande stabilité optique et mécanique, et (2) l’apparition, sur le marché, des lasers à cascades quantique (QCL) ; ces lasers, fonctionnent à température proche de l’ambiante, émettent une puissance lumineuse plus importante que les diodes lasers classiques et sont plus fiables et de bien meilleure qualité spectrale.

DESCRIPTION / PRINCIPE / REALISATION / PERFORMANCES

Chaque instrument SPIRIT peut accueillir jusqu’à trois voies de mesure. Chacun des trois lasers QCL est piloté en courant (current controller indiqué sur la Figure ci-contre) et en température (temperature controller) pour émettre un faisceau laser. Une rampe de courant chauffe le laser  et modifie ainsi la longueur d’onde d’émission : on a donc un balayage en longueur d’onde (ou nombre d’onde). Le ‘temperature controller’ est constitué d’un module à effet Peltier qui permet à chaque laser d’atteindre les longueurs d’ondes souhaitées en descendant en température (entre +20 et -30°C). Les trois faisceaux laser sont combinés en un seul par un multiplexeur optique. Le faisceau résultant est séparé en deux par une lame ‘beamsplitter’ : la voie de référence et la voie de mesure.

La voie de référence est composée d’un interféromètre étalon Fabry-Pérot qui permet de donner une échelle relative en fréquence et donc en longueur d’onde. Sur cette même voie on peut aussi placer une cellule de référence (contenant un gaz connu) qui permet de connaître de manière absolue une longueur d’onde dans la plage balayée, ce qui, avec le Fabry-Pérot, permet d’étalonner les nombres d’ondes balayés. Le signal est acquis grâce au ‘reference detector’.

Sur la voie de mesure, le faisceau passe par la cellule à parcours multiples (Multipass absorption cell). Cette cellule contient le gaz que l’on souhaite mesurer. Une pompe  maintient le gaz à une pression réduite et à un débit régulier qui assure son renouvellement. Ce débit détermine le temps de réponse de l’instrument (environ 4 secondes). La pression et la température, indispensables pour exploiter les mesures, sont mesurées à l’aide de deux capteurs montés dans la cellule. Le faisceau ressort après plusieurs réflexions (parcours de 134,22 m) et est détecté par le ‘measure. detector’. Les lasers sont allumés à tour de rôle (un allumé et les deux autres sont éteints) pour démultipler temporellement les signaux des trois lasers. Le système d’acquisition et l’ordinateur enregistrent les résultats qui seront ensuite traités pour obtenir les concentrations.

Les trois SPIRIT ont des performances similaires :

  • Précisions absolues de quelques %,
  • Sensibilité aux variations relatives à 1,6 s : 0,4 ppbv pour CO & NO2, 6 ppbv pour CH4 et 3 ppbv pour N2O,
  • Pour SPIRIT SOL précision absolue pour le rapport isotopique du carbone dans le CO2 : 1‰ et sensibilité de 0,2‰.

HISTORIQUE / UTILISATION

Trois instruments ont été construits entre mi-2007 et début 2011.

1 : SPIRIT SOL : en exploitation depuis 2009 ; modifié en 2012 pour les mesures

isotopiques

2 lasers installés

Mesure de N2O et de CH4 : collaborations ISTO, INRA, ICARE

Mesures de rapport isotopique du carbone dans le CO2

2: SPIRIT INRA (contrat CNRS-INRA) : en exploitation depuis 2011

2 lasers installés

Mesure de N2O, H2O et de CH4

3: SPIRIT AVION (Projet européen SHIVA: Instrument sur avion (FALCON) 11-2011

3 lasers installés

Mesure de N2O, CH4, H2O,CO, NO2, NH3

A volé sur les avions FALCON du DLR et de SAFIRE et sur ATR42

Dernière campagne sur le Falcon du DLR au TOGO en juillet 2016 (projet européen DACCIWA)

SPIRIT sol
SPIRIT avion

 

SPIRIT INRA

EVOLUTION

Les instruments de la filière SPIRIT sont en tous en phase d’exploitation intensive. L’effort porte actuellement sur les procédures de calibration et des améliorations sont envisagées pour améliorer la stabilité à long terme des mesures.