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juillet 2017 | septembre 2017

SPECIES

Le LPC2E développe des instruments embarqués sous ballon stratosphérique depuis plus de 30 ans. En particulier l’instrument SPIRALE a été une grande réussite donnant lieu à plus de 40 publications de rang A. Cet instrument ne peut malheureusement plus voler et dans le but de le remplacer tout en améliorant ses performances et sa mise en œuvre, le LPC2E s’est engagé, sous l’impulsion du CNES, dans le développement d’un nouvel instrument, SPECIES, qui sera utilisable aussi bien sous ballon, en avion et au sol afin d’optimiser son exploitation.
L’idée initiale était de développer une version ballon des instruments SPIRIT. Cependant les nouvelles techniques optiques de détection intracavité ont des limites de détection bien meilleures, en particulier la technique OFCEAS (optical-feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy) inventée par le LIPHY (UMR CNRS – Université Grenoble). Le LPC2E a donc entrepris d’en acquérir la maitrise et de développer une série d’instruments fondés sur cette technique en collaboration avec le LIPHY.

DESCRIPTION / PRINCIPE / REALISATION / PERFORMANCES

Un laser QCL émet son faisceau dans une cavité résonnante formée de trois miroirs de très grande réflectivité. Cette cavité constitue un Fabry-Pérot de très grande finesse dont le spectre de transparence est un peigne aux dents extrêmement étroites. Une partie de la lumière qui sort de cette cavité retourne vers le laser. Cette cavité peut donc être considérée comme une cavité externe du laser qui émet alors préférentiellement un faisceau à la longueur d’onde des pics de transmission de cette cavité. Le système devient alors transparent et l’injection de la puissance laser dans la cavité est très efficace. La durée de vie des photons piégés dans la cavité étant très longue, la longueur d’interaction des photons avec le gaz présent entre les miroirs peut atteindre des dizaines de km (contre < 0,5 km pour SPIRALE), permettant ainsi d’obtenir des limites de détection très faibles.

rack constitue un système OFCEAS complet.

Le principe de mesure consiste à effectuer un balayage en courant du QCL qui va « s’accrocher » sur les pics successifs de la cavité (signal sur le schéma central). La présence d’une raie moléculaire d’un gaz absorbant va alors se traduire par une baisse du signal. La mesure quantitative de la concentration de ce gaz nécessite de connaitre la durée de vie des photons. Cela est obtenu en éteignant le laser en fin de balayage (mesure du ring-down).

Expérience SPECIES intégrée dans une structure générique de nacelle ballon du CNES

L’architecture générale de SPECIES repose sur la réalisation de plusieurs modules interchangeables compatibles avec le format des racks 19 pouces facilement intégrables dans les baies standards utilisées dans les avions de recherche. Chacun des racks constitue un système OFCEAS complet. Les systèmes généraux et dédiés aux expériences sur ballon ou sur avion tels que la fourniture et la distribution d’énergie, le pompage, les systèmes TM-TC ou IHM sont des systèmes spécifiques regroupés eux aussi dans la même baie.

L’ensemble d’une baie SPECIES avec trois racks instrumentaux devrait peser environ 100kg pour une consommation crête de 800W. Les caractéristiques instrumentales attendues sont présentées dans les tableaux ci-dessous

HISTORIQUE / UTILISATION

La construction des trois premiers racks est en cours et l’ensemble de la baie dédiée aux vols sous ballon doit être testée en ambiance climatique représentative au CNES à l’automne 2017. Le premier vol est programmé pour l’automne 2018.

CARACTERISTIQUES PRINCIPALES

Fréquence de mesure : 8 Hz
Temps de réponse : 1 à 3 secondes
Résolution vertical sous BSO : 2 à 5 m
Altitude de mise en œuvre : du sol à 35 km
Volume de la cellule de mesure : < 100 cm3
Dynamique de mesure : 104 to 105
Précision : < 5%
Molécules accessibles pour un rack instrument Limite de détection théorique (pptv) ou précision relative à 1 s d’échantillonnage
N2O, H2O2, HOCl, COF2 200, 500, 1000, 400
NO, COF2, 400, 400
HCHO, HCOOH 300, 400
HCHO, HNO3, O3, NH3 300, 300, 30000, 800
NO2, H2O 50
OCS, O3, CO2 25, 6000, 0.1%
SO2 500
HCl 80

EVOLUTION

SPECIES est un instrument éminemment évolutif de par sa conception modulaire. Dès que possible, une baie avion sera finalisée afin d’augmenter les opportunités de mesure.
Par ailleurs, en fonction de chaque objectif scientifique, les racks peuvent être adaptés en changeant de laser ou en construisant un nouveau rack dédié à une ou plusieurs espèces chimiques à mesurer. Ainsi à terme, une expérience sous ballon pourrait comprendre 6 racks dans 2 baies permettant la mesure simultanée de plus d’une dizaine de composés chimiques, dépassant alors les performances de l’expérience SPIRALE.

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