du thz à l’ir ou l’inverse ou la conquête d’une nouvelle ... · capteurs infrarouges et...

C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 1/24

Du THz à l’IR ou l’inverse

Ou la conquête d’une nouvelle onde ?

C. Pradere, J.C. Batsale, J. P. Caumes, B. Chassagne.

TREFLE, CNRS UMR 8508 , France

ALPHANOV , France


TIR concepts de base

Historique du rayonnement IR « thermique »

Expérience d’Herschel, 1800

Met en évidence un effet calorifique lié à un

rayonnement invisible à « l’œil »

Thermomètre

Prisme

Spectre Visible

Rayonnement thermique = forme d’onde électromagnétique (f , λ)

Effectuer une mesure quantitative de T à partir de ce rayonnement

Transmission, réflexion = idem visible, différent d’un matériau à l’autre


Capteurs infrarouges et caméra Capteurs type bolomètres Capteurs quantiques

Détail d'un pixel microbolomètre

(clou de connexion entre le thermomètre et le circuit de lecture) Détail d'un pixel capteur quantique

Compteur de photonsMesure du flux

Variation propriétés électriques



Mesure absolue de T difficile

Problème lié à l’émissivité (rugosité de surface…)

Réflexion parasite en régime permanent

Par contre…en transitoire ou en relatif

Champ de T proportionnel à Tabs

Dans ce contexte que l’on aborde les applications à suivre

A retenir pour la suite…

TIRT0ε L(T0)

ρ L(Ta)



Thermographie Active

Acquisition de données

Traitement masse d’informations

Microsystème

Microscope thermique

Instrumentation pour la mesure

de champ de température

Multiéchelle

µm-cm

Thermique-Energétique

Conversion d’énergie

Réduction de taille

Acquisition rapide

Electronique (µpuce)

Chimique (µréacteurs)

Milieux dispersés (matériaux, biologie…)

Méthodes inverses

Propriétés thermophysiques

Maîtrise de l’énergie



µsystème

Lampe Halogène (Modulée, 100 W)

Diode Laser (800 nm, 1 W)

Résistance chauffante (Modulée…)

Modules Peltier

Lampe Flash, à venir

Capteur solide (Flux)

Peltier (Mesure du flux)

Caméra IR (Température)

CEDIP, Orion multispectrale, JADE III

FLIR, A10 et A40

Monocapteur IR (Flux)

Moyens d’excitations Systèmes de mesures

Matériel

Dispositifs

Alim 200 W

Générateur De Signaux

Platines motorisées XYZ

µCalorimètre

µscope optique visible

Enceinte sous vide…

Valeur ajoutée

IMPORTANT

Résolution spatiale 10 µm au cm

Echelle temporelle MHz

Température -20 à 100 °C



Fluide en écoulementDiffusion et transport

Champ de débits TREFLE

Profil de vitesses LoF

Fluides complexes LoF

Chimie et granulaireDiffusion, transport et terme source

Chimie en gouttes LoF

Milieux granulaires LAMEFIP

Problématique : Obtenir des cartographies de propriétés (thermophysiques, termes sources, champ de

vitesses) dans des microsystèmes de conversion d’énergie

Outils développés : Mesure de champ de température aux microéchelles (TIR, caméra intensifiée,

thermoréflectivité), modèle analytique (quadripôle…) et méthodes inverses (2T, approche nodale et modale)

Applications

Collaborations : Labo : CPMOH (1 thèse), ENSTIMAC (2 thèses), ISTAB, LAMEFIP (1 thèse), LCTS (2 thèses + 1 postdoc), LoF (2 thèses)

Industriels : CEA, Rhodia, Safran, Solucar

Internationale : R. Cotta (Brésil), J. Morikawa (Japon)

t

tyxTtyxTgradvCtyxtyxTgraddiv p

),,(),,(),,()),,(.(

EnergétiqueDiffusion et terme source

Cryopréservation Tokyo

Milieux dispersés ISTAB

Stockage d’énergie Solucar

MatériauxDiffusion

Fibres à THT LCTS

Détection de fissures

Conductivité liquides TREFLE

0 50 100 150 200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Cartographie Péclet

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

Pixels, (su)

Pecle

t, (

su)

1° étage

2° étage

3° étage

2bis° étage

1bis° étage

Champ de T en TIR, réaction chimique en gouttes

Vitesse

Cinétique de la réaction

50 100 150 200

10

20

30

40

50

60

70

80

90

50 100 150 200

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

50 100 150 200

10

20

30

40

50

60

70

80

90 -0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Épiderme d’oignon Chgt de phase cellule

Diffusivité Terme source

1

10

100

1000

500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100Température (K)

Co

nd

ucti

vit

é t

herm

iqu

e (

W.m

-1.K

-1)

P100Panex 33 2200°CPanex 33 1600°CPanex 33 bruteTC2 2200°CXN05 bruteTC2 brute

Conductivité thermique


Domaines d’applications

Mécanique, LAMEFIP, LCTS, MAB

Energétique, ISTAB

Changement

de

Phase Biologie

Poreux

Thermique

Microfluidique, LoF

Chimie

Optique

CPMOH

Matériaux

Granulaires

Conditions

extrêmes


Quelques exemples…

Méthodes impulsionnelles ou type échelon

2 types de configurations expérimentales

Méthodes modulées ou périodiques

Echantillon

Excitation

Thermique

Mesure de la

réponse thermique

Face arrière

Echantillon

Excitation

Thermique

Mesure de la

réponse thermique

Face avant

Transitoire

)t,z,y,x(Tgrad(divt

)t,z,y,x(TCp

)t(dx

dTS,0x

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Echantillon

eapsinhapSC

apSeapsinhB

;eapcoshDA

DC

BA

AR

AR

AV

AV

Espace de Laplace

eajsinhajSC

ajSeajsinhB

;eajcoshDA

DC

BA

AR

AR

AV

AV

Espace ComplexeMesure d’un déphasage et d’une amplitude

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5x 10

-3

Temps (s)

Tem

péra

ture

(°C

)

Face avant

Face arrière

Echantillon0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Inversion

Inversion

a, h

a, h


Quelques exemples…

Estimation simultanée et aléatoire de diffusivités et de termes sources

Image visible (x10) d’une pelure d’oignon Film IR (x10) lors de la congélation Cartographie de diffusivité obtenue

Image visible de l’échantillon Film IR, balayage faisceau laser Cartographie de diffusivité obtenue


Du THz à l’IRDévelopper une caméra THz à partir d’une caméra IRObjectifs:

n = 0.1-10 THz

= 3mm à 30 µm

T = 1-100 K

hn = 3.3 à 333 cm-1

= 0.41 à 41 meV

Une technologie à fort potentiel pour les applications

C’est un Rayonnement non ionisant

Propriétés électromagnétiques particulières

Large spectre avec des signatures souvent marquées

Christophe Pradere* — Jean-Pascal Caumes** — Daniel Balageas*** — Simon Salort** — Emmanuel Abraham**** — Bruno Chassagne ** — Jean-Christophe Batsale, (2011),

“Photothermal converters for quantitative 2D and 3D real-time TeraHertz imaging”,

Quantitative InfraRed Thermography, ISSN: 1768-6733, vol 7, n°2, pp 217-235, 2011.


Principe et sensibilité du thermoconvertisseur

Du THz à l’IR

Les différents types de TTC

Solide (EMIR film) Liquide (gouttes d’eau)

Diode Gunn

P= 20mW

f= 0.11 THz

Incident source

Pradere C., Caumes J.-P., Chassagne B., Batsale J.-C., Imagerie Térahertz à convertisseur infrarouge perfectionné, Patent N° WO 2010/112730, 07/10/2010, CNRS.


Monodétecteurs: Fluxmètre THZ

Du THz à l’IR

Mesure absolue d’un flux de chaleur

Fixer la température de référence T0

T imposée

Peltier 1 Peltier 2

Isolant Téflon (e = 1 cm)

Onde Référence

Onde THz incidente

4

SiTh

PDMSTh 10R

R T1

T0

T

U

G

U

TGN2

TN2U

Mesure différentielle

Bonne sensibilité,

S = 0.16, 0.31 et 0.82 V/W

Capteur absolu du flux THz, (Powermeter)



Du THz à l’IR

jonctionnp ITQ

( )p n c fseebeck

V T T

G

U

TGN2

TN2U

Utilisation en effet Seebeck

Capteur de flux

Sensibilité

400 µV/K 40 µV/KForte densité

40 capteurs au cm²

Grande surface utile

Connexion série

Principe de la thermopile (Peltier)



Du THz à l’IR

Calibration électrique

Résistance électriqueT1

T0

T

U



Du THz à l’IR

Mesures sur différents types de sources THz

Onde THz incidente

T1

T0

T

U

Diode Gunn

P=40mW

f= 0.12 THz


Monodétecteurs: Pyromètre IR

Du THz à l’IR

Cartographies obtenues par scan

Diode Gunn

P= 20mW

f= 0.11 THz

0.1 cm²/s

1 px = 2 mm

S/B > 103


Monodétecteurs: Détecteurs IR HgCdTe

Du THz à l’IR

Cartographies obtenues par scan

Diode Gunn

P=20mW

f= 0.11 THz

0.1 cm²/s

1 px = 2 mm

S/B > 103


Détecteurs matriciels: Caméra IR bolométrique

Du THz à l’IR

En attaque directe sur le bolomètre

Diode Gunn

P=40mW

f= 0.12 THz

2.5 cm

2 cm

5 cm²/s

1 px = 40 µm

S/B > 101


Détecteurs matriciels: Caméra IR bolométrique

Du THz à l’IR

Via le thermoconvertisseur

Diode Gunn

P=20mW

f= 0.1 THz

4 cm²/s

1 px = 250 µm

S/B > 101

2.1 cm

1.8 cm


0 20 40 60 80 100 120 140 160

20

40

60

80

100

120

0

1

2

3

4

5

6

7

x 105

0 20 40 60 80 100 120 140-1

0

1

2

3

4

5

6

7x 10

5

Profil selon y à différent t

Détecteurs matriciels: Caméra IR quantique InSb

Du THz à l’IR

0 20 40 60 80 100 120 140 160-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8x 10

5

Profil selon x

Profil selon y

Imagerie de faisceau focalisé avec TTC

Profils au centre du faisceau (t<10s)

Image du faisceau focalisé (t<10s)

Diode Gunn

P=20mW

f= 0.1 THz

4 cm

3 cm

12 cm²/s

1 px = 250 µm

S/B > 103


0 20 40 60 80 100 120 140 160

20

40

60

80

100

1200

2

4

6

8

10

12

x 104

Détecteurs matriciels: Caméra IR quantique InSb

Du THz à l’IR

Imagerie de faisceau focalisé avec TTC

Profils au centre du faisceau (t<10s)

Image du faisceau plein champ (t<10s)

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

2

4

6

8

10

12

14x 10

4

Profil selon x

Profil selon y

0 20 40 60 80 100 120 140 160-2

0

2

4

6

8

10

12

14x 10

4

Profil selon y à différent t

4 cm

3 cm


Exemples de résultats obtenus

De l’IR au THz

Caractérisation du faisceau THz dans un trajet optique


Exemples de résultats obtenus

De l’IR au THz

Imagerie en champ proche d’objets

0 20 40 60 80 100 120 140 160

20

40

60

80

100

1205.63

5.64

5.65

5.66

5.67

5.68

5.69

5.7

x 106

0 20 40 60 80 100 120 140 160

20

40

60

80

100

120 1.124

1.126

1.128

1.13

1.132

1.134

1.136

x 107

4 cm

3 cm12 cm²/s

1 px = 250 µm

S/B > 102


Cartographies d’absorption, transmission, réflexion en THz

Capteurs ponctuels ou système d’imagerie

Grâce au TTC, tout type de capteur thermique

Tomographie

Imagerie 2D avec caméra (plein champ, temps réel…)

Imagerie multispectrale (UV-THz) d’objets (absorption, transmission, réflexion )

Perspectives

Amélioration du TTC (hétérodynage, modulation…)

Calibration « électrique » de tous les capteurs (sensibilité, NEP…)

Tester les différentes sources disponibles en France

Capteur multispectral

Système quantitatif (savoir faire thermique)

Conclusions et perspectives

Dispositifs de mesure développés


Imagerie multispectrale en absorption, transmission ou réflexion

Du multispectral à l’IR

Image caméra seule (émission propre) Ombroscopie en transmission visible Ombroscopie en transmission IR

Multispectral

broad-band source

(UV to THz)

IR camera

MultiSpectral

Thermal Converter

(MSTC)Object

Incident source

Absorbed

source

Transmitted

source


Pour info à Bordeaux bientôt….

du thz à l’ir ou l’inverse ou la conquête d’une nouvelle ... · capteurs infrarouges et...

Documents