Découvrez l’histoire et les avantages de l’utilisation de l’argon pour la spectrométrie d’émission optique

Qu’est-ce qui est mieux ? Optique sous vide ou Argon ?

En un mot – “Argon”. Mais pourquoi? Et si en effet l’optique argon est supérieure, pourquoi alors avons-nous des optiques sous vide basés sur OES du tout? Pour comprendre cela, comprenons d’abord pourquoi l’un ou l’autre est nécessaire – et ensuite, comment la chambre optique a évolué.

Au départ, il est important de comprendre pourquoi cette question se pose même. L’optique d’un spectromètre analyse le spectre d’émission. Ce spectre d’émission s’étend de l’ultraviolet profond (région DUV) d’environ 120 nm (nanomètres) à la région proche infrarouge d’environ 800 nm (nanomètres). Les caractéristiques du spectre et les conditions préalables à une bonne analyse, cependant, varient considérablement d’une région à l’autre. Plus on s’enfonce dans la région UV, plus les émissions sont sensibles à l’absorption par des impuretés indésirables comme l’humidité, l’oxygène ou les hydrocarbures dans l’atmosphère. Par conséquent, pour de bonnes analyses, il est impératif que l’environnement de la chambre optique soit absolument inerte, en particulier dans la région qui contient le côté UV du spectre. Cela nécessite soit que cette section soit complètement remplie d’un gaz inerte, tel que l’argon, soit qu’elle soit maintenue sous vide poussé. Les deux garantiraient que la lumière n’est pas absorbée, et les analyses sont donc bonnes.

comment tout a commencé

La performance d’un OES – en termes de ses limites de détection, de précision et d’exactitude – est directement proportionnelle à sa résolution. Plus la résolution est bonne meilleurs seront tous ces indicateurs de sortie. Maintenant, la résolution dépend de trois paramètres clés:

• La densité de rainure du réseau : plus la densité de rainure est élevée, plus l’étalement optique est large
• La longueur focale de l’optique : Plus la longueur focale est élevée, plus le spectre se propage
• La densité de pixels (pour les détecteurs CMOS/CCD): Plus la densité de pixels est élevée, meilleure est la résolution

Lorsqu’un OES est conçu, les chercheurs, les scientifiques d’applications et les concepteurs décident d’abord de la résolution dont ils ont besoin pour atteindre des résultats ciblés. Lorsque les premiers spectromètres ont été fabriqués, la technologie du réseau était loin d’atteindre le niveau actuel. Les grilles n’ont même pas dépassé 1 000 rainures/mm pendant des décennies. En conséquence, les concepteurs ont employé de très grandes longueurs focales (1-3 mètres de long) pour atteindre la résolution souhaitée. Cela a rendu les chambres optiques absolument massives. S’assurer que des chambres aussi volumineuses restent complètement inertes tout en étant remplies d’Argon était pratiquement impossible – et même si c’était possible, cela aurait représenté une dépense énorme rien qu’en termes de volumes d’Argon consommés. Par conséquent, l’option choisie était de soumettre ces chambres à un vide poussé.

Les pompes à vide grandes et puissantes étaient donc l’option par défaut pour ces spectromètres.

Pourquoi PMT OES est-il ensuite resté sous vide même si les grilles se sont améliorées ?

La technologie des réseaux de diffraction a rapidement progressé et a permis aux OES de devenir beaucoup plus compacts, mais l’OES à tubes photomultiplicateurs (PMT) s’est heurté à la prochaine contrainte majeure : le PMT lui-même. Les PMTs sont de grands dispositifs, et un seul PMT est nécessaire pour chaque longueur d’onde à analyser. Puisque de nombreux éléments nécessitent plus qu’une seule longueur d’onde analysée pour couvrir leur gamme, cela signifiait que de nombreuses PMTs devaient être prises en compte. Les besoins en espace sont alors devenus une contrainte. Pour disposer tous les PMT requis à l’intérieur des optiques, l’arc le long duquel ils sont placés devait être large aussi. Cela ne peut pas être réalisé si la longueur focale est petite, et ce facteur limitatif a montré que même le PMT OES le plus « compact » n’était pas capable d’atteindre des longueurs focales inférieures à 750 mm.

Le résultat a été que les chambres optiques de ces spectromètres sont restées grandes. Malgré des grilles qui deviennent de mieux en mieux et des densités qui augmentent tout le temps, les PMT OES n’ont pas pu les utiliser, car les longueurs focales plus courtes leur auraient obligé à réduire le nombre de PMTs qu’ils pouvaient intégrer dans l’optique !

Les contraintes ci-dessus et l’inertie de la tradition ont assuré que PMT OES a continué à utiliser des optiques sous vide jusqu’à ce jour.

Comment les CMOS/CCD OES le gèrent-ils alors ?

Les détecteurs CMOS/CCD sont de petite taille. Chacun d’eux (ceux utilisés dans les spectromètres) contient de 2000 à 3800+ pixels. En effet, chaque détecteur s’étend donc sur 2 000 à plus de 3 800 raies spectrales individuelles. En utilisant ces détecteurs, les contraintes d’espace sont donc beaucoup plus petites. Vous n’avez pas besoin de beaucoup d’espace pour accueillir un très grand nombre de détecteurs. En conséquence, les concepteurs OES peuvent utiliser des grilles avec des densités de rainures beaucoup plus élevées (par rapport au PMT OES), avec des longueurs focales par conséquent plus courtes pour offrir la même résolution ou même une résolution supérieure que dans le PMT OES. Cela rend le volume de la chambre optique beaucoup plus petit que celui d’un PMT OES.

Ce volume plus petit rend maintenant l’optique remplie d’argon faisable et juste la bonne option. Par conséquent, les concepteurs, ayant la possibilité d’utiliser soit de l’argon ou des optiques sous vide, choisissent le meilleur en fonction de la performance, du risque et de l’économie.

Alors pourquoi l’optique Argon est-elle meilleure ?

L’optique argon domine l’optique vide sur trois paramètres clés :

• Économie (Coût) : L’optique sous vide nécessite une grande pompe à vide connectée à la chambre optiqu Inutile de dire que cela ajoute deux éléments de coût:
  a. Cela augmente le coût en capital en raison du fait que la pompe à vide est nécessaire.
  b. Cela augmente considérablement les coûts d’exploitation grâce à :
  i. Une consommation d’énergie plus élevée.
  ii. Consommables pour la pompe à vide, tels que l’huile, qui doit être remplacée après quelques mois.
  iii. Pertes dues à une défaillance de la pompe à vide.
• Il est temps de se stabiliserCMOS/CCD OESutilisent des optiques scellées et remplies d’argon/purgées. Cela fait que leur temps de stabilisation est très court. En effet, pour la plupart des instruments, le temps de stabilisation est inférieur à une heure, même pour un démarrage à froid. L’optique sous vide, par contre, prend beaucoup plus de temps. En effet, pour les instruments plus grands, la création du vide peut prendre plusieurs heures.
• Risque pour l’instrument : L’optique argon ne présente aucun risque pour l’instrument. On ne peut pas en dire autant de l’optique sous vide. Un problème fréquent avec l’optique sous vide est ‘le « reflux »’ d’huile de la pompe à vide dans la chambre optique. Un tel flux de retour cause de graves dommages à la chambre optique, et cela ne peut être réglé qu’au niveau des travaux du fabricant – ce qui nécessite une très longue période d’arrêt à un coût énorme. De plus, la plupart des fabricants qui utilisent des optiques sous vide n’offrent pas de garantie ou de couverture AMC pour la pompe à vide.