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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
CE04 - Innovations scientifiques et technologiques pour accompagner la transition écologique

Un instrument compact et innovant pour la mesure des radicaux HO2 dans l'atmosphère – ICAR-HO2

Résumé de soumission

La mesure des radicaux HO2 dans l'atmosphère est importante pour l’étude de la chimie troposphérique aussi bien pendant des campagnes de mesure qu'en chambre de simulation. Les techniques actuelles sont toutes indirectes et reposent sur la conversion chimique de HO2 en d’autres espèces mesurables par fluorescence induite par laser ou par spectrométrie de masse, ce qui peut entraîner des interférences et des artefacts. De plus, ces instruments sont, pour la plupart, très coûteux et encombrants, ce qui limite leur déploiement à grande échelle. Dans le cadre de ce projet, nous proposons de développer un spectromètre innovant et compact permettant une mesure directe de la concentration d'HO2 dans l’atmosphère, sans interférence, en temps réel, avec une haute sensibilité et précision. Pour cela, nous proposons un couplage original de deux techniques optiques que sont la "cavity ring-down spectroscopy stabilisée en fréquence" (FS-CRDS) et la spectrométrie de rotation de Faraday par détection balancée (BD-FRS). La limite de détection visée est de ˜10^6 molécules/cm^3 (0.1 pptv @ CNTP), pertinente pour la détection de HO2 dans le cadre d'études de réactivité chimique en chambres de simulation ou directement dans l'atmosphère. En effet, la concentration typique de HO2 dans l'atmosphère est de 10^7-10^8 molécule/cm^3.

Notre consortium, composé de spécialistes de la FRS (LPCA), de la FS-CRDS (GSMA), de la détection de HO2 par cw-CRDS et FAGE (PC2A), se propose de développer cet instrument hybride BD-FRS-FS-CRDS. A chaque étape du développement, le dispositif développé sera caractérisé en terme de sensibilité et de stabilité à l’aide d'une cellule de calibration dédiée à la calibration de l' instrument FAGE (PC2A).

La première étape (WP2) consiste à développer et calibrer la BD-FRS (LPCA). L’expérience acquise dans le développement d’un instrument FRS pour la détection de OH (à 3568.5 cm-1, mais à des limites de détection trop élevées pour une mesure atmosphérique) servira pour le développement de ce nouvel instrument à une autre longueur d’onde (6638.20 cm-1, celle utilisée au PC2A pour la détection de HO2 par cw-CRDS). L’ajout d’une détection balancée (BD) permettra d'éliminer le bruit d'intensité laser et les franges d'interférence. La cellule de mesure sera couplée avec un système de prélèvement bien étudié pour minimiser les pertes afin d'améliorer la sensibilité et l'exactitude de mesure.

En parallèle, au GSMA, un prototype de FS-CRDS (WP3) sera développé. La stabilisation en fréquence de la cavité optique permet de minimiser la dérive en fréquence absolue des modes optiques liée aux variations de température ambiante, et ainsi d'envisager un mode de mesure ultra rapide uniquement sur le pic de la raie utilisée (temps de mesure choisi : 1 seconde). Ce dernier aspect permettra, avec une durée de moyennage un peu plus longue (potentiellement, 3 s), d'atteindre une LoD de 6.10^7 molécule/cm^3.

La cavité FS-CRDS sera ensuite intégrée dans le cylindre magnétique du BD-FRS (WP4) pour remplacer la cellule d’absorption initialement utilisée pour la BD-FRS. Ce couplage BD-FRS-FS-CRDS sera insensible aux fluctuations de l'intensité laser, sans interférence d'espèces diamagnétiques (H2O, CO2, CH4, etc.) et exempt de toute calibration (mesure de ?0 pour la CRDS). Ainsi, on pourra atteindre une limite de détection de l’ordre de 10^6 molécules/cm^3 (˜0.1 pptv) en 3 secondes de mesure.

Pour finir (dans le WP5 coordonné par le PC2A), ce nouvel instrument sera testé et caractérisé dans un premier temps dans la chambre CHARME (LPCA) en comparaison avec le FAGE du PC2A (instrument typiquement utilisé pour la mesure de HO2). Ensuite, une série d’expériences ciblées, grâce aux tests dans CHARME, sera effectuée dans une chambre de référence (chambre SAPHIR à Jülich) pour valider ses performances.

Coordinateur du projet

Monsieur Weidong Chen (LABORATOIRE DE PHYSICO-CHIMIE DE L'ATMOSPHERE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GSMA Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique
PC2A Physicochimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère
LPCA LABORATOIRE DE PHYSICO-CHIMIE DE L'ATMOSPHERE

Aide de l'ANR 498 960 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2021 - 48 Mois

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