Spectromètre TeraHertz en domaine temporel pour la détermination de propriétés optiques de micro et nano-particules en suspension dans l'air en environnement contrôlé – STEPSON

Pour réaliser les objectifs sus-cités, deux principales approches sont utilisées:
(i) la caractérisation morphologique et chimique des échantillons étudiés
(ii) le développement d'un banc de spectroscopie TeraHertz large-bande dédié à l'étude de particules remises en suspension (aérosols)

(i) Connaître la granulométrie mais également la forme et la composition chimique des particules étudiées est primordiale afin de relier ces propriétés aux propriétés optiques déduites de l'étude spectroscopique. A ce titre la microscopie électronique à balayage couplée à de l'analyse EDX a été utilisée dans le projet (Microscope situé sur la plateforme IRENE, Université du Littoral Côte d'Opal avec l'expertise scientifique du LPCA). D'une part cela permet de vérifier sur des échantillons de composition 'unitaire« (type silice amorphe, quartz, carbonate de calcium«) de vérifier la granulométrie fourni par le compteur de particules et en connaître / en vérifier la morphologie (sphéricité, rhombohédricité, facteur de forme...)
D'autres part et notamment pour les échantillons «complexes« tel que les poussières désertiques, cette méthode permet en plus de connaître l'analyse élémentaire chimique et ce sur un grand nombre de particules (analyse statistique sur plus de 1000 particules) et même, de connaître la répartition de ces éléments chimiques au sein d'une même particule (cartographie).
Couplée à une analyse cristallographique par diffraction de rayons X, il est possible de remonter aux classes géologiques et de les quantifier au sein de cet échantillon complexe.

(ii) La spectroscopie en domaine temporel permet d'avoir accès à la valeur du champ électrique et donc à la fois à son amplitude et à sa phase. L'accès à ces deux informations permet d'en déterminer les parties réelles et imaginaires de l'indice complexe de réfraction de la matière étudiée.
Le banc développé ici est basé sur une technologie de spectroscopie en domaine temporel, compacte et commerciale. Cependant la configuration de cette THz-TDS compacte a été conçue spécialement pour pouvoir répondre à la problématiques des études à différentes longueurs de trajets et sur des trajets optiques plus long (1m50) qu'à l'habitude de sa configuration d'origine.
Le set-up de remise en suspension et la cellule de mesure ont été conçus puis assemblés et réglés sur le banc. Certaines parties mécaniques comme les porte-fenêtres de cellule ont été fabriquées au laboratoire. Une partie d'optimisation de la partie bloc optique pour une propagation de faisceau THz optimisée est également développée et même fabriquée au laboratoire.
Un granulomètre optique permet de connaître la distribution en taille des particules ayant traversé la cellule de spectroscopie

Le banc STEPSON a été conçu, assemblé, optimisé et caractérisé

Une étude sur les matériaux «transparents« en gamme TeraHertz a été menée afin de déterminer les meilleures fenêtres à utiliser pour la cellule (en tenant compte des propriétés mécaniques et économiques) (communications avec proceeding)

Un échantillon de poussières désertiques a été étudié par SEM-EDX et DRX (publication en cours de rédaction)

Vulgarisation scientifique: un poster Stepson et des animations en lien avec les observations satellitaires et les propriétés optiques d'aérosols ont été menées dans le cadre de la fête de la science sur le site de Villeneuve d'Ascq

Les prochaines perspectives à moyen termes sont de mener des campagnes de mesures avec des aérosols en suspension dans la cellule, tout d'abord en composé «unitaire« de type carbonate de calcium puis de passer des échantillons «complexes« tel que les poussières désertiques
Il est nécessaire d'optimiser et d'adapter l'algorithme d'extraction d'ICR existant développé au laboratoire pour l'étude de particules en suspension.
En collaboration avec les laboratoires PC2A et LOA le but est d'obtenir des jeux de données complets d'ICR d'aérosols de l'UV au THz dans des conditions opératoires similaires. A plus long terme avoir de manière «on-line« les différents spectromètre requis (spectromètre UV-Vis, Infrarouge et THz dans le même local et dans les exactes mêmes conditions opératoires) et ainsi obtenir en une expérience le jeu complet de données.

1. J. Bichon, A. Pillet, A. Sklia, D. Petitprez, Romain Peretti et al. Complex refractive index determination of PTFE, TPX and polypropylene windows for TeraHertz broadband spectroscopy
2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Aug 2022, Delft, Netherlands. pp.1-2, ?10.1109/IRMMW-THz50927.2022.9895520? (poster)
2. Jeyan Bichon, Melanie Lavancier, Denis Petitprez, Alexandre Deguine, D. Hourlier-Bahloul et al. Complex refractive indices in the TeraHertz domain of samples from atmospheric aerosol sources
2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Aug 2021, Chengdu, China. pp.1-2, ?10.1109/irmmw-thz50926.2021.9566988? (Talk)

3. J. Bichon, K. Deboudt, L. Deschutter, H. Herbin, D. Petitprez and S. Eliet, “Chemical and morphological single particles characterization of Gobi Desert dust for the complex refractive index determination from ultraviolet to TeraHertz” , IAC 2022, International Aerosols Conference, Athenes, Grèce 4-9 Sept 2022 (poster)

L'étude du changement climatique, afin d'y réagir au mieux, nécessite une connaissance fine des propriétés physico-chimique de l'atmosphère. En particulier, le calcul du bilan radiatif qui nécessite la connaissance de la transmission et de la réflexion de l'atmosphère dans la bande spectrale solaire (forçage directe) et de la bande spectrale IR d’émission thermique de la terre (forçage indirecte). Les méthodes actuelles nécessitent la connaissance précise des parties réelles et imaginaires des indices de réfraction des aérosols. Or, ces indices complexes de réfraction (ICR) sont très mal connu dans les bandes à plus basse fréquence et en particulier dans le TeraHertz (100 GHz-30THz). Il est donc primordiale de proposer des expériences afin de les mesurer. STEPSON permettra la mesure d'ICR de particules en suspension en fonction de leur taille dans un environnement contrôlé. Transportable, il pourra participer à des campagnes de mesures couplé à d'autres techniques spectrales.