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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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 2/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 3/24
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
TIR concepts de base
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 4/24
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)
TIR concepts de base
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 5/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 6/24
Thermographie Active
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 7/24
Thermographie Active
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 8/24
Domaines d’applications
Mécanique, LAMEFIP, LCTS, MAB
Energétique, ISTAB
Changement
de
Phase Biologie
Poreux
Thermique
Microfluidique, LoF
Chimie
Optique
CPMOH
Matériaux
Granulaires
Conditions
extrêmes
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 9/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 10/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 11/24
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.
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 12/24
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.
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 13/24
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)
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 14/24
Monodétecteurs: Fluxmètre THZ
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)
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 15/24
Monodétecteurs: Fluxmètre THZ
Du THz à l’IR
Calibration électrique
Résistance électriqueT1
T0
T
U
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 16/24
Monodétecteurs: Fluxmètre THZ
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 17/24
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
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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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 19/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 20/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 21/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 22/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 23/24
Exemples de résultats obtenus
De l’IR au THz
Caractérisation du faisceau THz dans un trajet optique
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 24/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 25/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 26/24
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
C. Pradere et al.: Journées ASPROM, Paris, France, 07-08 Décembre 2010. 27/24
Pour info à Bordeaux bientôt….