Spectromètres millimétriques et sub-millimétriques (75-1400 GHz)

2 Spectromètres millimétrique-submillimétrique :

1. Cellule inox, pyrex avec pyrolyse in-situ, quartz et photolyse UV : de 75 à 1500 GHz basé sur deux chaînes de multiplication de fréquences à sources solides
2. Cellule à décharge (radicaux ions) : de 170 à 1100 GHz avec des sources solides

Principe
Le spectromètre submillimétrique est construit selon le schéma «classique» d’un spectromètre d’absorption : source–cellule d’absorption–détecteur. Pour augmenter la sensibilité des mesures spectrales la source est modulée en fréquence et on utilise la détection synchrone en harmonique 2. Ainsi les profiles de raies observée ont une forme de la dérivée seconde du profile d’absorption.

Les développements d’amplificateurs larges gammes dans la bande-W (75-110 GHz) ont permis il y a quelques années de construire les premières sources submillimétriques basées uniquement sur des sources solides : amplificateurs et multiplicateurs à diode Schottky planaire. Ces sources représentent une très bonne alternative aux carcinotrons car elles ne demandent ni haute tension, ni refroidissement par eau et ni champ magnétique intense contrairement aux carcinotrons. Pour atteindre le domaine submillimétrique, nous utilisons la technique de génération d’harmonique à partir d’un synthétiseur de fréquences commercial Agilent E8257D (250 kHz–20 GHz). Dans la chaine de multiplication de fréquence le signal de sortie de synthétiseur Agilent E8257D qui multiplié par 6 (75–110 GHz) et amplifié jusqu’à +15 dBm (30 mW) avec le multiplicateur actif AMCVirginia Diodes, Inc. A l’étape suivante, une série des multiplicateurs passifs basés sur les diodes Schottky (Virginia Diodes Inc.) est utilisé, permettant de couvrir la gamme de fréquences 75–1500 GHz

En 2013-2015, nous avons développé un spectromètre d'absorption à la pointe de la technologie, unique en son genre, qui fournit à la fois une haute précision de mesure de fréquence linéaire et une acquisition spectrale à balayage rapide (Fig. 2). Le spectromètre de Lille couvre plus de 80 % de la plage de fréquences comprise entre 50 et 1 520 GHz avec une résolution spectrale limitée par Doppler (Zakharenko et al. J. Mol. Spec. 317, 41, 2015). En termes de couverture de fréquence, les performances du spectromètre sont comparables à celles des équipements de groupes spectroscopiques en Europe, au Japon et aux États-Unis, les mêmes sources de rayonnement à l'état solide étant utilisées. Ces sources sont des chaînes de multiplication de fréquence basées sur des diodes planaires Schottky. La particularité du spectromètre de Lille est l'application du synthétiseur numérique direct (DDS) au premier stade de la multiplication de fréquence, ainsi que la synchronisation complète entre la commutation de fréquence et l'acquisition de données. Le DDS permet une commutation rapide de la fréquence jusqu'à 25 µs/point, la fréquence étant synthétisée à chaque point spectral. Par conséquent, la précision du réglage de la fréquence est au niveau de l'étalon de fréquence Rb utilisé dans le spectromètre. La précision de la mesure de fréquence dépend uniquement des paramètres de forme de ligne : largeur de ligne, rapport signal sur bruit. De plus, l’application de la modulation de fréquence offre une grande sensibilité de mesure, jusqu’à 10-6 cm-1. La modulation de fréquence précise à l'aide de la technologie DDS réduit également les distorsions de forme de ligne susceptibles d'influencer la précision de la mesure.