La mesure des rayonnements UV associées à de faibles incertitudes est un besoin exprimé dans l’industrie, la santé et la recherche. Pour soutenir ce besoin industriel, sanitaire, académique et environnemental, le CCPR (Comité Consultatif pour la Photométrie et la Radiométrie) a engagé une démarche visant à élargir les références et les CMC (possibilités d’étalonnage) dans le domaine UV, jusqu’à 200 nm pour 3 des 4 grandeurs spectrales testées dans les comparaisons clefs.
Objectifs
Sensibilité spectrale : extension de la plage de longueur d’onde vers l’UV, passage de 280 nm à 200 nm et réduction des incertitudes-types (objectif, 1 % à 200 nm et 0.6 % à 280 nm).
Transmittance spectrale régulière : extension de la plage de longueur d’onde vers l’UV, passage de 250 nm à 200 nm avec une incertitude-type de 0.3 %.
Éclairement énergétique spectral : réduction de l’incertitude-type (objectif, 4 % à 200 nm et 2 % à 250 nm).
Résumé
La mesure des rayonnements UV associés à de faibles incertitudes est un besoin de plus en plus exprimé dans l’industrie ou la santé, et plus encore, en termes d’incertitude très faible, dans la recherche. De nombreux besoins concernent la santé, soit pour l’étalonnage d’instruments médicaux destinés à des soins (psoriasis, dissociation de la bilirubine chez le nouveau-né), soit pour le contrôle d’outils ‘grand public’, comme par exemple les cabines d’insolation dites ‘de bronzage’, ou lampes spectrales UV. Dans l’industrie ce sont en particulier les réactions chimiques déclenchées par le rayonnement UV qui sont étudiées : la polymérisation UV ou la photolytographie des semi-conducteurs. La purification de l’eau est réalisée par des lampes de basse pression au mercure, étalonnées par le LNE à 254 nm. Les besoins industriels concernent aussi la caractérisation de simulateurs solaires aux applications variées comme l’évaluation de l’efficacité des crèmes de protection solaire.
Ce n’est toutefois pas dans les applications industrielles que le niveau d’incertitude est le plus critique. En climatologie, pour la surveillance de la couche d’ozone, la mesure des quantités de rayonnement ultraviolet est un outil important pour la connaissance des paramètres intervenant dans les modèles de prédiction de l’évolution climatique. Dans ce contexte de recherche le projet européen « Traceability for surface spectral solar ultraviolet radiation » a permis d’atteindre une incertitude sur la mesure des rayonnements solaires dans l’UV inférieure à 1.5 % en 2014. Les applications qui concernent l’environnement sont d’ailleurs citées dans les dernières orientations stratégiques publiées par le Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie (CCPR). En effet La surveillance de l'environnement fait appel à une variété d'indicateurs pour surveiller et analyser le changement ou l'impact du changement climatique. Il s'agit des Variables Climatiques Essentielles (VCE). Plus des 2/3 des VCE impliquent une forme de mesure du rayonnement optique : émise, directe, absorbée ou réfléchie. Selon le CCPR « les incertitudes requises par ce thème sont probablement les plus exigeantes ».
Pour soutenir ce besoin industriel, académique et environnemental, il faut être capable de mesurer avec une incertitude adaptée les différentes grandeurs mises en jeux. Pour cette raison le CCPR a engagé une démarche visant à élargir les « références et les possibilités d’étalonnage et de mesure » (CMC) dans le domaine UV pour 3 grandeurs : sensibilité des détecteurs, transmission des filtres et éclairement des sources. L’objectif du projet présenté est double : d’une part étendre les mesures des trois grandeurs jusqu’à 200 nm dans l’UV d’autre part de réduire l’incertitude de mesure d’un facteur 5.
Travaux réalisés et résultats
Les travaux suivants ont été menés dans 3 domaines d’applications différents sur trois bancs de mesures spécifiques : deux dispositifs au LNE-LCM à St Denis pour la mesure de la sensibilité spectrale et la mesure de la transmittance spectrale, et un dispositif pour la mesure de la densité spectrale d’éclairement énergétique des sources au LNE-LCM à Trappes.
Pour la mesure de la sensibilité spectrale des détecteurs
Les travaux effectués ont permis d’étendre des mesures dans l’UV jusqu’à 205 nm avec une incertitude de 11,0 %. Les incertitudes entre 205 nm et 220 nm sont encore élevées par rapport aux attentes. Cela est dû à l’éloignement de la première longueur d’onde laser mesurable sur le radiomètre cryogénique, obligeant une extrapolation couteuse en termes d’incertitudes. Pour le reste, les incertitudes obtenues sont inférieures à 1,5% de 230 nm à 280 nm et égales à 0,3 % (4 fois moins que l’objectif) de 280 nm à 350 nm.
Pour la mesure de la transmittance spectrale régulière
Le banc est opérationnel jusqu’à 250 nm avec les meilleures incertitudes parmi les laboratoires nationaux. L’extension de la mesure UV jusqu’à 200 nm reste à mettre en place.
Pour la mesure de la densité spectrale d’éclairement énergétique
Les travaux effectués ont permis d’étendre la capacité de mesure de notre banc de référence basée sur le corps noir haute température jusqu’à 200 nm. A cause du manque de flux dû à la limite du système détection, l’incertitude à 200 nm reste encore grande (20 %). Mais de 210 nm à 400 nm, l’objectif est atteint. Les incertitudes obtenues sont inférieures à 8,0 % entre 210 nm et 240 nm et inférieures à 3,0 % entre 250 nm et 400 nm.
Impacts scientifiques et industriels
- Elargissement du domaine spectral des CMC.
- Réduction des incertitudes sur les CMC actuelles dans l’UV (détecteur / Filtres) et dans l’UV/Vis (sources).
- Réduction des incertitudes sur la chaîne de traçabilité au premier niveau.
- Maintien du positionnement du laboratoire dans le groupe de tête au niveau EURAMET et CCPR en vue de future collaboration dans les projets de recherche de type EMPIR, ERC, ITN.
- Amélioration du raccordement de l’échelle de température thermodynamique aux références radiométriques pour les points eutectiques en cours de développement dans l’équipe pyrométrie.
- D’un point de vue industriel, l’extension des possibilités d’étalonnages permettra d’optimiser les prestations proposées par le LNE.