Informatique instrumentale (logiciels et matériels) d’un spectromètre de Résonance Quadrupolaire Nucléaire : Nouvelle méthode de détection des molécules azotées, General software and digital hardware for a nuclear quadrupolar resonance (NQR) instrument : A new detection method for the NQR signal

Nicolas Hiblot

Description

Sous la direction de Daniel Canet
Thèse soutenue le 08 avril 2008: Nancy 1
Malgré l’intérêt actuellement porté à la résonance quadrupolaire nucléaire (RQN), et plus particulièrement à la RQN de l’azote 14 (par exemple, pour la détection et la caractérisation des explosifs), il n’existe aucun instrument commercial directement utilisable pour réaliser des expériences de RQN. Cette thèse est consacrée à la mise au point d’un spectromètre, raisonnablement transportable, entièrement réalisé au laboratoire, qui comprend : le système d’émission-réception, la synthèse de fréquence, l’acquisition des données, les sondes et un logiciel dédié, pour gérer l’instrument et pour le traitement des données. Le logiciel de gestion de l’instrument et des expériences constitue l’apport essentiel de cette thèse. En outre, une nouvelle méthode, fondée sur un traitement particulier du signal, est proposée en vue de l’amélioration de la sensibilité de l’expérience.
-Informatique instrumentale
In spite of a renewed interest in NQR (NQR), especially of nitrogen-14 (for instance, for the detection and characterization of explosives), a full NQR instrument, ready to use in the laboratory, is not commercially available. This thesis is devoted to the design of an entirely homemade spectrometer, reasonably transportable, including the transmit-receive system, frequency generation, data acquisition, probes and a specialized software for driving the instrument and for data processing. The essential contribution of this thesis is the software for managing the whole instrument and controlling various experiences. Moreover, a new method is proposed for improving NQR sensitivity. It is based on a particular processing of the NQR signal.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10010/document

Informations

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Extrait

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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES


U.F.R. Sciences & Techniques de la Matière et des Procédés
Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaire
Département de Formation Doctorale de Chimie Informatique et Théorique




Thèse

présentée pour l'obtention du titre de

Docteur de l'Université Henri Poincaré -Nancy I

en Chimie Informatique et Théorique

par Nicolas HIBLOT




Informatique instrumentale (logiciels et matériels) d’un
spectromètre de Résonance Quadrupolaire Nucléaire.
Nouvelle méthode de détection des molécules azotées.



Sous la direction de D. CANET, Professeur à l’Université Henri Poincaré Nancy I


Soutenue le 8 avril 2008



Membres du jury :

Rapporteurs : M. Serge AKOKA Professeur, Université de Nantes
M. Jean Marc NUZILLARD Directeur de recherches CNRS, Reims
Examinateurs : M. Bernard ANCIAN Professeur, Université de Paris VII
M. Jean BRONDEAU Professeur, U.H.P., Nancy I
M. Daniel CANET Professeur, U.H.P., Nancy I
M. Guy JACOB SNPE, Vert le Petit



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Méthodologie RMN (UMR 7565 CNRS-UHP)
Faculté des Sciences & Techniques - 54500 Vandœuvre-lès-Nancy
















A Hélène, à ma famille

























2 Remerciements

Je souhaite tout d’abord remercier le professeur Daniel Canet de m’avoir accueilli au
laboratoire de Méthodologie R.M.N, d’avoir suivi mon travail quotidiennement et aussi de
m’avoir apporté de nombreux et judicieux conseils tout au long de ma thèse.
Je remercie le professeur Serge Akoka et le docteur Jean Marc Nuzillard d’avoir accepté d’être
rapporteurs de ce travail, ainsi que le professeur Bernard Ancian d’avoir présidé mon jury de
thèse.
Je souhaite remercier le professeur Jean Brondeau ainsi que le docteur Guy Jacob pour avoir
accepté d’être membres de ce même jury.
Je remercie également Alain Retournard qui m’a aidé tout au long de l’élaboration du
spectromètre RQN. Ses interventions et ses conseils m’ont permis de mener à bien le travail
qui m’était confié : développer un dispositif RQN fiable et robuste.
Je remercie finalement l’ensemble des membres du laboratoire de méthodologie RMN qui ont
collaboré de près ou de loin à ce travail : Christie Aroulanda, Jean-Claude Boubel, Jean-Marie
Escanyé, Denis Grandclaude, Pierre Mutzenhardt, Elisabeth Dumas, Pierre-Louis Marande,
Jérome Bedet, Sabine Bonnet, Benoît Cordier, Carole Doucet, Diana Cuc Mozoléa, Maude
Ferrari, Sébastien Leclerc, Grégory Trausch et Mehdi Yemloul.











3 Table des matières




INTRODUCTION.................................................................................................................................................. 6
CHAPITRE 1........................................................................................................................................................ 9
LES MATERIELS ET LOGICIELS ACTUELS, POUR LA DETECTION DES MOLECULES
AZOTEES PAR RESONANCE QUADRUPOLAIRE NUCLEAIRE ............................................................. 9
A) LES DIFFERENTS ATOUTS DE LA RESONANCE QUADRUPOLAIRE NUCLEAIRE ......................................... 10
1) Le contre minage.................................................................................................................................... 10
2) La caractérisation des explosifs ............................................................................................................. 13
3) La détection des narcotiques.................................................................................................................. 13
B) LES INSTRUMENTS DE RQN DECRITS DANS LA LITTERATURE FIN 2007................................................... 14
1) Appareillage réalisé sur mesure............................................................................................................. 14
2) Spectromètres RQN réalisés entièrement en laboratoire ...................................................................... 18
3) Spectromètres ayant pour base une console RMN................................................................................ 21
4) Brevets et appareillages supposés être commercialisés......................................................................... 24
C) CONCLUSION............................................................................................................................................... 31
BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 1 ..................................................................................................................... 34
CHAPITRE 2...................................................................................................................................................... 36
PRINCIPES DE LA RESONANCE QUADRUPOLAIRE NUCLEAIRE DE L’AZOTE-14.
ARCHITECTURE D'UN SPECTROMETRE DEDIE ................................................................................... 36
A) PRINCIPES DE BASE DE LA RQN................................................................................................................. 38
1) Le noyau quadrupolaire......................................................................................................................... 38
2) L’interaction quadrupolaire................................................................................................................... 39
3) Les résonances quadrupolaires de l’azote-14........................................................................................ 42
a) Valeurs propres et vecteurs propres de l’Hamiltonien dans le cas où η = 0.................................................. 43
b) Valeurs propres et vecteurs propres de l’Hamiltonien dans le cas où η ≠ 0.................................................. 44
c) Diagramme d’énergie et transitions permises.................................................................................................. 45
B) APERÇU THEORIQUE DE LA RQN PAR IMPULSIONS .................................................................................. 47
1) La matrice densité .................................................................................................................................. 47
2) Effet d’une impulsion de champ radiofréquence en RQN d’un spin 1 (azote-14)............................. 50
a) Traitement avec une matrice-densité simplifiée .............................................................................................. 50
b) Application aux courbes de nutation................................................................................................................ 54
c) Accumulation du signal RQN............................................................................................................................ 56
C) UN SPECTROMETRE RQN PAR IMPULSIONS .............................................................................................. 59
1) Les différents éléments constituant le spectromètre RQN .................................................................... 59
a) Le synthétiseur de fréquences ........................................................................................................................... 60
b) Le module « Pulser »....................................................................................................................................