Les attentats du 11 septembre 2001 aux Etats-Unis ont mis en évidence le caractère avéré de la menace d’attentats en dehors des théâtres d’opérations militaires. De plus, les terroristes sont susceptibles d’avoir recours à des moyens non conventionnels, générant ainsi une menace de type nucléaire, radiologique, biologique ou chimique. Le point commun de l’ensemble de ces menaces est généralement l’utilisation d’explosifs comme agent de dissémination. Ainsi, la détection d’explosifs est une problématique d’une actualité brûlante et un enjeu important en termes de recherche et développement pour les prochaines années. Cette problématique a conduit les pouvoirs publics à mettre en œuvre un plan global de lutte contre les risques nucléaire, radiologique, biologique, chimique et explosif (NRBC-E) intégrant un important volet de recherche et développement auquel le CEA contribue. La thématique de la détection des explosifs revêt un caractère particulièrement important puisque ces derniers sont utilisés à la fois pour leur pouvoir destructeur et pour leur action de dispersion d’agents toxiques ou pathogènes. Nous sommes confrontés à la problématique de la détection des explosifs dissimulés dans les bagages, le courrier, les véhicules, les avions, les containers ainsi que sur les suspects. De plus, en raison de la multiplication des mines dans le monde, il est capital de faciliter leur localisation pour les opérations de déminage. D’après les Nations Unies, 110 millions de mines, la plupart non marquées, sont enterrées dans 64 pays.
Enfin, si les applications liées à la sécurité civile sont le moteur principal des activités de recherche, il existe également un besoin pour la surveillance de l’environnement (réhabilitation de sites industriels pollués, par exemple).
ETAT DE L’ART, PRESENTATION DES OBJECTIFS ET ASPECTS THEORIQUES
Détection des explosifs
Une substance explosive est un produit qui, sous l’effet de sollicitations diverses (mécanique, thermique, électrique…), est susceptible de se décomposer brutalement avec un dégagement important de gaz à température élevée. Les capacités de détection doivent également s’étendre aux précurseurs et dérivés d’explosifs, aux composants de mélanges explosifs et aux marqueurs ajoutés par les fabricants aux explosifs.
La détection des explosifs est un problème délicat car il nécessite à la fois de prendreen compte toutes les familles d’explosifs et d’être capable de les détecter, voire de quantifier leur concentration, quel que soit le milieu en présence. Le problème ne sera évidemment pas le même si l’explosif est présent dans l’atmosphère, dans l’eau ou dans le sol. Les méthodes de détection peuvent être subdivisées en trois types : celles qui détectent les vapeurs ou les particules émises par les matériaux, celles qui détectent les solides en suspension ou dissous dans les solutions et enfin celles qui sondent les matériaux massifs. Parmi les techniques d’identification chimique aujourd’hui employées figurent les techniques classiques de chimie analytique structurale comme la résonance magnétique nucléaire, les spectroscopies infrarouge et UV, la spectrométrie de masse ou encore des techniques structurales couplées à des unités de séparation, mieux adaptées pour détecter les faibles concentrations, comme la chromatographie en phase gazeuse ou liquide couplée à une détection par spectrométrie de masse. Elles permettent une quantification et une identification très précises de l’explosif, que ce soit dans l’air, l’eau ou le sol. Ces techniques sont particulièrement bien adaptées pour évaluer le niveau de pollution d’un site dans l’un ou l’autre de ces trois milieux après échantillonnage. Par contre, de par leur encombrement, leur coût et leur utilisation qui nécessite un spécialiste, elles ne répondent pas encore aujourd’hui à un besoin de détection d’explosifs sur le terrain (notamment en cas d’utilisation des explosifs à des fins malveillantes). Dans les lieux publics ou pour les opérations de déminage, pouvoir détecter rapidement les explosifs en phase gazeuse serait un atout majeur. C’est pourquoi il existe aujourd’hui un besoin en systèmes portables, simples d’utilisation et de faible coût adaptés à la détection de vapeurs des explosifs, de leurs précurseurs et dérivés.
Etat de l’art sur la détection de vapeurs d’explosifs, de leurs précurseurs et dérivés
Les détecteurs de gaz ou de vapeurs constituent une aide précieuse pour avertir rapidement de la présence d’un gaz dangereux ou pour évaluer les risques d’exposition au poste de travail par exemple. Citons notamment les détecteurs de monoxyde de carbone, de chlore, d’oxygène ou de composés organiques volatils (COV). Les détecteurs de gaz fixes sont utilisés pour la surveillance de l’atmosphère d’installations dans lesquelles la présence de gaz dangereux est possible et peuvent permettre le déclenchement d’alarmes ou la mise en sécurité d’un système. Les détecteurs portables assurent généralement une fonction de sécurité pour des personnes qui interviennent dans des zones où il existe un risque de formation d’atmosphères dangereuses pour la santé ou explosibles. Certains peuvent également être utilisés lors de l’établissement d’une stratégie de prélèvement (pour pointer les postes ou les procédés les plus exposés), pour la cartographie des émissions de COV sur des sites industriels ou pour la recherche de fuites de gaz.
Dans le cas de la lutte contre le terrorisme, le besoin de détecteurs d’explosifs pour le contrôle des bagages, des personnes, des paquets, des containers ou même des véhicules, est croissant. Les technologies de détection adaptées au terrain peuvent être classées en deux catégories : détection des explosifs massifs (souvent par imagerie, par rayons X principalement) et détection de traces. Les détecteurs de traces mesurent des traces de composés volatiles caractéristiques qui s’évaporent de l’explosif ou qui sont présents sous forme de particules (sur la surface du contenant de l’explosif par exemple). La détection de traces intervient principalement en contrôle de second niveau, après l’imagerie (en présence d’un bagage suspect par exemple).
De la difficulté à détecter les vapeurs
Il est notoire que les explosifs sont difficiles à détecter, pour différentes raisons (à la fois physiques et chimiques). D’abord, la pression de vapeur de la plupart des explosifs est faible, parfois extrêmement faible . De plus, les explosifs sont couramment empaquetés pour contenir les vapeurs. Il a été estimé qu’en enfermant hermétiquement les explosifs, leur concentration dans l’air peut être réduite par un facteur 1000. Seuls les explosifs ayant les plus fortes pressions de vapeur pourraient être détectés dans des conditions réelles en raison de l’atténuation des vapeurs par les emballages. C’est pourquoi les dispositifs de détection de vapeurs sont principalement réservés aux contrôles dits de second niveau, après avoir identifié une personne ou un bagage suspect par exemple. De cette difficulté à détecter les explosifs à faible pression de vapeur est née l’obligation pour les fabricants d’ajouter un marqueur à la formulation des explosifs (convention de Montréal en 1991). Les marqueurs autorisés sont le dinitrate d’éthylène glycol (EGDN), le 2,3-diméthyl 2,3 dinitrobutane (DMNB), le para-mononitrotoluène (p-MNT) et l’ortho-mononitrotoluène (o-MNT) . Mais si les marqueurs facilitent la détection des explosifs fabriqués conventionnellement, la problématique reste complexe pour les engins explosifs improvisés utilisant des explosifs dits artisanaux.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I. Etat de l’art, présentation des objectifs et aspects théoriques
1. Détection des explosifs
2. Etat de l’art sur la détection de vapeurs d’explosifs, de leurs précurseurs et dérivés
2.1. De la difficulté à détecter les vapeurs
2.2. Détection par des animaux
2.3. Techniques analytiques de détection de traces
2.3.1 Préparation des échantillons
2.3.2 Spectrométrie de masse
2.3.3 Méthodes chromatographiques
2.3.4 Spectrométrie à mobilité ionique
2.3.5 Techniques couplées
2.4. Capteurs chimiques : principe de fonctionnement et état de l’art pour la détection des explosifs
2.4.1 Capteurs gravimétriques/acoustiques
2.4.2 Capteurs électrochimiques
2.4.3 Capteurs optiques
2.5. Nez électroniques
2.6. Détection des explosifs peroxydes et de H2O2
3. Objectifs
3.1. Démarche
4. Nanoparticules pour la détection
5. Spectroscopie des terres rares
5.1. Niveaux énergétiques de l’ion libre
5.2. Niveaux d’énergie dans le champ cristallin d’un matériau hôte
5.3. Transitions optiques entre niveaux des terres rares
5.3.1 Transitions radiatives
5.3.2 Transitions non radiatives
5.3.3 Transitions vibroniques
5.4. Interactions entre ions de terres rares
5.4.1 Relaxation croisée et auto-extinction par concentration
5.4.2 Effet des amas d’ions terres rares
5.5. Matrices hôtes pour les ions terres rares
6. Conclusion
CHAPITRE II. Elaboration et caractérisations du matériau sensible
1. Introduction
1.1. Synthèse des matériaux sensibles et importance du pH
1.2. Dénomination des matériaux
1.3. Remarques
2. Méthode A : Synthèse de nanoparticules YVO4:Eu en présence de chélatants
2.1. Synthèse
2.2. Caractérisations
2.2.1 Caractérisations structurales
2.2.2 Caractérisations élémentaires
2.2.3 Stabilité des sols et qualité des films obtenus
2.2.4 Caractérisations optiques
2.3. Affinité avec la cible
2.4. Conclusion
3. Méthode B : Synthèse de nanoparticules YVO4:Eu sans chélatants
3.1. Synthèse
3.2. Caractérisations
3.2.1 Caractérisations structurales
3.2.2 Caractérisations élémentaires
3.2.3 Stabilité des sols et qualité des films obtenus
3.2.4 Caractérisations optiques
3.3. Reproductibilité
3.4. Conclusion
4. Méthode C : Synthèse de nanoparticules YVO4:Eu à pH contrôlé
4.1. Synthèse
4.2. Influence du pH de synthèse
4.3. Caractérisations complémentaires des matériaux obtenus à pH 9
4.3.1 Stabilité des sols et qualité des films obtenus
4.3.2 Caractérisations optiques
4.4. Reproductibilité
4.5. Conclusion
5. Méthode D : Synthèse de nanoparticules YVO4:Eu assistée par micro-ondes
5.1. Synthèse
5.2. Caractérisations
5.2.1 Caractérisations structurales
5.2.2 Stabilité des sols et qualité des films obtenus
5.2.3 Caractérisations optiques
5.3. Conclusion
6. Synthèse des résultats et conclusion
CHAPITRE III. Performances des matériaux sensibles
1. Matériau en solution
1.1. Nébulex
1.2. Faisabilité de la détection de vapeurs à partir de sols
1.3. Sensibilité
1.4. Sélectivité
1.5. Robustesse
1.6. Conclusion
2. Matériau sous forme de film
2.1. Banc de génération de vapeurs
2.2. Détection de vapeurs de H2O2
2.3. Sensibilité
2.3.1 Comparaison des méthodes A et C
2.3.2 Teneur en europium
2.3.3 Apport des micro-ondes ou d’un traitement hydrothermal
2.4. Sélectivité
2.5. Robustesse
2.5.1 Importance du taux d’humidité de l’air
2.5.2 Photostabilité
2.5.3 Reproductibilité
2.5.4 Vieillissement
2.6. Réversibilité
2.7. Conclusion
3. Conclusion
Conclusion générale
