La thèse présentée porte sur les possibilités d’utilisation de la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) utilisée dans le laboratoire ainsi qu’à l’extérieur en utilisant l’appareil portable mis au point par nous et destiné pour analyser la composition élémentaire en matières. Cet appareil a été testé sur les échantillons géologiques dans l’objectif de la détection du Laacher See Tephra (LST) dans la craie lacustre enlevée dans le Jura en France. Le traitement statistique des cartes élémentaires pour les éléments Al, Ca, Fe, Ti, Ba et Na ont été effectuées à partir d’une coupe de la colonne sédimentaire contenant LST et cela a permis d’optimiser les conditions de l’expérience. La profilométrie a été utilisée sur les échantillons d’ammonites dans l’objectif de déterminer le processus de la fossilisation. La pyritisation a été considérée comme potentiellement détectable, mais l’appareil s’est révélé incapable de déterminer la phosphatation. Concernant le LIBS effectué dans le laboratoire, une réponse spectrale du spectromètre à échelle a été déterminée dans une gamme comprise entre 215 nm et 950 nm. Le modèle du rayonnement des molécules diatomiques de N2, NO et OH a été utilisé pour obtenir la source du rayonnement de référence de la décharge luminescente dans l’air. La réponse spectrale a été utilisée pour la correction des spectres mesurés dans d’autres recherches. Pour des tests sans calibration (CF-LIBS), les échantillons d’alliages d’aluminium avec de différentes compositions des éléments (Al, Mg, Mn, Si et Cu) ont été utilisés. Les résultats de l'acquisition des spectres de la localisation de 2 mm au-dessus de la surface de l’échantillon sont plus précis que ceux qui ont été acquis de la localisation de 1 mm. Une étude examinant des possibilités d’utilisation de l’auto-absorption pour analyser la concentration du magnésium dans les alliages d’aluminium est présentée dans le dernier chapitre de la thèse. A cette fin, un modèle bicouche de plasma a été utilisé et ajusté aux profiles des raies du Mg I 285,213 nm et Mg II 280,271 nm expérimentalement mesurés. Les résultats ont été comparés avec les valeurs nominales et pour la raie d’ion du Mg II 280,271 le résultat démontre une possibilité de déterminer la concentration du Mg dans l’alliage / No abstract

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Aluminum alloy castings are becoming commonplace for critical applications in the automotive and aerospace industries where materials failure is not an option. In order to meet such property demands, tight control over the cleanliness of the melt (mitigation of solid particle inclusions) and microstructure must be achieved. In order to control cleanliness, it must first be well defined and measured. Very few techniques exist in industry that can quantitatively measure inclusion levels in-situ. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is presented as a promising technique to quantify solid particles, desired or undesired, in aluminum melts. By performing LIBS with subsequent statistical analysis on liquid aluminum with varying concentrations of Al2O3, AlB2, TiB2, and SiC particles, calibration curves relating particle concentration and elemental intensity were drawn. Through metallography and automated electron microscopy, it was found that inclusions less than 10 um in size could be detected with LIBS. Concentrations down to at least one part-per-million could be detected and accurately measured, allowing for LIBS to be use as a tool for complete, real-time melt cognition.

1)Μελέτη θερμοκρασίας και ηλεκτρονικής πυκνότητας πλάσματος που παράγεται από αλληλεπίδραση laser με δείγμα γραφίτη σε ατμοσφαιρική πίεση και σε υποπίεση. 2)Χάραξη καμπύλων βαθμονόμησης με την μέθοδο LIBS με την βοήθεια περιβαλλοντικών δειγμάτων γνωστής σύστασης που περιέχουν τα στοιχεία Zn, Pb, Cu, Mn, Cr / -

Orientador: Celio Pasquini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-08T16:03:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cortez_Juliana_M.pdf: 4343113 bytes, checksum: d1746c525a8d51ede4e8432a525eecf2 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho um instrumento LIBS com resolução temporal (TRELIBS) foi construído e seu desempenho foi avaliado para análise qualitativa e quantitativa. Além disso, este trabalho apresenta estudos exploratórios acerca da influência de parâmetros que afetam as análises em LIBS. O instrumento foi montado empregando-se óptica e sistema de detecção de última geração: um detector ICCD, um policromador echelle e um laser Q-switched de Nd:YAG. Três configurações do sistema LIBS foram avaliadas. No último arranjo do sistema, o pulso de laser era refletido por um espelho dicróico à 45º para uma lente de distância focal de 25 cm que focava o pulso de laser na superfície da amostra. A radiação foi coletada por uma lente de curta distância focal e depois enviada para o echelle, por uma fibra óptica, e posteriormente para o ICCD. Na análise qualitativa foram avaliados os espectros de uma placa de cobre e zinco, obtendo-se espectros condizentes com a literatura, de acordo com a resolução do echelle. Na avaliação quantitativa, determinou-se manganês em aços acalmados. O sistema apresentou resposta às diferentes concentrações de manganês em 293,30 nm e curvas analíticas foram obtidas. A energia do pulso de laser mostrou ser um fator determinante no desempenho da análise quantitativa. Outros parâmetros como tempo de integração do sinal, tempo de atraso, ganho do MCP, co-adição de pulsos e distância foco-amostra também mostraram ter influência na análise quantitativa. Imagens de MEV e mapeamentos de EDS das crateras formadas pelo laser foram ferramentas importantes para o entendimento do processo de interação laser-amostra-atmosfera / Abstract: In this work a time resolved LIBS instrument (TRELIBS) was built and its performance evaluated in qualitative and quantitative analysis. Additionally, exploratory studies are presented on the influence of parameters that affect the LIBS analysis. The instrument was built employing optical systems and devices of modern technology: an ICCD device, an echelle polychromator and an Q-switched Nd:YAG laser. Three configurations of LIBS system were evaluated. In the last configuration, the laser pulse was reflected by a dicroic mirror at 45º to a lens of 25 cm focal distance that focused the laser pulse on the sample surface. The plasma emission was collected by a lens of short focal distance and sent to the echelle, through of an optical fiber, and later to the ICCD. In qualitative analysis, spectra of copper and zinc foils were evaluated and the spectral lines were found in agreement with literature, considering the echelle resolution. In quantitative analysis, manganese was determined in killed steel. The system presented signals at 293,30 nm whose intensities changes in function of manganese concentration and analytical curves were obtained. The laser pulse energy showed to be an important factor for the success of quantitative analysis. Others parameters such as width, delay time, MCP gain, accumulated laser pulses and distance sample-focusing lens also showed have influence in quantitative analysis. MEV images and surface scanner by EDS of the craters formed by laser were important tools to understanding laser-sample-atmosphere interaction processes / Mestrado / Quimica Analitica / Mestre em Química

The analysis of white latex paint is a problem for forensic laboratories because of difficulty in differentiation between samples. Current methods provide limited information that is not suitable for discrimination. Elemental analysis of white latex paints has resulted in 99% discriminating power when using LA-ICP-MS; however, mass spectrometers can be prohibitively expensive and require a skilled operator. A quick, inexpensive, effective method is needed for the differentiation of white latex paints. In this study, LIBS is used to analyze 24 white latex paint samples. LIBS is fast, easy to operate, and has a low cost. Results show that 98.1% of variation can be accounted for via principle component analysis, while Tukey pairwise comparisons differentiated 95.6% with potassium as the elemental ratio, showing that the discrimination capabilities of LIBS are comparable to those of LA-ICP-MS. Due to the many advantages of LIBS, this instrument should be considered a necessity for forensic laboratories.

This diploma thesis deals with the design of a precise multi-channel pulse generator for the synchronization of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) instrumentation. The thesis reflects current state-of-the-art solutions in communication and trends in the field of laser spectroscopy. Moreover, the device is based on the modern implementation of embedded devices using C and C++ programming languages using the Ethernet for communication. The communication with the control software is provided via the SDD protocol; designed at CEITEC BUT. Finally, the data of the SDD protocol are sent by the hypertext transfer protocol (HTTP) protocol in native file format (JSON). This thesis brings the synchronization of the 10 devices by precision timing.

This diploma thesis deals with two spectroscopic methods - laser induced breakdown spectroscopy and Raman spectroscopy. These methods were used for analysis of alga Trachydiscus minutus, which was cultivated in copper sulfate solutions of various concentrations. First part of this thesis is dedicated to physics and measurements of laser induced breakdown spectroscopy, second part deals with Raman spectroscopy.

La pollution des eaux est une préoccupation majeure relayée par la Communauté Européenne. Cette problématique s'accentue avec les particules métalliques et l'émergence de produits nanostructurés tels les Nano-objets, leurs Agrégats et leurs Agglomérats (NOAA). Ces NOAA constituent un cas particulier de polluants du fait de leurs propriétés physicochimiques. La surveillance et le contrôle de ces polluants dans les eaux, nécessite le développement d'instruments de mesure aptes à répondre à ce fléau environnemental. Dans ce contexte, la technique de spectroscopie de plasma induit par laser ou Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) a été retenue à l'INERIS. Elle permet l'identification chimique élémentaire des polluants sous forme particulaire dans la matrice liquide et la détermination de leurs concentrations in-situ et en temps réel. Ce travail de thèse a permis d'optimiser l'analyse des suspensions par LIBS avec deux modes d'échantillonnage. La première partie de l'étude a porté sur le couplage LIBS avec un jet liquide et les limites de détection du titane ont été évaluées à 0.5 mg/L. Dans la deuxième partie, les suspensions ont été aérosolisées avec un nébuliseur et analysées par LIBS. Les résultats obtenus en comparant ces deux modes d'échantillonnage montrent que le jet liquide peut être avantageux pour l'analyse de particules dans les liquides. Cependant le mode aérosol présente un intérêt pratique à condition d'avoir un rendement d'aérosolisation supérieur à 50%. Au final, ce travail de thèse démontre l'applicabilité de la LIBS comme outil potentiel pour l'analyse in situ de particules dans les liquides telle que la surveillance et le contrôle des eaux usées / Water pollution is a major concern, as noted by the European Community. This problem is accentuated with metallic particles and the emergence of nanostructured products such as Nano-Objects, their Aggregates and their Agglomerates (NOAA). These are the special types of pollutants owing their physicochemical properties. The monitoring and control of these pollutants in water require the development of measurement instruments which are capable to anwer this environmental problem. In this context, the technique of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been developed at INERIS. It not only allows the chemical identification of these particles pollutants present in liquids, but also the determination of their concentrations in situ and in real time. This thesis has optimized the analysis of suspensions by LIBS with two sampling modes. The first mode focused on coupling LIBS with a liquid jet in which the detection limits of titanium dioxide were estimated at 0.5 mg/L. In the second mode, the suspensions were aerosolized with a nebulizer and analyzed by LIBS. The results obtained by comparing these two sampling modes show that the liquid jet may be advantageous for the analysis of suspensions. However, the aerosol mode has a practical interest if it has an aerosolization efficiency of over 50%. Finally, this work demonstrates the applicability of LIBS as a potential tool for in situ particle analysis of suspensions such as monitoring and control of wastewater

Lors du fonctionnement d'un réacteur de fusion nucléaire par confinement magnétique comme ITER, une fraction de tritium est piégée par les composants face au plasma et doit être mesurée pour des raisons de sureté nucléaire. La spectroscopie de plasma induit par laser est proposée pour effectuer cette mesure. Le plasma laser produit sur des tuiles de Tore Supra en composite à fibre de carbone est analysé à l'aide d'une étude paramétrique : il doit avoir une température supérieure à 10000 K et une densité électronique supérieure à 10^17 cm^-3 pour optimiser l'application. Une méthode "autocalibrée" prenant en compte l'auto-absorption des raies est utilisée pour déterminer la concentration relative d'hydrogène à partir des spectres expérimentaux. La caractérisation spatio-temporelle du panache d'ablation révèle la présence d'un gradient de température dirigé du centre vers la périphérie du plasma. La prise en compte de ce gradient permet de déduire le rapport des concentrations H/C. L'incertitude de la mesure est évaluée et discutée. La mesure du rapport isotopique D/H sous pression réduite d'argon met en évidence un effet de ségrégation qui doit être pris en compte afin d'éviter des erreurs de mesure de l'ordre de 50%. Les matériaux à base de tungstène sont analysés et les difficultés associées aux données spectroscopiques sont abordées. Enfin, la faisabilité de l'analyse LIBS résolue en profondeur est validée pour des échantillons métalliques multicouches préalablement étalonnés. / During the operation of a nuclear fusion device like the future reactor ITER, a fraction of tritium is trapped in the plasma facing components and has to be measured in order to fulfill nuclear safety requirements. Laser-induced breakdown spectroscopy is proposed to achieve this measurement. The laser plasma produced on carbon fibre composite tiles from the Tore Supra reactor is analyzed via a parametric study : it has to have a temperature over 10000 K and an electron density over 10^17 cm^-3 to optimize the application. A calibration-free procedure that takes into account self-absorption is proposed to determine the relative concentration of hydrogen from the experimental spectra. The time- and space-resolved spectral emission of the plasma plume is investigated and reveals the presence of a temperature gradient from the core towards the periphery. This gradient is taken into account and the H/C concentration ratio is deduced. The accuracy of the results is evaluated and discussed. The study of the D/H isotopic ratio under low pressure argon reveals the presence of plume segregation that leads to an error of about 50%, error that can partially be reduced. Tungsten materials are investigated and difficulties related to spectroscopic databases are discussed. Finally, the feasibility of LIBS analysis with depth resolution is validated for multilayered metallic samples.