The technique of Raman spectroscopy was applied in order to identify and characterize the number of minerals in the mineralogical collection at the Department of Earth Sciences. The collection was broadened with five rare carbonates borrowed from the collection of the Swedish Museum of Natural History in Stockholm. In total, 66 specimens were examined.The characteristics of interest included possible presence and nature of defects and impurities, degree of crystallinity, residual stresses, possible treatment by natural heat sources (e.g. radionuclides) or chemicals (e.g. polishing agents), and fluorescence.Raman spectroscopy was chosen as examination method because of its distinctive advantage over traditional techniques – a non-destructive probing of pristine materials and minimum or no preparation. Besides, Raman spectroscopy performs very well in collecting the needed characteristics, in terms of its sensitivity, as well ability to probe miniature grains in a matrix with a high spatial resolution.A portable system was used to identify the presence of impurities and the fingerprint of the host rock in the majority of the examined carbonates. The rare carbonate burbankite showed distinct fluorescence bands, which likely can be explained by its complicated chemical composition.The Raman system was used for gemmological purposes and helped to identify the purity of the gems. Diamond and two rubies showed to be free from impurities, but red corundum showed a broad peak, which may represent traces of natural heat treatment, which in turn could be caused by regional metamorphism or even by a radiation source. Furthermore, the correlation between the signal intensity of the fluorites’ bands and the chemical composition of the minerals were studied. The experiment showed that blue fluorite fully misses the peak T2g while purple and grey fluorites showed a well-developed and easily recognizable peak at this location. Thus, it was discovered that the presence and intensity of this peak is directly dependent on the fluorite’s colour, i.e. on the host species, which are incorporated in the crystal structure, such as metals, rare earth elements (REE) or even organic substances. Moreover, residual tensile stress was identified in colourless quartz. The tensile stress was estimated to be in the interval between 0.23 and 1.0 GPa.The Raman system was used to identify different end-members of the garnet family. Raman spectroscopy showed to have high analytical power and helped to estimate the ratio between the end-members in eight garnet samples. In one case, fluorescence was linked to the presence of REEs in the structure of almandine. One sample of calcite showed to be incorrectly placed in the collection. This work will now form a solid foundation for the mineral characteristics handbook. / Ramanspektroskopitekniken applicerades för att identifiera och karakterisera antalet mineraler i den mineralogiska samlingen vid Institutionen för geovetenskaper. Samlingen breddades med fem sällsynta karbonater som lånades från Naturhistoriska riksmuseets samling i Stockholm. Sammanlagt analyserades 66 prover. Egenskaperna av intresse inkluderade eventuell förekomst av och karaktären hos defekter och föroreningar, graden av kristallinitet, restspänningar, eventuella spår av naturlig värmebehandling (till exempel radionuklider) eller kemisk behandling (till exempel polermedel), och fluorescens. Ramanspektroskopi valdes som undersökningsmetod på grund av dess tydliga fördel över traditionella metoder – en icke-förstörande undersökning av rena material och minimal eller ingen förberedelse. Därutöver fungerar Ramanspektroskopi väldigt bra för undersökning av de efterfrågade egenskaperna, vad gäller dess känslighet och kapacitet vid sondering av miniatyrkorn i matriser med hög spatial upplösning. Ett portabelt system användes för att identifiera föroreningar och fingeravtryck av den omslutande bergarten i de flesta undersökta karbonatprov. Den sällsynta karbonaten burbankit visade på distinkta fluorescensband, som sannolikt kan tillskrivas dess komplicerade kemiska sammansättning. Ramansystemet användes i gemmologiskt syfte och kunde identifiera ädelstenarnas renhet. Diamant och två rubiner visade sig sakna föroreningar, men den röda korunden visade en bred topp, som kan indikera på spår av naturlig värmebehandling, som i sin tur kan ha orsakats av regional metamorfos eller till och med en strålningskälla. Därutöver studerades sambandet mellan signalstyrkan hos fluoriters band och mineralers kemiska sammansättning. Experimentet visade att blå fluorit fullständigt saknar toppen från T2g, medan de lila och grå fluoriterna hade välutvecklade och lättigenkännliga toppar vid denna position. Således upptäcktes att denna topps närvaro och intensitet är direkt beroende av fluroritens färg, det vill säga av elementen som är inkorporerade i kristallstrukturen, så som metaller, sällsynta jordartsmetaller eller till och med organiska substanser. Därutöver identifierades restdragspänning i den färglösa kvartsen. Spänningen uppskattades ligga i intervallet 0.23 – 1.0 GPa. Ramansystemet användes för att identifiera olika ändelement i granatfamiljen. Ramanspektroskopin hade hög analytisk förmåga och hjälpte till att estimera förhållandet mellan ändelementen i åtta granatprover. I ett fall kunde fluorescens bindas till förekomsten av sällsynta jordartsmetaller i almandinets struktur. Ett kalcitprov visade sig vara felaktigt placerat i samlingen. Detta arbete kommer nu utgöra en god grund för den mineralogiska samlingens handbok.

In the copper smelting processes, the viscosity of the matte and the slag is an important factor for establishing efficiency. Impurities in the concentrates affect the viscosity not only by changing the melt structure but also by promoting precipitation of solid phase which sharply rises it. In this master thesis, a comprehensive methodology was established to study the MgO effects on the properties of a copper smelting slag. Thus, glassy samples were obtained and after confirmation of the composition and the glassy structure with EDS, SEM, and XRD analysis, they were examined through Ramanspectroscopy to study their glassy structure. Moreover, Mössbauer spectroscopy was used to determine the amount of Fe3+ in the samples. Models from the literature were compared to the experimental data. Coherence with the literature was found with the effect of MgO as a network modifier of the oxide melt structure and a promoter of high coordinated structures. Estimations through models were performed to study the iron redox equilibria of the melt and were compared with experimental data, but it was not possible to find the limit of Fe3+ at which precipitation of solid phase initiates. / I kopparsmältningsprocesserna är mattans och slaggens viskositet en viktig faktor för att uppnå effektivitet. Föroreningar i koncentraten påverkar viskositeten inte bara genom att ändra smältstrukturen utan också genom att främja utfällning av fast fas som kraftigt höjer den. I denna magisteruppsats fastställdes en omfattande metod för att studera MgO-effekterna på egenskaperna hos en kopparsmältningsslagg. Således erhölls glasiga prover och efter bekräftelse av kompositionen och den glasiga strukturen med EDS-, SEM- och XRD-analys undersöktes de genom Ramanspektroskopi för att studera deras glasstruktur. Dessutom användes Mössbauerspektroskopi för att bestämma mängden Fe3+ i proverna. Modeller från litteraturen jämfördes med experimentella data. Överensstämmelse med litteraturen hittades med effekten av MgO som ett nätverksmodifierare av oxidsmältstrukturen och en promotor för högkoordinerade strukturer. Uppskattningar genom modeller utfördes för att studera smältans järnredoxjämvikter och dessa jämfördes med experimentella data, men det var inte möjligt att hitta gränsen för Fe3+ vid vilken utfällning av fast fas initierades.

This work describes a master’s thesis in engineering physics at Umeå University carried out during the spring semester of 2014. In the thesis the student has constructed and tested a temperature controlled cell for cooling/heating of surface-enhanced-Raman-spectroscopy (SERS) substrates for rapid detection of volatile substances. The thesis was carried out at the Swedish Defence Research Agency (FOI) in Umeå, Sweden. A Linkam Scientific Instruments TS1500 cell was equipped with a Peltier element for cooling/heating and a thermistor temperature sensor. A control system was constructed, based on an Arduino Uno microcontroller board and a pulse-width-modulated (PWM) H-bridge motor driver to control the Peltier element using a proportional-integral (PI) control algorithm. The temperature controlled cell was able to regulate the temperature of a SERS substrate within -15 to +110 °C and maintain the temperature over prolonged periods at ±0.22 °C of the set point temperature. Gas phase of 2-chloro-2-(difluoromethoxy)-1,1,1-trifluoro-ethane (isoflurane) was flowed through the cell and SERS spectra were collected at different temperatures and concentrations. This test showed that the signal is increased when the substrate is cooled and reversibly decreased when the substrate was heated. Keywords: temperature control, Raman scattering, surface enhanced Raman spectroscopy SERS, SERS substrate, volatile substances, Peltier module, thermistor, PWM, H-bridge, PI(D) control. / Detta dokument beskriver ett examensarbete för civilingenjörsexamen i teknisk fysik vid Umeå Universitet som utförts under vårterminen 2014. I examensarbetet har en kyl-/värmecell för temperaturkontroll av substratytor för ytförstärkt ramanspektroskopi (SERS) för snabb detektion av farliga flyktiga ämnen konstruerats och testats. Arbetet utfördes vid Totalförsvarets forskningsinstitut (FOI) i Umeå, Sverige. Utgångspunkten var ett Linkam Scientific Instruments TS1500 mikroskopsteg, vilket utrustades med ett Peltierelement för kylning/värmning och en termistor för temperaturövervakning. Ett styrsystem baserat på ett Arduino Uno mikrostyrenhetskort konstruerades med ett motordrivkort (H-brygga) vilket använder pulsbreddsmodulering (PWM) för att reglera spänningen till Peltierelementet utifrån en PI-regulator. Den färdiga cellen klarade att reglera temperaturen på ett SERS-substrat i ett temperaturspann på ungefär -15 till +110 °C med en temperaturstabilitet på ±0.22 °C av måltemperaturen. Cellen testades sedan på flyktiga ämnen för att visa dess funktion. Difluorometyl-2,2,2-trifluoro-1-kloroetyleter (isofluran) i gasfas, med instrumentluft som bärargas, flödades genom cellen och SERS-spektra erhölls vid olika koncentrationer och temperaturer. Vid samtliga koncentrationer visades att lägre temperatur ger ökad signalstyrka. När ytan sedan värmdes upp sjönk signalen reversibelt tillbaka till ursprungsvärdet. Nyckelord: temperaturkontroll, ytförstärkt ramanspektroskopi, SERS, flyktiga ämnen, Peltierelement, thermistor, PWM, H-brygga, PI(D)-regulator.