Quantification of industrial alloys by the spectroscopy of optical emission of laser induced plasmas LIBS

Abstract

Ce travail de thèse porte sur la quantification d’un alliage industriel à base de Zinc par la spectroscopie d’émission optique des plasmas induits par laser (LIBS). Les principes fondamentaux de la spectroscopie LIBS ont fait l’objet d’une étude approfondie au cours de notre travail de thèse de doctorat, ces principes fondamentaux nous ont permis d’adopter une méthodologie pour le dépouillement de nos résultats expérimentaux. Le dispositif expérimental et la méthodologie adoptée sont minutieusement détaillés dans la thèse. Une étude de l'influence des divers paramètres expérimentaux sur les propriétés du plasma a été conduite. Il s'agit notamment de l'effet de la distance de focalisation sur l'échantillon (Lens To Sample Distance LTSD), de l'énergie laser et de l'évolution spatio-temporelle de l'intensité d’émission du plasma, et ses propriétés, en particulier la densité électronique et de la température. L'analyse de l'effet de la LTSD sur l'intensité du plasma fait apparaître deux évolutions distinctes, t une augmentation initiale suivie d'une diminution qui est attribuée au phénomène d’écrantage du plasma. Une valeur optimale de 97 mm pour le LTSD qui correspond à à l'intensité la plus élevée des raies. Des tendances similaires sont observées dans les variations de température avec la LTSD, tandis que la densité électronique (Ne) présente des évolutions relativement stables, indiquant des interactions complexes entre les paramètres expérimentaux et le comportement du plasma. En ce qui concerne l'énergie laser, une LTSD de 97 mm est fixée en variant l'énergie de 12,75 mJ à 59,5 mJ. Les résultats démontrent une augmentation initiale de l'intensité suivie d'une diminution en raison de l’écrantage du plasma, avec un seuil critique de 50 mJ, identifié pour une exploration plus approfondie des paramètres du plasma. L'étude spatio-temporelle du plasma a porté sur l'évolution de l'intensité des raies neutres et une fois ionisées de Zn, Al et Cu. Au cours du temps, toutes les espèces présentent une diminution d'intensité due à l'expansion du plasma et aux effets de refroidissement, les espèces ioniques diminuant plus rapidement que les espèces atomiques en raison de phénomènes de recombinaison. Diverses méthodes, dont le tracé de Boltzmann, le tracé de Saha-Boltzmann et la méthode CD (Columnar Density) -SB, ont été utilisées pour déterminer la température du plasma, avec un accord remarquable entre les méthodes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann. La température du plasma et la densité électronique ont diminué avec le temps, ce qui est attribué au refroidissement du plasma. Pour la quantification de l’alliage étudié par la méthode CF-LIBS, trois conditions sont vérifiées : Equilibre thermodynamique local (ETL), plasma optiquement mince et ablation stœchiométrique. La variation spatiale et temporelle de la concentration des constituants de l’alliage est étudiée et comparée à la composition nominale issue de l'analyse par µXRF. Les résultats ont donné un bon accord entre les deux techniques « LIBS et µXRF » pour les principaux constituants de l'alliage (Zn et Al). Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse constituent une base solide pour les futurs efforts de recherche visant à améliorer la précision de la quantification élémentaire de n’importe quel échantillon via la spectroscopie LIBS et l'utilité de cette dernière dans divers domaines industriels et scientifiques. L’étude que nous avons menée, contribue à l'avancement continu des méthodes analytiques pour la caractérisation des matériaux et le contrôle de qualité, offrant des perspectives prometteuses pour des applications pratiques.