Published September 24, 2012 | Version v1
Miscellaneous Open

Qualitative-portable to quantitative-laboratory LIBS

Description

Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) offers possibility for fast detection of sample composition without its preparation. For this reason it is attractive anywhere where the fast detection and no sample preparation are needed. As in many other branches the technical and scientific progress improves and spreads the possibilities of LIBS based devices and laboratory apparatuses. The time-resolved spectroscopy is allowed by spectrograph equipped with fast camera, broadband spectra can be acquired in single exposition by broadband spectrometers. Smaller and lighter laser sources together with compact spectrometers can be implemented to portable device and can be used out of laboratory. Computers offer quick data processing. The device named ChemCam installed on the NASA's next Mars rover, curiosity, is good example of high technology application in LIBS. However, there are still challenges and we hope that this work will be fruitful for anyone who is interested in the LIBS. The project of presented thesis was performed as a joint supervision project between the Department of Experimental Physics at Comenius University in Bratislava and 'Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne' at Universite de Bourgogne in Dijon. The aim of the project was to join experience from both laboratories, experience in laser constructions from Dijon and experience with spectroscopy from Bratislava. The both are essential for LIBS. In Bratislava the work was coordinated by prof. Pavel Veis and it was focused on LIBS under the laboratory conditions. The time-resolved broadband spectrometry was used in the research. In order to achieve required spectra, the spectral response of the optical system was determined which was later used for the corrections. The research of self-absorption phenomena started in the last period with aim to use this effect, usually considered as negative, for the composition determination. In Dijon the work was supervised by Dr. Olivier Musset and directed toward development of LIBS device which could be used out of laboratory. The small laser which was previously developed in the laboratory was implemented in the device. The development was successfully finished and testing process began in the last period of the thesis. The geological samples have been used for the testing process which was performed in deep cooperation with geologists. The first chapter comprises a brief introduction to LIBS. It is divided into some parts about laser induced plasma, laser induced breakdown and evolution of the plasma after breakdown. The section dealing with local thermodynamic equilibrium is also included. The section describes importance of LTE and the possibilities to determine this state. The second chapter is dedicated to the developed portable LIBS device. In the introduction, different type of LIBS devices are presented with their possibilities. Then the portable device developed in Dijon is described part by part with brief characteristic of developed software. The device possibilities and limits are sketched in the last section of the chapter with respect to results obtained in the testing process. The third chapter deals with capabilities of LIBS apparatus which was set up in the laboratory. The process of spectral response measurement and its results are presented and consequently used in next sections in process of plasma parameters determination. The composition of used samples are determined by using of calibration free method with aim to choose proper location in the plasma for which results are the most representative. The last chapter includes introduction to the subject of self-absorption phenomena. The simple model and basic theory are presented with suggestion how to use the phenomena in positive way. The simple experiment and its results are presented at the end of the chapter together with discussion about the possibilities and perspectives of the suggested method. (author)

Abstract (French)

La spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) propose une possibilite d'analyse rapide des composants de la matiere sans preparation des echantillons. Pour cette raison, elle est attractive dans tous les cas ou la detection des composants rapide sans preparation est exigee. Comme dans d'autres domaines, le progres technique et scientifique perfectionne et diffuse de differents equipements et appareils fondes sur la methode de LIBS. La spectroscopie resolue en temps est fournie par le spectrograph equipe d'une camera rapide a l'aide duquel les spectres a large bande peuvent etre obtenus dans une seule exposition par les spectrometres a large bande. Des sources laser plus petites et moins lourdes avec des spectrometres compacts peuvent etre installees dans un appareil portable qui permet une utilisation a l'exterieur. Les ordinateurs proposent un traitement des donnees rapide. Installe sur le prochain rover de NASA destine pour l'exploration de la planete Mars, l'instrument nomme ChemCam represente un exemple particulier de la haute technologie de LIBS appliquee. Neanmoins, il reste toujours des defis dans ce domaine et nous esperons donc que la these presente sera utile pour ceux qui s'interessent a la LIBS. Le projet de la these represente une collaboration entre le Departement de la physique experimentale a l'Universite Comenius a Bratislava et le Laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne de l'Universite de Bourgogne a Dijon. L'objectif de ce projet etait de reunir les experiences de ces deux laboratoires: l'experience de la construction de laser de Dijon avec celle de la spectroscopie de Bratislava. Ces deux experiences sont fondamentales pour LIBS. A Bratislava, le travail a ete dirige par le prof. Pavel Veis et il s'est concentre sur LIBS dans les conditions de laboratoire. La spectroscopie resolue en temps a bande large a ete utilisee dans la recherche. Pour obtenir des spectres exiges, la reponse spectrale du systeme optique a ete determinee ce qui a ete utilise plus tard pour les corrections. La recherche du phenomene d'auto-absorption a commence dans la derniere periode du travail, avec le but d'utiliser ce phenomene, generalement concu comme negatif, pour determiner les composants de la matiere. A Dijon, le travail a ete dirige par Dr. Olivier Musset et il a ete oriente vers le developpement de l'appareil de LIBS utilisable a l'exterieur. Un petit laser qui avait ete developpe dans le laboratoire a ete implante dans cet appareil. Le developpement a ete termine avec succes et c'etaient les mesures de test qui ont ete effectuees dans la derniere partie de la these presente. Les echantillons geologiques ont ete utilises pour tester l'appareil portable. Ces tests ont ete effectues dans une cooperation etroite avec les geologues. Le premier chapitre presente une introduction de base sur LIBS. Elle est divisee en plusieurs parties concernant le plasma induit par laser, le claquage introduit par laser et l'evolution de plasma apres le claquage. Il y a aussi une partie sur l'equilibre thermodynamique local incorporee dans le texte. Cette partie decrit l'importance de LTE et les possibilites de la determination de cet etat. Le deuxieme chapitre aborde le developpement de l'appareil portable de LIBS. Dans l'introduction, de differentes sortes d'appareils de LIBS sont presentes ainsi que leurs usages possibles. Par la suite, l'appareil portable de LIBS developpe a Dijon est decrit successivement, avec les caracteristiques breves du software developpe. Des usages possibles de cet appareil ainsi que ses limites sont presentes dans la derniere partie de ce chapitre en consideration des resultats obtenus pendant les mesures de test. Le troisieme chapitre traite les applications possibles d'appareil de LIBS cree dans le laboratoire. Le processus de la reponse de mesure spectral et ses resultats sont presentes et utilises par la suite dans les parties suivantes dans le processus de la determination des parametres de plasma. Les composants des echantillons utilises ont ete determines par la methode sans calibration et cela avec l'objectif de choisir une location dans le plasma ou les resultats soient les plus representatifs. Le dernier chapitre porte sur le phenomene d'auto-absorption. Un modele simple et une theorie de base y sont presentes avec la proposition d'usage positif possible de ce phenomene. Une experience simple et ses resultats sont presentes a la fin de ce chapitre. Finalement, il y a des discussions sur des possibilites et des perspectives de la methode proposee. (auteur)

Files

52011332.pdf

Files (22.5 MB)

Name Size Download all
md5:3cee26e16ceca2cb74188573906f44ad
22.5 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (English)
LIBS: de l'utilisation en exterieur aux conditions de laboratoire

Publishing Information

Imprint Pagination
147 p.
Report number
FRNC-TH--11424

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
52011332
Subject category
S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ALUMINIUM ALLOYS; DIFFRACTION GRATINGS; EFFICIENCY; EMISSION SPECTRA; LASER SPECTROSCOPY; LASER-PRODUCED PLASMA; PERFORMANCE; PORTABLE EQUIPMENT; QUANTITATIVE CHEMICAL ANALYSIS
Descriptors DEC
ALLOYS; CHEMICAL ANALYSIS; EQUIPMENT; PLASMA; SPECTRA; SPECTROSCOPY

Optional Information

Notes
111 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses