Spectroscopie du plasma d'ablation laser appliquée à l'analyse du laiton

102 Pages·2011·2.04 MB·French

Ministre de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Science et de la Technologie d’Oran «Mohamed Boudiaf»
Faculté des Sciences
Département de Physique
Spécialité : Physique option : Physique des Matériaux &des Plasma

Melle. BENCHERIF Fatima

Mémoire en vue d’obtention du diplôme de Magister

Thème :

Spectroscopie du plasma d’ablation laser

appliquée à l’analyse du laiton

Soutenance prévue le juin 2011 devant le jury composé de :

Qualité Nom&Prénoms Grade Etb d’origine
Président M. KAMECHE Mostefa Professeur USTO- MB
Rapporteur M. BABA-HAMED Tewfik M.C.A USTO- MB
Examinateur M. BELASRI Ahmed Professeur USTO- MB
Examinateur M. DIB Anis Samy Amine M.C.A USTO- MB
Membre invité M. BELDJILALI Sid Ahmed M.A.A USTO- MB

2010/2011
Remerciements

Je souhaite tout d'abord remercier chaleureusement Monsieur T. BABA
HAMED, pour toute l’attention qu’il à apporter à la direction de ce travail,
pour son aide, sa disponibilité et ses précieux conseils, qu’il veuille bien trouver
ici le travail de mon profond respect et de ma reconnaissance.

Je remercie également Mr. JOIG HERMANN directeur de recherche au
laboratoire LP3 à l’université d’Aix-Marseille II, France pour son aide et pour
les fichiers data des valeurs expérimentales et les documentations
bibliographiques qui mon envoyé.

Je tiens à remercier chaleureusement le professeur M.KAMECHE
d’avoir accepter à présider le jury. Merci pour votre gentillesse et disponibilité.

Je tiens aussi à remercier vivement le directeur de la post de graduation
physique des plasmas et des matériaux, le professeur A.BELASRI pour avoir
suivi avec beaucoup d’intérêt mon travail de thèse et pour ses précieux conseils.
Ainsi d’avoir accepter à participer au jury.

Mes remerciements les plus sincères vont aussi à Monsieur S.
BELDJILALI maître d’assistance, Monsieur A. DIB maître de conférences, pour
avoir bien voulu examiner ce travail.
Dédicaces

Je dédie ce travail à :

Ma très chère maman pour tout leur soutien moral
durant ces années d’études.

Mes chers frères (Abed, Arbi, Abed Kader, Mohamed,
Ali, Gholam Allah).

A mes proches et mes amis
TABLE DES MATIERES

Introduction général……………………………………………………………………… 1
Chapitre I : Spectroscopie du plasma par ablation laser
I.1. Historique………………………………………………………... 3
I.2. Définition de LIBS……………………………………………………... 4
I.3. Domaines d’applications……………………………………………............. 5
I.4.Principe de la spectroscopie de plasma induit par laser……………………… 7
I.4.1.Principe général…………………………………………………….. 7
I.4.2. Spécificités analytiques de la technique LIBS……………............. 8
I.4.3.Les différents types d’interactions laser et matière………………... 9
I.4.3.1.Interaction laser-cible et laser-plasma……………………........... 11
I.4.3.2. Interaction laser-surface………………………………………... 14
I.4.3.3. Interaction laser-plasma-matériau………………………………. 14
I.5.Rôle des paramètres optiques contrôlant l’ablation laser……………............. 14
I.5.1.Divers paramètres laser……………………………………………. 15
I.5.1.1. Longueur d’onde du faisceau incident………………….. 15
I.5.1.2. Durée de l’impulsion laser……………………………… 17
I.5.1.3.Energie de l’impulsion laser……………………………. 18
I.5.1.4. Angle d’incidence du faisceau laser……………………. 19
I.5.2. Cible……………………………………………………………… 19
I.5.2.1. Paramètres de l’échantillon………………………........... 20
I.5.2.2. Nature et pression du gaz ambiant……………………… 20
I.5.3.Collecte et analyse du signal……………………………………… 21
I.5.3.1.Dispositif de collecte…………………………………… 22
I.5.3.2.Spectromètre…………………………………………… 23
I.5.3.3. Détecteur……………………………………………… 25
I.6.diagnostic des plasmas par spectroscopie d'émission atomique…………… 26
I.6.1.Spectrométrie d’émission atomique……………………………… 26
I.6.2.Relaxation du plasma……………………………………………. 29
I.7. Caractéristiques des unités d’analyses LIBS réalisées…………………….. 31
I.7.1.Caractéristiques de bases d’une chaine de mesure par LIBS… …. 31
I.7.2. Procédé d’élaboration du plasma………………………………. 31
I.7.2.1. Lasers Nd : YAG…………………………………………... … 31
I.7.2.2. Caractéristiques des lasers Nd : YAG……………………… .. 33
Chapitre II : Modèle Physique
II.1. Modèles d’équilibre………………………………………………………………… 34
II.1.1. Equilibre Thermodynamique Complet (E.T.C.)…………………………... 35
II.1.2. Equilibre thermodynamique local (E.T.L.)………………………............. 36
II.1.3. Caractéristiques de l’équilibre thermodynamique local (E.T.L)………… 36
II.2.Profil, élargissement et déplacement des rais atomiques…………………………… 39
II.2.1. Profil d’une raie………………………………………………………….. 40
II.2.2.Elargissements physiques des raies………………………………............ 41
II.2.3. Influence de l’élargissement des raies sur le transfert radiatif………….. 42
II.2.4. Types d’élargissement…………………………………………………… 42
II.2.4.1. Elargissement naturel………………………………………………….. 43
II.2.4.2. Elargissement Doppler………………………………………….. ……. 43
III.2.4.3 Elargissement de pression……………………………………………. 45
II.2.4.4. Elargissement par collisions-Effet Stark……………………………… 45
II.3.Détermination de la densité électronique de la température de plasma……… …… 47
II.3.1. Densité électronique…………………………………………………….. 48
II.3.2. Température du plasma ………………………………………………… 49
II.3.2.1. Rapport d'intensité de deux raies……………………………… 50
II.3.2.2. Méthode du graphique de Boltzmann…………………………. 51
Chapitre III : Le laiton et son spectre expérimental
III.1.les caractéristique du laiton………………………………………………….......... 52
III.1.1.Définition du laiton……………………………………………………… 52
III.1.2. Domaines d'application…………………………………………………. 52
III.1.3.Propriétés physiques……………………………………………….......... 53
III.1.4.Masse volumique………………………………………………………… 54
III.1.5.Utilisation…………………………………………………………… …… 55
III.2. Spectre expérimental d’un plasma émis par ablation laser du laiton……………… 56
III.2.1. Etude expérimental……………………………………………………… 56
III.2.2.Protocole d'acquisition des spectres………………………………............ 58
III.2.2.1.Méthodes de diagnostique……………………………….. …… 58
III.2.2.2. Traitement des spectres………………………………………. 60
 Détection de cuivre sur la région 510.55 ; 515.32 ; 521.82 ; 465.11
et 296.12 nm…………………………………………………………………………… 61
 Détection de zinc sur la région 472.215 ; 468.780 et 481.205 nm……………… 63
 Détection de plomb sur la région 368.35 ; 373.99 nm……………………….. ... 64
 Détection de l’oxygène sur la région 777.194; 777.417 et 777.539 nm………… 65
Chapitre IV : Résultats et discussion
IV.1.Protocole de traitement numérique des spectres…………………………………... 66
IV.1.1. Détermination de la densité électronique………………………………. 66
IV.1.2. La température de plasma…………………………………………. ….. 69
IV.1.2.1. Rapport d'intensité de deux raies…………………………… 69
IV.1.2.2. Méthode graphique de Boltzmann………………………….. 72
IV.2. Comparaison entre résultats……………………………………………………. 77
IV.2.1.Comparaison des températures et des densités électroniques pour
les différents éléments du laiton………………………………………. 79
IV.2.2.Comparaison des températures et des densités électronique entre
les deux méthodes utilisées……………………………………………. 80
IV.2.3.Comparaison entre nos résultats et résultat de la littérature……………. 81
Conclusion générale……………………………………………………………………. 82
Les annexes
I. Spectres des références ……………………………………………………………… 83
II. Calcule des incertitudes……………………………………………………………... 86
Référence…………………………………………………………………………………... 93
Introduction générale

La spectroscopie d’é mission du plasma induit par laser (LIBS) est une technique
d’analyse multi élémentaire, rapide, compacte et ne nécessitant qu’une préparation minime de
l’échantillon. Elle peut être adaptée pour réaliser à moindre coût un système de mesure
portable des matériaux. Bien qu’elle est moins sensible que les techniques classiques
d’analyses chimiques, avec une limitation de détection de l’ordre d’une dizaine de ppm (1
ppm = 10−4 %), la LIBS possède néanmoins des atouts majeurs qui la positionnent en tant que
méthode de pré-analyse. Elle est peut-être moins précise que ses concurrentes mais elle
permet tout de même de prendre une première décision vis-à-vis d’un site donné.
La technique LIBS permet des analyses à distance, en temps réel, sans préparation
préalable du substrat (absence de contamination). Elle est utilisable sur tout type de milieux :
liquides (eau, acier fondu, pétrole, …), solides (alliages métalliques, céramiques, sédiments
marins,..) ou gaz.
Elle offre la possibilité de travailler sur des lignes de production (métallurgie,
polymères, médicaments, …) et d’étudier à distance des substances potentiellement
dangereuses. [2]
La technique LIBS est très souvent utilisée à des fins environnementales : détection de
composants toxiques, pollution de surface (détection de polluants métalliques dans le sol),
pollution urbaine au niveau d’émissions gazeuses en sortie de tuyères provenant, par exemple,
d’incinérateurs industriels [2]. Elle peut également être mise-en œuvre pour le contrôle de la
qualité de l’eau qui constitue l’un des enjeux majeurs du développement durable. De
nombreuses activités humaines et industrielles sont concernées par l’élimination de molécules
organiques toxiques ou la détection de polluants en milieux aqueux. Certains procédés
plasmas peuvent être utilisés dans ce but. Il existe notamment de nombreuses études
concernant la décontamination des eaux usées mettant en jeu des plasmas radiofréquences [1],
des torches à courant continu [2] , des arcs transférés ou des décharges pulsées [1]. On trouve
également un grand nombre de travaux concernant la détection de polluants en solution par
impact laser à la surface de la cible liquide dont on-souhaite déterminer les constituants
élémentaires.
Nous avons choisi pour l’étude un alliage métallique : le laiton, qui est largement
utilisé dans l’industrie métallurgique. L’étude du spectre émis par le panache de plasma
caractérisée par la température du plasma et la densité électronique permet alors de remonter à
la composition élémentaire de l’échantillon.

1
Introduction générale

Le but de cette thèse est donc de faire une étude d’un plasma créé par ablation laser du
laiton à partir de données expérimentales sur la largeur à mi-hauteur des raies du Cu, du Zn et
du Pb les principaux constituants du laiton. Nos résultats sont comparés aux données
bibliographiques. Cette comparaison a pour but de choisir la méthode qui serait la plus
appropriée pour faire les calculs de la densité électronique et de la température dans les
plasmas crées par ablation laser du laiton.

Dans le chapitre I, nous donnons une description générale sur la spectroscopie du
plasma par ablation laser.

Dans le chapitre II, nous rappelons tout d'abord les bases théoriques de la spectroscopie
des plasmas. Cette description est faite à partir de modèles des différents processus
d’élargissement correspondant à des états d’équilibres existant dans différents plasma. Nous
détaillons les méthodes spectroscopiques de mesure de la densité électronique et de la
température du plasma.

Dans le chapitre III, nous avons fait une description générale sur le matériau laiton, et
nous avons présenté les résultats spectroscopiques expérimentaux de l’ablation laser de
l’alliage du laiton.

Enfin, dans le chapitre IV, nous donnons les traitements numériques que nous avons
employés pour obtenir à partir des spectres bruts expérimentaux, la densité électronique Ne et
la température T du plasma. Finalement, nous comparons nos résultats avec ceux des données
publiées.

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Chapitre I : Spectroscopie du plasma par ablation laser
I.1. Historique
La spectroscopie sur plasma induit par laser dans sa forme la plus primitive est
apparue très tôt après la mise au point du laser, au tout début des années 60 [2]. Dès les
années 1962–1964, des chercheurs ont utilisé le laser comme source énergétique
d’excitation des éléments d’un échantillon solide (en surface) ou gazeux. Quelques
années plus tard, les sociétés Zeiss (Allemagne) et Jarrell-Ash (États-Unis) fabriquent le
premier instrument à vocation analytique basé sur l’ablation laser. Il est d’ailleurs
remarquable que dans cette première version d’un dispositif LIBS, le laser ne servait
qu’à pulvériser l’échantillon, l’aérosol créé étant par la suite ré excité par une décharge
électrique. Cependant, cette nouvelle technique ne pouvait rivaliser, en termes de
précision, avec les techniques analytiques d’alors, et la LIBS est resté un champ de
recherches peu exploré pendant une quinzaine d’années. Au début des années 80, avec
l’apparition de lasers de plus en plus puissants et délivrant des impulsions de plus en plus
courtes, et entraînée par des chercheurs du laboratoire de Los Alamos (LANL, États-
Unis)[2], la LIBS a connu un regain d’intérêt en raison de la quantité d’applications
potentielles qu’elle représentait.
Très rapidement, la possibilité de mettre en œuvre des systèmes d’analyse
portables a été étudiée dans le cadre de l’identification et de la mesure quantitative
d’éléments chimiques dans divers types d’échantillons et de matrices. On peut citer le
Mobile Béryllium Monitor (1988), le premier système LIBS mobile, toujours du groupe
de Los Alamos, permettant de détecter le béryllium dans l’environnement. A la fin des
années 90 et au début des années 2000, dans le cadre d’applications centrées sur la
sécurité du territoire et sur la défense, le gouvernement américain s’est mis à financer
considérablement les recherches sur la LIBS afin de développer des appareils portables
permettant de reconnaître des mines, des explosifs, des bactéries... De plus en plus de
systèmes commerciaux ont alors vu le jour. L’affaire de l’anthrax à l’automne 2001 a par
exemple permis à l’Army Research Laboratory associé à l’entreprise Ocean Optics
(États-Unis) d’apporter une solution basée sur la LIBS pour l’identification et la
différenciation de matériels biologiques (spores, bactéries...).

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Chapitre I : Spectroscopie du plasma par ablation laser
I.2. Définition du LIBS
La spectroscopie du plasma induite par laser (LIBS) est une méthode de
spectroscopie d'émission atomique (AES) qui emploie un plasma produit par le laser
sous forme de vaporisation chaude, d’atomisation, et comme source d'excitation. Puisque
le plasma est constitué par le rayonnement optique focalisé, la méthode a beaucoup
d'avantages par rapport aux techniques conventionnelles d'AES qui utilisent un dispositif
physique supplémentaire (par exemple électrodes, enroulements) pour former la
vaporisation/source d'excitation. La technique LIBS autorise des analyses à distance, en
temps réel, sans préparation préalable de l’échantillon. Sous sa forme de base, une
mesure de la LIBS est effectuée en formant un plasma à la surface de l'échantillon qui est
ensuite collecté et sa lumière analysée spectralement. Des analyses qualitatives et
quantitatives sont effectuées en déterminant la position des lignes d'émission et leurs
intensités. [2]
Bien que la méthode LIBS existe depuis plus de 40 ans, le seul intérêt dont elle a
fait l’objet avant les années 80, se résume à la compréhension de la physique de base sur
la formation du plasma. Depuis lors les possibilités analytiques sont devenues plus
évidentes. Quelques instruments basés sur la méthode LIBS ont été développés mais
n'ont pas trouvé une utilisation répandue. Récemment, cependant, il y a eu intérêt
croissant pour cette méthode en raison du nombre d’application de plus en plus
important. Cela a été dû principalement aux récents développements technologiques sur
les instruments (lasers, spectrographes, détecteurs) utilisés dans la méthode LIBS. Aussi
la possibilité d'effectuer des mesures dans des conditions non faisable avec des
techniques analytiques conventionnelles, a permis à la LIBS de trouver de nouveaux
champs d’application. Un examen de la littérature sur la LIBS montre que cette méthode
à une sensibilité de détection pour beaucoup d’éléments au moins comparable sinon
meilleurs que d'autres méthodes conventionnelles.

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