Analyse élémentaire des matériaux par spectroscopie du plasma induit par laser couplée à la modélisation du spectre d’émission : évaluation de la performance analytique pour des verres et des alliages

• Auteur / Autrice : Aya Taleb
• Direction : Jörg Hermann, Frédéric Pelascini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 25/01/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3) (Marseille) - Institut Carnot
• Jury : Président / Présidente : Cécile Arnas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Motto-Ros, Daniela Bănaru, Tatiana Govorykha Itina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Bousquet, Arnaud Bultel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Introduction des échantillons (chimie)

Étalonnage

Chimie analytique

Spectroscopie sur plasma induit par laser

Mots clés libres

Libs

Plasma laser

Spectroscopie

Calcul du spectre

Analyse élémentaire

Calculs d'erreurs

Autoabsorption

Libs

Laser plasma

Spectroscopy

Spectrum calculation

Elementary analysis

Error calculations

Self-Absorption

Résumé

L'analyse élémentaire des matériaux nécessite habituellement un étalonnage à l’aide d’échantillons de composition connue et proche de celle de l’échantillon à analyser. L'analyse LIBS autocalibrée permet de s'affranchir ce cette étape d'étalonnage longue et coûteuse, offrant la possibilité d’une mesure directe et rapide par la simple comparaison du spectre d’émission du plasma induit par irradiation laser avec un spectre calculé. Cette approche, présente un outil unique en chimie analytique, ouvrant de nouvelles perspectives pour de nombreuses applications nécessitant des mesures rapides et en grand nombre. Cependant, l'analyse LIBS autocalibrée est encore considérée comme une technique d'analyse qualitative ou au mieux semi-quantitative en raison de ses performances analytiques qui ne sont pas clairement établies.Cette étude, avait alors comme objectif d'évaluer les performances analytiques de l'analyse LIBS autocalibrée pour deux types de matériaux présentant un fort intérêt pour l’industrie : les verres et les alliages. Pour cela, toutes les erreurs associées aux mesures compositionnelles sont prises en compte, et un calcul rigoureux de la propagation des erreurs est appliqué afin d’établir des expressions de l’incertitude analytique. On montre ainsi que les principales sources d'erreur de l'analyse LIBS autocalibrée sont les incertitudes associées aux probabilités de transition et l'incertitude due à la réponse d'appareil. L’identification des principales sources d’erreur dans le cadre de cette étude ouvre des pistes à explorer afin d’améliorer les performances analytiques des mesures LIBS autocalibrées.

Elemental analyses of materials usually require calibration with standard samples of composition close to that of the material to be analyzed. The so-called calibration-free LIBS analysis eliminates this long and expensive calibration step, offering the possibility of a direct and rapid measurement via the simple comparison of the emission spectrum of the plasma induced by laser irradiation of the sample with a calculated spectrum. This approach presents a unique tool in analytical chemistry, opening new perspectives for many applications requiring rapid and low-cost measurements.However, calibration-free LIBS is still considered a qualitative or at best semi-quantitative analysis technique due to its analytical performance that was not clearly established. This study aimed to assess the analytical performance of calibration-free LIBS for two types of materials of great interest in industry: glasses and alloys.Therefore, all the errors associated to compositional measurements are taken into account, and a rigorous calculation of the error propagation is performed to establish expressions of the analytical error.We show in particular that the main error sources in calibration-free LIBS analysis are the uncertainties associated to the transition probabilities and the error due to the apparatus response. The evaluation of all errors allows us to minimize the uncertainty of the analytical measurement via the selection of most appropriate analytical lines, and opens new perspectives to be explored in order to improve the analytical performance of calibration-free LIBS measurements.