La technologie LIBS, qu’est-ce que c’est ?

Laser Induced Breakdown Spectroscopy

2 avril 2020 Contrôle des matières

LIBS, ça veut dire Laser Induced Breakdown Spectroscopy et ça sert à déterminer la composition chimique de matériaux.

Cette technique existe depuis longtemps, elle était plutôt utilisée dans les équipements de laboratoires. Les progrès des dernières années ont permis d’utiliser le LIBS avec des analyseurs portables. Et en plus, on peut analyser le Carbone pour l’identification de matériaux, directement sur le terrain.

Chaque élément du tableau périodique, produit un pic spectral LIBS unique. Grâce à un détecteur qui mesure les caractéristiques de la lumière émise, on peut établir quels éléments sont présents dans l’échantillon. En mesurant les pics de lumière et leurs intensités dans l’échantillon, la composition chimique peut être rapidement définie et quantifiée.

La technique LIBS utilise un laser à haute focalisation qui interagit avec la surface d’un matériau et forme un plasma dans lequel le matériau est décomposé en éléments individuels.

 

  1. L’analyseur produit un laser pulsé dirigé vers la surface de l’échantillon.
  2. La puissance lumineuse est très élevée, une partie de la surface de l’échantillon chauffée par le laser s’évapore sous forme de plasma*. Dans le plasma, les atomes sont excités. Le laser pulsé, n’émet pas en continu. Quand il n’émet pas, le plasma refroidit, et les atomes émettent de la lumière en revenant à l’état solide.
  3. La lumière émise est transférée par une fibre optique, rentre dans le spectromètre par une fente.
  4. La lumière interagit avec un réseau de diffraction où elle est divisée en longueurs d’onde/couleurs uniques.
  5. Les différentes longueurs d’onde/couleurs frappent le détecteur et produisent des données spectrales.
  6. La carte CPU – L’unité centrale de traitement – analyse les données spectrales et détermine la concentration de chaque élément présent dans l’échantillon.
  7. Les données de composition et la nuance d’alliage identifiée sont affichées et stockées en mémoire pour être rappelées ultérieurement ou téléchargées sur un PC externe.

*Le plasma, c’est un état de la matière. Il y a différents états : solide, liquide, gazeux et plasma. Des étoiles telles que le soleil sont à l’état plasma.

 

Où est utilisée la technologie LIBS ?

 

Pétrochimie

La technologie LIBS est utilisée dans le secteur de la pétrochimie pour faire de la PMI (Positive Material Identification, identification de matière en français) sur des tuyauteries, des récipients sous pression, des valves, des pompes et des soudures finies, ou pour classer des matériaux inconnus afin de retrouver la traçabilité.
La technologie LIBS est utilisée pour calculer le Carbone Equivalent avant le soudage afin de déterminer la trempabilité* des zones affectées par la chaleur.

*Trempabilité : Aptitude d’un alliage à bénéficier des effets de la trempe.
La trempe, c’est un traitement thermique qui consiste, grâce au refroidissement rapide d’un produit métallurgique, à obtenir à température ambiante une structure stable à chaud, ou une structure dérivée de cette dernière. (La trempe entraîne une variation des propriétés, telle qu’un durcissement pour les aciers.)

 

Industrie métallurgique

La technologie LIBS est utilisée pour valider les attestations de conformité en amont de la chaîne de fabrication. Et le LIBS est aussi utilisé pour le contrôle et l’assurance qualité (QA/QC) des produits finis, en fin de production.

 

Recyclage des métaux

Le LIBS peut être utilisé pour un tri rapide et précis des nuances d’acier faiblement allié. Et pour mieux séparer les nuances d’acier inoxydable à base de carbone.

 

Un analyseur LIBS portable

Un analyseur LIBS portable est composé :

  • Un laser pour l’ablation de la surface de l’échantillon ;
  • Une fibre optique pour transférer la lumière dans le spectromètre ;
  • Un spectromètre pour mesurer les spectres de l’échantillon ;
  • Une cartouche d’argon pour aider à la formation et à la stabilisation du plasma ;
  • Les lentilles optiques pour focaliser le laser sur l’échantillon et pour collecter la lumière émise ;
  • Une carte CPU (unité centrale de traitement) pour assurer le traitement des signaux.

 

Le LASER

La plupart des analyseurs LIBS portables utilisent un laser pulsé d’une longueur d’onde de 1064 nm. De courtes impulsions (en nanosecondes) de haute énergie produisent suffisamment de puissance par unité de surface pour enlever une petite quantité de matériau (environ un nanogramme) et produire un plasma à la surface de l’échantillon.

Spectromètre

La lumière du plasma est polychromatique, c’est une lumière blanche. La lumière blanche qui traverse un prisme est décomposée en un arc-en-ciel de couleur. Elle contient de multiples longueurs d’onde différentes.

Les éléments émettent des longueurs d’onde spécifiques de lumière, et l’intensité de cette lumière est directement proportionnelle à la concentration de l’élément présent.

Les photons de lumière émis à des longueurs d’onde spécifiques sont analysés par le spectromètre qui produit un spectre de l’échantillon. Les pics, représentatifs des éléments, sont mesurés. Ceci produit un résultat pour indiquer les concentrations.

source : Thermo Scientific

Traitement du signal

Au cours de l’analyse LIBS, l’intensité mesurée pour un échantillon inconnu est comparée à l’intensité enregistrée au cours du processus d’étalonnage pour les échantillons standard dont les concentrations sont connues. La concentration de l’échantillon inconnu est calculée pour chaque élément à partir de la courbe d’étalonnage correspondante et est affichée sur l’écran de l’analyseur.

Etalonnage

Dans l’analyse LIBS, une calibration est un modèle mathématique qui convertit l’intensité mesurée pour une longueur d’onde d’élément donnée en unités de concentration % (pourcentage en poids).

Calibration empirique 

L’étalonnage empirique utilise des données expérimentales pour établir un modèle mathématique qui est calculé après avoir mesuré les intensités à la longueur d’onde des éléments d’intérêt pour des échantillons contenant des concentrations connues.

Correction de la dérive / Re-normalisation 

La correction de la dérive nécessite de mesurer des échantillons réglés et de réajuster l’échelle de longueur d’onde ainsi que la réponse de l’instrument pour assurer la précision et la cohérence des résultats.

Argon

L’argon est utilisé pour stabiliser et favoriser la formation du plasma pendant l’analyse LIBS. En plus, il permet de rincer le volume autour du plasma pour permettre la détection du carbone qui émet des longueurs d’onde courtes.

Plasma

Le plasma est un gaz partiellement ionisé contenant des molécules, des radicaux, des atomes, des ions et des électrons libres résultant du couplage de l’énergie avec la matière à l’état gazeux.

Les plasmas ont des températures dans leurs noyaux allant de plusieurs milliers à des centaines de millions de degrés celsius !

Dans la LIBS, le faisceau d’un laser pulsé est focalisé et absorbé par la surface d’un échantillon, ce qui provoque la vaporisation de la matière. Le faisceau laser interagit en outre avec la matière vaporisée, produisant une boule de gaz ionisé, une rupture induite par le laser.

La température des plasmas LIBS est généralement de 5 000 à 20 000 degrés Celsius !

La décomposition induite par le laser est un plasma dans lequel se déroulent les principaux processus de la LIBS.

  • Atomisation : au début de l’impulsion laser, la matière vaporisée des solides est décomposée en éléments individuels (atomes).
  • Ionisation : des atomes perdent un électron de leur enveloppe extérieure pour former des ions.
  • Excitation : les atomes et les ions entrent dans des états de haute énergie, appelés états « excités ».
  • Émission : une fois l’impulsion laser terminée, les atomes et les ions reviennent à des états de plus faible énergie ou (états de base) en émettant des particules de lumière (lignes spectrales) qui sont caractéristiques de chaque élément.

L’infiniment petit

La technologie LIBS se passe au niveau de l’atome, l’infiniment petit. C’est une méthode de spectrométrie d’émission optique (OES).

Au centre de l’atome il y a un noyau, composé de protons et de neutrons. Chaque proton porte une charge électrique positive. Les neutrons ne portent pas de charge électrique. Donc le noyau de l’atome est chargé positivement.

Les électrons, ce sont les particules qui gravitent autour du noyau sur des orbites définies à grande vitesse. Ils portent une charge électrique négative.

Ceci permet l’équilibre la charge électrique positive des protons dans le noyau.

Ce qu’il se passe au niveau atomique :

  • Dans une source hautement énergétique telle qu’un plasma, les électrons des enveloppes extérieures des atomes à l’état fondamental se déplacent vers des enveloppes d’une énergie plus élevée.
  • L’atome est alors dans un état dit d’excitation.
  • L’électron passe d’une enveloppe d’énergie supérieure à une enveloppe d’énergie inférieure.
  • L’atome retourne ensuite à un état fondamental en émettant des raies spectrales discrètes correspondant à la différence d’énergie des états évolués. Cette différence d’énergie est unique à chaque élément.

Le spectre LIBS

Comme une empreinte digitale, chaque élément du tableau périodique émet un ensemble de lignes caractéristiques dans le plasma. La superposition des lignes émises par les éléments contenus dans l’échantillon forme le spectre.

Le spectre se compose de deux éléments :

  • Longueur d’onde – fournit des informations sur les éléments présents dans l’échantillon (analyse qualitative).
  • Le taux de comptage, également appelé intensité, fournit des informations sur la quantité de ces éléments (analyse quantitative).

La mesure de l’intensité aux longueurs d’onde des lignes émises est la base de l’analyse LIBS.

Une autre technique d’analyse élémentaire est la fluorescence X. C’est une méthode non destructive.

Le saviez-vous ?
On a l’habitude d’écrire laser, mais la graphie correcte est « L.A.S.E.R. » C’est un acronyme, qui signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

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