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RÉSUMÉ
La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (laser-induced breakdown spectroscopy ou LIBS) est une technique entièrement optique qui permet de réaliser rapidement des analyses chimiques élémentaires sans contact avec l'échantillon. Elle est donc particulièrement destinée à l'analyse hors du laboratoire : analyse en ligne ou in situ sur procédés industriels, analyse à distance dans l'environnement. Cet article expose les principes physiques de la technique, décrit ses configurations expérimentales et les paramètres expérimentaux influents, et passe en revue ses principales applications.
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Daniel L'HERMITE : Ingénieur-chercheur CEA Saclay, direction de l'énergie nucléaire, Département de physico-chimie, Gif-sur-Yvette, France
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Jean-Baptiste SIRVEN : Ingénieur-chercheur CEA Saclay, Direction de l'énergie nucléaire, Département de physico-chimie, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
La LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique d'analyse élémentaire par spectrométrie d'émission optique. Entièrement basée sur l'optique, elle permet de réaliser des mesures sans contact qui lui confèrent des possibilités d'application uniques dans de nombreux domaines. Non intrusive, elle est ainsi bien adaptée à l'analyse à distance, en ligne ou in situ, de terrain, sans prélèvement ni préparation d'échantillon. C'est une technique rapide, la durée de mesure étant généralement de quelques secondes à quelques minutes selon les conditions expérimentales. Comme toutes les méthodes basées sur la spectroscopie d'émission, la LIBS permet de réaliser des analyses multi-élémentaires simultanées. Enfin, c'est une technique dont le principe s'applique aussi bien à l'analyse des solides, des liquides, des gaz et des aérosols. L'instrumentation va du système entièrement portable jusqu'au dispositif transportable dans un véhicule, voire entièrement robotisé, selon l'application et les besoins. Ses domaines de prédilection couvrent l'analyse en milieu industriel, la microanalyse de matériaux, les applications liées à l'environnement, la biologie, le patrimoine culturel et la sécurité.
Cet article offre un aperçu de toutes les facettes de la technique. Son principe et son positionnement par rapport aux autres techniques sont abordés ainsi que les notions physiques associées. Le lecteur trouvera des indications sur les mécanismes en jeu et sur l"influence des paramètres expérimentaux sur les résultats analytiques. Les instruments LIBS sont adaptés aux besoins et aux contraintes d'utilisation sur le terrain. Il existe donc différentes configurations types qui sont présentées à titre d"exemples, en décrivant leurs particularités. Nous abordons également les différentes façons de traiter, en fonction du besoin, les données spectrales recueillies, ainsi que les différents types d"informations que l"on peut en déduire. Les phénomènes physiques pouvant affecter le signal tels que les interférences spectrales, l"auto-absorption et les effets de matrices sont passés en revue. Enfin, un portrait non exhaustif est dressé des nombreuses applications de la LIBS.
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2. Notions physiques
Les phénomènes physiques mis en jeu en LIBS sont nombreux et complexes. Ils ne sont pas encore suffisamment compris pour permettre une modélisation complète du processus. Nous présentons ici une vision simplifiée, communément admise par la communauté LIBS et décrivant qualitativement les principaux phénomènes mis en jeu. Ces informations sont utiles à la compréhension mais ne sont pas fondamentales pour la réalisation des analyses.
2.1 Ablation laser
Afin de produire l'ablation de la matière, il est nécessaire d'utiliser une densité de puissance (ou éclairement) I (en GW/cm2) supérieure à un certain seuil :
avec :
- E :
- énergie de l'impulsion laser,
- τ :
- durée d'impulsion,
- S :
- surface du spot laser.
Le seuil d'ablation dépend des caractéristiques de l'échantillon et des paramètres laser (longueur d'onde λ, durée d'impulsion). L'ablation est gouvernée par la capacité d'absorption du laser par le matériau, la diffusion thermique et les paramètres thermodynamiques du matériau.
Pour les métaux, le modèle de Drude permet de rendre compte du chauffage du matériau entraînant l'ablation. La profondeur de pénétration optique dépend de l'indice optique du milieu et peut être estimée par la loi de Beer-Lambert (en supposant que le matériau garde ses propriétés optiques durant le chauffage laser) :
avec :
- α :
- coefficient...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DEBRAS-GUEDON (J.) et al - De l'utilisation du faisceau d'un amplificateur à ondes lumineuses par émission induite de rayonnement (laser à rubis), comme source énergétique pour l'excitation des spectres d'émission des éléments. - CR Acad. Sci., 257, p. 3336 (1963).
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(2) - RADZIEMSKI (L.J.) - From laser to LIBS, the path of technology development. - Spectrochim. Acta. Part. B, 57, p. 1109 (2002).
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(3) - BERTHOUD (T.) et al - Recent advances in laser spectroscopy for analysis and control in nuclear industries. - J. Phys. Colloques, 48, p. C7-765 (1987).
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(4) - HAHN (D.W.) et al - Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part I : Review of basic diagnostics and plasma-particle interactions : still-challenging issues within the analytical plasma community. - Appl. Spectrosc., 64, p. 335A (2010).
-
(5) - HAHN (D.W.) et al - Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part II : Review of instrumental and methodological approaches to material analysis and applications to different fields. - Appl....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Base de données de raies d'émission atomiques http://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/periodictable.htm http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html http://www.cfa.harvard.edu/amp/ampdata/kurucz23/sekur.html
HAUT DE PAGE
Groupe LinkedIn sur la LIBS http://www.linkedin.com
Club LIBS de la Société Française d'Optique http://www.libs-france.com/
Équipe ChemCam (instrument LIBS du rover Curiosity) http://www.msl-chemcam.com/
HAUT DE PAGE
LIBS : congrès international bisannuel (années paires)
EMSLIBS (Euro-Mediterannean symposium on LIBS) : congrès international bisannuel (années...
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