Instrumentation Cours Slide MC 300 PDF

INSTRUMENTATION 1  Diagramme type du LIBS pour l’analyse de matériau - Un laser, - Une lentille de focalisation du laser...

INSTRUMENTATION 1  Diagramme type du LIBS pour l’analyse de matériau - Un laser, - Une lentille de focalisation du laser - Un spectromètre - Un détecteur Vous allez voir par la suite les différents lasers, les différents spectromètres et les différents détecteurs 2  Trois schémas de chambre à cible représentant les panaches plasmas (en bleu) induits par laser pour le dépôt de couches minces (synthèse de matériaux) sont représentés ci-dessous Ces panaches plasma sont aussi analysés par spectroscopie optique d’émission afin d’identifier les espèces du plasma et celles issues de l’interaction plasma-gaz et on pourra suivre leurs évolutions spatio-temporelles jusqu’au substrat. 3 Les différents Lasers 4 5 Les lasers Nd-Yag avec leurs harmoniques sont les plus utilisés pour l’analyse des matériaux par la technique LIBS. Focalisation du Laser sur le matériaux à analyser: Les faisceaux laser utilisés sont focalisés à l’aide de lentilles convergentes pour atteindre des taches focales petites afin d’augmenter la fluence laser. La plus petite tache focale obtenue est d0 avec : Faisceau Laser Où, D: est le diamètre du faisceau laser F: la distance focale de la lentille : la longueur d’onde du laser Lentille convergente 6 Complément d’information sur la focalisation du faisceau laser pour générer un plasma Schéma ci-dessous représente différentes arrangements pour focaliser le faisceau laser sur un matériau. Ça dépendra de la configuration de votre expérience et/ou de la disposition du laser par rapport à l’emplacement de la cible à irradier. On peut utiliser: (a) Une lentille (b) Deux lentilles (c) Un miroir sphérique (courbé) traité à la longueur d’onde du laser Les paramètres importants d’une lentille sont: - Sa longueur ou distance focale - Son diamètre - Sa composition 7 L’analyse de la lumière émise par le plasma se fait par la Spectroscopie Optique d’émission La combinaison d’un spectromètre et d’un détecteur est un paramètre très important à considérer pour: - La caractérisation d’un plasma - L’analyse spectrochimique L’expérimentateur doit choisir le type de mesures à prendre. Il a besoin de la : 1- Reproductibilité 2- Sensibilité 8 Complément d’information sur le transfert de la lumière du plasma vers le spectrographe: On peut utiliser : - Soit un ensemble de miroirs sphériques et plans pour acheminer la lumière ( regarder le dispositif expérimental dans le slide suivant) - Soit une fibre optique (photographie ci-dessous) 9  Identification des espèces du plasma Faisceau laser KrF  Etude spatio-temporelle L3 L2 Entrée de gaz L1 L1 : Lentille sphérique L2, L3 : Lentilles cylindriques cible M4 Vers le système M1, M4: Miroirs de pompage M2 sphériques M2, M3: Miroirs plans Zone d’analyse PM Oscilloscop e M3 R Plasma distance M1 M : Miroirs sphériques R : Réseau PM : Photomultiplicateur 10 M M Spectromètre Spectromètres: Il existe différentes configurations pour les spectromètres (suivant le montage du réseau et des miroirs), tels que le: Littrow, Ebert-Fastie, Czerny-Turner, Paschen-Runge, crossed- Czerny-Turner (James and Sternberg,1969) et le plus récent l’échelle. Les différentes configurations se rapportent sur la façon dont: - L’un ou des deux miroirs du spectromètre sont placés pour collimater et focaliser la lumière. -La position des fentes du spectromètre par rapport au réseau. 11  Le diagramme d’un Paschen-Runge Fente d’entée Cercle de Rowland tournant Fente de sortie Détecteur Ordre 0 Réseau Concave La lumière du plasma est collectée sur la fente d’entrée du spectromètre. La lumière traverse la fente et atteint le réseau concave qui collimate toute la lumière puis la diffracte et la renvoie vers les fentes de sortie. 12 Le diagramme d’un Czerny-Turner Détecteur Emission de raies au plan focal 2 R 1 La lumière du plasma est collectée sur la fente d’entrée du spectromètre. La lumière traverse la fente, et atteint le premier miroir (M1) qui collimate toute la lumière, et la renvoie ou la dirige vers le réseau (R). La fente de sortie permet à la lumière diffractée par le réseau et renvoyée par le deuxième miroir (M2), de la traverser pour passer vers le détecteur. Seulement, une plage étroite de longueur d’onde sélectionné par la manipulateur sera enregistrée sur le détecteur. On travaillera sur des spectres par plage de 18 nm par exemple. 13 Diagramme d’un Czerny-Turner Fente d’entée Miroirs concaves Réseau plan Détecteur 14 15 Une photographie d’une fibre optique couplée à un spectrographe compact 16 Diagramme d’un échelle Configuration 1 Miroirs Fente d’entée Réseau 17 Diagramme d’un échelle Configuration 2 Caméra Miroir Prisme Fente d’entée Plan du détecteur Réseau 18 Au plan du détecteur et à la sortie du spectromètre échelle 19 Un plage de longueur d’onde entre 750 nm et 875 nm du Spectre présenté en dessous Un exemple de spectre enregistré avec un spectromètre échelle entre 490 nm et 890 nm 20 Paramètre important d’un spectromètre ou spectrographe c’est son pouvoir de résolution R : R = / Il mesure sa capacité à séparer deux longueurs d'onde voisines  est la résolution spectrale 21  Différents spectromètres Echelle reliés au détecteur Spectromètre Echelle 3000, LLA Spectromètre Echelle SE 200 Catalina & Roper Spectromètre Echelle Andor 7500 Spectromètre Echelle Andor LTB 22 Détecteurs: Ils transforment un signal optique vers un signal électrique. Les différents détecteurs: - Photodiodes - Photomultiplicateurs - Barrette de photodiodes couplés à un spectromètre - Caméra CCD et ICCD Utilisation de filtres étroits pour enregistrer une raie Spectrale quand on utilise des photodiodes. 23 Une photodiode est un composant semi- conducteur ayant la capacité de capter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en un signal électrique. 24 Diagramme d’un photomultiplicateur Signal électrique Schéma matrice CCD Schéma barrette CCD Une série de photodiodes placées une à côté de l’autre (en série) Une série de photodiodes placées 25 sous forme de matrice  Image d’une coupe transverse d’une caméra CCD intensifiée. Caméra ICCD - La lumière diffractée par le spectromètre est captée par la fenêtre (window) de la ICCD. - La photocathode convertie la lumière (photons) en électrons. - La plaque de microcanaux amplifie les photoélectrons. - Ecran fluorescent reconverti les électrons en photons. - Les photons sont acheminés à travers des fibres optiques à la matrice CCD. - Le détecteur CCD transforme les photons en un signal électrique 26 27  Exemple : Comparaison des paramètres de spectromètres Type de spectromètre Czerny-Turner Echelle Paschen -Runge Longueur focale/mm 640 250 500 Traits/mm (réseau) 1200 75 2400 Ordre de diffraction 1-2 30-120 1-3 Largeur spectral détectée 30 580 460 simultanément (nm) de 200 à 780 nm De 130 à 590 Résolution spectrale (pm) < 20 5-19 < 20 Détecteurs PMT, CCD, MCP CCD, MCP PMT Dimension (mm*mm*mm) 740x350x350 320x140x160 940x790x345 Parmi les avantages d’un spectromètre échelle vous avez: - Résolution élevée équivalente à celle d’un spectromètre à Czerny-Turner de 2 mètres et ayant un réseau de 2400 traits/mm. - Compact - Analyse complète avec un seul tir laser (spectre complet du proche UV vers le proche IR. - Choix de plusieurs raies pour le même élément - Moyen puissant pour l’identification de matrice complexe 28 Calibration 29. Avant de commencer toute expérience ou enregistrement, nous devons effectuer deux calibrations: - Une calibration en longueur d’onde - Une calibration en réponse spectrale Calibration en longueur d’onde Afin d’associer une raie d’émission à un élément particulier du plasma, la longueur d’onde enregistrée doit être connue avec précision. Par la suite des compilations de raies d'émission peuvent être consultées pour affiner les choix et sélectionner l'élément le plus approprié. La méthode courante pour réaliser cette calibration est l’utilisation de lampes spectrales comme: Les lampes à Mercure (Hg), au Xe, Ar, Ne , Kr ou aussi une lampe à cathode creuse. Généralement, ce sont les lampes à Hg qui sont les plus utilisées. Le spectre d’une source de calibration est enregistré en utilisant la même configuration expérimentale utilisée pour enregistrer le spectre LIBS. On compare la position de ces raies à celles données théoriquement ou par NIST. Si on cas, un décalage apparait, il est donnée par la relation:  = Hg spectro - Hg réelle 30 Lampe spectrale de mercure (Hg) Dans le tableau ci-dessous sont représentées les principales raies d’émission du Hg. 31  Calibration en réponse spectrale Chaque élément optique de la chaine de détection de la technique LIBS a sa propre réponse spectrale (qui est propre à lui). La réponse dépends de la longueur d’onde, c.à.d. que toutes les longueurs d’onde ne sont pas transmises ou réfléchies avec la même efficacité de transfert à travers les composants optiques (fibre optique, Spectromètre, détecteur……). Le graphe ci-dessous représente la réponse spectrale de La fibre optique rFOC, du spectromètre rSPEC , du détecteur rDET et la réponse totale de ces trois éléments rTOT rTOT= rFOC*rSPEC*rDET Réponse spectrale r() Longueur d’onde (nm) 32 Pour tenir compte de cette réponse spectrale et calibrer les spectres en intensité nous utilisons des sources de lumière ou lampes de calibrations ( en continue). Les lampes de calibrations utilisées sont: - Lampe de tungstène dans une région de longueurs d’onde 250-2400 nm - Lampe de deutérium dans la région de longueurs d’onde de l’UV 200–400 nm. Ces deux lampes se sont des sources de référence dont le spectre 𝐼cal(𝜆) est connu et qui serviront d’étalon. Des lampes halogènes sont aussi utilisées. Comment calibrer en intensité? Tracer un facteur correcteur: comment? 33  1- On trace en premier, les varies valeurs de l’irradiance 𝐼cal réel(𝜆) de la Lampe de calibration données par le constructeur Figure (a). 2- On enregistre ensuite le spectre de cette Longueur d’onde (nm) lampe Ical rec en collectant sa lumière avec une fibre optique et en la dirigeant vers le système de détection de notre système LIBS figure (b). 3- On représente ensuite le facteur correcteur (illustré dans la figure ( c )), Longueur d’onde (nm) obtenu en divisant le data de la Figure (a) par les valeurs du spectre (b) pour chaque Facteur correcteur valeur de longueur d’onde lui correspondant. Ce facteur correcteur servira ensuite à corriger tous les spectres expérimentaux en multipliant les valeurs d’intensité par ce facteur. 34 Longueur d’onde (nm) Temps à considérer durant l’expérience sont représentés dans le schéma synoptique ci-dessous: Pendant l’expérimentation vous avez deux temps à considérer td et tg « d » veut dire delay (retard) et «g» gate (porte ou ouverture). td : le temps entre le pulse laser et le déclenchement de la caméra Tg : le temps d’exposition, d’enregistrement ou d’ouverture de la caméra Pulse Laser au niveau de la cible Lumière du plasma Lumière du plasma enregistrée t0 t 35 Identification des spectres d’émission 36 Les bases de données du National Institute of Standard and Technology (NIST) recensent énormément de transitions énergétiques pour différents éléments chimiques. C’est une base de données de spectroscopie gratuite: www.nist.gov https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html Vous avez aussi une 2ème base de donné: Atomic spectral line database from CD-ROM 23 of R. L. Kurucz. https://lweb.cfa.harvard.edu/amp/ampdata/kurucz23/sekur.html Cette partie est assurée par Monsieur YOUSFI Houssyen. Elle a été entamée le mercredi 25 octobre 2023. 37