Laser-Induced Plasma Spectroscopy on steel induced by low energy nanosecond pulses

Abstract

This Master's work was completed to determine the viability of measuring the chemical matrix of an unknown inorganic sample by laser-induced plasma spectroscopy (LIPS) without using a Q-switch time delay gate for data acquisition. The commonly used calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) method is unreliable for long distance remote sensing applications due to atmospheric thermal blooming along the laser beam path. The calibrated LIBS technique can be modified to accurately measure non-trace chemical matrices of inorganic material over long distances without using a Q-switch time delay mechanism.

Five stainless steel and four carbon steel samples with known elemental compositions were selected for analysis. A nano-pulse laser with an 80 $\mu$m beam waist diameter generated a plasma on the sample surface and a Horiba iHR-320 spectrometer captured spectra of the generated plasma at the surface of each sample. Boltzmann plots were created for each sample using a set of spectral lines to demonstrate a partial local thermodynamic equilibrium (pLTE) in the plasma. Both the Fe I and Cr I species demonstrated necessary properties of LTE by satisfying the McWhirter and Hey criterion for threshold electron density and by having a linear Boltzmann relationship. From the Boltzmann plots, the Fe I species reached 6000 K and the Cr I species reached 3500 K in each sample. It was not possible to confirm that all temperatures converged to a single value without using a Q-switch to create a time delay. The electron density within the plasma was between 6.8 and 8.4 $\times$ 10$^{16}$ cm$^{-3}$ for all samples. Amplitudes of the spectral lines for Cr I at 520.84 nm and Fe I at 526.91 nm followed a linear relationship with the elemental concentrations for the steels given by the manufacturer. This Calibrated LIPS technique which operated without a Q-switch gating mechanism can be used to determine the elemental matrix of inorganic materials at a distance where thermal blooming renders a LIBS experiment unreliable.

Ce travail de recherche vise à déterminer la faisabilité de la présence du contenu chimique dans un matériau inorganique à l’aide de la spectroscopie par claquage-laser sans créer de délai entre le q-commutateur et la récolte de données. La présente méthode de la spectroscopie par claquage laser appliquée avec délai n’est pas réaliste à longue portée lors d’un exercice par télédétection à cause des effets thermiques de l’atmosphère qui perturbent le faisceau laser. La technique de la spectroscopie par claquage-laser à longue portée doit donc être modifiée afin de déceler la teneur chimique d’un matériau inorganique sans faire appel à un délai entre la q-commutation et la récolte de données.

Cinq (5) aciers inoxydables et quatre (4) autres de fonte avec des teneurs chimiques connues furent analysées. Un laser nano-pulsé ayant une taille de faisceau égale à 80 $\mu$m créait un plasma à la surface des matériaux choisis pour cette étude. Un spectromètre Horiba iHR-320 faisait une saisie rapide d’un spectre en longueur d’onde à une distance de l’ordre de 50 mm des échantillons. En outre, des courbes de Boltzmann ont été obtenues à partir des raies spectroscopiques provenant des spectres de chaque matériau afin de démontrer qu’il existait un équilibre thermodynamique partiel dans le plasma. Les deux atomes ionisés une fois du fer Fe I et du chrome Cr I démontrent que l’équilibre thermodynamique local est au moins partiellement satisfait. De plus, selon les critères de McWhirter et Hey, le seuil de la densité électronique et la linéarisation de la courbe de Boltzmann nous indique aussi qu’un équilibre thermodynamique est partiellement satisfait. D’après les courbes d’activation basées sur la statistique de Maxwell-Boltzmann, les températures des ions de Fe I et Cr I furent estimées à 6000 K et 3500 K, respectivement. Cependant, il n’a pas été possible de confirmer que les températures estimées tendent vers une valeur constante en se livrant à des analyses en variant les temps de délai entre la q-commutation et la récolte de données. Les densités électroniques obtenues pour les échantillons lors de la formation du plasma variaient entre 6.8 $\times$ 10$^{16}$ cm$^{-3}$ et 8.4 $\times$ 10$^{16}$ cm$^{-3}$. Les amplitudes des raies du chrome Cr I à 520.84 nm et du fer Fe I à 526.91 nm variaient linéairement en fonction des teneurs chimiques indiquées par le fournisseur. Cette méthode de spectroscopie par claquage-laser calibrée, en l’absence du délai, démontre qu’il est possible de déterminer les teneurs dans l’acier lors d’une saisie à longue portée, qui est souvent perturbée par des effets parasites thermiques.