Caractérisation de l'interaction d' aérosols avec un plasma induit par laser : application à la métrologie de nanoparticules manufacturées

par Tanguy Amodeo

Thèse de doctorat en Sciences. Physique. Optique et photonique

Sous la direction de Christian Masquelier.

Soutenue en 2008

à Amiens .


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, les industries concernées par la production et l’utilisation de nanoparticules manufacturées sont en plein essor. De telles activités peuvent présenter des risques, accidentels ou chroniques, liés notamment à l’exposition des personnels aux nanoparticules. Dans ce contexte, il devient nécessaire de disposer de moyens de mesure adaptés à ces polluants émergents. Ainsi, l’utilisation d’une technique de mesure basée sur la spectroscopie de plasma induit par laser a été proposée. En effet, la technique LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) permet de réaliser des mesures en temps réel, in situ et sans étape de prélèvement. Ce travail de thèse avait pour objectif de caractériser l’interaction des particules avec un plasma induit par laser puis, d’évaluer la pertinence de cette approche pour la détection de nanoparticules manufacturées. Des expériences de spectroscopie d’émission ont permis d’étudier l’influence de nombreux paramètres sur le signal LIBS (eg la taille, la concentration et la nature chimique des particules, le gaz environnant, l’énergie et la longueur d’onde du laser). Couplées à des études d’imagerie spectrale, ces expériences ont permis de mieux comprendre les processus physiques ayant lieu au sein du plasma comme la vaporisation et la répartition de la matière. Ainsi, l’indépendance de la réponse analytique en fonction de la taille des particules, dans une gamme de taille s’échelonnant de 40 nm à 1 μm, a été démontrée. Ces études ont également mis en avant les mécanismes physiques jouant un rôle dans la cinétique du rayonnement d’émission atomique. Elles ont montré également que l’augmentation de la concentration de nanoparticules influence certains paramètres physiques du plasma tels que sa forme, sa température et sa densité électronique. Enfin, les limites de détection de la méthode ont été évaluées et comparées aux valeurs réglementaires d’exposition des travailleurs. Par ailleurs, en se basant sur ces études, des expériences LIBS ont été menées au sein d’un procédé de fabrication préindustriel de nanopoudres de Carbure de Silice. Les résultats ont montré que la technique LIBS est capable de mesurer in situ et en temps réel l’évolution des rapports atomiques (Si/C) produits. Ainsi, ce travail a permis de confirmer la pertinence de l’utilisation de la technique LIBS pour la sécurisation des procédés de production de nanoparticules ; d’une part comme moyen de détection de leur présence en ambiance de travail et, d’autre part, comme outil de surveillance de la composition atomique des nanomatériaux produits.


  • Résumé

    Over the last years, industries producing and using manufactured nanoparticles have extended. Such activities can generate potential accidental and toxicological risks, mainly related to nanoparticle worker exposure. In this context, it becomes necessary to design tools enabling detection of these emergent pollutants. Thus, a technique based on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been proposed. Indeed, the LIBS technique allows to make real time and in situ measurements without any sample step. The main objective of this work was to study laser-induced plasma particle interaction and to assess the relevance of LIBS method for nanoparticle on-line detection. To begin with, emission spectroscopy experiments have been realised in order to evaluate effects of several parameters on LIBS signal (eg: size, concentration and chemical composition of particles, ambient gas, laser energy and wavelength). Based on time-resolved spectral imagery recordings, these experiments allowed a better understanding of the physical processes inherent to particle-plasma interaction such as vaporisation or matter distribution. Thus, for particle sizes ranging from 40 nm to 1 µm, results showed that LIBS signal is not influenced by potential size effects. These studies also permitted to discuss the mechanisms involved in the temporal evolution of atomic emission coming from vaporised matter. Particularly, the plasma shape, temperature and electronic densities have proved to be sensitive to particle concentration. Finally, based on worker exposure regulation, limits of detection have been assessed and discussed. Moreover, based on these studies, LIBS experiments have been performed within a Silicon Carbide nanoparticle pre-industrial process. Results showed that LIBS technique is able to make on line and real time monitoring of atomic ratio (Si/C) during production process. Thus, this work brings some arguments supporting the relevance of LIBS-based technique applied to nanoparticle production process safety both for ambient workplace surveillance and for produced nanoparticle control.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (191 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.179-189

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Picardie Jules Verne. Bibliothèque universitaire. Section Sciences.
  • Consultable sur place dans l'établissement demandeur
  • Cote : T 51 2008-39
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.