Spectrographie et identification des minéraux

[Lionel-R]

Concernant la couleur de l'oxyde de chrome, tu commets une petite erreur. Ce que tu fais c'est la formation d'un plasma qui excite les atomes et permet d'observer tout un tas de transitions électroniques dues à la température qui se traduisent par une émission de photos. Dans le cas de la couleur des poudres, c'est plus simple, c'est un autre phénomène, toujours des transitions électroniques : cette fois ce sont les photons de la lumière visible qui sont absorbés et la couleur que l'on observe est complémentaire de la couleur absorbée (dans les cas simples).

Continue à bosser !!!

[mr42]

Dans le cas de la couleur des poudres, c'est plus simple

J'avais pourtant l'impression que c'était plus simple avec un seul atome.

Continue à bosser !!!

Non, ce n'est pas du boulot, c'est quand même plus intéressant que les mots croisés.

[Lionel-R]

Il y a une chose que j'aimerai tenter de mon côté. J'aime bien la programmation et j'ai envie de voir ce que l'on pourrait faire en traitant tes résultats avec une série d'algorithmes. Mon idée serait de programmer un affinement des spectres que tu obtiens afin de connaître précisément la position des raies et leur nombre. De cette façon il va être plus simple d'identifier tous les constituants de tes poudres voire même de traiter un échantillon totalement inconnu pour en déduire la composition. Un traitement informatique rigoureux permet aussi de faire de l'analyse quantitative, tout du moins d'en déduire les proportions d'un mélange ce qui est déjà pas mal.

Je suis assez familier de ce genre de problème, j'ai fait ça au boulot où j'ai mis au point un outil qui me permet de traiter des spectres de réflexion de poudre (réflexion diffuse). Durant mes études j'ai vu la plupart des algorithmes qui permettent de faire des affinements c'est à dire, trouver la courbe mathématique qui permet de mimer une raie d'un spectre. Je dois juste combiner tout ça pour produire un outil. Il est aussi possible de le faire à la main via Excell, mais j'ai envie d'automatiser le traitement pour que ça soit propre.

C'est super ardu, je ne sais pas si je vais y arriver et ça me prendra un temps fou (enfin la dernière fois que j'ai dit ça, je m'en suis sorti donc à voir)... pourrais tu me fournir des spectres pour que je vois ce que je peux faire ?

Merci d'avance.

[mr42]

Lionel, si tu y arrives, ce sera un grand pas en avant

Mon idée suivante est bien d'informatiser le traitement des images mais surtout dans le but d'obtenir des spectres mieux calés : il y a encore des petits écarts sur le positionnement des longueurs d'ondes avec une légère non-linéarité de l'échelle très compliqués à traiter à la main.

Pour ce qui est du quantitatif, j'ai quand même de gros doutes : le principal étant le manque de reproductibilité des résultats, avec le même échantillon et « toutes choses égales par ailleurs » il y a encore de grosses variations de luminosité des raies. La régularité et la finesse du broyage doivent aussi avoir une influence. Mais tu dois avoir des idées là-dessus...

Je t'envoie quelques fichiers en MP, dis moi si ça te convient.

Merci pour cette contribution, ce sera très instructif de voir ce que tu peux en sortir.

[Lionel-R]

Ton problème de longueur d'onde doit provenir de toute une série de défauts du montage : il faut un réseau dont le plan est vraiment perpendiculaire à l'objectif et avoir ces conditions n'est pas une chose évidente ; ceux qui ont déjà réglé un goniomètre le savent très bien. Pour calibrer ton échelle, il faudrait utiliser des sources monochromatiques (laser rouge, vert) ou utiliser des lampes spectrales (mercure, cadmium, sodium) dont la positions des raies est connues avec une grande précision. Bref si on veut être précis, il faut commencer à prendre du bon matoss. Pour le semi quantitatif, le problème est tout autre, on ne regarde que des rapports d'intensité sur un spectre qui sont indépendants de la façon dont on réalise le spectre, il faut une poudre homogène par contre. J'attends tes spectres avec impatience, par contre, c'est ambitieux et difficile, il faudra vraiment beaucoup de temps avant que j'arrive à sortir quelque chose, mais je suis chaud !

[mr42]

C'est parti, voir en MP.

Je suis bien conscient des problèmes de perpendicularité, il y a encore des améliorations à apporter. Jusqu'ici, j'ai toujours cherché à utiliser du matériel d'usage commun avec un minimum d'investissement ce qui n'interdit pas de progresser.

Pour la source, je pense que les raies du mercure avec une lampe fluorescente ordinaire sont une bonne base.

[mr42]

Juste pour tester ce qu'on peut faire avec des mélanges, voici des essais avec deux bouts d'inox.

Je n'ai pas les compositions, on peut simplement vérifier que :

- l'un est magnétique donc probablement un inox ferritique à 13 ou 17 % de chrome, les autres additifs devant être en faible quantité.

- l'autre n'est pas magnétique donc probablement un inox austenitique à 18 % de chrome et 8 à 10 % de nickel.

[mr42]

Comme référence, les spectres établis à partir de données du NIST.

[mr42]

Une étape intermédiaire pour montrer que tout ne se passe pas forcément comme on l'attend : certaines raies annoncées comme très intenses ne ressortent que faiblement, d'autres manquent à l'appel...

- un acier ordinaire, probablement un acier au carbone avec essentiellement du fer quelques additifs ne dépassant pas 1 % chacun. On doit être assez près du fer pur.

- du nickel (une pièce de monnaie) sans aucune indication sur d'éventuels additifs.

- de l'oxyde de chrome, voir message antérieurs sur les pigments. Il pourrait bien contenir un peu de fer...

[Néodyme]

Hello,

Je ne viens pas assez souvent sur le forum! Je découvre le sujet. Vraiment super boulot! Je suis fan du "do it yourself" . J'ai bossé dans un labo où on faisait du contrôle-qualité sur des aciers avec une machine à étincelage couplée à un spectromètre, et je ne pensais pas pouvoir monter une manip comme ça à la maison, mais avec tout ce que je viens de lire, ça m'ouvre des perspectives.

Par contre (désolé!) je trouve que ça manque de données pratiques, aussi je me permets de poser qq questions.

D'abord, le spectroscope. Question stupide: la fente est parallèle au réseau? Devant ou derrière? Quelles sont les dimensions de la boîte? Y a-t-il qq chose entre l'extrémité de la boîte et l'APN (genre écran avec trou rectangulaire...)?

Ensuite, l'arc électrique: quelle intensité, comment est le porte-échantillon, la dimension des électrodes, où trouver le graphite, quelle est la durée de l'arc, peut-on voir une photo du montage (pas vu plus haut, aurai-je été trop vite?). Par exemple, j'ai un poste à souder à l'arc de type inverter, est-ce que ça peut marcher (ça me semble hyper surdimensionné) ou peut-on utiliser un gros transfo 220-6V et faire de petites étincelles? Ou une batterie de bagnole? On met l'APN en pose et on met un coup d'arc, ou on essaye de maintenir un arc pendant qq secondes et on prend une photo "normale"?

En vrac: à quelle distance de la fente est l'échantillon, faut-il s'isoler de la lumière ambiante, la lampe fluo qui sert à l'étalonnage est de quel modèle (lampe fluo lambda achetée au supermarché)? Quels sont les réglages les plus fréquents de l'APN (genre 200ISO, f 3,5, 1/30ème)?

Pardon, je suis très bricoleur, mais mon truc c'est pas vraiment l'optique....

Merci d'avance pour qq précisions de plus...

JP

[mr42]

Bonjour Néodyme et bienvenue sur ce sujet.

Je sens que tu as les compétences pour te lancer sur ce sujet, il te faudra aussi du temps.

Côté bricolage, il n'y a rien de compliqué si ce n'est la précision de certaines parties, ça se joue parfois au centième de mm.

La partie optique est assez simple, j'en avais déjà parlé sur un sujet antérieur :

http://www.geoforum.fr/topic/22865-lumiere-et-mineraux/page-2

Les dimensions ont un peu évolué depuis mais le principe est toujours le même.

La partie électrique est le point le plus délicat, il y a un risque évident. Je pense que le poste de soudure est largement surdimensionné. Il y a plus simple, on peut en parler en privé.

L'appareil photo est en pose longue et l'arc ne dure qu'une fraction de seconde. La mise au point est réglée manuellement. Le mode macro est nécessaire mais pour un caillouteux c'est incontournable.

La lampe fluo est ce qu'il y a de plus basique, achetée en grande surface.

Il y a un autre risque à ne pas négliger : de nombreux minéraux sont toxiques. Sous forme de cristaux, ça ne se voit pas trop mais une fois pulvérisés, les risques d'ingestion ou d'inhalation sont beaucoup plus grands.

J'espère que ces informations sommaires te permettront de te faire une idée de la faisabilité.

[mr42]

Quelques mots pour conclure sur les aciers (messages 82 à 84).

Ce n'est pas évident de s'y retrouver !

Le fer et le chrome présentent des spectres très denses et peu de raies les distinguent franchement. Les raies vertes du chrome à 521 et 530 nm ressortent assez nettement de même qu'un petit groupe de raies du fer autour de 560 nm.

Quand au nickel, il est bien identifiable seul mais ne donne que des raies peu lumineuses, il n'a aucune chance de ressortir mélangé aux spectres envahissants du fer et du chrome.

On peut différentier un acier inoxydable d'un autre acier (mais pour ça, pas besoin de spectrographie) par contre entre deux inox de compositions différente, les spectres sont quasiment identiques.

[Néodyme]

Merci MR42, dans l'intervalle j'ai trouvé un article très bien fait qui répond à toutes mes questions ci-dessus, et qui aidera bien tous ceux qui ont envie de se lancer la-dedans, voici le lien

http://philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr/robert/astronomie/spectroscope.htm

Quant au réseau, chez Jeulin.com, c'est 13,50€.

Donc ceci donne une bonne vision de la tronche du spectro, du type d'appareil photo à utiliser, comment le placer devant le spectro.

Reste donc le gros morceau: le porte-échantillon avec un truc pour générer une bonne étincelle. et là....quelques précisions seraient fort utiles!

Néodyme

[mr42]

C'est comme ça que j'ai commencé.

Il y a plusieurs modèles de réseau chez Jeulin, je ne retrouve pas celui que j'avais acheté: 600 lignes par mm pour environ 40 euros. Je pense qu'à 530, ça doit être équivalent, par contre, à ce prix, ce n'est peut-être pas un réseau "blasé", c'est à dire avec des fentes profilées pour laisser passer plus de lumière. Ce sera un peu moins lumineux.

Je prépare d'autres infos.

[mr42]

Voici un essai sur un échantillon ramené du Salar de Uyuni.

Il suffit de rajouter un peu d'eau pure et ça marche, pas besoin d'acide pour améliorer la conduction.

La photo est un montage à partir de 2 vues, il n'est pas possible d'avoir une seule image aussi nette sur toute la largeur du spectre.

Il y a pas mal de raies, saurez-vous les reconnaître ?

[mr42]

Tout d'abord, les éléments habituels de genre de saumure : Na, K, Mg, Ca sans oublier H.

Mais ça n'explique pas tout.

Je ne sais pas si vous arrivez à voir les images en entier. Sur mon écran, il manque la partie droite. L'image complète va jusqu'à 850nm. Pour tout voir, il faut double-cliquer sur l'image.

[mr42]

Ensuite, bien entendu, il y a le fameux lithium d'Uyuni. Le spectre du lithium est assez simple mais on voit quand même deux raies qui ont réussi à se faufiler entre les précédentes.

Mais ce n'est pas tout...

[mr42]

Il reste plusieurs raies à élucider mais il y en a une raie particulièrement brillante dans les vert-jaune à 569 nm.

Cette raie ne peut être attribuée à aucun des éléments précédents. En cherchant bien, la meilleure réponse que j'ai trouvé, c'est le rubidium.

Est-ce que ça tient la route ?

Pas étonnant qu'il y en ait mais là, pour avoir une raie aussi nette, il en faut une bonne dose ou alors, c'est une raie particulièrement intense. Le rubidium présente d'autres raies mais elles doivent toutes se trouver à proximité de celles des éléments précédents et pas faciles à distinguer.

J'ai cherché sur le net des données sur la composition chimique du Salar mais je n'ai rien trouvé qui aille jusqu'au rubidium.

Quelqu'un aurait-il plus d'info ?

[mr42]

Bonne allée à tous

Voici un exemple de montage simple et compact, qui donne d 'assez bons résultats.

Il faut d'abord penser que l'on va rester en pose longue :

- bien fixer les divers composants, l'appareil est retenu par une vis récupérée sur un pied photo (malheureusement, c'est un pas de vis normalisé US difficile à trouver en France),

- supprimer toutes les entrées de lumière parasites, pas nécessaire d'opérer dans une pièce noire, les points vraiment importants sont l'intérieur du spectroscope qui est entièrement recouvert de papier noir mat et la connexion entre le spectroscope et l'appareil qui est assurée par une pièce ad hoc en carton noir mat également. Eviter de s'installer dans une pièce éclairée par une lumière avec un spectre trop typé comme une lampe fluorescente.

Il est intéressant de prévoir des composants interchangeables, surtout pour les fentes : une fente plus étroite donne une meilleure résolution mais réduit le flux lumineux. Il est utile d'en avoir plusieurs.

Un paramètre dimensionnant est la distance de mise au point minimale sur l'appareil. Ici, elle est de 12 cm en mode macro. Ce qui compte, c'est la distance entre la fente et le capteur de l'appareil. Le réseau peut être placé plus près, il intervient un peu comme une lentille.

[LALEX]

Bonne année à tous!

Je comprends mieux, vous conservez l'objectif et le faisceau lumineux traverse la fente.

à quoi sert l'angle donné de l'appareil photo?

[mr42]

Le réseau du spectroscope dévie les rayons lumineux selon leur couleur (ou leur longueur d'onde) un peu comme un prisme.

On peut d'ailleurs réaliser un spectroscope avec un prisme.

Le rouge (grande longueur d'onde) est plus dévié que le violet (petite longueur d'onde). Avec de la lumière blanche, on obtiendrait toutes les couleurs de l' arc en ciel.

La position de l'appareil photo doit tenir compte de ces déviations. En restant dans l'axe, on ne verrait pas cette décomposition en plusieurs couleurs.

[Lionel-R]

Tout à fait, on verrait en plus l'image géométrique de la fente ce qui est parfaitement inutile en plus d'être gênant.

[Néodyme]

Quelques précisions supplémentaires:

-largeur de la fente: dans les docs genre "do-it yourself", on indique des largeurs de fente allant de 1mm à 0,1mm. Soit de "beaucoup" à "très peu".

Si on veut se faire un petit jeu de fentes, on choisit quoi? 0,5 puis 0,25 puis 0,1mm par ex?

-distance entre fente et réseau: MR42 vous avez évolué entre 40cm et 20cm. Dans les autres doc on est plutôt autour de 40cm. Est-ce lié à l'objectif de l'appareil? J'ai lu qq part que la distance doit être réglée sur la fente, est-ce exact?

-reste la distance entre l'appareil et le réseau: en fait il faut se positionner de telle sorte que le spectre occupe toute la largeur du viseur?

JP

[mr42]

Le problème, c'est que tout dépend de l'appareil photo.

Principe de base : ce que l'on observe ou photographie, c'est la fente du spectroscope.

Le réseau agit comme une sorte de lentille qui dévie les rayons selon leur longueur d'onde. Le réseau doit être placé au plus près de l'objectif.

Sur la photo, chaque raie du spectre est une image de la fente : il y a autant d'images de la fente que de longueurs d'onde dans le spectre.

Plus la fente est étroite, plus les raies sont fines. Là encore, ça dépend du reste mais je pense que 0,1 mm est une bonne largeur pour commencer. Pour les premiers essais, on peut utiliser une simple feuille de bristol avec un coup de cutter, ça donne des raies un peu irrégulières mais ça marche.

1 mm, c'est trop.

La mise au point doit être faite sur la fente, il faut donc connaître la distance de mise au point minimale de l'appareil.

Avec un bon objectif macro, il n'est pas nécessaire de placer la fente à la distance minimale. La bonne distance, c'est celle qui permet au spectre d'occuper la largeur de la photo mais ce n'est pas toujours faisable.

Je n'ai malheureusement pas de formule mathématique qui permette de tout calculer. J'ai fini par réaliser un tube télescopique qui m'a permis de tester diverses configurations. Pour ces essais, le spectre d'une lampe fluo convient très bien.

[Néodyme]

Super top.

Je viens enfin de comprendre qq chose, 50 ans après les premiers cours d'optique au lycée ("Sur la photo, chaque raie du spectre est une image de la fente")

Merci pour ces infos.

JP