Investigation of matrix effects on laser-induced plasmas

This thesis investigates and characterizes matrix effects in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), with particular focus on how crystal structure and material phase influence plasma properties. To this end, different structural forms of SiO2 and Al2O3 were studied. For SiO2, α-crystalline quartz and amorphous fused silica (Infrasil) were analyzed, while for Al2O3 the comparison involved α-crystalline sapphire and ceramic polycrystalline alumina. These materials were selected to isolate the role of structural order and phase composition in plasma formation and evolution. LIBS measurements were performed under controlled experimental conditions, and the acquired spectra were analyzed using the Calibration-Free LIBS (CF-LIBS) approach. By systematically varying the gate width and the delay time, the temporal evolution of the plasma temperature T (t) and electron number density ne(t) was reconstructed. Comparing the plasma parameters obtained for the different material structures enabled assessing the time-dependent contribution of matrix effects and their correlation with crystallinity and material phase. This work contributes to a deeper understanding of the physical origin of matrix effects in LIBS and provides insights to improve the robustness of CF-LIBS quantitative analysis.

Questo lavoro di tesi è volto allo studio e alla caratterizzazione degli effetti di matrice nella tecnica Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), con particolare attenzione all’influenza dell’ordine cristallino e della fase dei materiali sulle proprietà del plasma. A tal fine sono state studiate differenti forme strutturali di SiO2 e Al2O3. Per SiO2 sono stati analizzati quarzo α cristallino e silice fusa amorfa (Infrasil), mentre per Al2O3 il confronto ha coinvolto zaffiro (α-Al2O3 monocristallino) e allumina policristallina ceramica. Questi materiali sono stati selezionati per isolare il ruolo dell’ordine strutturale e della composizione di fase nella formazione e nell’evoluzione del plasma. Le misure LIBS sono state eseguite in condizioni sperimentali controllate e gli spettri acquisiti sono stati analizzati mediante l’approccio Calibration-Free LIBS (CF-LIBS). Variando sistematicamente il tempo di ritardo e la larghezza del gate, è stata ricostruita l’evoluzione temporale della temperatura del plasma T (t) e della densità elettronica ne(t). Il confronto dei parametri di plasma ottenuti per le diverse strutture dei materiali ha permesso di valutare il contributo tempo-dipendente degli effetti di matrice e la loro correlazione con la cristallinità e la fase del materiale. Questo lavoro contribuisce a una comprensione più profonda dell’origine fisica degli effetti di matrice in LIBS e fornisce indicazioni per migliorare la robustezza dell’analisi quantitativa CF-LIBS.