Medición y Análisis de hidrógeno atómico y molecular diatómico AlO, C ₂, CN, y el TiO Spectra siguiente desglose óptica inducida por láser

Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) Técnicas de ^1-5 tienen aplicaciones en ^6-12 atómica y estudios moleculares de plasma ^13-20 generada con radiación láser. Espectroscopia resuelta en el tiempo es esencial para la determinación de las características transitorias del plasma. La temperatura y la densidad de electrones, por nombrar sólo dos parámetros del plasma, se pueden medir proporcionado un modelo teórico razonable de la descomposición de plasma está disponible. La separación de la radiación de electrones libres de emisiones atómicas y moleculares nos permite explorar con precisión los fenómenos transitorios. Al centrarse en una ventana temporal específica, se puede "congelar" la decadencia de plasma y así obtener huellas espectroscópicas precisos. LIBS tiene una variedad de aplicaciones y, recientemente, el interés en LIBS-diagnóstico muestra un aumento considerable cuando se mide por el número de investigadores que publican en el campo. Pico-y femtosegundos generada microplasma es de cursointerés de la investigación, sin embargo, los arreglos experimentales históricamente LIBS utiliza radiación láser de nanosegundos.

La figura 1 muestra un dispositivo experimental típico para la espectroscopia descomposición inducida por láser. Para este protocolo, la energía desglose funcional para el haz inicial es del orden de 75 mJ pulso, en la longitud de onda infrarroja de 1064 nm. Esta energía de pulso se puede ajustar según sea necesario. . El plasma se dispersa por el espectrómetro y se mide con un array lineal de diodo intensificado y OMA o, alternativamente, reflejado en un 2-dimensional dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD) La Figura 2 ilustra el diagrama de temporización para los experimentos de tiempo-resuelto: la sincronización de pulsos radiación láser con lectura, disparador de pulsos láser, fuego láser, y el retardo de puerta abierta.

Espectroscopía con resolución temporal exitosa requiere varios procedimientos de calibración. Estos procedimientos incluyen la calibración de longitud de onda, de vueltacorrección de suelo, y lo más importante, la corrección de la sensibilidad del detector. Sensibilidad datos corregidos son importantes para la comparación de espectros medidos y modelados. Para un aumento de la relación señal a ruido, se registran múltiples eventos de degradación inducida por láser.

1. Configuración del sistema óptico

1. Coloque un divisor de haz a la salida del láser, permitiendo que la luz de longitud de onda 1.064 nm pase a través y para reflejar todos los demás radiaciones láser transitoria en un vertedero de haz.
2. Coloque un detector de fotodiodo PIN de alta velocidad para grabar una parte de la radiación láser reflejada por el divisor de haz. Conectar este detector al osciloscopio con cable coaxial para supervisar el pulso óptico con respecto a la activación por el generador de funciones y la ocurrencia de la conmutación Q en el Nd: YAG dispositivo.
3. Alinear tres espejos reflectantes de IR para posicionar el haz paralelo a la hendidura del espectrómetro.
4. Coloque una lente por encima de la etapa de traslación para enfocar el haz con el fin de generar óptica desglose de plasma paralelo a la hendidura del espectrómetro. Alinear dos lentes de cuarzo para el propósito de obtención de imágenes del plasma en la ranura. Las dos lentes de enfoque óptima coincide con el diseño del espectrómetro, es decir, el objetivo final tiene un apertura para realizar af # idéntica a la f # de elementos ópticos internos del espectrómetro.
5. Para mediciones por encima de 380 nm, la posición de un corte en el filtro entre las dos lentes con el propósito de bloquear la radiación por debajo de 380 nm. El corte en el filtro suprime las posibles contribuciones de UV (debido a la segunda orden de rejilla) a los espectros medidos.

2. Configuración de Adquisición de Datos

1. Conectar un generador de funciones de forma de onda que proporciona una onda triangular a 50 Hz a una hecha a la medida circuito de división por cinco para obtener 10 Hz. El analizador óptico multicanal (OMA) se hace funcionar a 50 Hz y las lámparas de flash de láser de Nd: YAG se sincrónicamente funcionar a 10 Hz. Uno puede utilizar un ICCD en lugar de la OMA, que opera de forma síncrona a la tasa de la radiación de láser pulsado también.
2. Conecte una de las salidas del circuito a la medida de división por cinco a un generador de retardo digital. Utilice una salida para sincronizar el Nd: YAG lámparas de flash y otro de salida para control de los factores desencadenantes del intensificador de red de diodos lineal y un analizador óptico multicanal. Una vez más, en lugar de la matriz de diodos lineal intensificado y OMA se puede utilizar un ICCD.
3. Transmitir la salida de disparo ajustable del dispositivo láser a un osciloscopio y a un generador de impulsos. El osciloscopio se puede utilizar para controlar cuando la radiación de láser pulsado estará disponible para la generación de rotura óptica o ablación con láser.
4. Conectar la salida de alta tensión del generador de impulsos digital a la matriz de diodos lineal intensificado.
5. Conectar la otra salida del generador de impulsos para el osciloscopio.
6. Conecte la salida de red de diodos lineal intensificado a la OMA.

3. Sincronización y Medición

1. Ajuste el generador de funciones de forma de onda a la salida de un pulso triangular que funciona a 50 ± 1 Hz. Este generador de funciones proporciona la frecuencia maestra. Un hecho a la medida del circuito de división por cinco y un generador de retardo digital se utilizan para accomisariar sincronización.
2. Inicie el sistema de enfriamiento de agua y fuente de alimentación para el dispositivo láser. Activar láser.
3. Determinar el tiempo para la radiación láser para viajar desde la abertura de salida del láser Nd: YAG a la zona en frente de la hendidura espectrómetro como sigue: Medir la distancia de la trayectoria de la luz y calcular el tiempo de tránsito utilizando la velocidad de la luz. Cuenta para este tiempo de tránsito en el establecimiento del tiempo de retardo de puerta en el siguiente paso.
4. En el generador de impulsos digitales, establezca la anchura de la puerta para la medición y el tiempo de retardo de la descomposición óptica o la ablación con láser de pulso, y usar el osciloscopio para monitorear el tiempo de retardo. El tiempo de retardo se determinará cuánto tiempo se debe esperar para la recopilación de datos después de producirse una avería. La anchura de la puerta determina el tiempo que la matriz de diodos está expuesto a la radiación de plasma.
5. Generar rotura óptica en el aire y / o colocar una muestra en la etapa de traslación de tal forma que se producirá la ablación. Imagen de la microplasma en la ranura espectrómetro.
6. Comience mediciones y datos de registro con la matriz intensificado lineal de diodos y un analizador óptico multicanal (o con un ICCD).

4. Calibración de longitud de onda

1. Espectros Registro de las lámparas estándar de calibración: neón, mercurio y lámparas de hidrógeno. Utilice el dispositivo experimental con lámparas de poner en el lugar donde se generó plasma.
2. El uso de las longitudes de onda conocidas de las lámparas, realizar un ajuste lineal o cúbica para obtener la correspondencia de píxeles de longitud de onda. El propósito de una calibración precisa es para corregir las no linealidades que se asocian generalmente con la medición de los espectros.
3. Repita calibraciones para H, C _2, CN, y TiO regiones espectrales de interés.

5. Calibración Intensidad

1. Encienda una lámpara de tungsteno de calibración y esperar a que se caliente.
2. Utilice un pirómetro óptico para medir la temperatura de la lámpara activo.
3. Utilice el dispositivo experimental para rEcord el espectro de la lámpara activo.
4. Calcular una curva de cuerpo negro a partir de la ley de radiación de Plank usando la temperatura medida como parámetro de entrada.
5. Ajustar la curva calculada con el espectro de la lámpara activo. Determinar los factores por los cuales las intensidades registradas de la curva calculada. Aplique esos factores para corregir espectros registrados para la longitud de onda dependiente sensibilidad del detector.
6. Repita esto para cada región se utilizó el espectrómetro.

6. Transferencia de datos

1. Para preparar el medio para la transferencia de archivos.
2. Para cada medición de datos, grabar en el medio.
3. Tome este medio y cargar los archivos en él a un equipo de trabajo.

7. Preparación de Archivos

1. Para cada archivo, lo revisará en secciones, una que contiene datos grabados, y los demás que especifican la longitud de onda de arranque y cambio de media longitud de onda por punto de datos.
2. Utilice estas secciones para crear un nuevo archivo para que coincidalongitudes de onda con los datos registrados.

8. Análisis molecular diatómico

1. Seleccione el archivo de la longitud de onda y el archivo de la fuerza de línea correspondiente.
2. Seleccionar el desplazamiento de la línea de base.
   1. Establecer si el desplazamiento es constante, lineal o cuadrática.
   2. Establecer los coeficientes correspondientes a valores fijos o variables.
3. Ajuste la resolución y la temperatura, los cuales pueden ser fijos o variada.
4. Establecer la tolerancia de ajuste para los espectros sintética para estar en forma para los espectros medidos.
5. Montar la calculada para los espectros experimentales utilizando un algoritmo Nelder-Mead.
6. El uso de los mejores parámetros de ajuste de los espectros calculado para cada medición, inferir los parámetros de microplasma observados en los diferentes retardos de tiempo y anchos de puerta utilizadas.

LIBS utiliza la radiación de láser pulsado para ionizar suficientemente una muestra para formar el plasma. Desglose inducida por láser de sustancias gaseosas creará de plasma que está centrado sobre la región focal del haz de excitación, mientras que la ablación con láser en superficies sólidas producirá de plasma sobre la superficie de la muestra. El plasma se genera por enfocar la radiación óptica en el orden de 100 GW / cm 2 de pulsos de nanosegundos de degradación. Para producir la ablación con láser de plasma, típicamente 1 GW / cm 2 es más que suficiente. La radiación de plasma inducida se dispersa por un espectrómetro. Sólo para los tiempos de retardo específicas de rotura óptica, espectros atómicos y diatómicas están bien desarrollados. Las figuras 3-7 ilustran los resultados representativos.

Al principio de la decadencia de plasma, líneas atómicas evolucionan a medida que disminuye la radiación de fondo de electrones libres. Posteriormente, principalmente debido a la recombinación, los espectros moleculares se pueden grabar. En los experimenTS, el intensificador de la matriz de diodos lineal debe ser activado con precisión. Alternativamente, un ICCD debe activarse con precisión también. Esta activación (o momento) debe ocurrir constantemente, por lo que los datos adquiridos se componen de contribuciones a un tiempo de retardo exacto del evento avería. Posteriormente, la OMA digitaliza la señal de la matriz de diodos lineal intensificado y almacena los datos. Para una ICCD, el tiempo es igualmente importante y los datos se almacenan de manera similar. En los experimentos con la matriz de diodos lineal intensificado, los registros OMA sólo el primero de los cinco exploraciones, los otros cuatro exploraciones restantes son redundantes pero exploraciones consecutivas se ignoran. Figura 2 ilustra cómo el representante intensificó diodo lineal se obtienen resultados de la matriz.

Para las investigaciones sobre las especies atómicas, las líneas atómicas son estudiados con respecto a la forma y el ancho de las líneas espectrales. Las formas de línea atómicas medidos y anchuras se comparan a los correspondientesmodelos teóricos. Esta comparación permite determinar la densidad de electrones en la región observada del plasma. En las investigaciones de los espectros moleculares diatómicas, por lo general muchas líneas espectrales contribuyen a varias bandas moleculares. Para cada medición, los espectros se analizaron con respecto a las formas, anchuras e intensidades relativas de las líneas individuales contenidos en las bandas moleculares. Comparación de los espectros medidos y calculados utiliza las fortalezas de línea derivados de la teoría cuántica diatómico junto con los datos espectrales de alta resolución que están disponibles en la literatura. Esta comparación permite inferir una temperatura de excitación de las moléculas diatómicas en la región observada del plasma. El ajuste se lleva a cabo con un algoritmo Nelder-Mead, lo que permite a uno realizar un multiparamétrica, ajuste no lineal de los espectros computarizada a los espectros medidos. A continuación, se presentan los resultados de los experimentos seleccionados que satisfacen diatómico líneas espectrales moleculares y atómicos. p>

La figura 3 ilustra los espectros de TiO medido y equipado. Cuando se generan imágenes determinadas zonas de la columna de humo de TiO, la temperatura montado frente al tiempo muestra un mínimo local. Este mínimo es posiblemente debido a la combustión.

El objetivo principal para el análisis de los espectros de hidrógeno es para determinar la densidad electrónica y la temperatura de los espectros resuelta en el tiempo para las líneas de hidrógeno-alfa y beta-hidrógeno. La Figura 4 muestra los perfiles de hidrógeno alfa grabadas a lo largo de la altura de hendidura. Especie de aire de laboratorio tales como el nitrógeno y el oxígeno hacen que las líneas alfa de hidrógeno que surjan después del evento inicial rotura óptica. La evolución de la línea de hidrógeno-alfa es investigado por los retrasos de tiempo de 0,4 microsegundos hasta 30 microsegundos después de la rotura óptica. La figura alfa de hidrógeno también indica una mayor densidad de electrones en el centro del plasma, que se muestra en la figura cerca de la mitad del eje ranura que se indica.

jove_content "> La molécula de C 2 muestra que sus niveles de rotación más bajos son sensibles a la variación de la temperatura, y los niveles de rotación más altas son sensibles a la densidad del gas circundante y campo de radiación. Figura 5 muestra un resultado típico medido y ajustado después de la ablación con láser en el aire. Análisis de los espectros de cisne de carbono incluye el estudio de la formación de C 2 debido a la recombinación en un esfuerzo por comprender la formación de C 2 y CN después de la ablación con láser de grafeno. Figura 6 muestra registrada y equipado espectros CN, y la figura también muestra excelente acuerdo con teoría. El partido espectros experimentales bien con los espectros computarizada, y el acuerdo convincente se pueden ver en los extremos posteriores y las cabezas de la banda. Al igual que los espectros de C 2, los espectros de rotación / vibración de aluminio espectáculo de monóxido bien desarrollado bandas moleculares para la temperatura elevada en la microplasma inducida por láser en descomposición. Figure 7 muestra medido y ajustado espectros AlO. Desde AlO es un producto temprano en la combustión de aluminio, estudios espectroscópicos de AlO tiene aplicaciones en estudios de combustión de aluminio, principalmente para la determinación de la temperatura.

. Figura 1 La disposición esquemática muestra los siguientes componentes experimentales: (1) El divisor de haz para desviar una pequeña parte de la radiación láser 1064 nm; (2) infrarrojos espejos reflectantes para alinear verticalmente el haz frente al espectrómetro, (3) la lente para enfocar el haz a un punto apretado para la descomposición óptica; (4) la estrella simboliza rotura óptica o plasma ablación con láser, y (5) dos lentes para que coincidan con laóptica de enfoque del espectrómetro. El cuadro de sincronización, onda, y generador de retardo lograr sincronización electrónica del láser y la intensificación de red de diodos lineal y OMA (o ICCD) frecuencias de operación. El fotodiodo, generador de impulsos, y el osciloscopio permiten una para controlar con precisión y supervisar la ventana de medición de LIBS. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 2. Diagrama de tiempos para las mediciones LIBS con resolución temporal. Sincronización OMA y el láser de flash de sincronización de la lámpara son suministrados por una ola y generador de retardo y los circuitos a la medida. Disparador del pulso láser y el pulso de fuego es proporcionada por el Nd: YAG dispositivo junto con Q-switch delay control. Un predisparo adicional, pulso electrónico (no mostrado) también es proporcionada por el láser de Nd: YAG fabricante. Esta predisparo nos permite controlar con precisión y eficiencia del retardo de puerta del detector del sistema de OMA / ICCD. La lectura de la OMA se produce después de la exposición de la matriz de diodos, incluyendo 4 posteriores pero se ignoran las exploraciones de lectura. Para los experimentos de pulsos individuales, lecturas OMA individuales se almacenan por separado en la memoria. Para las mediciones promedio de 100-scan, se añaden las exploraciones de lectura OMA y luego almacenados. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 3. Los espectros de emisión medidos y sintéticos muestran TiO A 3 → X 3 Δ Δ v = 0 transición. Los datos medidos se recogió con la matriz de diodos lineal intensificado en el tiempo de retardo de t delay = 95 microsegundos con una anchura de la puerta de 2 microsegundos. El espectro medido se cabe con los espectros computarizada correspondiente a una resolución espectral de FWHM = 0,09 nm y una temperatura inferido T = 3300 K. clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 4. Línea alfa Balmer de hidrógeno registrada en 1,07 x 10 5 Pa de hidrógeno gaseoso. Las emisiones de 1000 eventos de degradación óptica consecutivos fueron dadosdispersa con el espectrómetro y se recoge con un ICCD, 0.042 microsegundos de rotura óptica y espacialmente resueltos a lo largo del espectrómetro de rendija altura. Para este tiempo de retardo, la máxima densidad de número de electrones es de 0,32 x 10 25 electrones / m 3, y el máximo desplazamiento hacia el rojo Hα asciende a 1,2 nm. Espectros individuales de líneas de hidrógeno alfa y beta se ilustran por ejemplo en Parigger 6. Grabación de hidrógeno alfa y beta líneas siguientes ruptura en el aire es parte del vídeo documental de esta publicación Jove. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 5. El C 2 Cisne spectra se recogieron con la matriz de diodos lineal intensificado en un intervalo de tiempo t delay = 20 microsegundos   utilizando un ancho de puerta de 1 microsegundos. El espectro medido se ajusta con los espectros calculado para una resolución espectral FWHM de 0,07   nm y una temperatura de T = 5600 K se infiere. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 6. El CN B 2 + ε → X 2 + ε transición fue grabado con la matriz de diodos lineal intensificado en retardo de tiempo de retardo t = 70 microsegundos violeta   con unanchura de la puerta de 4 microsegundos. El espectro medido se ajuste con espectros calcula utilizando una resolución espectral FWHM de 0,09   nm. La temperatura inferido es T = 6600 K. clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 7. El Alo B 2 + ε → X 2 + ε espectros diatómico para los Δ = 0 transiciones se recogieron con la matriz de diodos lineal intensificado en un retardo de tiempo de t = 45 microsegundos delayn utilizando una anchura de la puerta de 5 microsegundos. Los espectros de armarios se calculan utilizando una resolución espectral FWHMde 0,09   nm. Los valores de temperatura inferidos a T = 3900 K. ¡Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

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