Atomowe i dwuatomowe gatunki molekularne z rozdzielczością czasową są mierzone za pomocą LIBS. Widma są zbierane z różnymi opóźnieniami czasowymi po wytworzeniu plazmy rozpadu optycznego z promieniowaniem laserowym Nd:YAG i są analizowane w celu wywnioskowania gęstości elektronów i temperatury.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Pomiar i analiza widm wodoru atomowego i dwuatomowego molekularnego AlO,C2, CN i TiO po rozpadzie optycznym wywołanym laserem
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
W tej pracy prezentujemy czasowo-rozdzielcze pomiary widm atomowych i dwuatomowych po załamaniu optycznym wywołanym laserem. Używany jest typowy układ LIBS. Tutaj używamy lasera Nd:YAG o częstotliwości 10 Hz przy podstawowej długości fali 1 064 nm. Impulsy o długości 14 nsec o energii 190 mJ/impuls są skupiane na plamce o wielkości 50 μm, aby wytworzyć plazmę w wyniku przebicia optycznego lub ablacji laserowej w powietrzu. Mikroplazma jest obrazowana w szczelinie wejściowej spektrometru o długości 0,6 m, a widma są rejestrowane za pomocą siatki o średnicy 1800 rowków/mm, wzmocnionego liniowego układu diodowego i optycznego analizatora wielokanałowego (OMA) lub ICCD. Interesujące są poszerzone przez Starka linie atomowe wodorowej serii Balmera, które pozwalają wnioskować o gęstości elektronów. Zajmujemy się również pomiarami temperatury na podstawie dwuatomowych widm emisyjnych tlenku glinu (AlO), węgla (C2), cyjanogenu (CN) i tlenku tytanu (TiO).
Procedury eksperymentalne obejmują kalibrację długości fali i czułości. Analiza zarejestrowanych widm molekularnych odbywa się poprzez dopasowanie danych do tabelarycznych natężeń linii. Ponadto przeprowadzane są symulacje typu Monte-Carlo w celu oszacowania marginesów błędu. Pomiary czasowo-rozdzielcze są niezbędne dla przejściowej plazmy powszechnie spotykanej w LIBS.
Wprowadzenie
Techniki spektroskopii rozpadu indukowanego laserem (LIBS)1-5 mają zastosowanie w badaniach molekularnychplazmy 13-12 generowanej promieniowaniem laserowym. Spektroskopia czasowo-rozdzielcza jest niezbędna do określenia przejściowych charakterystyk osocza. Temperatura i gęstość elektronów, by wymienić tylko dwa parametry plazmy, mogą być mierzone pod warunkiem, że dostępny jest rozsądny teoretyczny model rozpadu plazmy. Oddzielenie promieniowania swobodnych elektronów od emisji atomowych i molekularnych pozwala nam na dokładne badanie zjawisk przejściowych. Skupiając się na określonym oknie czasowym, można "zamrozić" rozpad plazmy, a tym samym uzyskać dokładne spektroskopowe odciski palców. LIBS ma wiele zastosowań, a ostatnio zainteresowanie diagnostyką LIBS wykazuje znaczny wzrost, mierzony liczbą badaczy publikujących w tej dziedzinie. Mikroplazma generowana przez piko- i femtosekundy jest przedmiotem ciągłego zainteresowania badawczego, jednak historycznie eksperymentalne układy LIBS wykorzystują nanosekundowe promieniowanie laserowe.
Rysunek 1 przedstawia typowy układ eksperymentalny dla spektroskopii rozpadu indukowanej laserem. W przypadku tego protokołu energia przebicia funkcjonalnego dla wiązki początkowej jest rzędu impulsu 75 mJ, przy długości fali podczerwonej 1,064 nm. Ta energia impulsu może być regulowana w zależności od potrzeb. Plazma jest rozpraszana przez spektrometr i mierzona za pomocą zintensyfikowanego liniowego układu diodowego i OMA lub, alternatywnie, obrazowana na zintensyfikowanym 2-wymiarowym urządzeniu sprzężonym z ładunkiem (ICCD). Rysunek 2 ilustruje wykres czasowy dla eksperymentów z rozdzielczością czasową: synchronizacja impulsowego promieniowania laserowego z odczytem, wyzwoleniem impulsu laserowego, wystrzeleniem laserowym i opóźnieniem otwarcia bramy.
Udana spektroskopia czasowo-rozdzielcza wymaga różnych procedur kalibracji. Procedury te obejmują kalibrację długości fali, korekcję tła i, co najważniejsze, korekcję czułości detektora. Dane skorygowane o czułość są ważne dla porównania zmierzonych i modelowanych widm. W celu zwiększenia stosunku sygnału do szumu rejestrowanych jest wiele awarii wywołanych laserem.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Konfiguracja systemu optycznego
- Umieść rozdzielacz wiązki na wyjściu lasera, umożliwiając przejście światła o długości fali 1,064 nm i odbicie całego innego przejściowego promieniowania laserowego do zrzutu wiązki.
- Umieść szybki detektor fotodiody PIN, aby zarejestrować część promieniowania laserowego odbitego od rozdzielacza wiązki. Podłącz ten detektor do oscyloskopu za pomocą koncentrycznego, aby monitorować impuls optyczny w odniesieniu do wyzwalania przez generator funkcyjny i wystąpienia przełączania Q w urządzeniu laserowym Nd:YAG.
- Ustaw trzy lustra odbijające podczerwień tak, aby ustawić wiązkę równolegle do szczeliny spektrometru.
- Umieść soczewkę powyżej stolika translacyjnego, aby skupić wiązkę w celu wytworzenia plazmy przebicia optycznego równolegle do szczeliny spektrometru. Ustaw dwie soczewki kwarcowe w celu zobrazowania plazmy na szczelinie. Dwie soczewki skupiające optymalnie pasują do konstrukcji spektrometru, co oznacza, że końcowa soczewka ma aperturę pozwalającą uzyskać f# identyczne z f# wewnętrznej optyki spektrometru.
- W przypadku pomiarów powyżej 380 nm należy umieścić filtr włączany między dwiema soczewkami w celu zablokowania promieniowania poniżej 380 nm. Filtr typu cut-on tłumi ewentualne wpływy promieniowania UV (ze względu na siatkę 2. rzędu) do mierzonych widm.
2. Ustawienia akwizycji danych
- Podłącz generator funkcyjny kształtu fali zapewniający falę trójkątną o częstotliwości 50 Hz do niestandardowego obwodu dzielenia przez pięć, aby uzyskać 10 Hz. Optyczny analizator wielokanałowy (OMA) pracuje z częstotliwością 50 Hz, a lampy błyskowe lasera Nd:YAG są pracowane synchronicznie z częstotliwością 10 Hz. Zamiast OMA można użyć ICCD, działającego synchronicznie z szybkością pulsacyjnego promieniowania laserowego.
- Podłącz jedno z wyjść niestandardowo zbudowanego obwodu dzielenia przez pięć do cyfrowego generatora opóźnienia. Użyj jednego wyjścia do synchronizacji lamp błyskowych Nd:YAG, a drugiego wyjścia do sterowania wyzwalaczami liniowego wzmacniacza matrycy diodowej i optycznego analizatora wielokanałowego. Ponownie, zamiast zintensyfikowanego liniowego układu diod i OMA można użyć ICCD.
- Przekaż regulowane wyjście wyzwalające urządzenia laserowego do oscyloskopu i generatora impulsów. Oscyloskop będzie używany do monitorowania, kiedy impulsowe promieniowanie laserowe będzie dostępne do generowania przebicia optycznego lub ablacji laserowej.
- Podłącz wyjście wysokiego napięcia cyfrowego generatora impulsów do zintensyfikowanego liniowego układu diodowego.
- Podłącz drugie wyjście generatora impulsów do oscyloskopu.
- Podłącz wzmocnione wyjście liniowej matrycy diodowej do OMA.
3. Synchronizacja i pomiar
- Ustaw generator funkcji kształtu fali tak, aby wysyłał impuls trójkątny działający z częstotliwością 50±1 Hz. Ten generator funkcyjny zapewnia częstotliwość główną. Niestandardowy obwód podziału na pięć i cyfrowy generator opóźnień służą do dokładnej synchronizacji.
- Zainicjuj system chłodzenia wodą i zasilanie urządzenia laserowego. Aktywuj laser.
- Określ czas, w którym promieniowanie laserowe przemieszcza się od otworu wyjściowego lasera Nd:YAG do obszaru przed szczeliną spektrometru w następujący sposób: Zmierz odległość drogi światła i oblicz czas przejścia za pomocą prędkości światła. Uwzględnij ten czas tranzytu przy ustawianiu czasu opóźnienia bramy w następnym kroku.
- W cyfrowym generatorze impulsów ustaw szerokość bramki dla pomiaru i czas opóźnienia od przebicia optycznego lub impulsu ablacji laserowej, a następnie użyj oscyloskopu do monitorowania czasu opóźnienia. Czas opóźnienia określi, jak długo należy czekać na zebranie danych po wystąpieniu awarii. Szerokość bramki określa, jak długo układ diod jest wystawiony na promieniowanie plazmowe.
- Wygeneruj rozkład optyczny w powietrzu i/lub umieść próbkę na etapie translacyjnym tak, aby nastąpiła ablacja. Zobrazuj mikroplazmę na szczelinie spektrometru.
- Rozpocznij pomiary i zapisz dane za pomocą zintensyfikowanego liniowego układu diodowego i optycznego analizatora wielokanałowego (lub ICCD).
4. Kalibracja długości fali
- Rejestruj widma ze standardowych lamp kalibracyjnych: lamp neonowych, rtęciowych i wodorowych. Użyj eksperymentalnego układu z lampami umieszczonymi w miejscu, w którym wytworzyła się plazma.
- Korzystając ze znanych długości fal z lamp, wykonaj dopasowanie liniowe lub sześcienne, aby uzyskać zgodność długości fali piksela. Celem dokładnej kalibracji jest skorygowanie nieliniowości, które są zwykle związane z pomiarem widm.
- Powtórz kalibracje dla interesujących obszarów spektralnych H, C2, CN i TiO.
5. Kalibracja intensywności
- Włącz lampę kalibracyjną wolframu i poczekaj, aż się rozgrzeje.
- Użyj pirometru optycznego, aby zmierzyć temperaturę lampy aktywnej.
- Użyj układu eksperymentalnego, aby zarejestrować widmo lampy aktywnej.
- Oblicz krzywą ciała doskonale czarnego na podstawie prawa promieniowania Planka, używając zmierzonej temperatury jako parametru wejściowego.
- Dopasuj obliczoną krzywą do widma lampy czynnej. Określić czynniki, za pomocą których zarejestrowane natężenia z obliczonej krzywej. Zastosuj te współczynniki, aby skorygować zarejestrowane widma pod kątem czułości detektora zależnej od długości fali.
- Powtórz to dla każdego regionu, w którym użyto spektrometru.
6. Transfer danych
- Przygotuj nośnik do przesyłania plików.
- Dla każdego pomiaru danych zapisuj je na nośniku.
- Weź ten nośnik i prześlij znajdujące się na nim pliki na komputer służbowy.
7. Przygotowanie pliku
- Dla każdego pliku przeanalizuj go w sekcjach, z których jedna zawiera zarejestrowane dane, a pozostałe określają początkową długość fali i średnie przesunięcie długości fali na punkt danych.
- Użyj tych sekcji, aby utworzyć nowy plik, aby dopasować długości fal do zarejestrowanych danych.
8. Dwuatomowa analiza molekularna
- Wybierz plik długości fali i odpowiadający mu plik o natężeniu linii.
- Wybierz odsunięcie linii bazowej.
- Określa, czy przesunięcie jest stałe, liniowe czy kwadratowe.
- Ustaw odpowiednie współczynniki na wartości stałe lub zmienne.
- Ustaw rozdzielczość i temperaturę, które mogą być stałe lub zmieniane.
- Ustaw tolerancję dopasowania dla widm syntetycznych, które mają być dopasowane do mierzonych widm.
- Dopasuj obliczone widma do widm eksperymentalnych za pomocą algorytmu Neldera-Meada.
- Korzystając z najlepiej dopasowanych parametrów obliczonych widm dla każdego pomiaru, wywnioskuj parametry mikroplazmy obserwowane przy różnych zastosowanych opóźnieniach czasowych i szerokościach bramek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
LIBS wykorzystuje impulsowe promieniowanie laserowe do wystarczającej jonizacji próbki w celu utworzenia plazmy. Przełom laserowy substancji gazowych tworzy plazmę skupioną wokół obszaru ogniskowania wiązki wzbudzającej, natomiast ablacja laserowa powierzchni stałych wytwarza plazmę nad powierzchnią próbki. Plazma jest generowana poprzez ogniskowanie promieniowania optycznego rzędu 100 GW/cm2 dla nanosekundowych impulsów przełomowych. Aby wytworzyć plazmę ablacji laserowej, zazwyczaj wystarczająca jest wartość...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Protokół pomiaru czasowo-rozdzielczego i reprezentatywne wyniki są bardziej szczegółowo omówione tutaj. Ważne jest, aby zsynchronizować impulsy laserowe, generowane z częstotliwością 10 Hz, z częstotliwością roboczą 50 Hz zintensyfikowanego liniowego układu diodowego i OMA (lub ICCD). Ponadto niezbędne jest dokładne odmierzenie czasu impulsów laserowych i otwarcie bramki zintensyfikowanego liniowego układu diodowego (lub alternatywnie ICCD). Generator fal, wskazany na schemacie eksperymentalnym, służy do synchronizacji i...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Wszyscy autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Podziękowania
Autorzy dziękują panu J. O. Hornkohlowi za zainteresowanie i dyskusję na temat obliczania siły dwuatomowych linii molekularnych. Prace te są częściowo wspierane przez Centrum Zastosowań Laserowych w Instytucie Kosmicznym Uniwersytetu Tennessee.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Custom Box | UTSI | Brak | Dzielnik i kondycjoner sygnału. Zamiast tego można użyć oscyloskopu. |
| Czterokanałowy cyfrowy generator opóźnień/impulsów | Stanford Research Systems, Inc. | Model DG535 | Firmy: Tequipment, diyAudio |
| Czterokanałowy kolorowy cyfrowy oscyloskop luminoforowy | Tektronix | TDS 3054 | 500 MHz - 5 GS/s, Firmy: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| Generator funkcyjny Wavetek FG3C | Wavetek | FG3C | Firmy: Tequipment, Stanford Research Systems, BK Precision |
| Nd:YAG Laser | Quanta-Ray | DCR-2A(10) PS | Promieniowanie laserowe, klasa IV. Firmy: Lambda Photometrics, Continuum, Ellipse, Newport |
| Si Biased Detector | Thorlabs | DET10A/M | 200-1,100 nm, z filtrem refleksyjnym ND10A. Firmy: Canberra, Edmund Optics |
| Nd:YAG Laserowe zwierciadło liniowe, 1,064 nm | Thorlabs | NB1-K13 | Firmy: Edmund Optics, Newport |
| 1 w dwuwypukłej soczewce z topionej krzemionki, niepowlekane | Newport | SBX031 | Firmy: Edmund Optics, Thorlabs |
| 2 w soczewki Plano-Convex z topionej krzemionki, niepowlekana | wypukła Newport | SPX049 | , f/4. Firmy: Edmund Optics, Thorlabs |
| Spectrograph | Instruments S.A. oddział Jobin-Yvon | HR 640 | Firmy: Andor, Newport, Horiba |
| Sterownik ręczny i elektroniczny dla Spectrograph | Instruments S.A. oddział Jobin-Yvon | Model 980028 | Sterownik ręczny i elektroniczny do spektrografu |
| Mega 4000 | Mega | Model 129709 | Interfejs komputerowy do spektrografu |
| Monitor Gateway 2000 Crystal Scan 1024 | Gateway | PMV14AC | Monitor do interfejsu komputerowego |
| Oscyloskop 20 MHz | BK Precision | Model 2125 | Firmy: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| 6040 Uniwersalny generator impulsów | Berkeley Nucleonics Corporation | Model 6040 | Firmy: Agilent Technologies, Tektronix, Quantum Composers |
| Oddzielny komponent do uniwersalnego generatora impulsów 6040 | Berkeley Nucleonics Corporation | Model 202 H | Oddzielny komponent do uniwersalnego generatora impulsów 6040 |
| Kamera ICCD | EG& G Parc | Model 46113 | Firmy: Andor, Standford Computer Optics, LaVision, Hamamatsu |
| OMA III | EG& G Parc | Model 1460 | Akwizycja i analiza danych spektralnych. Urządzenie zostało wycofane z produkcji, zastąpione przez oprogramowanie zainstalowane na komputerach. |
Bibliografia
- Miziolek, A. W., Palleschi, V., Schechter, I. Laser Induced Breakdown Spectroscopy. , Cambridge University Press. New York. (2006).
- Cremers, D. E., Radziemski, L. J. Handbook of laser-induced Breakdown Spectroscopy. , John Wiley. New York. (2006).
- Singh, J. P., Thakur, S. N. Laser Induced Breakdown Spectroscopy. , Elsevier Science. New York. (2007).
- Hahn, D. W., Omenetto, N. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part I: review of basic diagnostics and plasma-particle iterations: still-challenging issues within the analytical plasma community. Appl. Spectrosc. 64, (2010).
- Hahn, D. W., Omenetto, N. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part II: review of instrumental and methodological approaches to material analysis and applications to different fields. Appl. Spectrosc. 66, 347 (2012).
- Parigger, C. G. Atomic and molecular emissions in laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochim. Acta Part B. 79, 4-16 (2013).
- Konjević, N., Lesage, A., Fuhr, J. R., Wiese, W. L. Experimental Stark widths and shifts for spectral lines of neutral and ionized atoms. J. Phys. Chem. Ref. Data. 31, 819-927 (2002).
- Oks, E. Stark broadening of hydrogen and hydrogen-like spectral lines in plasmas: the physical insight. Alpha Science Int. , Oxford. (2006).
- Parigger, C. G., Dackman, M., Hornkohl, J. O. Time-resolved spectroscopy measurements of hydrogen-alpha, -beta, and -gamma emissions. Appl. Opt. 47, (2008).
- Parigger, C. G., Oks, E. Hydrogen Balmer series spectroscopy in laser-induced breakdown plasmas. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 1, 13-23 (2010).
- Lucena, A. D., Tobaria, L. M., Laserna, J. J. New challenges and insights in the detection and spectral identification of organic explosives by laser induced breakdown spectroscopy. Spectrochim. Acta Part B. 66 (1), 12-20 (2011).
- Swafford, L. D., Parigger, C. G. Measurement of hydrogen Balmer Series lines following laser-induced optical breakdown in laboratory air. Accepted, Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 4 (1), (2013).
- Hornkohl, J. O., Nemes, L., Parigger, C. G. Spectroscopy of Carbon Containing Diatomic Molecules. Spectroscopy, Dynamics and Molecular Theory of Carbon Plasmas and Vapor. Nemes, L., Irle, S. , World Scientific. Singapore. 113-165 (2011).
- Parigger, C., Hornkohl, J. O. Diatomic molecular spectroscopy with standard and anomalous commutators. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 1, 25-43 (2010).
- Parigger, C. G., Hornkohl, J. O. Computation of AlO emission spectra. Spectrochim. Acta Part A. 81, 404-411 (2011).
- Hermann, J., Peronne, A., Dutouquet, C. Analysis of the TiO-γ System for temperature measurements in laser-induced plasma. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 34, 153-164 (2001).
- Woods, A. C., Parigger, C. G., Hornkohl, J. O. Measurements and analysis of titanium monoxide spectra in laser-induced plasma. Opt. Lett. 37, 5139-5141 (2012).
- Witte, M. J., Parigger, C. G. Measurement and analysis of carbon Swan spectra following laser-induced optical breakdown in air. Accepted, Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 4 (1), (2013).
- Surmick, D. M., Parigger, C. G., Woods, A. C., Donaldson, A. B., Height, J. L., Gill, W. Analysis of emission Spectra of Aluminum Monoxide in a Solid Propellant Flame. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 3 (2), 2-137 (2012).
- Woods, A. C., Parigger, C. G. Time-resolved Temperature Inferences Utilizing the TiO A3φ→X3Δ Band in Laser-induced Plasma. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 3 (2), 103-111 (2012).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
