Espécies moleculares e atômicas diatómicas resolvida no tempo são medidos utilizando LIBS. Os espectros são coletados em vários atrasos após a geração de plasma quebra óptico com Nd: YAG laser de radiação e são analisados para inferir densidade de elétrons e temperatura.
É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.
Artigo de método
Medição e Análise de hidrogênio atômico e Diatomic AlO Molecular, C
Neste artigo
Resumo
Resumo
Neste trabalho, apresentamos medidas resolvidas em tempo de espectros atômicos e diatômico seguinte composição óptica induzida por laser. Um arranjo típico de LIBS é usado. Aqui vamos operar um laser Nd: YAG com uma frequência de 10 Hz no comprimento de onda fundamental de 1.064 nm. Os 14 nsec pulsos com anenergy de 190 mJ / pulso estão focados para um tamanho 50 mM local para gerar um plasma de quebra óptico ou ablação a laser no ar. O microplasma é fotografada na fenda de entrada de um 0,6 m espectrômetro, e espectros são gravadas utilizando um 1800 ranhuras / mm ralar um arranjo de diodos linear intensificada e analisador multicanal óptico (OMA) ou um ICCD. De interesse são linhas atômicas Stark-ampliaram da série Balmer de hidrogênio para inferir a densidade de elétrons. Também elaborar medições de temperatura a partir de espectros de emissão de monóxido de alumínio diatômico (AlO), carbono (C 2), cianogênio (CN), e monóxido de titânio (TiO).
Os procedimentos experimentais incluem wavelength e calibrações de sensibilidade. A análise dos espectros molecular gravado é conseguido pelo ajuste dos dados com resistências de linha tabelados. Além disso, simulações de Monte-Carlo tipo são realizadas para estimar as margens de erro. Medições resolvida no tempo são essenciais para o plasma transitória comumente encontrado em LIBS.
Introdução
Espectroscopia de decomposição induzida por laser (LIBS) técnicas 1-5 têm aplicações em atômica 6-12 e estudos moleculares de plasma 13-20 gerado com a radiação laser. Espectroscopia resolvida no tempo é essencial para a determinação das características transientes do plasma. A temperatura ea densidade de elétrons, para citar apenas dois parâmetros do plasma, pode ser medido, desde um modelo teórico razoável da repartição plasma está disponível. Separação de radiação de elétrons livres de emissões atômicas e moleculares nos permite explorar de forma precisa fenômenos transitórios. Ao se concentrar em uma janela temporal, específico, pode-se "congelar" decadência plasma e assim obter as impressões digitais espectroscópicas precisos. LIBS tem uma variedade de aplicações e, recentemente, o interesse em LIBS-diagnóstico mostra um aumento considerável quando medido pelo número de investigadores publicação no campo. Pico e femtosegundo gerado microplasma é de contínuointeresse de pesquisa, no entanto, os arranjos LIBS historicamente experimentais utilizam radiação laser nanossegundo.
A Figura 1 mostra um arranjo experimental típico para espectroscopia de decomposição induzida por laser. Para este protocolo, a energia de quebra funcional para o feixe inicial é da ordem de 75 mJ de pulso, no comprimento de onda infravermelho de 1.064 nm. Esta energia de pulso pode ser ajustada conforme necessário. . Plasma é disperso pelo espectrómetro e medido com uma matriz linear intensificada diodo e OMA ou, alternativamente, trabalhada sobre um dispositivo 2-dimensional Charge Coupled Intensificado (ICCD) A Figura 2 ilustra o diagrama de temporização para experiências resolvida no tempo: a sincronização de impulsos radiação laser com leitura, gatilho pulso de laser, fogo laser, e demora portão aberto.
Espectroscopia resolvida no tempo bem sucedida requer vários procedimentos de calibração. Estes procedimentos incluem calibração de comprimento de onda, de voltacorrecção do solo e, mais importante, a correcção de sensibilidade do detector. Sensibilidade corrigir dados são importantes para a comparação dos espectros medidos e modelado. Para um aumento da razão sinal-para-ruído, múltiplos acontecimentos de degradação induzida por laser são gravadas.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Protocolo
1. Configuração do sistema óptico
- Coloque um divisor de feixe na saída do laser, permitindo que a luz de comprimento de onda 1064 nm a passar através e para reflectir todos os outros tipos de radiação laser de transiente num depósito de feixe.
- Coloque um detector de fotodiodo PIN de alta velocidade para gravar uma parte da radiação laser refletido fora do divisor de feixe. Ligue o detector para o osciloscópio com cabo coaxial para controlar o impulso óptico em relação ao disparo do gerador de função e ocorrência de Q-na comutação de Nd: YAG laser dispositivo.
- Alinhe três IR espelhos refletores para posicionar o feixe paralelo à fenda do espectrômetro.
- Posicionar uma lente acima etapa de translação para concentrar o feixe, de modo a gerar plasma óptico repartição paralela à fenda espectrómetro. Alinhar duas lentes de quartzo com a finalidade de imagiologia do plasma para a fenda. As duas lentes de focagem optimamente combinar com o design espectrómetro, significando o final da lente tem um apertura para realizar AF # idêntico ao f # da óptica internos do espectrômetro.
- Para as medições acima de 380 nm, uma posição de corte de filtro entre as duas lentes com o propósito de bloquear a radiação abaixo de 380 nm. O corte no filtro suprime possíveis contribuições UV (devido a 2 ª ordem de ralar) para o espectro medido.
2. Instalação de Aquisição de Dados
- Conecte um gerador de função em forma de onda proporcionando uma onda triangular a 50 Hz para um costume construído divisão por cinco circuito obter 10 Hz. O analisador multicanal óptico (OMA) é operado a 50 Hz e as lâmpadas de flash do laser Nd: YAG são sincronicamente operado a 10 Hz. Pode-se utilizar uma ICCD em lugar da OMA, operando de forma síncrona à taxa da radiação laser pulsado bem.
- Conecte uma das saídas do circuito personalizado construído divisão por cinco a um gerador de atraso digital. Use uma saída para sincronizar o Nd: YAG lâmpadas de flash e outra saída para control os gatilhos de intensificador de arranjo de diodos linear e analisador multicanal óptico. Mais uma vez, em vez do sistema de díodos linear intensificada e OMA pode-se utilizar um ICCD.
- Relé da saída de disparo ajustável do dispositivo a laser para um osciloscópio e um gerador de pulsos. O osciloscópio será utilizado para monitorizar quando a radiação laser pulsado estarão disponíveis para a geração de desagregação óptico ou ablação a laser.
- Ligar a saída de alta voltagem do gerador de impulsos digital para o arranjo de diodos linear intensificada.
- Ligar a outra saída do gerador de impulsos para o osciloscópio.
- Ligue a saída de arranjo de diodos linear intensificada para a OMA.
3. Sincronização e Mensuração
- Ajuste o gerador de função em forma de onda de saída de um pulso triângulo operando a 50 ± 1 Hz. Este gerador de função apresenta a frequência mestre. Um costume construído circuito de divisão por cinco e um gerador de atraso digital são usados para accurador de sincronização.
- Iniciado sistema de resfriamento de água e fornecimento de energia para o dispositivo a laser. Ative laser.
- Determine o tempo de radiação laser para viajar a partir da abertura de saída do laser Nd: YAG para a área em frente da fenda espectrómetro como se segue: Medir a distância do percurso de luz e calcular o tempo de trânsito através do aumento de velocidade-de luz. Conta para isso o tempo de trânsito na definição do tempo de atraso no portão próximo passo.
- No gerador de pulso digital, definir a largura portão para a medição eo tempo de atraso da quebra pulso óptico ou ablação a laser, e utilizar o osciloscópio para monitorar o tempo de atraso. O tempo de atraso vai determinar o tempo de espera para a coleta de dados após o colapso ocorre. A largura da porta determina o tempo que o arranjo de diodos é exposto a radiação de plasma.
- Gerar desagregação óptico no ar e / ou colocar uma amostra sobre a fase de translação de modo a que irá ocorrer a ablação. Imagem da microplasma na fenda espectrómetro.
- Comece medições e dados de registro com a matriz intensificou linear diodo e analisador multicanal óptico (ou com um ICCD).
4. Calibração de comprimento de onda
- Espectros Registro de lâmpadas padrão de calibração: néon, mercúrio e lâmpadas de hidrogênio. Use o arranjo experimental com lâmpadas colocadas no local onde foi gerado plasma.
- Usando os comprimentos de onda conhecidos de lâmpadas, realizar um ajuste linear ou cúbica para obter a correspondência de pixel-comprimento de onda. O propósito de uma calibração precisa é corrigir para não-linearidades que são normalmente associados com a medição de espectros.
- Repita calibrações para H, C 2, CN, e TiO regiões espectrais de interesse.
5. Calibração Intensidade
- Ligue uma lâmpada de calibração de tungstênio e esperar por ele para se aquecer.
- Use um pirômetro óptico para medir a temperatura da lâmpada ativa.
- Use o arranjo experimental para rECORD o espectro da lâmpada activo.
- Calcule uma curva de corpo negro de lei de radiação de Plank usando a temperatura medida como um parâmetro de entrada.
- Ajustar a curva calculada para o espectro da lâmpada ativa. Determinar os fatores pelos quais as intensidades gravados a partir da curva calculada. Aplicar esses fatores para corrigir espectros gravada para a sensibilidade dependente do comprimento de onda do detector.
- Repita esse procedimento para cada região do espectrômetro foi usado.
6. Transferência de Dados
- Prepare meio de transferências de arquivos.
- Para cada medição de dados, gravá-la para o meio.
- Tome este meio e fazer o upload dos arquivos nele a um computador de trabalho.
7. Preparação de Arquivos
- Para cada arquivo, analisá-lo em seções, uma contendo dados gravados, e os outros, especificando o comprimento de onda inicial e mudança de comprimento de onda média por ponto de dados.
- Use estas seções para criar um novo arquivo para combinarcomprimentos de onda com dados gravados.
8. Análise Molecular Diatomic
- Selecione o arquivo de comprimento de onda e correspondente arquivo de resistência da linha.
- Selecione o deslocamento da linha de base.
- Defina se o deslocamento é constante, linear, ou quadrática.
- Defina os coeficientes correspondentes a valores fixos ou variáveis.
- Definir a resolução e temperatura, os quais podem ser fixos ou variado.
- Defina a tolerância de ajuste para os espectros sintéticos para estar apto para o espectro medido.
- Coloque a computado para os espectros experimental utilizando um algoritmo Nelder-Mead.
- Utilizando os melhores parâmetros de ajuste dos espectros calculado para cada medição, inferir os parâmetros Microplasma observados nos vários atrasos e larguras de portas usadas.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Resultados
LIBS utiliza radiação laser pulsado para ionizar suficientemente para formar uma amostra de plasma. Repartição induzida por laser de substâncias gasosas vai criar plasma que está centrada sobre a região focal do feixe de excitação, enquanto a ablação a laser em superfícies sólidas produzirá plasma acima da superfície da amostra. O plasma é gerado por focagem da radiação óptica na ordem de 100 GW / cm 2, por pulsos de degradação nanossegundo. Para produzir plasma de ablação a laser, tipicamente 1 GW / cm ...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Discussão
O tempo resolveu protocolo de medição e resultados representativos são discutidos aqui. É importante sincronizar os pulsos de laser, gerada a uma velocidade de 10 Hz, com a frequência de funcionamento de 50 Hz de matriz linear intensificada diodo e OMA (ou ICCD). Além disso, o tempo exato de pulsos de laser e de abertura do portão da matriz intensificou linear diodo (ou, alternativamente, ICCD) é essencial. O gerador de onda, indicada no esquema experimental, é utilizado para sincronizar os pulsos de laser de diodo e in...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Divulgações
Todos os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Agradecimentos
Os autores agradecem o Sr. JO Hornkohl para o interesse e discussão sobre computação de diatômicas pontos fortes da linha molecular. Este trabalho é em parte apoiada pelo Centro de Aplicações de Laser da Universidade de Tennessee Space Institute.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Caixa Personalizada | UTSI | Nenhum | Divisor e condicionador de sinal. Um osciloscópio pode ser usado no lugar disso. |
| Gerador de Pulso/Atraso Digital de Quatro Canais | Stanford Research Systems, Inc. | Modelo DG535 | Empresas: Tequipment, diyAudio |
| Osciloscópio de fósforo digital colorido de quatro canais | Tektronix TDS | 3054 | 500 MHz - 5 GS/seg, Empresas: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| Wavetek FG3C Gerador de função Wavetek | FG3C | Empresas: Tequipment, Stanford Research Systems, BK Precision | |
| Nd:YAG Laser | Quanta-Ray | DCR-2A(10) PS | Radiação laser, Classe IV. Empresas: Lambda Photometrics, Continuum, Ellipse, Newport |
| Si Biased Detector | Thorlabs | DET10A/M | 200-1.100 nm, com filtro reflexivo ND10A. Empresas: Canberra, Edmund Optics |
| Nd:YAG Laser Line Mirror, 1,064 nm | Thorlabs | NB1-K13 | Empresas: Edmund Optics, Newport |
| 1 in Fused Silica Bi-Convex Lens, não revestido | Newport | SBX031 | Empresas: Edmund Optics, Thorlabs |
| 2 in Fused Silica Plano-Convex lens, não revestido | Newport | SPX049 | Convex lens, f/4. Empresas: Edmund Optics, Thorlabs |
| Spectrograph | Instruments S.A. divisão Jobin-Yvon | HR 640 | Empresas: Andor, Newport, Horiba |
| Controlador manual e eletrônico para Spectrograph | Instruments S.A. divisão Jobin-Yvon | Model 980028 | Controlador manual e eletrônico para Spectrograph |
| Mega 4000 | Mega | Model 129709 | Interface de computador para Spectrograph |
| Monitor Gateway 2000 Crystal Scan 1024 | Monitor Gateway | PMV14AC | para interface de computador |
| 20 MHz Osciloscópio | BK Precision | Modelo 2125 | Empresas: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| 6040 Gerador de Pulso Universal | Berkeley Nucleonics Corporation | Modelo 6040 | Empresas: Agilent Technologies, Tektronix, Quantum Composers |
| Componente separado para 6040 Gerador de pulso universal | Berkeley Nucleonics Corporation | Modelo 202 H | Componente separado para 6040 Gerador de pulso universal |
| Câmera ICCD | EG & G Parc | Modelo 46113 | Empresas: Andor, Standford Computer Optics, LaVision, Hamamatsu |
| OMA III | EG& G Parc | Modelo 1460 | Aquisição e análise de dados espectrais. Unidade descontinuada, substituída por software instalado nos computadores. |
Referências
- 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).
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Reimpressões e permissões
Etiquetas
Espectroscopia de Emissão Óptica com Plasma Induzido por LaserEspectros de Hidrogênio AtômicoEspectros Moleculares DiatômicosMedição da Densidade EletrônicaDeterminação da TemperaturaCalibração de Comprimento de OndaCalibração de IntensidadeSimulação de Monte CarloMedições com Resolução TemporalGeração de Plasma Óptico
