Временным разрешением атомные и двухатомные молекулярные частицы, оцениваются, используя LIBS. Спектры собраны на различных временных задержек после генерации оптического пробоя плазмы с Nd: YAG лазерного излучения и проанализированы, чтобы вывести электронную плотность и температуру.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Измерительные атомарного водорода и двухатомном молекулярной AlO, C
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
В этой работе мы представляем временным разрешением измерения атомной и двухатомной спектров следующие оптического пробоя лазерно-индуцированной. Типичная схема LIBS используется. Здесь мы работаем Nd: YAG лазер с частотой 10 Гц на основной длине волны 1064 нм. В 14 нс импульсы с anenergy 190 мДж / импульс сосредоточены на размер пятна 50 мкм, чтобы генерировать плазму от оптического пробоя или лазерной абляции в воздухе. Микроплазма изображается на входную щель 0,6 м спектрометра, и спектры регистрируют с использованием 1800 штрихов / мм решетки усиленную линейный массив диод и оптический многоканальный анализатор (OMA) или ICCD. Интересны Старк-расширенные атомные линии Бальмера серии водорода вывести электронную плотность. Мы также подробно остановиться на измерения температуры от двухатомной спектров излучения окиси алюминия (АОТ), углерод (С 2), циан (CN) и окись титана (TiO).
Экспериментальные процедуры включают Wavelength и калибровки чувствительности. Анализ записанного молекулярных спектров достигается путем подгонки данных с табличными сильных линий. Кроме того, моделирование типа Монте-Карло выполнены, чтобы оценить рентабельность ошибках. Временным разрешением измерения необходимы для переходного плазмы, обычно встречающейся в LIBS.
Введение
Лазер-пробой спектроскопии (LIBS) методы 1-5 находят применение в атомной 6-12 и молекулярные исследования плазмы 13-20 генерируемого лазерным излучением. Время-разрешенная спектроскопия имеет важное значение для определения переходных процессов в плазме. Температура и плотность электронов, и это лишь двух параметров плазмы, может быть измерено при условии разумной теоретическая модель пробоя плазмы доступно. Разделение свободных электронов излучения от атомных и молекулярных выбросов позволяет точно исследовать переходные явления. Сосредоточив внимание на определенном временном окне, можно "заморозить" распад плазмы и тем самым получить точные спектроскопические отпечатки пальцев. LIBS имеет целый ряд приложений и недавно интерес к LIBS-диагностики показывает значительное увеличение при измерении по количеству исследователей публикации в этой области. Пико-и фемтосекундных генерируется микроплазма имеет продолжаетсяисследовательский интерес, однако, исторически экспериментальные механизмы LIBS использовать наносекунд лазерного излучения.
Рисунок 1 показывает типичную экспериментальную установку для лазерной искровой спектроскопии. Для этого протокола, функциональную энергию пробой для исходного пучка составляет порядка 75 мДж импульса в инфракрасном диапазоне 1064 нм. Эта энергия импульса можно регулировать по мере необходимости. . Плазма разогнаны спектрометра, измеряемая с усиленной линейной диодной матрицы и OMA или, как вариант, отображаемого на усиленный 2-мерной прибор с зарядовой связью (ICCD) Рисунок 2 иллюстрирует временную диаграмму для временным разрешением экспериментов: синхронизация импульсного лазерное излучение с отсчетом, триггера лазерного импульса, лазерного огня, и открытых ворот задержки.
Успешное спектроскопии с временным разрешением требуется различные процедуры калибровки. Эти процедуры включают калибровку длины волны, обратноземля коррекции, и, самое главное, коррекция чувствительность детектора. Чувствительность исправлены данные важны для сравнения измеренных и смоделированных спектров. Для увеличения отношения сигнал-шум, несколько лазерно-индуцированных события распада регистрируются.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Настройка Оптическая система
- Поставьте светоделитель на выходе из лазера, что позволяет длина волны света 1064 нм пройти и с учетом всех других переходных лазерного излучения в лучевой свалку.
- Поставьте высокоскоростной детектор PIN фотодиод записать часть лазерного излучения отражается от светоделитель. Подключите этот детектор осциллографа с коаксиальным кабелем для контроля оптического импульса по отношению к вызывая функцией генератора и возникновения добротности в Nd: YAG лазерное устройство.
- Выравнивание три ИК-отражающие зеркала в положение луча параллельно щели спектрометра.
- Поместите линзу выше поступательного этапе, чтобы сфокусировать луч для генерирования плазмы оптического пробоя параллельно щели спектрометра. Выравнивание кварцевые две линзы с целью визуализации плазмы на щель. Два фокусирующих линз оптимально соответствовать дизайну спектрометра, а это означает окончательный объектив имеет АперТуре для достижения аф # совпадает с F # внутренних оптики спектрометра.
- Для измерений выше 380 нм, положение разрез фильтр между двумя линзами с целью блокирования излучения ниже 380 нм. Вырез на фильтре подавляет возможные вклады УФ (из-за второго порядка решетки) в измеренных спектрах.
2. Настройка сбора данных
- Подключите генератор формы волны функцию, обеспечивающую треугольную волну на частоте 50 Гц в пользовательских построен деления на пять цепи, чтобы получить 10 Гц. Оптический многоканального анализатора (ОМА) работает на частоте 50 Гц и импульсных ламп этого Nd: YAG-лазер синхронно работать на частоте 10 Гц. Можно использовать ICCD вместо OMA, работающий синхронно со скоростью импульсного лазерного излучения, а также.
- Подключите один из выходов индивидуальному заказу деления на пять цепи с генератором цифрового задержки. Используйте один выход для синхронизации Nd: YAG импульсные лампы и другой выход на продолжениеРОЛ триггеры линейного усилителя с диодной матрицей и оптическим многоканальным анализатором. Опять же, вместо усиленного массива линейный диода и OMA можно использовать ICCD.
- Реле регулируемый выход триггера лазерного устройства с помощью осциллографа и генератора импульсов. Осциллограф быть использован для мониторинга, когда импульсное лазерное излучение будет доступна для генерации оптического пробоя или лазерной абляции.
- Подключите выход высокого напряжения генератора цифрового импульса к усилению линейного диодной матрицы.
- Подключите другой выход генератора импульсов для осциллографа.
- Подключите усиленный выходной массив линейная диод к OMA.
3. Синхронизация и оценка
- Установите функцию генератора формы волны для вывода треугольник пульс, работающий при 50 ± 1 Гц. Этот генератор функция обеспечивает мастер частоту. Индивидуальному заказу деления на пять замыкания и генератор цифровых задержки используются для переменного токакурировать синхронизации.
- Инициировать систему водяного охлаждения и питания для лазерного устройства. Активируйте лазер.
- Определить время для лазерного излучения, чтобы путешествовать из выходного отверстия Nd: YAG лазера в область перед щель спектрометра следующим образом: Измерьте расстояние от пути света и вычислить время прохождения используя скорость-на-свете. Счет для этого транзитного времени в установке времени задержки затвора в следующем шаге.
- На генератора цифрового импульса, установить ширину ворот для измерения и время задержки от оптического пробоя или абляции импульса лазерного и использовать осциллограф для наблюдения за время задержки. Время задержки будет определить, как долго ждать сбора данных после возникновения пробоя. Ширина ворот определяет, как долго диодная матрица подвергается излучения плазмы.
- Генерация оптического пробоя в воздухе и / или разместить образец на поступательное этапе такого, что будет происходить удаление. Изображение микроплазма на щель спектрометра.
- Начните измерения и запись данных с усиленной линейной диодной матрицы и оптический многоканальный анализатор (или с ICCD).
4. Длина волны калибровки
- Запись спектров от стандартных калибровочных ламп неона, ртуть и водорода ламп. Используйте экспериментальную установку с лампами ставят на место, где было подготовлено плазмы.
- Используя известные длины волн от ламп, выполнять линейную или кубическую посадку для получения пиксель-волны переписку. Цель точной калибровки для коррекции нелинейности, которые обычно связаны с измерением спектров.
- Повторите калибровку для H, C 2, CN, и TiO спектральных областях, представляющих интерес.
5. Интенсивность Калибровка
- Включите калибровочной вольфрамовой лампы и ждать его, чтобы согреться.
- С помощью оптического пирометра для измерения температуры активного лампы.
- Используйте экспериментальную установку до гecord спектр активного лампы.
- Вычислить черного тела кривую из закона излучения Планка с помощью измеренной температуры в качестве входного параметра.
- Установите вычисленное кривую спектра активного лампы. Определить факторы, по которым записанные интенсивности от компьютерной кривой. Применить эти факторы, чтобы исправить записанную спектры для длин волн в зависимости от чувствительности детектора.
- Повторите эту процедуру для каждого региона был использован спектрометр.
6. Передача данных
- Подготовка среды для передачи файлов.
- Для каждого измерения данных, запишите его на носитель.
- Возьмите эту среду и загружать файлы на нем к рабочему компьютеру.
7. Подготовка Файла
- Для каждого файла, разобрать его на части, одна из которых записанные данные, а остальные, определяющие начальную длину волны и средний сдвиг длины волны на точку данных.
- Эти разделы можно использовать для создания нового файла, чтобы соответствоватьДлины волн с записанными данными.
8. Диатомовые Молекулярный анализ
- Выберите файл длины волны и соответствующий файл прочность линии.
- Выберите базовый смещения.
- Установите является ли смещение постоянной, линейной или квадратичной.
- Установите соответствующие коэффициенты в фиксированными либо плавающими значения.
- Установите разрешение и температуры, оба из которых могут быть либо фиксированным, либо разнообразны.
- Установите допуск посадки для синтетических спектров быть в хорошей форме, чтобы измеренных спектров.
- Установите вычисленное в экспериментальных спектров с использованием алгоритма Нелдера-Мид.
- Использование наиболее подходящие параметры вычисленного спектров для каждого измерения, вывод параметров микроплазменные наблюдаемые на различных временных задержек и ворот шириной используемых.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
LIBS использует импульсное лазерное излучение с достаточно ионизировать образец для получения плазмы. Лазерно-индуцированное разрушение газообразных веществ создаст плазму, которая центрируется о фокальной области пучка возбуждения, в то время как лазерная абляция на твердых поверхностях будет производить плазму выше поверхности образца. Плазма создается путем фокусирования оптического излучения порядка 100 ГВт / см 2 для импульсов пробоя наносекунды. Для получения лазерной абляции плазмы, как правило, 1 ГВт ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Время решен протокол измерения и репрезентативные результаты дополнительно обсуждаются здесь. Важно, чтобы синхронизировать лазерные импульсы, генерируемые со скоростью 10 Гц, с рабочей частотой 50 Гц в усиленной линейной диодной матрицы и OMA (или ICCD). Кроме того, точные сроки лазерных импульсов и открытие ворот интенсивного линейного диодной матрицы (или, наоборот ICCD) имеет важное значение. Волна генератор, указано в экспериментальном схеме, используется для синхронизации лазерных импульсов и усиление линейного Di...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Все авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.
Благодарности
Авторы выражают благодарность г-JO Hornkohl за интерес и дискуссии по вычислению двухатомных сильных молекулярной линии. Эта работа частично поддержана Центром применению лазеров в Университете Теннесси космической института.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Custom Box | UTSI | None | Signal Делитель и кондиционер. Вместо этого можно использовать осциллограф. |
| Четырехканальный цифровой генератор задержки/импульсов | Stanford Research Systems, Inc. | Модель DG535 | Компании: Tequipment, diyAudio |
| Четырехканальный цветной цифровой люминофорный осциллограф | Tektronix | TDS 3054 | 500 МГц - 5 Гвыб/сек, Компании: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| Wavetek FG3C Генератор функций | Wavetek | FG3C | Компании: Tequipment, Stanford Research Systems, BK Precision |
| Nd:YAG Laser | Quanta-ray | DCR-2A(10) PS | Лазерное излучение, класс IV. Компании: Lambda Photometrics, Continuum, Ellipse, Newport |
| Si Biased Detector | Thorlabs | DET10A/M | 200-1,100 нм, с отражающим фильтром ND10A. Компании: Canberra, Edmund Optics |
| Nd:YAG Laser Line Mirror, 1,064 нм | Thorlabs | NB1-K13 | Компании: Edmund Optics, Newport |
| 1 в двувыпуклой линзе из плавленого кремнезема, | Newport | SBX031 | Компании: Edmund Optics, Thorlabs |
| 2 в плоско-выпуклой линзе из плавленого кремнезема, | Newport | SPX049 | без покрытия, f/4. Компании: Edmund Optics, Thorlabs |
| Spectrograph | Instruments S.A. подразделение Jobin-Yvon | HR 640 | Компании: Andor, Newport, Horiba |
| Руководство и электронный контроллер для Spectrograph | Instruments S.A. подразделение Jobin-Yvon | Model 980028 | Руководство и электронный контроллер для Spectrograph |
| Mega 4000 | Mega | Model 129709 | Компьютерный интерфейс для Spectrograph |
| Gateway 2000 Crystal Scan 1024 | монитор Gateway | PMV14AC | Монитор для компьютерного интерфейса |
| 20 МГц Осциллограф | BK Precision | Model 2125 | Компании: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| 6040 Универсальный генератор импульсов | Berkeley Nucleonics Corporation | Model 6040 | Компании: Agilent Technologies, Tektronix, Quantum Composers |
| Отдельный компонент для универсального генератора импульсов 6040 | Berkeley Nucleonics Corporation | Model 202 H | Отдельный компонент для универсального генератора импульсов 6040 |
| ICCD Camera | EG& G Parc | Model 46113 | Компании: Andor, Standford Computer Optics, LaVision, Hamamatsu |
| OMA III | EG& G Parc | Model 1460 | Сбор и анализ спектральных данных. Агрегат снят с производства, заменен программным обеспечением, установленным на компьютерах. |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
