اعتماد نتائج الليزر التي يسببها انهيار الطيفي على الطاقات نبض ومعلمات التوقيت عن طريق المحاكاة التربة

Summary

تم اختبار قدرات الكشف LIBS على المحاكاة التربة باستخدام مجموعة من الطاقات نبض والمعلمات توقيت. وقد استخدمت منحنيات المعايرة لتحديد حدود الكشف والحساسيات لمعلمات مختلفة. عموما، أظهرت النتائج أن لم يكن هناك انخفاض كبير في قدرات الكشف باستخدام أقل الطاقات النبض والكشف غير مسور.

Abstract

تم فحص اعتماد بعض قدرات الكشف LIBS على انخفاض الطاقات نبض (<100 ميغا جول) والمعلمات توقيت باستخدام عينات سيليكات الاصطناعية. واستخدمت هذه العينات والمحاكاة للتربة والعناصر الواردة طفيفة والتتبع التي توجد عادة في التربة في مجموعة واسعة من التركيزات. لهذه الدراسة، تم إعداد أكثر من 100 منحنيات المعايرة باستخدام الطاقات نبض مختلف والمعلمات التوقيت؛ تم تحديد حدود الكشف والحساسيات من منحنيات المعايرة. تم قياس درجات حرارة البلازما أيضا باستخدام المؤامرات بولتزمان لمختلف الطاقات والمعلمات توقيت اختبار. تم حساب كثافة الإلكترونات من البلازما باستخدام نصف كامل أقصى عرض (FWHM) من خط الهيدروجين في 656.5 نانومتر على الطاقات اختبارها. وعموما، فإن النتائج تشير إلى أن استخدام الطاقات انخفاض النبض والكشف غير مسور، لا يضر على نحو خطير على النتائج التحليلية. هذه النتائج هي مهمة جدا لتصميم الميدانوالشخص المحمولة أدوات LIBS.

Introduction

الليزر التي يسببها انهيار الطيفي (LIBS) هي طريقة بسيطة لتحليل العناصر التي تستخدم شرارة ولدت الليزر كمصدر الإثارة. وتركز نبضة ليزر على سطح أن ارتفاع درجات الحرارة، ablates، ويفتت بتأين المواد السطحية مما أدى إلى تشكيل البلازما. يتم حل ضوء البلازما طيفيا والكشف عن وتحديد العناصر التي كتبها توقيعاتهم الطيفية. إذا معايرة بشكل صحيح، يمكن LIBS تقديم النتائج الكمية. يمكن تحليل المواد الصلبة LIBS أو الغازات والسوائل مع إعداد عينة ضئيلة أو معدومة. ¹ وهذه الخصائص تجعله مثاليا للتحليلات التي لا يمكن القيام بها في المختبر.

حاليا، يجري درس LIBS للعديد من التطبيقات المختلفة وخاصة تلك التي تتطلب قياسات ميدانية لتقدير. ^1-8 وهذا يتطلب تطوير LIBS الأجهزة باستخدام مكونات عرة والمدمجة مناسبة لنظام قائم على الميدان. في معظم الحالات،سوف مكونات حد ذاتها ليس لديها قدرات كاملة من الأجهزة المعملية، وبالتالي المساس الأداء التحليل. النتائج LIBS تعتمد على المعلمات نبضة ليزر وشروط القياس الأخرى التي تشمل الهندسة وأخذ العينات، والغلاف الجوي المحيطة، واستخدام بوابات الكشف أو غير مسور. ^9-12 للالميداني LIBS الأجهزة، واثنين من العوامل الهامة للنظر هي الطاقة النبض واستخدام بوابات مقابل الكشف غير مسور. هذان العاملان تحديد إلى حد كبير تكلفة وحجم وتعقيد الصك LIBS. هي، التي بنيت متين الليزر الصغيرة التي يمكن أن تولد نبضات 10-50 ميغا جول في معدلات تكرار ،3-10 هرتز متوفرة تجاريا وسيكون من المفيد للغاية لاستخدام. وبالتالي، فمن المهم أن نعرف ما، إن وجدت، وفقدان في قدرات الكشف سينتج عن استخدام هذه الليزر. الطاقة نبض معلمة رئيسية لLIBS كما أنه يحدد كمية المواد ذاب وتبخر وشار الإثارةacteristics من البلازما. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام بوابات الكشف عن زيادة تكلفة النظام LIBS، ونتيجة لذلك، لا بد من تحديد الاختلافات بين الأطياف وقدرات الكشف باستخدام بوابات الكشف وغير مسور.

مؤخرا، تم إجراء دراسة مقارنة لكشف بوابات كشف غير مسور لعناصر بسيطة وجدت في الصلب. وأظهرت النتائج أن حدود الكشف كانت مماثلة إن لم تكن أفضل للكشف عن غير مسور. ¹² ومن الخصائص الهامة من LIBS هو أن يواجه آثار تقنية المصفوفة الفيزيائية والكيميائية. مثال من السابق هو أن الأزواج نبضة ليزر أكثر كفاءة مع إجراء السطوح / معدن من عدم إجراء السطوح ¹³ لهذه الدراسة، أردنا أن تحديد آثار الطاقة النبض وتوقيت المعلمات للمواد عدم إجراء مثل المحاكاة التربة.

على الرغم من أن، تم تطوير أدوات LIBS المحمولة الميدانية واستخدامهابالنسبة لبعض التطبيقات، لم يتم إجراء دراسة شاملة عن قدرات الكشف مقارنة العالي الطاقة وأنظمة بوابات لأنظمة الطاقة أقل وغير مسور باستخدام المحاكاة التربة. وتركز هذه الدراسة على الليزر الطاقة النبض وتوقيت المعلمات لتحديد العناصر النزرة في مصفوفات معقدة. وتراوحت الطاقة نبضة ليزر 10-100 ميغا جول للحصول على المقارنة بين الطاقات الدنيا والعليا. وقد أجريت مقارنة بين استخدام بوابات مقابل الكشف غير مسور أيضا على نطاق الطاقة نفسها.

Protocol

1. نظام ليزر

1. استخدام نبضات الليزر التي تنتجها بدون تاريخ Q-تحول: YAG الليزر التي تعمل على 1،064 نانومتر و في 10 هرتز.
2. التركيز على نبضات الليزر على العينة مع 75 ملم التنسيق عدسة طول.
3. جمع ضوء البلازما مع الألياف البصرية وأشار في وضعها بالقرب من البلازما المتكونة على العينة.
4. استخدام ECHELLE طيف / ICCD لطيفيا عزيمة وتسجيل الطيف LIBS.
5. تشغيل ICCD في كل من وسائط غير مسور ومسور باستخدام كسب 125.
6. استخدام 0 μsec تأخير الوقت (ر _د) في وضع غير مسور و1 μsec ر _د في وضع بوابات.
7. لكل من وسائط، واستخدام عرض البوابة (ر _ب) من 20 μsec مع التعرض ثانية 3 (دمج ضوء البلازما على الكاميرا رقاقة ICCD)، وهذا سوف يؤدي إلى 30 طلقات الليزر الفردية التي تضاف إلى إنتاج كل الطيف.
8. تسجيل ما مجموعه 5 مثل هذه الأطياف لكل عينة تم تحليلها.
9. استخدام مولد تأخير الرقمية للسيطرة على ريمينغ بين الليزر ونبض بوابة ICCD. يظهر التجريبية التي أنشئت في الشكل 1.
10. تحقق من توقيت مع الذبذبات.
11. تعمل الليزر في الطاقات نبض 10، 25، 50، و 100 ميغا جول باستخدام الكشف على حد سواء غير مسور ومسور.
12. مراقبة باستمرار طاقة الليزر وضبط لتصحيح الانحراف، إذا لزم الأمر.
13. النظر السلامة: والثانية:. YAG الليزر هو ليزر من الدرجة الرابعة؛ ارتداء نظارات واقية مناسبة الليزر السلامة في جميع الأوقات عند تشغيل الليزر وإقامة المتداخلة الغرفة بالتعاون مع باب الغرفة والليزر ¹⁴

2. العينات وإعداد نموذج

1. استخدام المواد المرجعية المعتمدة سيليكات الاصطناعية مع تركيزات العناصر المعروفة كعينات، وهذه تحاكي عينات من التربة مشتركة مع قاصر وكميات ضئيلة من العناصر المحددة التي تغطي مجموعة من التركيزات.
2. تراوحت تركيزات من العناصر النزرة من عدد قليل من جزء في المليون إلى 10،000 جزء في المليون. الجدول1 قوائم العناصر رصدها هنا بما في ذلك أنواع الخط والأطوال الموجية المستخدمة للتحليل. أنواع الخط وصفت بأنها الأولى والثانية دلالة ذرات محايدة أو الذرات المتأينة منفردة، على التوالي. تكوين قاعدة مشتركة من كل عينة سيليكات هو شافي ₂ (72٪)، آل ₂ O ₃ (15٪)، الحديد ₂ O ₃ (4٪)، CaMg (CO _{3) 2} (4٪)، نا ₂ SO ₄ ( 2.5٪)، وK ₂ SO ₄ (2.5٪).
3. اضغط على العينات في كريات قطرها 31 مم باستخدام الضغط الهيدروليكي لإنشاء سطح أملس لتحليل LIBS. سطح أملس يساعد على خلق الاتساق مع نتائج LIBS.
4. تحليل عينة بقعة جديدة لكل الطيف المسجلة.
5. الاعتبار سلامة: عينات سيليكات الاصطناعية تحتوي على تشكيلة واسعة من العناصر بتركيزات مختلفة؛ ارتداء القفازات أثناء التعامل مع.

3. إعداد منحنيات المعايرة

1. إعداد منحنيات المعايرة للفاريعناصر الأوس في كل بوابات وبوابات الكشف غير على مجموعة من الطاقات الليزر اختبارها.
2. جعل هذه المنحنيات التي كتبها المتهم بالتآمر في منطقة ذروة أو منطقة ذروة ratioed (المحور الصادي) مقابل تركيز عنصر (محور س).
3. استخدام خط الاتجاه الخطي لتناسب منحنى المعايرة. [لقطة من الشاشة 1]
4. حساب حدود الكشف باستخدام الكشف 3σ على النحو المحدد من قبل IUPAC ¹⁵ [حساب 1]

4. البلازما درجة الحرارة تقدير

1. قياس درجات حرارة البلازما من المؤامرات بولتزمان.
2. استخدام مجموعة من خطوط الحديد [الحديد (I)] بين موجات من 371-408 نانومتر لخلق المؤامرات بولتزمان باستخدام: قانون الجنسية (Iλ / GA) =-E _ش / كيلوطن - قانون الجنسية (4ρZ/hcN ₀₎ (ما يعادل 1) حيث I هي شدة الانتقالية كما هو محدد من منطقة الذروة، λ هو الطول الموجي، A هو احتمال الانتقال، ز هو الانحطاط من المرحلة الانتقالية، E _يو هي الدولة العليا للالانبعاثات، ك هو ثابت بولتزمان، T هي درجة الحرارة،Z هي وظيفة التقسيم، h هو ثابت، ج بلانك هو سرعة الضوء، N ₀ هو عدد سكان إجمالي الأنواع.
3. اختار خطوط الحديد التي يعرف أن لها E _ش، ز، و A القيم.

• والحديد (I) خطوط المستخدمة هنا هي 371.99، 374.56، 382.04، 404.58، 406.36 نانومتر.
• وE _ش، ز، والقيم ويمكن العثور على هذا الموقع ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
• تأكد من تحديد الخيار لإظهار "ز" تحت معايير إضافية وصفت بانها المعلومات المستوى.
• استخدام _ك E والقيم ز _ك.

4. لتحديد درجة الحرارة، وقانون الجنسية مؤامرة (Iλ / GA) ضد E _u و احتواء البيانات مع خط الاتجاه الخطي؛ المنحدر هو يساوي ^16،17 -1/kT [قطة الشاشة 2]

5. الإلكترون الكثافة تحديد

1. لقياس الكهربائيةن الكثافة، واستخدام العرض الكامل في نصف كحد أقصى (FWHM) من خط الهيدروجين في 656.5 نانومتر.
2. أغتنم هذه البيانات باستخدام ر _د = 0.5 μsec ور _ب = 4.5 μsec على ICCD.
3. قياس FWHM من خط الهيدروجين. [لقطة من الشاشة 3]
4. حساب كثافة الإلكترونات باستخدام: N _ه = 8.02 × 10 ¹² [Δλ _1/2 / α _1/2] ^2/3 (ما يعادل 2) حيث N _e هو كثافة الإلكترونات، Δλ _1/2 هو FWHM المقاسة من خط الهيدروجين، وα _1/2 هو انخفاض الطول الموجي الذي هو وظيفة من درجة الحرارة وكثافة الإلكترون. يتم توفير القيم لخفض موجات في Griem في الملحق الثالث ألف. ^16-18
5. حساب كثافة الإلكترونات باستخدام درجة حرارة 10،000 كلفن (وكان هذا قريب من متوسط ​​درجة حرارة البلازما). [لقطة من الشاشة 4]

6. العمل لمدة تصل كل البيانات عن طريق برنامجالتي يمكن أن تحدد مناطق الذروة و / أو Microsoft Excel

النتائج

سجلت تأثير الليزر الطاقة النبض وسائط الكشف عن قدرات الكشف. LIBS أطياف من العينات سيليكات الاصطناعية باستخدام بوابات الكشف وغير مسور على مدى مجموعة من الطاقات نبضة ليزر اختبارها. شيدت أكثر من 100 منحنيات المعايرة من هذه البيانات لتقييم تأثير الطاقة نبضة ليزر. و?...

Discussion

عند مقارنة أوضاع الكشف غير مسور ومسور، وتشير البيانات إلى حد الكشف أن طريقة الكشف عن بوابات يسمح للكشف عن كافة العناصر بما فيها تلك التي لم ينظر باستخدام الطاقات الليزر العالي في وضع الكشف غير مسور. باستخدام بوابات الكشف، ولم يلاحظ خلفية عالية الأولي من تشكيل البلاز?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Nd:YAG laser	Continuum	Surelite II
Echelle spectrograh/ICCD	Catalina/Andor	SE200/iStar
Digital delay generator	BNC	Model 575-4C
Hydraulic Press	Carver	Model-C
31-mm pellet die	Carver	3902
Power meter indictor model	Scientech, Inc.	Model number: AI310D
Power meter detector model	Scientech, Inc.	Model number: AC2501S
Oscilloscope	Tektronix	MSO 4054
Optical fiber	Ocean Optics	QP1000-2-UV-VIS
Lens kit (this kit contains the 75 mm f.l. lens)	CVI Optics	LK-24-C-1064
Reagent/Material list
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07704
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07705
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07706
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07708
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07709
Aluminum caps (for pressing synthetic silicate samples)	SCP Science	040-080-001