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요약

토양에 닮은 LIBS 검출 기능은 펄스 에너지 및 타이밍 파라미터의 범위를 사용하여 시험 하였다. 교정 곡선은 다른 매개 변수에 대한 검출 한계 및 감도를 결정하는 데 사용 하였다. 일반적으로, 결과는 낮은 펄스 에너지 및 비 게이트 탐지를 사용하여 탐지 기능에 상당한 감소가없는 것으로 나타났다.

초록

낮은 펄스 에너지 (<100 엠제이) 및 타이밍 매개 변수에 대한 몇 가지 LIBS 감지 기능의 의존성 합성 규산 샘플을 사용하여 조사 하였다. 이러한 샘플은 토양 닮은로 사용하고 일반적으로 농도의 넓은 범위에서 토양에있는 작은 및 추적 요소를 포함 하였다. 이 연구를 위해, 100 개 이상의 교정 곡선은 상이한 펄스 에너지 및 타이밍 파라미터를 사용하여 제조 하였다; 검출 한계 및 감도는 교정 곡선으로부터 결정 하였다. 플라즈마의 온도는 다양한 에너지 및 시험 타이밍 파라미터에 대한 볼츠만 플롯을 사용하여 측정 하였다. 플라즈마의 전자 밀도는 테스트 에너지 위에 656.5 nm에서의 수소 라인의 전체 폭 절반 최대 값 (FWHM)을 사용하여 계산 하였다. 전반적으로, 결과는 낮은 펄스 에너지 및 비 게이트 탐지의 사용이 심각 분석​​ 결과를 손상하지 않는 것을 나타냅니다. 이러한 결과는 설계에 매우 적합하다 현장인 휴대용 LIBS 악기.

서문

레이저 유발 고장 분광법 (LIBS)가 여기 원으로 레이저를 사용하여 생성 된 스파크 원소 분석의 간단한 방법이다. 레이저 펄스는 가열 절제, 원자화하여 플라즈마의 형성을 초래 표면 재료를 이온화하여 표면 상에 집중된다. 플라즈마 광은 스펙트럼 해결 및 감지 요소는 자신의 스펙트럼 서명에 의해 식별됩니다. 올바르게 조정 된 경우, LIBS 양적 결과를 제공 할 수 있습니다. LIBS는 거의 또는 전혀 샘플 준비와 고체, 기체, 액체를 분석 할 수 있습니다. 1 이러한 특성은 실험실에서 수행 할 수없는 분석에 이상적이다.

현재, LIBS 특히 다양한 응용 프로그램을 정량화 필드 기반의 측정을 필요로하는 사람들을 위해 연구되고있다. 1-8이 필드 기반의 시스템에 적합한 견고하고 컴팩트 한 구성 요소를 사용하여 LIBS 계측의 개발이 필요합니다. 대부분의 경우에,자체 구성 요소를하여 분석 성능 저하, 실험실 기반 장비의 전체​​ 기능이 없습니다. LIBS 결과 레이저 펄스 파라미터 및 샘플링 형상, 주위 대기, 및 게이트 또는 비 - 게이트 된 검출의 사용을 포함하는 다른 측정 조건에 의존한다. 9-12 필드 기반 LIBS 계측 들어, 고려해야 할 두 가지 중요한 요인은 펄스 에너지 아르 그리고 사용이 아닌 검출 게이트 대 게이트. 이러한 두 가지 요인은 광범위하게 LIBS 기기의 비용, 크기 및 복잡도를 결정한다. 0.3 ~ 10 Hz에서의 반복 속도로 10 ~ 50 엠제이에서 펄스를 생성 할 수있는 소형, 튼튼하게 건조 레이저는 상업적으로 사용할 수 있으며, 사용하기 매우 유리하다. 따라서 어떤 경우, 감지 기능의 손실이 레이저의 사용으로 발생합니다 무엇을 아는 것이 중요합니다. 이 절제 및 기화 물질의 양 및 여진 숯불을 결정한 펄스 에너지는 LIBS위한 주요 파라미터이다플라즈마의 acteristics. 또, 게이트 검출의 사용은 LIBS 시스템의 비용을 증가시킬 수 있으며, 그 결과, 게이트와 비 게이팅을 사용하여 스펙트럼을 검출하고 검출 능력의 차이를 결정하기 위해 필수적이다.

최근 연구는 강에있는 작은 요소에 대한 비 게이트 검출에 문이 감지를 비교 하​​였다. 결과는 검출 한계는 비 문이 검출 비교하지 않을 경우 더 나은 것으로 나타났다. 12 LIBS의 한 가지 중요한 특징은 기술이 물리적, 화학적 매트릭스 효과가 발생한다는 것입니다. 전자의 예는보다 전도 / 금속 표면에보다 효율적으로 레이저 펄스 커플 표면 비전도 있다는 것입니다. 13 본 연구의 경우, 우리는 토양 닮은 같은 비전 도성 물질의 펄스 에너지 및 타이밍 매개 변수의 효과를 확인하고 싶었다.

하지만, 필드 휴대용 LIBS 장비가 개발되어 사용되고있다일부 응용 프로그램의 탐지 기능에 대한 포괄적 인 연구는 토양 닮은를 사용하여 낮은 에너지 및 비 게이트 시스템에 높은 에너지 및 게이트 시스템을 비교 수행되지 않았습니다. 이 연구는 복잡한 매트릭스에있는 미량 원소의 결정을위한 레이저 펄스 에너지 및 타이밍 매개 변수에 초점을 맞추고 있습니다. 레이저 펄스 에너지가 낮은 및 높은 에너지 간의 비교를 얻기 위해 10 내지 100 mJ의 범위였다. 비 검출 게이트 대 게이트의 사용의 비교는 또한 동일한 에너지 범위에 걸쳐 수행 하였다.

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프로토콜

1. 레이저 시스템

  1. Q-스위치 노스 다코타에 의해 생성 된 레이저 펄스를 사용 : YAG 레이저는 1,064 nm에서 10 Hz에서 운영.
  2. 75mm 초점 거리 렌즈와 시료에 레이저 펄스를 집중.
  3. 에서 지적하고 샘플에 형성된 플라즈마 근처에 위치는 광섬유와 플라즈마 광을 수집합니다.
  4. 결의를 스펙트럼과 LIBS 스펙트럼을 기록하는 에셀 분광기 / ICCD를 사용합니다.
  5. 125의 이득을 사용하여 두 비 게이트 및 게이트 모드에서 ICCD를 운영하고 있습니다.
  6. 비 게이트 모드에서 0 마이크로 초 지연 시간 (t의 D)와 게이트 모드에서 1 마이크로 초 티셔츠 d을 (를) 사용합니다.
  7. 두 모드의 경우, (ICCD 카메라 칩에 플라즈마 광을 통합) 3 초 노출 20 마이크로 초의 게이트 폭 (t의 B)를 사용하여,이 30 개인 레이저 샷 각 스펙트럼을 생산하기 위해 추가되는 발생합니다.
  8. 분석 된 각 샘플에 대한 5와 같은 스펙트럼의 총을 기록합니다.
  9. t를 제어하는​​ 디지털 딜레이 생성기를 사용레이저 및 ICCD 게이트 펄스 사이 iming. 설정 실험은 그림 1에서 볼 수있다.
  10. 오실로스코프로 타이밍을 확인합니다.
  11. 비 게이트 및 게이트를 모두 탐지를 사용하여 펄스 (10)의 에너지, 25, 50, 100 엠제이에서 레이저를 사용하십시오.
  12. 계속하여 레이저 에너지를 감시하고, 필요한 경우, 드리프트를 보정하도록 조정한다.
  13. 안전 고려 사항 : 다코타 :. YAG 레이저 클래스 IV 레이저이며 레이저를 작동 할 때 항상 적절한 레이저 안전 고글을 착용하고 방 문 및 레이저와 함께 객실 연동을 설정 14

2. 샘플 및 샘플 준비

  1. 샘플로 알려진 요소 농도 합성 규산 인증 표준 물질을 사용하여, 이러한 사소한와 일반 토양 샘플을 모방 농도의 범위에 걸쳐 선택된 요소의 양을 추적.
  2. 미량 원소 농도를 수 ppm ~ 10,000 ppm으로. 표였다분석에 사용되는 자신의 라인의 종류와 파장을 포함하여 여기에 모니터 1은 요소입니다. I과 II로 표시 선 유형은 각각 중성 원자 또는 단독으로 이온화 원자를 의미. 각 규산염 샘플의 공통 기본 조성물은 그런가 2 (72 %), 알 2 O 3 (15 %)이며, 철 2 O 3 (4 %), CaMg (CO 3) 2 (4 %), 나 2 SO 4 ( 2.5 %), 및 K 2 SO 4 (2.5 %).
  3. LIBS 분석을 위해 매끄러운 표면을 생성하는 유압 프레스를 사용하여 31mm 직경의 펠릿으로 샘플을 누릅니다. 매끄러운 표면은 LIBS 결과와 일관성을 작성하는 데 도움이됩니다.
  4. 기록 된 각 스펙트럼에 대한 새로운 샘플 지점을 분석합니다.
  5. 안전을 고려 : 합성 규산 샘플은 다양한 농도의 요소의 다양한 포함, 취급시 장갑을 착용하십시오.

3. 교정 곡선을 준비

  1. VARI에 대한 교정 곡선을 준비테스트 레이저 에너지의 범위 게이트 및 비 문이 모두 검출 OU를 요소.
  2. 원소의 농도 (x-축)에 대하여 피크 면적 또는 비율 화의 피크 면적 (Y 축)을 플롯하여 이러한 곡선을 만든다.
  3. 검량선을 맞추기 위해 선형 트렌드 라인을 사용한다. [스크린 샷 1]
  4. IUPAC에 의해 정의 된 3σ 검출을 사용하여 검출 한계를 계산합니다. 15 [연산 1]

4. 플라즈마 온도 측정

  1. 볼츠만 플롯에서 플라즈마의 온도를 측정한다.
  2. - LN (4ρZ/hcN 0) (식 1) LN을 (Iλ / GA) =-E U / kT 인 : 사용 볼츠만의 플롯을 만들 371-408 nm의 파장 사이의 철 선 [철 (I)]의 집합을 사용하여 I는 피크 면적으로부터 결정 전이의 강도이고, λ는 파장이며,이 전이 확률이고, g는 천이의 퇴화이고, E u는 발광을 위해 상부 상태 k는 볼츠만 상수, T는 온도이고,Z는 H는 플랑크 상수, C는 빛의 속도이다, 분할 함수이며, N은 0 전체 종 인구이다.
  3. E에게 U, G, 및 값을 알고있는 철의 라인을 선택했다.
  • 여기에 사용되는 철 (I) 라인은 371.99, 374.56, 382.04, 404.58, 406.36 nm의 수 있습니다.
  • E U, G, 및 값은이 웹 사이트에서 찾을 수 있습니다 ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • 수준의 정보로 표시 추가 기준에서 "G"를 표시하는 옵션을 선택해야합니다.
  • E의 K와 G의 K 값을 사용합니다.
  1. E U에 대한 온도, 플롯 LN (Iλ / GA)을 결정하고 선형 추세 라인과 데이터에 맞게;. 기울기는 것은 -1/kT에 해당합니다 (16, 17) [스크린 샷 2]

5. 전자 밀도의 결정

  1. 전기를 측정하기N 밀도는 656.5 ㎚에서 수소 선의 반값 (FWHM)에서 전체 폭을 사용한다.
  2. = t D를 사용하여이 데이터를 가지고 0.5 마이크로 초와 t B = ICCD에 4.5 마이크로 초.
  3. 수소 라인의 FWHM을 측정합니다. [스크린 샷 3]
  4. 이용하여 전자 밀도를 계산 N E를 = X 10 8.02 12 [Δλ 1 / 2 / α 1 / 2] N 전자는 전자 밀도 인 3 / 2 (식 2), Δλ 1 / 2는 상기 측정 FWHM이다 수소 라인 및 α 1 / 2은 온도의 함수와 전자 밀도 감소 파장이다. 감소 된 파장의 값은 Griem의 부록 Ⅲ a의 제공됩니다. 16 ~ 18은
  5. (이것은 플라즈마의 평균 온도에 가까웠다) 10,000 K의 온도를 이용하여 전자 밀도를 구한다. [스크린 샷 4]

6. 프로그램을 사용하여 모든 데이터를 작업즉, 피크 영역 및 / 또는 Microsoft Excel을 확인할 수 있습니다

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결과

합성 규산 샘플의 검출 기능에 대한 레이저 펄스 에너지와 검출 모드의 효과. LIBS 스펙트럼 테스트 레이저 펄스 에너지의 범위에서 게이트와 게이트 비 검출을 사용하여 기록 하였다. 100 만 교정 곡선은 레이저 펄스 에너지의 효과를 평가하기 위해 이러한 데이터로부터 구축 하였다. 교정 곡선 (1) 분석 물 피크 아래 (2) 405.58 nm에서 철의 피크 면적으로 분석 물 피크의 면적 비로 영역을...

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토론

비 - 게이트 및 게이트 검출 모드를 비교하면, 검출 한계 데이터는 게이트 된 감지 모드가 아닌 게이트 검출 모드에서 높은 레이저 에너지를 사용하여 보지 된 것을 포함하여 모든 요소의 검출을 위해 허용 된 것을 보여준다. 게이트 검출을 사용하여, 플라즈마의 형성에서 초기 하이 백은 관찰되지 않고, 배경은 발광 원소 나은 해결 게재 감소된다. 또한, 검출 한계가 탐지 게이트를 사용하여 다소 ...

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공개

저자는 공개 아무것도 없습니다.

감사의 말

이 작품은 에너지, 과학의 사무실의 미국학과를 통해 재정 지원되었다.

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자료

NameCompanyCatalog NumberComments
Equipment
Nd:YAG laserContinuumSurelite II
Echelle spectrograh/ICCDCatalina/AndorSE200/iStar
Digital delay generatorBNCModel 575-4C
Hydraulic PressCarverModel-C
31-mm pellet dieCarver3902
Power meter indictor modelScientech, Inc.Model number: AI310D
Power meter detector modelScientech, Inc.Model number: AC2501S
OscilloscopeTektronixMSO 4054
Optical fiberOcean OpticsQP1000-2-UV-VIS
Lens kit (this kit contains the 75 mm f.l. lens)CVI OpticsLK-24-C-1064
Reagent/Material list
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07704
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07705
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07706
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07708
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07709
Aluminum caps (for pressing synthetic silicate samples)SCP Science040-080-001

참고문헌

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