Зависимость лазерной искровой спектроскопии Результаты на энергию импульса и временных параметров Использование для внесения Simulants

Резюме

LIBS возможности обнаружения на почвенных имитаторов были испытаны с использованием ряда энергию импульса и временных параметров. Калибровочные кривые были использованы для определения пределов обнаружения и чувствительности для различных параметров. Как правило, результаты показали, что не было значительное сокращение возможностей обнаружения, используя более низкие энергии импульса и не-закрытый обнаружения.

Аннотация

Зависимость некоторых возможностей обнаружения LIBS на более низких энергиях импульсов (<100 мДж) и временных параметров были рассмотрены с использованием синтетических образцов силикатных. Эти образцы были использованы в качестве имитаторов для почвы и содержал незначительные и микроэлементы обычно встречаются в почве в широком диапазоне концентраций. Для этого исследования, более 100 калибровочные кривые были получены с использованием различных энергию импульса и временные параметры; пределы обнаружения и чувствительности определялись из калибровочных кривых. Температура плазмы также измеряется с помощью Больцмана участков для различных энергий и временных параметров испытания. Электронная плотность плазмы была рассчитана с использованием полной ширины половину максимума (FWHM) линии водорода при 656,5 нм в течение энергий протестированных. В целом, результаты показывают, что использование более низких энергий импульсов и не-закрытом обнаружения не серьезную угрозу аналитические результаты. Эти результаты имеют очень важное значение в проектировании поле-и человек-портативный LIBS инструменты.

Введение

Лазер-пробой спектроскопии (LIBS) является простой метод элементного анализа, который использует лазерный генерируемые искру в качестве источника возбуждения. Лазерный импульс фокусируется на поверхности, который нагревает, ablates, распыляет и ионизирует поверхности материала, что приводит к образованию плазмы. Плазма света спектрально решен, и обнаружено и элементы обозначены их спектральных сигнатур. Если правильно откалиброван, LIBS может обеспечить количественные результаты. LIBS может анализировать твердые вещества, газы и жидкости практически без пробоподготовки. ¹ Эти характеристики делают его идеальным для анализов, которые не могут быть выполнены в лаборатории.

В настоящее время, LIBS изучается для различных применений особенно те, которые требуют полевые измерения основе для количественного определения. ^1-8 Это требует развитие LIBS приборов с использованием Строгий и компактный компоненты, пригодные для системы, основанный на полях. В большинстве случаев,компоненты как таковые не будут иметь все возможности лабораторного инструментария, тем самым ставя под угрозу производительность анализа. LIBS результаты зависят от параметров лазерного импульса и других условий измерений, которые включают выборки геометрию, окружающую атмосферу, и использование закрытого или не закрытый обнаружения. ^9-12 Для поля на основе LIBS приборов, два важных фактора, чтобы рассмотреть энергия импульса и использование закрытого по сравнению с не-закрытого обнаружения. Эти два фактора определяют в значительной степени стоимость, размер и сложность инструмента LIBS. Маленькие, прочная конструкция лазеры, которые могут генерировать импульсов от 10-50 мДж на частотой повторения 0,3-10 Гц имеются в продаже и было бы весьма выгодно использовать. Таким образом, важно знать, что, если таковые имеются, потери в возможности обнаружения приведет в результате использования этих лазеров. Энергия импульса является ключевым параметром для LIBS так как она определяет количество материала удалена и испаряется и полукокс возбужденияристики плазмы. Кроме того, использование закрытого обнаружения может увеличить стоимость системы LIBS, в результате, крайне важно, чтобы определить разницу между спектрами и возможности обнаружения с использованием закрытого и не закрытый обнаружения.

В последнее время исследование было проведено сравнение закрытый обнаружения не-закрытого обнаружения для малых элементов, найденных в стали. Результаты показали, что пределы обнаружения были сопоставимы, если не лучше для не-закрытом обнаружения. ¹² Одной из важных характеристик LIBS является то, что метод испытывает физические и химические эффекты матрицы. Примером первого является то, что лазерный импульс пары более эффективно с проведением / металлических поверхностей, чем не-проводящих поверхностей. ¹³ Для этого исследования мы хотели определить влияние энергетических и временных импульсов параметров непроводящих материалов, таких как почвы имитаторов.

Хотя, полевые портативные LIBS инструменты были разработаны и используютсядля некоторых приложений, комплексное исследование от возможностей обнаружения не была выполнена сравнения высокую энергию и закрытого системы для нижних энергетических и не закрытых систем с использованием почвы имитаторами. Это исследование фокусируется на лазерной энергии и временных импульсов параметров для определения микроэлементов в сложных матрицах. Энергия лазерного импульса в диапазоне от 10 до 100 мДж получить сравнение между низшими и высшими энергиями. Сравнение использования закрытого по сравнению с не-закрытого обнаружения также была проведена в том же диапазоне энергий.

протокол

1. Лазерная система

1. Используйте лазерные импульсы, производимые с модуляцией добротности Nd: YAG-лазер, работающий при 1064 нм и при 10 Гц.
2. Фокус лазерные импульсы на образец с 75 мм фокусным расстоянием.
3. Сбор плазмы свет с оптическим волокном и указал на расположенном вблизи плазмы, сформированной на образце.
4. Используйте эшелле спектрографа / ICCD для спектрального решимость и регистрировать спектр LIBS.
5. Используйте ICCD в обоих без закрытых и закрытых режимов работы при помощи прирост 125.
6. Используйте 0 мкс задержку (т _г) в не закрытом режиме и 1 мкс _т д. в закрытом режиме.
7. Для обоих режимах использовать ширину затвора (т _б) 20 мкс с сек экспозиции 3 (интегрирующего плазменный свет на чипе камеры ICCD); это приведет к 30 индивидуальных лазерных вспышек добавляется для получения каждого спектра.
8. Запишите в общей сложности 5 таких спектров для каждого анализируемого образца.
9. Используйте генератор цифровой задержки для управления тIMing между лазером и импульса ICCD ворот. Экспериментальная установка показана на рисунке 1.
10. Проверьте сроки с помощью осциллографа.
11. Используйте лазер на энергию импульса в 10, 25, 50, и 100 мДж, использующих как не-закрытого и закрытого обнаружения.
12. Непрерывно контролировать энергию лазера и регулировки для коррекции дрейфа, если это необходимо.
13. Рассмотрение безопасности: Nd:. YAG лазер лазер Класс IV; носить соответствующую очки лазерной безопасности во все времена при работе лазера и установить номер блокировки в сочетании с дверью номера и лазера ¹⁴

2. Образцы и подготовки образцов

1. Используйте синтетический силикат стандартных образцов с известной концентрацией элементов в качестве образцов; они имитируют общие образцы почвы с незначительным и следовые количества выбранных элементов, охватывающих широкий спектр концентраций.
2. Концентрации микроэлементов в диапазоне от нескольких частей на миллион до 10000 частей на миллион. Таблице1 перечислены элементы мониторинг здесь в том числе их типов линий и длин волн, используемых для анализа. Типы линии, обозначенной как и Второй означают нейтральные атомы или однократно ионизованного атома, соответственно. Общая база состав каждого силикатного образца SiO ₂ (72%), Al ₂ O ₃ (15%), Fe ₂ O ₃ (4%), CaMg (CO _{3) 2} (4%), Na ₂ SO ₄ ( 2,5%), и K ₂ SO ₄ (2,5%).
3. Нажмите образцы в гранулы диаметром 31 мм с использованием гидравлического пресса, чтобы создать гладкую поверхность для анализа LIBS. Гладкая поверхность помогает создать согласованность с результатами LIBS.
4. Анализ новое место выборки для каждого спектра записанного.
5. Рассмотрение Безопасность: Синтетические пробы силикатные содержать широкое разнообразие элементов при различных концентрациях; в перчатках в процессе обработки.

3. Подготовка калибровочных кривых

1. Подготовка калибровочные кривые для различOUS элементы в обоих закрытого и не закрытого обнаружения в диапазоне лазерных энергий протестированных.
2. Сделать эти кривые, откладывая площадь пика или ratioed площадь пика (Y-ось) против концентрации элементов (ось х).
3. Используйте линейного тренда, чтобы соответствовать калибровочной кривой. [Снимок экрана 1]
4. Рассчитать пределов обнаружения с помощью функции распознавания 3σ, как это определено IUPAC. ¹⁵ [расчет 1]

4. Определение температуры плазмы

1. Измерьте температуру плазмы из Больцмана участков.
2. Используйте набор линий железа [Fe (Я)] между длинами волн 371-408 нм для создания Больцмана участки с помощью: пер (iA / GA) =-Е _{п /} кТ - п (4ρZ/hcN ₀₎ (уравнение 1) где я это интенсивность перехода, определяемой из площади пика, λ-длина волны, является вероятность перехода, г является вырождение перехода, Е _{и, для} эмиссии верхнее состояние, к-постоянная Больцмана, Т температура,Z является статистическая, ч постоянная Планка, с-скорость света, N ₀ является общая численность населения видов.
3. Выбрал Fe линии, которые известные _Е В, г, и значения.

• В Fe (Я) линии, используемые здесь, 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 нм.
• E _и, г, и значения могут быть найдены на этом сайте ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
• Убедитесь в том, чтобы выбрать параметр, чтобы отобразить "г" при дополнительных критериев помечены как информацию об уровне.
• Используйте _К е и г значения _K.

4. Для определения температуры, участок пер (iA / Ga) против _{русской} клавиатуры и подобрать данные с линейным трендом;. Наклон составляет -1/kT ^16,17 [снимок экрана 2]

5. Определение концентрации электронов

1. Для измерения электроплотность п, использовать всю ширину на половине высоты (FWHM) линии водорода при 656,5 нм.
2. Возьмите эти данные с помощью _т д. = 0,5 мкс и т _б = 4,5 мкс на ICCD.
3. Измерьте ПШПМ линии водорода. [Снимок экрана 3]
4. Рассчитайте плотность электронов с помощью: N _е = 8,02 х 10 ¹² [Δλ _1/2 / α _1/2] ^3/2 (уравнение 2), где N _е плотность электронов, Δλ _1/2 это измеренная полуширина линия водорода, и α _1/2 является уменьшение длины волны, который является функцией температуры и плотность электронов. Значения приведенных длин волн приведены в Грим в Приложении IIIa. ^16-18
5. Вычислить плотность электронов, используя температуру 10000 К (это было близко к средней температуры плазмы). [Снимок экрана 4]

6. Работа копирование всех данных Использование программычто можно определить пиков и / или Microsoft Excel

Результаты

Влияние лазерной энергии импульса и режимов обнаружения на возможности обнаружения. LIBS спектры синтетических образцов силикатных были записаны с использованием закрытого и не закрытый обнаружение в диапазоне энергий лазерных импульсов испытания. Более 100 калибровочные кри...

Обсуждение

При сравнении не-закрытого и закрытого режима обнаружения, предел обнаружения данные показывают, что режим закрытого обнаружения разрешено для обнаружения всех элементов, включая те, которые не были замечены использование более высоких лазерных энергий в не закрытом режиме обнаруже?...

Материалы

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