научная статья по теме МЕТОДИ АППАРАТУРА ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОЙЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ Метрология

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИ АППАРАТУРА ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОЙЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ»

Общие вопросы метрологии и измерительной техники

14. Nadarajah S., Gupta A. K. On the moments of the exponentiated Weibull distribution // Communications in Statistics — Theory and Methods. 2003. V. 34. P. 253—256.

15. Henry W. Block, Yulin Li, Thomas H. Initial and Final Behaviour of Failure Rate Functions for Mixtures and Systems // Appl.Probability. 2003. V. 40. N 3. P. 721—740.

16. Гродзенский С.Я., Домрачев В. Г. Универсальное распределение моментов отказов изделий // Измерительная техника. 2002. № 7. С. 24—26; Grodzenskii S. Ya., Domra-chev V. G. A Universal Distribution for Component Failure Times // Measurement Techniques. 2002. V. 45. N 7. P. 710—713.

17. Гродзенский С. Я., Домрачев В. Г. Оценка параметров универсального распределения моментов отказов изделий // Измерительная техника. 2002. № 8. C. 12—14; Grodzenskii S. Ya., Domrachev V. G. Estimation of Parameters of Universal Distribution of Moments of Failure of Products// Measurement Techniques. 2002. V. 45. N 8. P. 799—802.

18. Гродзенский С. Я., Домрачев В. Г. Оценка параметров смеси распределений экспоненциального и Вейбулла при прогрессивном цензурировании // Измерительная техника. 2002. № 11. C. 10—12; Grodzenskii S. Ya., Domrachev V. G. Estimation of the Parameters of a Mixture of Exponential and Weibull Distributions with Progressive Censoring // Measurement Techniques. 2002. V. 45. N 11. P. 1115—1118.

19. Гродзенский С. Я. Статистико-физический метод исследования надежности электронных приборов по данным эксплуатации // Измерительная техника. 2003. № 6. С. 59—60; Grodzenskii S. Ya. A Statistical Physics Method of Electronic Device Reliability Testing from Working Data Pages // Measurement Techniques. 2003. V. 46. N 6. P. 616—618.

Дата принятия 04.02.2013 г.

ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

681.785.2-501.22

Метод и аппаратура лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии

М. А. КАРАБЕГОВ

Научно-производственное объединение «ЦНИИТМАШ», Москва, Россия,

Рассмотрены методологические основы метода и некоторые современные приборы лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии.

Ключевые слова: лазер, абляция, плазма, эмиссионный спектр, спектрометр.

The methodological basis of the method and some modern equipment laser emission spectrometry are considered. Key words: laser, ablation, plasma, emission spectrum, spectrometers.

Качественное и количественное определения элементного и молекулярного состава веществ успешно осуществляются на основе методов атомного и молекулярного оптического спектрального анализа. В зависимости от задач анализа, свойств анализируемого вещества, специфики спектров и способов их измерений спектральный анализ делят на ряд самостоятельных методов. В атомном спектральном анализе перед непосредственным измерением анализируемое вещество атомизируют путем термического, рентгеновского или иного воздействия. Происходит испарение пробы, диссоциация молекул и возбуждение образованных свободных атомов (ионов). Информативный параметр формируется по свойству спектра атомов (ионов) пробы, коррелированному со значением концентрации вещества. Для практических и научных задач применяют абсорбционный, эмиссионный, флуоресцентный, с возбуждением в индуктивно-связанной плазме (ИСП) и другие методы атомного спектрального анализа.

Создание лазеров оказало огромное воздействие на многие области и положило начало новому эффективному методу атомного спектрального анализа с лазерной атоми-зацией — лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС), в англоязычных версиях laser-induced breаkdown spectroscopy (LIBS), реже laser-induced spectroscopy

(LIPS), laser аblation optical-emission spectroscopy (LAOES). Метод позволяет осуществлять многоэлементный анализ практически любых образцов, отличается малой отбираемой пробой (фактически неразрушающий контроль), экс-прессностью, отсутствием пробоподготовки. Растет количество публикаций, конференций и секций на них. Создаются универсальные и целевые спектрометры — приборы ЛИЭС, способные анализировать твердые, жидкие, газообразные, удаленные микрообразцы, аэрозоли и пыль, одновременно бесконтактно разные элементы, без пробоподготовки, с хорошим пространственным разрешением по поверхности и глубине, в реальном времени, в компактных стационарных и переносных вариантах [1].

Рис. 1. Примерная схема установки, реализующая метод ЛИЭС: 1 — лазер; 2 — фокусирующая оптика; 3 — камера для образца; 4 — плазма; 5 — анализируемый образец; 6 — собирающая оптика; 7 — входная щель; 8 — монохроматор (а—г — зеркала, д — дифракционная решетка); 9 — многоэлементный фотодетектор (ПЗС); 10 — согласующее устройство; 11 — программное устройство управления (х, у — линии связи); 12 — компьютер; 13 — банк данных; 14 — столик с образцом

Плазма, индуцированная импульсным рубиновым лазером, впервые была получена в 1960 г. Работы ученых разных стран и особенно Кремерса, Радзиемски, Лори в Лос-Ала-мосской национальной лаборатории (США) по анализу газов с регистрацией интегрального сигнала, временным разрешением придали мощный импульс развитию ЛИЭС как аналитического метода. Они же впервые назвали этот метод LIBS.

Примерная схема установки, реализующей метод ЛИЭС, приведена на рис. 1 . Излучение пульсирующего лазера с энергией импульса от десятков до сотен миллиджоулей фокусируется линзой на поверхности (в объеме) анализируемого образца. Микрофракция образца испаряется, индуцируя плазму, содержащую возбужденные атомы и ионы, испускающие излучение (эмиссию) в виде линейчатого спектра, интенсивности линий которого (информативный параметр) коррелированы с составом пробы. Часть излучения при помощи оптоволоконного кабеля собирается и направляется в спектрометр, преобразуется и фиксируется фотодетектором, сигнал которого обрабатывается компьютером и приобретает вид результата анализа.

Лазерно-индуцированная плазма — слабоионизирован-ная, представляющая собой электронейтральный комплекс атомов, ионов и свободных электронов. Временной цикл излучения плазмы содержит стадию задержки td от начала лазерного импульса до открытия строба, в течение которого фиксируется сигнал. Излучение плазмы характеризуется энергией Е в джоулях, частотой v, волновым числом о, длиной волны À перехода:

v = ДЕ/h, о = v/c, À = 1/о,

где ДЕ — разность энергий уровней; h — постоянная Планка; с — скорость света.

Метод ЛИЭС реализуется при оптически тонкой (прозрачной) плазме, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, когда испускаемое излучение проходит ее без существенного поглощения или рассеяния; элементный

состав плазмы соответствует анализируемому образцу. В этих условиях интенсивность спектральных линий зависит от относительных концентраций элементов. На практике эти условия выполняются неточно. Диагностика плазмы базируется на связи ее свойств и характеристик спектральных линий (контур, ширина и др). Интенсивность излучения плазмы можно выразить функциями [2]:

I (А) = [е(А)/а(А)] {1 - ехр[-а(А)Ц},

или для прозрачной плазмы (малое а)

I (А) = [е(А)/а(А)] [а(А)Ц ~ е(А)^

где е(А) — коэффициент испускания; а(А) — коэффициент поглощения; L — эффективная длина плазмы.

Полное термодинамическое равновесие плазмы существует редко, обычно ее характеризуют приближенным локальным термодинамическим равновесием в некоторой области пространства.

Важной стадией процедуры ЛИЭС является лазерно-индуцированный пробой (абляция). В газе в точке пробоя в зависимости от плотности мощности часть лазерной энергии может проходить через объем плазмы, рассеиваться или поглощаться. Плазма продвигается к лазеру вдоль луча в виде конуса с основанием к линзе. Большинство задач ЛИЭС связано с анализом твердых веществ. При плотности мощности лазера 108 — 1010 Вт/см2, передний фронт импульса нагревает, плавит и испаряет материал, при этом выделяют зоны плазмы, ударной волны и поглощения. Для эффективной абляции необходимы минимальные для начала испарения плотность мощности и длительность лазерных импульсов, скорость процесса абляции, сохранение состава пробы в плазме. При пико- и фемтосекундных импульсах связь с поверхностью может завершиться до образования плазмы и поглощения лазерной энергии. Подбор режимов абляции повышает вероятность сохранения стехиометрии системы проба—плазма.

В [3] рассмотрены модели абляции при нагреве поверхности, плавлении и испарении для разных образцов и лазеров, в основном с наносекундными импульсами. При длительности лазерного импульса 10 нс плотность мощности энергии на поверхности образца может достигать 1 ГВт/см. При такой плотности энергии фракция образца массой 1 мкг изгоняется мгновенной лазерной плазмой температурой 20—30000 °С. В плазме тестируемый материал распадается на возбужденные ионы и атомы. В конце лазерного импульса плазма расширяется на сверхзвуковых скоростях и быстро охлаждается. Возбужденные ионы и атомы возвращаются в низкоэнергетические состояния и испускают характерное излучение, которое анализируется в оптической системе спектрометра и фиксируется фотодетектором. Излучение эмиссии отделяется от фонового излучения плазмы датчиками временной сихронизации, которые позволяют регистрировать его с задержкой после лазерного импульса, так как характерные атомные и ионные линии начинают появляться после расширения и охлаждения плазмы.

В ЛИЭС используют импульсные лазеры средней мощности с модуляцией добротности, генерирующие мощные импульсы порядка 5 МВт с фокусировкой излучения в пятно, наиболее часто — твердотельные лазеры Nd: АИГ (Nd: YAG) с импульсной накачкой (кристалл алюмоиттриевого граната АИГ с добавкой трехвалентного иона неодима). Они удобны, надежны, компактны, легко обеспечивают высокую плотность мощности излучения и гармоники основной длины волны от ближней инфракрасной (ИК) до ближней ультрафиолетовой (УФ). В зависимости от типа лазера длительность импульса составляет 5—20 нс. В последние годы возрос интерес к лазерам с пико- и, особенно, фемтосекундной длительностью. В ЛИЭС важными свойствами лазера, определяющими параметры плазмы, являются длина волны и длительность импульса излучения, плотность мощности

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком