从Time-Integrated激光诱导击穿光谱提取时间分辨信息

文摘

激光诱导击穿光谱(LIBS)数据的特点是强烈依赖收购时间激光等离子体发生之后。然而,时间分辨宽带光谱仪是昂贵的和经常不适合用于便携式LIBS仪器。在本文中,我们将展示一系列LIBS光谱,分析了在不同的激光脉冲延迟后,允许时间分辨光谱信息的恢复。这样的比较提出了光谱分析铝合金。电子温度和等离子体参数(密度)进行评估,分别从time-integrated和时间分辨光谱。结果进行比较和讨论。

1。介绍

表演时间分辨测量填词的重要性被Cadwell强调许多年前et al。1),介绍了缩写TRELIBS(时间分辨填词)来识别这种分析。等离子体参数,在库,在时间和空间上变化;等离子体温度和电子密度的概念意义只在局部热平衡近似的框架(2),这可能会在一个有限的时间窗口,但肯定不是应验在等离子体的第一时刻创造和扩张(等离子体膨胀特征倍大于碰撞平衡时间)在一生的最后一部分等离子体,等离子体冷却和电子数密度低于极限值的麦克沃特标准(3]。因此,任何形式的LIBS分析它们依赖于计算上述参数之一应该是,原则上,使用时间,执行(和空间)光谱仪得到解决。

然而,时间分辨宽带光谱分析仪,因为使用的一个库的应用程序,一般是昂贵的,他们通常是不合适的,因为他们的尺寸,复杂性,和敏感环境温度等外部变量,对任何使用外部的实验室。廉价的宽带光谱仪,另一方面,是健壮和可靠的移动和便携的使用库工具,提供了一个超过可接受的光谱分辨率,但其光谱采集只能推迟对激光脉冲,是积分时间通常比等离子体寿命更长。

人能因此怀疑的等离子体参数可以从这种time-integrated光谱,计算在给定激光脉冲的延迟,将实际上代表的“真”值等离子体温度和电子数密度在那一刻。从直观的角度,自库光谱强度是一个收购延迟时间的指数递减函数,它是合理的假设的主要贡献time-integrated频谱将来自一个非常有限的时间窗口,信号的衰减时间的顺序,因此模仿的影响时间分辨测量(见图1)。

这项工作的目的是对时间的依赖关系的分析time-integrated LIBS光谱,获得了不同延迟时间的单引号和双脉冲配置在一个铝样本,目的是重建时间分辨光谱和比较这些光谱的等离子体参数估计的使用time-integrated方法获得。

2。实验的程序

的获取时间分辨信息的目的time-integrated光谱,我们获得一组库光谱的目标,一个铝样本已知的成分,使用莫迪仪器(4),这是基于双脉冲(5Nd: YAG激光、操作的波长1064 nm。在目前的实验中,1的两个激光脉冲延迟μ年代;每个脉冲的能量60 mJ 10 ns。激光脉冲是专注于目标,使用100 mm焦距镜头。LIBS信号收集光纤和发送到AvaSpec双通道光纤光谱仪的;收购时间被推迟了对第一个激光脉冲的方式从第二个脉冲的有效采集延迟从260 ns(内部延迟的光谱仪)10260 ns(见图2和表1)。光谱仪的积分时间是2.48毫秒。

100光谱独立获得的平均,获得一个更好的信号/噪声比。

在图3所示三个time-integrated光谱,获得了在240年的延迟,468和1260 ns(见表1)。

3所示。时间分辨光谱

time-integrated光谱的强度可以表示为 在哪里那代表了LIBS光谱强度(时间)在给定波长,是收购延迟时间对激光光束,的上限是近似到正无穷积分比等离子体的生命周期(更大的)。

可以通过差异化(1)的形式

自只知道在离散时间间隔报道在表吗1数值微分必须完成,根据公式

请注意,导数的数值评估计算完成,虽然没有实际测量延迟时间。

在图4显示301年三个时间分辨光谱计算,405年和1010年ns(见表1)。

时间分辨LIBS光谱进行了大幅减少光谱强度明显增加的时间延迟。分析还揭示了存在强烈的发射谱线从铝的高电离阶段,比如艾尔三世,他的面前占据了时间分辨光谱在早期延迟的方式不是很明显在原始time-integrated光谱。

图5显示了三个主要基地第三发射谱线在该地区约450海里,与美联二线相比466.3 nm;在时间分辨光谱Al III排放比第二基地一个延迟短于500 ns。另一方面,time-integrated光谱的三行Al三世总是比第二基地发射看上去不那么强烈。

另一个有趣的对比time-integrated和时间分辨光谱的强度是一个涉及LIBS光谱,集成在整个光谱范围(200 - 900 nm)(图6)。

正如预期的那样,总库强度衰减指数与收购延迟。然而,尽管在time-integrated订单的衰变常数测量600 ns,时间分辨分析表明,实际的衰减时间短是一个因素的三个(200 ns)。

总填词的衰减时间排放基本上是由连续辐射的衰减。发射谱线的衰减时间较长和不同线间,自线强度指数取决于比上层的能量之间的转换()和等离子体的电子温度(),玻耳兹曼常量:

进一步的等离子体参数的依赖Saha-Boltzmann中性和电离物种之间的平衡,与电离线路衰减速度比中性的,因为等离子体温度和电子密度的减少延迟时间。

这种效应在时间分辨光谱清晰可见,正如在图7。

4所示。等离子体参数的确定

局部热平衡假设的条件(2电子温度可以被估计的计算强度比同一物种发出的两行: 在哪里和的跃迁概率是两行,和上层的简并,和上的能量水平的过渡。

在图8电子温度是报道的时间演化,计算出的比率两个半岛二线为281.6 nm (厘米⁻¹)和358.6 nm (厘米⁻¹)。

图8证实了这个想法,time-integrated光谱本质上是等价的,什么是关心等离子体的评价参数,时间分辨光谱,与一个“等效门时间”大致相当于衰变常数的LIBS线的强度,它们在我们的案例中是订单800 ns(见图7)。

相同的结论可以实现计算的电子数密度(见图9),它可以通过测量估计的巴尔莫α氢谱线的线宽为656.3 nm (6]。

尽管相对较大的实验误差,获得的电子数密度的时间分辨光谱值具有很好的一致性,而且来自time-integrated的。

5。结论

简单的方法见本文允许恢复的时间分辨光谱使用time-integrated光谱仪。适用的技术只要光谱采集系统有能力开始收购的可编程延迟后的激光脉冲。结果也支持这一观点,提出time-integrated光谱给等离子体参数信息实质上相当于获得的信息,可以使用一个时间分辨谱仪,闸门时间可比的衰减时间LIBS光谱强度,也就是,在典型的库条件,订单的几个数百纳秒。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. l . Cadwell j . Belliveau l . Huwell h·格里芬,“填词vs TRELIBS-the相对优点的激光诱导击穿光谱和时间分辨激光诱导击穿光谱,”遥感卷,644学报学报,16 - 1986页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. g . Cristoforetti a . De Giacomo m .戴尔'Aglio et al .,“局部热力学平衡激光诱导击穿光谱:除了麦克沃特标准,“Spectrochimica学报B部分,卷65,不。1,第95 - 86页,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. r·w·p·麦克沃特·r·h·赫德,s l·伦纳德Eds。等离子体诊断技术第五章,学术出版社,纽约,纽约,美国,1965年。
4. a .名导g . Carelli f·弗兰切斯科尼et al .,”莫迪:一个新的移动工具原位双脉冲库分析,“分析和分析化学,卷385,不。2、240 - 247年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. f·科劳,诉Lazic、r . Fantoni和s . Pershin”比较单一和双脉冲激光诱导击穿光谱的铝样品,”Spectrochimica学报B部分:原子光谱学卷,57号7,1167 - 1179年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. a . m . El Sherbini H . Hegazy和t . m . El Sherbini测量电子密度利用Hα从激光产生的等离子体在空气/流程。”Spectrochimica学报B部分:原子光谱学,卷61,不。5,532 - 539年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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