Khảo sát sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) vào năng lượng chùm Laser kích thích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - BÙI VĂN ĐẶNG KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,152 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH Chuyên ngành: Mã số: Quang học 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH NGỌC HOÀNG Nghệ An, 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt khóa học luận văn này, nhận động viên, giúp đỡ từ thầy cô, gia đình bạn bè Thông qua luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất người Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS Trịnh Ngọc Hoàng Thầy tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực luận văn Qua xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu Trường THPT Tây Ninh, Tổ Vật Lý Trường THPT Tây Ninh tạo điều kiện tối đa, giúp đỡ nhiều thời gian học Tôi xin cảm ơn tất thầy giáo, cô giáo Khoa Vật Lý Công Nghệ - Trường Đại học Vinh nhiệt tình giảng dạy, truyền thụ kiến thức khoa học thời gian tham gia học tập nhà trường Tôi xin cảm ơn tất học viên cao học khóa 21 ngành Quang học - Trường Đại học Vinh giúp đỡ để luận văn hoàn thành thời gian nhanh Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Vinh, tháng 05 năm 2015 Học viên cao học Bùi Văn Đặng MỤC LỤC MỤC LỤC BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .5 MỞ ĐẦU PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ CHƯƠNG KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ 17 CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,125 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH 17 KẾT LUẬN CHUNG .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ký hiệu AES HHG LSCW LSDW LIP LIBS Diễn giải Atomic Emission Spectrocopy (Phương pháp đo phổ phát xạ nguyên tử) High-order Harmonic Generation (Sự phát sóng hài bậc cao) Laser-supported combustion wave (Laser hỗ trợ sóng đốt) Laser-supported detonation wave (Laser hỗ trợ sóng nổ) Pulsed laser-induced plasmas (Plasma tạo laser) Laser-induced breakdown spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sơ đồ bố trí thiết bị trình phân tích LIBS [10] 14 Hình 2-2 Giản đồ mức lượng hệ vi mô 18 Hình 2-3 Sơ đồ tạo thành vạch phổ 396,152 nm 394,400 nm Al 26 Hình 2-4 Sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng Al 26 Hình 2-5 Các chế ion hóa 30 Hình 2-6 Các trình lý hóa xảy chùm laser tương tác với vật liệu 33 Hình 2-7 Động học plasma chùm laser tương tác với vật mẫu 35 Hình 2-8 Vết lõm nhiệt độ nóng chảy màng mỏng SiO2 phủ lên linh kiện chiếu xạ chùm laser Nd: YAG [7] 36 Hình 2-9 Các tác động laser lên lớp màng mỏng SiO2 phủ tinh thể LiNbO3 36 Hình 2-10 Plasma hình thành sau nóng chảy, bay .38 Hình 2-11 Sơ đồ mô tả tạo thành thể lỏng, tác động chùm tia laser lên bề mặt mẫu vật rắn .39 Hình 2-12 Ảnh chụp vùng plasma tạo laser Nd: YAG cỡ nano giây 40 Hình 2-13 Sơ đồ mô tả mở rộng vùng plasma bán cầu 41 Hình 2-14 Biểu đồ ion hóa đa photon cho thông số Keldysh khác 43 Hình 2-15 Biểu đồ hình thành thác ion hóa 44 Hình 2-16 Hình ảnh minh họa tự chụm tia 45 Hình 2-17 Ví dụ tự chụm tia tinh thể (a) nước (b) .45 Hình 2-18 Hệ thống máy quang phổ phát xạ LSS-1 46 Hình 2-19 Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al l (396,152 nm) vào lượng chùm laser kích thích 48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Phương pháp đo phổ phát xạ nguyên tử (AES - Atomic Emission Spectrocopy) phương pháp phổ dựa việc đo bước sóng, cường độ đặc trưng khác xạ điện từ nguyên tử hay ion trạng thái phát chúng chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái Bunsen Kirchoff phát minh vào kỷ 19 [1],[2] Từ phát minh, phương pháp AES đóng góp quan trọng vào việc phát nguyên tố hóa học vào cuối kỷ 19, đầu kỷ 20 Phương pháp ứng dụng vào mục đích phân tích định tính, bán định lượng định lượng hầu hết kim loại nhiều nguyên tố phi kim loại với độ nhạy thường tới cấp hàm lượng 0,001% hàm lượng thấp [1] Một nét đặc thù phương pháp AES phân tích nhiều nguyên tố lần phân tích phân tích nguyên tố đối tượng xa dựa vào ánh sáng phát xạ từ đối tượng Như biết kim loại nhôm sử dụng nhiều tính theo số lượng lẫn giá trị (vượt tất kim loại khác, trừ sắt) Nhôm đóng vai trò quan trọng kinh tế giới, hợp kim nhôm nhẹ bền dùng để chế tạo chi tiết phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, tàu biển ) Nhôm siêu tinh khiết sử dụng công nghiệp điện tử sản xuất đĩa CD Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm, Vonfram ) Có thể nói kim loại nhôm có mặt hầu hết ngành nghề, lĩnh vực khác kể thể sống người [1] Do việc khảo sát có mặt hàm lượng kim loại nhôm vật liệu nói riêng mẫu vật nói chung quan trọng Ta biết, phổ phát xạ kim loại nhôm nói riêng nguyên tố nói chung phụ thuộc nhiều vào yếu tố nồng độ nguyên tố mẫu, điều kiện khảo sát môi trường (nhiệt độ, áp suất, ), đặc trưng chùm laser kích thích (độ dài xung, lượng kích thích, thời gian trễ,…) [2] Chính mà việc khảo sát phổ phát xạ kim loại nói chung nhôm nói riêng vấn đề người quan tâm Với mục đích chọn đề tài "Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152nm) vào lượng chùm laser kích thích" để làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục tiêu, mục đích nghiên cứu Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152nm) vào lượng chùm laser kích thích Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận điểm làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Al kích thích chùm laser xung Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng nguyên tử Al I sở nghiên cứu đặc trưng tương tác [L, S]; Mô tả trình vật lý xảy chùm laser tương tác với vật mẫu Nhôm, sơ để giải thích cho kết thực nghiệm tác giả; Xử lý số liệu thực nghiệm, từ dựng đồ thị thể phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al (396,152 nm) vào lượng chùm laser kích thích Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung luận văn giới hạn việc xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng nguyên tử Al I; Khảo sát tác động lượng chùm laser kích thích lên cường độ vạch phổ phát xạ Al I (396,152 nm) mẫu hợp kim Nhôm D16 việc sử dụng kỹ thuật LIBS máy quang phổ LSS – Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn này, sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết phương pháp thực nghiệm Phương pháp lý thuyết sử dụng kết hợp với phương pháp thu thập xử lý thông tin từ nhiều nguồn liệu tin cậy để xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng nguyên tử Al I Phương pháp thực nghiệm sử dụng máy quang phổ LSS-1 áp dụng kỹ thuật LIBS để khảo sát ghi số liệu cường độ vạch phổ phát xạ tác động chùm laser với giá trị lượng kích thích khác Từ đó, xử lí số liệu dựng đồ thị nhờ trợ giúp gói phần mềm microsoft office 2013 Giả thuyết khoa học Chúng cho cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào lượng kích thích chùm laser xung đôi Căn đặc điểm động học tương tác chùm laser với vật mẫu trình lý hóa xảy plasma, cho rằng, lượng kích thích tăng dần, cường độ vạch phổ phát xạ tăng sau giảm dần Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn trình bày theo chương: Chương 1: Phổ phát xạ nguyên tử Chương 2: khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lượng chùm laser kích thích PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ Phổ phát xạ nguyên tử sản phẩm sinh tương tác nguồn lượng với vật chất, mà nguyên tử tự trạng thái khí với nguồn lượng phù hợp Nhưng k h i t n g t c b i nguồn sáng, có nguyên tử tự bị kích thích, mà có ion, phân tử, nhóm phân tử Các phần tử bị kích thích phát phổ phát xạ nó, tất nhiên mức độ khác tùy thuộc vào khả kích thích nguồn lượng Vì vậy, phổ phát xạ vật mẫu bao gồm ba thành phần nhóm phổ vạch, nhóm phổ đám phổ liên tục [1], [2] Từ việc nghiên cứu nguyên nhân xuất phổ phát xạ , khái quát phương pháp phân tích dựa sở đo phổ phát xạ nguyên tử phải bao gồm bước sau:  Trước hết mẫu phân tích cần chuyển thành (khí) nguyên tử hay ion tự môi trường kích thích Đó trình hóa nguyên tử hóa mẫu Sau dùng nguồn lượng phù hợp để kích thích đám để chúng phát xạ Đấy trình kích thích phổ mẫu  Thu, phân 1i ghi toàn phổ phát xạ vật mẫu nhờ máy quang phổ Trước đây, phổ ghi lên kính ảnh hay phim ảnh Chính máy quang phổ làm nhiệm vụ Nhưng trang bị đại ngày thu ghi trực tiếp tín hiệu cường độ phát xạ vạch phổ dạng lực băng giấy hay sóng cường độ vạch phổ máy in, ghi lại vào đĩa từ máy tính  Đánh giá phổ ghi mặt định tính định lượng theo yêu cầu đặt Đây công việc cuối phép đo Chính vậy, ứng với nhiệm vụ nguyên tắc này, để thực phép phân tích dựa theo phổ phát xạ nguyên tử người ta phải cần hệ thống trang bị gồm ba phần tương ứng  Phần 1: Nguồn lượng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu kích thích phổ mẫu phân tích, để có phổ nguyên tố phân tích  Phần 2: Máy quang phổ để thu, phân li ghi lại phổ phát xạ mẫu phân tích theo vùng phổ ta mong muốn  Phần 3: Hệ thống trang bị để đánh giá định tính, định lượng thị hay biểu thị kết  Đối với trang bị hoàn chỉnh phải có thêm phận sau: Bộ tự động bơm, hệ máy tính phần mềm 1.2 Cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tử Trong nguồn phát sáng hay plasma, nguyên tử (Ao) nguyên tố kích thích từ trạng thái lượng thấp E0 lên trạng thái lượng cao Em biểu diễn theo phương trình: Ao + ∆E → A* (a) Với mẫu phân tích có nồng độ xác định Ao trình lúc đầu tăng nhanh, sau chậm dần tới thời điểm định không tăng Nghĩa số nguyên tử Ao bị kích thích không đổi, ứng với nhiệt độ xác định plasma [1], [2] Đồng thời với trình trình ngược lại, tức nguyên tử bị kích thích A* giải phóng lượng mà nhận dạng tia phát xạ để trở trạng thái lượng thấp bền vững ban đầu Chính trình trình phát xạ nguyên tử sinh phổ phát xạ nguyên tử, biểu diễn theo phương trình: A* → hv + Ao (b) Quá trình lúc đầu chậm, sau tăng dần theo số nguyên tử A* bị kích thích đến thời điểm định không tăng ứng với nhiệt độ định plasma Nghĩa sau thời gian định kích thích phổ, hai trình (a) (b) đạt đến trạng thái cân Đó hai t r n g t h i cân động học thuận nghịch Cân phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ plasma, nghĩa số nguyên tử A* bị kích thích phát xạ không đổi, ứng với nhiệt độ xác định plasma 10 Hình 2-13 Sơ đồ mô tả mở rộng vùng plasma bán cầu Bán kính mở rộng sóng xung kích áp suất trung bình cho phương trình: [11], [18] RSW  E0  52 = ξ0  ÷ t  ρ0  (2.30) Trong đó: ξ0 số nhiệt dung riêng; E0 lượng giải phóng sau chiếu xạ laser vào vật liệu; ρ0 mật độ plasma [11] Bán kính chùm plasma rộng xác định theo phương trình: RDF = R0 1 − exp ( − β t )  (2.31) Trong đó: R0 khoảng cách chùm plasma; β hệ số làm chậm [ Quá trính hình thành sóng xung kích gồm hai giai đoạn: [13] - Khi t ≤ τ sóng xung kích bắt đầu hình thành cắt bỏ vật liệu laser, xung laser lượng cao cắt bỏ làm nổ vật mẫu để hình plasma Lúc plasma mở rộng nhanh chóng tạo sóng xung kích, sóng xung kích tiếp tục hấp thụ lượng laser tạo sóng xung kích thứ cấp Khi t = τ , tốc độ sóng xung kích nhận giá trị cực đại ta kết thúc việc chiếu xạ laser [13], [14], [19] R ( t ) = A0 α E ( t )  Trong đó: 41    ÷  2+ v  t    ÷  2+ v  t ≤ τ (2.32) A0 = A ( ρ1 )   − ÷  2+ v  ; α tỷ số lượng sóng xung kích biến đổi thành lượng xung laser - Khi t > τ giai đoạn đặc trưng với bùng nổ lan truyền sóng xung kích không khí Điều thực nghiệm chứng minh sóng xung kích cuối biến đổi thành xung âm để lan truyền không khí    τ n   R ( t ) = A1 ( t − τ ) 1 − α exp  −k  ÷  ÷+ R0 t > τ  t −τ   ÷      (2.33)  v     A  − ÷ Trong đó: A1 =  ÷τ  2+ v  ( α E ( t ) )  2+ v ÷ , k, α , n số [13]  2+v Khi kết thúc xạ tia laser, lượng bổ sung trình lan truyền sóng xung kích Lúc đó, bán kính sóng xung kích tiếp tục tăng vận tốc truyền sóng xung kích giảm cường độ sóng xung kích giảm theo.[13] Mặt khác xạ laser xạ điện từ biểu diễn véc tơ điện trường từ trường Khi sóng laser xạ lên bề mặt vật chất xảy phản xạ lan truyền Một số xạ truyền đi, số bị phản xạ số xạ hấp thụ Khi qua môi trường bị hấp thụ theo định luật Lambert –Beer: [14] I = I 0e − µ z (2.34) Trong đó: µ hệ số hấp thụ (phụ thuộc vào môi trường); I cường độ chùm xạ Khi cường độ tia laser cao, plasma bị tách khỏi bề mặt vật chất Bằng cách áp dụng lý thuyết cho trình plasma trạng thái cân nhiệt động lực học Mức độ ion hóa tính theo phương trình Saha-Eggert: [14]  Ei  ne ni g e g i ( 2π me kbTe ) = exp − ÷ n0 g0 h3  kbTe  (2.35) Trong đó: ne, ni, n0 mật độ electron, mật độ ion mật độ nguyên tử trung hòa; Te nhiệt độ electron; ge, gi, g0 hệ số suy biến electron, ion nguyên tử trung hòa; Ei lượng ion hóa nguyên tử; me khối lượng electron; kb số Boltzman [14], [18] 42 b Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến Khi chiếu xạ laser cường độ cao vào vật liệu xãy loạt hiệu ứng phi tuyến, chẳng hạn như: Sự tự chụm tia (sự tự hội tụ chùm tia), ion hóa đa photon, phát sóng hài bậc cao…vv [13], [14] • Quá trình ion hóa phi tuyến Khi chiếu chùm tia laser lượng thấp tới vật liệu xảy hấp thụ tuyến tính Nếu chiếu chùm tia laser lượng, electron liên kết hấp thụ lượng để trở thành electron tự do, gọi ion hóa phi tuyến Ion hóa phi tuyến bao gồm hai trình là: Ion hóa đa photon thác ion γ < 1,5 Ion hóa đa photon; γ = 1,5 ion hóa xuyên hầm; γ > 1,5 ion hóa vượt rào Hình 2-14 Biểu đồ ion hóa đa photon cho thông số Keldysh khác Ion hóa đa photon (gọi tắt MPI- multi-photon ionization) trình mà electron hấp thụ nhiều photon thời gian định, đủ lượng chúng vượt qua hàng có khả ion hóa (hình 2-13) Các tham số Keldysh dùng để phân loại ion hóa đa photon, phụ thuộc vào tần số cường độ laser tới chất vật liệu.[13] ω  mcnε Eg  γ=   e I  (2.36) Trong đó: ω tần số laser; I cường độ laser tiêu điểm; m độ giảm khối lượng; e điện tích electron ; c tốc độ ánh sang ; n chiết suất; ε số điện môi vật liệu; Eg độ chênh lệch lượng 43 Ion hóa đa photon làm gia tăng mật độ electron tự sau hấp thụ lượng laser, electron tự tăng theo cấp số nhân, cuối gây tia laser plasma, kết vật liệu bị phân hủy sau chịu xạ từ tia laser Ion hóa đa photon Ion hóa xuyên hầm Hình 2-15 Biểu đồ hình thành thác ion hóa • Sự tự chụm tia Chiết suất phi tuyến thay đổi theo tăng lên mật độ tia laser, cụ thể là: n = n0 + n2 I 2 Trong I = ε cn0 E n2 = (2.37) 3χ ( ) [13] 4ε cn02 Tham số n2 phụ thuộc hiệu ứng tự chụm tia tự biến điệu pha Khi n2 > môi trường lúc xem thấu kính hội tụ hội tụ xảy chùm tia truyền qua Nếu hội tụ chùm tia tới phân bố không đồng cường độ tự biến điệu pha dẫn đến việc tách chùm tia làm ảnh hưởng tới hình ảnh quang phổ thu Hiệu ứng Kerr liên tục phát làm tăng cường độ xung laser lúc dễ dàng nhìn thấy tự chụm tia xảy cân phân cực nhiễu xạ tự hội tụ Bằng cách tia sáng truyền tải dạng sợi (Hình 2-15) 44 Hình 2-16 Hình ảnh minh họa tự chụm tia a b Hình 2-17 Ví dụ tự chụm tia tinh thể (a) nước (b) Lí thuyết cổ điển, việc lấy tích phân B đặc trưng cho kích thước 2π tự hội tụ chùm tia B = λ ∫ γ I ( z ) dz Nó lí thuyết cho truyền dẫn quang phi tuyến [13] 2.4 Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152nm) vào lượng chùm laser kích thích theo thực nghiệm Trong luận văn này, tác giả với trợ giúp nhóm nghiên cứu đại học tổng hợp quốc gia Belasus sử dụng máy quang phổ phát xạ LSS-1 kích thích laser Nd:YAG hoạt động chế độ phát xung đôi để thu nhận liệu vạch phổ 396,152 nm nguyên tử Al I mẫu hợp kim nhôm D16 Máy quang phổ phát xạ 45 LSS-1 sản phẩm công ty LOTIS TII – Liên doanh Nhật Bản-Bêlarút, hình ảnh máy phòng thí nghiệm mô tả (hình 2-17) Hình 2-18 Hệ thống máy quang phổ phát xạ LSS-1 Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật máy quang phổ phát xạ LSS-1 Thông số kỹ thuật Nguồn kích thích Bước sóng laser kích thích Tần số lặp xung Độ dài xung Năng lượng bơm laser Năng lượng xung laser Thời gian dịch chuyển hai xung Thời gian chuyển tiếp Phạm vi bước sóng phân tích Nồng độ phần trăm tối thiểu nguyên Giá trị Laser xung đôi Nd:YAG 1064 nm 10 Hz ≈ 15 ns ÷ 12 J 10 ÷ 100 mJ ÷ 100 μs μs 190 ÷ 800 nm 10-6 – 10-4 % tố có mẫu Số lượng nguyên tố khảo sát Số mẫu Thời gian phân tích Tiết diện nhỏ chùm laser ≤ 90 1÷6 ≤ phút 50 μm bề mặt mẫu Nguyên tố chọn nghiên cứu Nhôm mẫu hợp kim D16 Theo liệu phổ Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ - NIST [15] Al có nhiều vạch phổ đặc trưng, không kể đến vạch Al I (396,152 nm) Dựa vào sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng hình 2-3 biết đặc tính phát xạ Al với mức lượng vạch cụ thể tương ứng Trong 46 số đó, vạch đặc trưng Al I (396,152nm) phép chuyển từ số hạng S (3s24s) số 2 hạng P (3s23p) Đây vạch có độ nhạy cao, dễ nhận biết bị nhiễu ứng dụng LIBS Mẫu kim loại Nhôm Al gắn vào máy quang phổ không khí điều kiện thường Máy quang phổ thiết lập thông số sau: E = 9,5J ÷ 17 J; ∆t = 130 μs; ∆t2 = 130 μs; n = xung Năng lượng bơm cho chùm laser kích thích điều chỉnh tăng dần 0,5 J Thực tế, lượng kích thích chùm laser tác động trực tiếp vào mẫu Al nhỏ nhiều mức lượng bơm, vài chục mJ, mát đường truyền Tuy nhiên mát ổn định không ảnh hưởng đến kết nghiên cứu Với giá trị lượng kích thích, thực lần đo cường độ phát xạ lần, sau lấy trung bình cộng Dữ liệu phổ máy tính ghi lại cách tự động thông qua phần mềm chuyên dụng (bảng 2-2) Bảng 2-2 Số liệu thực nghiệm Năng lượng (J) Lần Lần Lần Trung bình 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 744.7 1734.7 7113.6 12492.5 19958.5 27424.5 34575.8 41727.1 42918.9 44110.7 40578.0 37045.2 33655.9 30266.6 21110.0 744.7 781.9 1521.4 7069.3 11117.1 18956.4 26795.8 36304.6 43813.4 45064.8 46316.2 44606.9 41897.5 38338.7 32779.9 24165.5 23284.1 750.6 1760.6 6886.5 10672.4 18198.2 27723.9 34852.4 44060.9 47262.2 47463.6 42822.6 40221.6 32805.2 31468.7 19198.9 18352.8 759.1 1672.2 7023.1 11427.3 19037.7 27314.7 35244.3 43200.5 45082.0 45963.5 42669.1 39721.4 34933.3 31505.1 21491.5 20635.8 Trên sở liệu phổ thu dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) vào lượng chùm laser kích thích hình 2-18a 2-18b 47 I(a.u) E(J) 2-18a – Cường độ phổ lần đo I(a.u) E(J) 2-18b – Cường độ phổ trung bình Hình 2-19 Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al l (396,152 nm) vào lượng chùm laser kích thích Hình 2-18a thể kết thực nghiệm ba lần thực với máy quang phổ LSS-1 Các đường biễu diễn hình 2-18b cho thấy biến thiên cường độ phát xạ trung bình vạch phổ Al I (396,152 nm) lượng chùm laser kích thích tăng dần 48 Từ đồ thị 2-18a,b ta thấy lượng đèn bơm tăng từ 9,5 J đến 14 J, tức lượng chùm laser kích thích tăng chưa đủ lớn thì cường độ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) tăng tương đối nhanh; Sau cường độ phổ phát xạ giảm nhanh chóng lượng laser kích thích tăng (tương ứng với lượng bơm lớn 14 J) Từ những dữ liệu, số liệu thực nghiệm và đồ thị vẽ được với phân tích chúng ta khẳng định cường độ phát xạ của vạch Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào lượng của chùm laser kích thích Cụ thể: Khi lượng chùm laser kích thích tăng chưa đủ lớn thì cường độ vạch phát xạ Al I (396,152 nm) sẽ tăng dần; Đến một giá trị nào đó, lượng kích thích tăng đủ lớn thì cường độ vạch phát xạ không tăng nữa mà lại giảm dần Nguyên nhân của tượng này là rất nhiều quá trình plasma tạo nên, đó những quá trình sau là chủ yếu: Quá trình tự hấp thụ, ion hoá, quá trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay Kết giải thích sau: Khi xung laser kích thích đập vào mẫu hợp kim Nhôm D16, vật chất vùng bị đốt nóng nhanh chóng chuyển từ thể rắn sang plasma Trong vùng plasma nóng sáng Nhôm tồn chủ yếu dạng nguyên tử ion (Al, Al +, Al2+,…) trạng thái kích thích Nếu xét riêng ion Al+ chúng tồn nhiều trạng thái kích thích khác Các trạng thái kích thích tồn tại một khoảng thời gian ngắn, khoảng 10 -8 s, rồi sẽ trở về trạng thái có mức lượng thấp đồng thời phát xạ có bước sóng tương ứng Đối với vạch đặc trưng Al I (396,152 nm) phép chuyển từ số hạng S số hạng P Trong thời gian đó, có nhiều quá trình xảy vùng plasma: trình tự hấp thụ, ion hoá, quá trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay hơi, hiệu ứng chắn,… Xét mặt định lượng cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào mật độ nguyên tử Al có mẫu mà ta khảo sát theo công thức Lomakin – Scheibe: I = a C b 49 (2.38) Trong I cường độ vạch phổ khảo sát; C hàm lượng nguyên tố khảo sát mẫu; a số điều kiện thực nghiệm; b số chất vật mẫu phụ thuộc vào trình phân tích cụ thể So sánh hình 2-18a, 2-18b công thức (2.38) ta thấy lượng kích thích xuất tham số a Rõ ràng, hàm lượng Al, Al+, Al2+,… plasma tỷ lệ với cường độ chùm laser kích thích Hay nói cách khác, cường độ chùm laser lớn lượng vật chất giải phóng từ mẫu vào vùng plasma nhiều, cường độ vạch phổ phát xạ lớn Tuy vậy, mật độ Al, Al +, Al2+,… plasma lớn trình tự hấp thụ tăng lên nhanh chóng, làm cho cường độ phát xạ đến đầu thu máy quang phổ giảm mạnh Khi lượng cao, sườn trước xung laser có lượng đủ lớn để ion hóa hoàn toàn plasma, lúc đó, vùng hấp thụ chùm hình thành môi trường plasma, phần lượng sườn sau xung bị hấp thụ vùng Tức lượng toàn xung laser không sử dụng hiệu trình ion hóa mẫu nên dẫn đến cường độ phát xạ bão hòa chí suy giảm [9] Ngoài ra, cường độ chùm laser kích thích lớn, nhiệt độ plasma tăng nhanh trình ion hóa chiếm ưu so với trình khác Hiện tượng làm cho mật độ Al I giảm (mặc dù hàm lượng tổng cộng Al, Al +, Al2+,… palasma tăng) Quá trình định lượng hóa thông qua công thức Saha: [6], [14]  −E  x p  2π m  =  ÷ ( KT ) exp  j  1− x  h   KT  (2.39) x độ ion hóa nguyên tử nhiệt (hay bậc ion hoá) xác định theo công thức: x= N j0 N j + N0 (2.40) Với p áp suất khí (Pa); m khối lượng điện tử (9,1.10 -31 kg); h số Planck (6,626.10-34 J.s); K số Boltzmann (1,38.10 -23 J/K); T nhiệt độ khối 50 plasma (K); Ej lượng ion hoá (J); Nj0 số ion có đơn vị thể tích; N số nguyên tử trung hoà Hơn nữa, lượng kích thích lớn (năng lượng bơm vượt quá 14 J) thể tích khối plasma bùng nổ mức gây nên hiệu ứng chắn, tượng làm cho số lượng nguyên tử Al I nhận lượng kích thích giảm và kèm theo quá trình bay hơi, dẫn đến cường độ phát xạ vạch phổ Al I (393.366 nm) suy giảm Kết luận chương Trong chương này, trình bày tương tác laser với vật chất trình xảy hiệu ứng tuyến tính phi tuyến tính Dựa quan điểm học lượng tử mà tiền đề phương trình Schrodinger để xác định mức lượng tương ứng hệ Dựa tương tác L – S tìm trạng thái kích thích xây dựng sơ đồ cấu trúc mức lượng nguyên tử Al I Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lượng chùm laser kích Căn số liệu thực nghiệm dựng đồ thị phụ thuộc cường độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) vào lượng chùm laser kích thích Đồ thị cho thấy lượng bơm chùm laser tăng từ 9,5 J đến 14 J cường độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) tăng dần, sau cường độ vạch phổ giảm dần lượng chùm laser tiếp tục tăng 51 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn này, giới thiệu nguyên tắc phép đo phổ phát xạ nguyên tử, từ giới thiệu sơ lược kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử - LIBS Là kỹ thuật phân tích quang phổ sử dụng nguồn kích thích chùm tia laser xung để bắn phá vật mẫu nên kỷ thuật LIBS ngày sử dụng phổ biến có độ nhạy cao, đáp ứng hầu hết yêu cầu việc phân tích phổ phát xạ, đặc biệt kim loại Từ mục tiêu nghiên cứu luận văn, dẫn phương trình xác định cường độ phát xạ nguyên tử, cường độ vạch phổ phát xạ ion Làm tiền đề việc khảo sát phụ thuộc cường độ phổ phát xạ Al I (396,152nm) vào lượng chùm laser kích thích chương Trong chương 2, trình bày tương tác laser với vật chất trình xảy hiệu ứng tuyến tính phi tuyến tính Dựa quan điểm học lượng tử mà tiền đề phương trình Schrodinger để xác định mức 52 lượng tương ứng hệ Dựa tương tác L – S tìm trạng thái kích thích xây dựng sơ đồ cấu trúc mức lượng nguyên tử Al I Trên sở đó, khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lượng chùm laser kích Căn số liệu thực nghiệm dựng đồ thị phụ thuộc cường độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) vào lượng chùm laser kích thích Đồ thị cho thấy lượng bơm chùm laser tăng từ 9,5 J đến 14 J cường độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) tăng dần, sau cường độ vạch phổ giảm dần lượng chùm laser tiếp tục tăng Nguyên nhân của tượng này là rất nhiều quá trình plasma tạo nên, đó những quá trình sau là chủ yếu: Quá trình tự hấp thụ, ion hoá, quá trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Luận, Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Hà Nội, 2006 [2] Nguyễn Văn Đến, Quang phổ nguyên tử ứng dụng, NXB Trường ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2002 [3] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỷ thuật laser, NXB Giáo dục, 2008 [4] Nguyễn Thị Hiền, Theo dõi trình Tautome dạng Imino-Amino Cytosine xung laser siêu ngắn, Luận văn thạc sỹ vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên T.p Hồ Chí Minh, 2011 [5] Lương Thị Yến Nga, Các tác dụng học tưng tác giũa nguyên tử trường laser, Luận văn thạc sỹ vật lý, Trường Đại học Vinh 2013 [6] Trịnh Ngọc Hoàng, Quách Văn Phục, Nguyễn Bá Đương, Sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Ca II (393.366nm) vào lượng chùm laser kích thích, Thông tin Khoa học – Giáo dục, Trường Đại học Bạc Liêu Số 18 năm 2015, trang 7682 Tiếng Anh [7] Dr Krzysztof Jakubczak, Interaction Between Pulsed Laser and Materials, InTech Europe University Campus STeP Ri Slavka Krautzeka 83/A 51000 Rijeka, Croatia, 2011 [8] VK Unnikrishnan; Kamlesh Alti; VB Kartha; C Santhosh GP Gupta and BM Suri, Measurements of plasma temperature and electron density in laser-induced copper plasma by time-resolved spectroscopy of neutral atom and ion emissions, Centre for Atomic and Molecular Physics, Manipal University,India February 2010 [9] Nikoletta Jegenyés, Interaction between ultrashort laser pulses and metal or semimetal target materials, University of Szeged, Institute of Optics and Quantum Electronics Szeged, 2009 [10] H Hegazy, E A Abdel-Wahab, F M Abdel-Rahim, S H Allam, A M A, Laser-induced breakdown spectroscopy: technique, new features, and detection limits of trace elements in Al base alloy, Applied Physics B: Springer Berlin Heidelberg, pp 1–11, 2013 [11] Dr Dan C Dumitras, Nd YAG Laser, Published by InTech Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2012 54 [12] S.Musazzi; Perini, Laser-induced breakdown spectroscopy Theory and Applications, 2014 [13] Dr Krzysztof Jakubczak, Lasers - Applications in Science and Industry, Published by Intech Janeza Tridine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2011 [14] Krzysztof A Nowakowski, Laser beam interaction with materials for microscale applications, Publisher Worcester Polytechnic Institute, 2005 [15] Cổng thông tin điện tử Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ http://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/lines1.pl, Truy cập ngày 02/04/2015 [16] Clark, Charles W (2010), NIST Handbook of Mathematical Functions, Cambridge University Press, ISBN 978-0521192255 [17] Jaroslav Rasa, Radka Bicistova, Laser beam interaction with material surface,Czech Technical University in Prague Faculty of Mechanical Engineering, Research Center of Manufacturing Technology, Prague, Czech Republic, 2012 [18] Chris B Schaffer, Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Transparent Materials, The Department of Physics in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the subject of Physics Harvard University Cambridge, Massachusetts, May 2001 [19] Thomas Paul Dumont, Laser Interaction with materials: From transp arent materials to thin films, Dipl Chem Ing ETHZ, Eidgenössisch Technische Hochschule Zürich , 2006 55 [...]... phổ biến vì có độ nhạy cao, đáp ứng hầu hết các yêu cầu của việc phân tích phổ phát xạ, đặc biệt là đ i v i các kim lo i Từ mục tiêu nghiên cứu của luận văn, chúng t i đã dẫn ra các phương trình xác định cường độ phát xạ nguyên tử, cũng như cường độ vạch phổ phát xạ ion Làm tiền đề để cho việc khảo sát sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của Al I (396,15 2nm) vào năng lượng chùm laser kích thích ở chương... nặng độc h i trong m i trường, phân tích các nguyên tố vi lượng trong cơ thể, Trong tất cả các ứng dụng của LIBS, nếu ta sử dụng tác nhân kích thích là laser xung đ i thì cường độ của vạch phổ phát xạ phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như nồng độ nguyên tử có trong mẫu, i u kiện khảo sát của m i trường (nhiệt độ, áp suất,…), các đặc trưng của chùm laser kích thích (độ d i xung, năng lượng kích thích, ... lượng chùm laser kích thích ở chương 2 16 CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,125 nm) VÀO NĂNG LƯỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH 2.1 Cấu trúc phổ năng lượng của nguyên tử Theo quan i m lượng tử thì ánh sáng còn được g i là các photon hay các lượng tử ánh sáng Năng lượng của m i photon tỉ lệ v i tần số dao động của sóng i n từ tương ứng và được xác định bằng công thức Planck:... trạng th i E0 lên trạng th i Em; T là nhiệt độ của plasma (K) ; k là hằng số Bolzmans Nếu g i Ia là cường độ của vạch phổ do quá trình kích thích phổ đã n i ở trên sinh ra, thì trong một gi i hạn nhất định của nhiệt độ plasma và nồng độ của nguyên tố Ao trong plasma, ngư i ta thấy Ia phụ thuộc vào các thông số sau: Nm: Số nguyên tử AO đã bị kích thích lên trạng th i A* tm: Th i gian tồn t i của nguyên... trong vật liệu Khi ứng suất vượt quá một giá trị nhất định các vật liệu có thể bị biến dạng hoặc phá vở các m i liên kết Sự bức xạ năng lượng xung laser làm tăng nhiệt độ của vật liệu Giã sử nếu chiếu tia laser vuông góc v i bề mặt vât liệu thì nhiệt độ theo th i gian t và chiều sâu x sẽ là: ∆T ( x, t ) = 2 ( 1 − R ) α I 0 t x ierfc π k ρC kt ρC (2.26) Trong đó : t là th i gian chiếu xạ tia laser ; R... bộ kh i vật liệu được chiếu xạ sẽ tăng cường sự hấp thu năng lượng laser từ vật liệu Sau khi ion hóa kết thúc, các bức xạ hấp thụ ngược gây nên sự hấp thụ của plasma Sự t i kết tinh của các vật liệu ion hóa có thể gây ra những thay đ i trong cấu trúc vật chất b a (a) Các tác động của laser lên lớp màng mỏng SiO2 phủ trên tinh thể LiNbO3 (b) Hình dạng vi mô của một lỗ trên SiO2 khi chiếu xạ xung laser. .. khi chùm laser tương tác v i vật liệu 33 Sự tương tác giữa laser – vật chất là một chủ đề liên ngành và phức tạp Khi vật liệu được chiếu xạ bằng laser thì đầu tiên năng lượng laser sẽ được chuyển đ i thành năng lượng kích thích i n tử và sau đó truyền qua cho mạng tinh thể của vật liệu thông qua sự va chạm giữa các electron và mạng tinh thể Sự bức xạ năng lượng laser gây ra một loạt các hiệu ứng,... trạng th i h i Khi 14 bị kích thích, các nguyên tử và Ion sẽ phát ra một chùm bức xạ quang học gồm nhiều tia có bước sóng khác nhau nằm trong d i phổ quang học (190-110 0nm) Nếu thu, phân li và ghi chùm sáng đó l i ta sẽ được một d i phổ gồm các vạch phát xạ của nguyên tử và Ion của các nguyên tố có trong mẫu Trong tập hợp các vạch phổ đó, thì m i lo i nguyên tử hay Ion l i có một số vạch đặc trưng riêng... nguyên tắc của phương pháp phân tích quang phổ phát xạ đinh tính [1] Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng dựa trên cơ sở giữa nồng độ của nguyên tố cần ph i xác định và cường độ của vạch phổ phát xạ do nó phát ra, khi bị kích thích trong những i u kiện thích hợp, có m i liên hệ tuyến tính và đơn trị theo phương trình Lomakin – Scheibe (1.7): I = aC b = f (C ) Trong một gi i hạn... mức năng lượng của Nhôm như hình 2-3 Hình 2-4 Sơ đồ cấu trúc tinh tế các mức năng lượng của Al 26 2.3 Tương tác của chùm laser v i vật chất 2.3.1 Tương tác giữa trường laser v i nguyên tử và phân tử Tương tác phi tuyến của nguyên tử, phân tử đ i v i trường laser thể hiện ở sự phụ thuộc phi tuyến của độ phân cực cảm ứng của m i trường vào i n trường hoặc từ trường của nguồn bức xạ kích thích Độ ... nghiên cứu Khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,15 2nm) vào lượng chùm laser kích thích Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận i m làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Al kích thích. .. nghiên cứu luận văn, dẫn phương trình xác định cường độ phát xạ nguyên tử, cường độ vạch phổ phát xạ ion Làm tiền đề việc khảo sát phụ thuộc cường độ phổ phát xạ Al I (396,15 2nm) vào lượng chùm. .. 2: khảo sát phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lượng chùm laser kích thích PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ Phổ phát xạ nguyên tử sản phẩm sinh