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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH - BÙI VĂN ĐẶNG KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƢỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,152 nm) VÀO NĂNG LƢỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH Chuyên ngành: Mã số: Quang học 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS TRỊNH NGỌC HOÀNG Nghệ An, 2015 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành tốt khóa học luận văn này, nhận đƣợc động viên, giúp đỡ từ thầy cơ, gia đình bạn bè Thơng qua luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất ngƣời Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn TS Trịnh Ngọc Hồng Thầy tận tình hƣớng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực luận văn Qua tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu Trƣờng THPT Tây Ninh, Tổ Vật Lý Trƣờng 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 - Trƣờng Đại học Vinh nhiệt tình giảng dạy, truyền thụ kiến thức khoa học thời gian tham gia học tập nhà trƣờng Tôi xin cảm ơn tất học viên cao học khóa 21 ngành Quang học Trƣờng 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 MỞ ĐẦU CHƢƠNG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ 1.2 Cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tử 10 1.3 Kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử - LIBS 13 1.4 Phân tích định tính định lượng phương pháp đo phổ phát xạ nguyên tử (AES) 14 Kết luận chƣơng 16 CHƢƠNG KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƢỜNG ĐỘ PHÁT XẠ 17 CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,125 nm) VÀO NĂNG LƢỢNG CHÙM LASER KÍCH THÍCH 17 2.1 Cấu trúc phổ lượng nguyên tử 17 2.2 Cấu trúc mức lượng Nhôm 20 2.3 Tương tác chùm laser với vật chất 27 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 44 Kết luận chƣơng 51 KẾT LUẬN CHUNG 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 BẢNG DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ký hiệu AES HHG LSCW LSDW LIP LIBS Diễn giải Atomic Emission Spectrocopy (Phƣơng 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 q trình phân tích LIBS [10] 14 Hình 2-1 Giản đồ mức lượng hệ vi mô 18 Hình 2-2 Sơ đồ tạo thành vạch phổ 396,152 nm 394,400 nm Al 26 Hình 2-3 Sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lượng Al 26 Hình 2-4 Các chế ion hóa .30 Hình 2-5 Các trình lý hóa xảy chùm laser tương tác với vật liệu 32 Hình 2-6 Động học plasma chùm laser tương tác với vật mẫu .34 Hình 2-7 Vết lõm nhiệt độ nóng chảy màng mỏng SiO2 phủ lên linh kiện chiếu xạ chùm laser Nd: YAG [7] .35 Hình 2-8 Các tác động laser lên lớp màng mỏng SiO2 phủ tinh thể LiNbO3 35 Hình 2-9 Plasma hình thành sau nóng chảy, bay .37 Hình 2-10 Sơ đồ mơ tả tạo thành thể lỏng, tác động chùm tia laser lên bề mặt mẫu vật rắn 38 Hình 2-11 Ảnh chụp vùng plasma tạo laser Nd: YAG cỡ nano giây 39 Hình 2-12 Sơ đồ mô tả mở rộng vùng plasma bán cầu 40 Hình 2-13 Biểu đồ ion hóa đa photon cho thông số Keldysh khác 42 Hình 2-14 Biểu đồ hình thành thác ion hóa 43 Hình 2-15 Hình ảnh minh họa tự chụm tia .44 Hình 2-16 Ví dụ tự chụm tia tinh thể (a) nước (b) 44 Hình 2-17 Hệ thống máy quang phổ phát xạ LSS-1 45 Hình 2-18 Sự phụ thuộc cường độ phát vạch phổ Al l (396,152 nm) vào lượng chùm laser kích thích 48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật máy quang phổ phát xạ LSS-1 45 Bảng 2-2 Số liệu thực nghiệm 46 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Phƣơng pháp đo phổ phát xạ nguyên tử (AES - Atomic Emission Spectrocopy) phƣơng pháp phổ dựa việc đo bƣớc sóng, cƣờng độ đặc trƣng khác xạ điện từ nguyên tử hay ion trạng thái phát chúng chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái đƣợc Bunsen Kirchoff phát minh vào kỷ 19 [1],[2] Từ đƣợc phát minh, phƣơng pháp AES đóng góp quan trọng vào việc phát nguyên tố hóa học vào cuối kỷ 19, đầu kỷ 20 Phƣơng pháp đƣợc ứng dụng vào mục đích phân tích định tính, bán định lƣợng định lƣợng hầu hết kim loại nhiều nguyên tố phi kim loại với độ nhạy thƣờng tới cấp hàm lƣợng 0,001% hàm lƣợng thấp [1] Một nét đặc thù phƣơng pháp AES phân tích đƣợc nhiều ngun tố lần phân tích phân tích nguyên tố đối tƣợng xa dựa vào ánh sáng phát xạ từ đối tƣợng Nhƣ biết kim loại nhơm đƣợc sử dụng nhiều tính theo số lƣợng lẫn giá trị (vƣợt tất kim loại khác, trừ sắt) Nhơm đóng vai trị quan trọng kinh tế giới, hợp kim nhôm nhẹ bền đƣợc dùng để chế tạo chi tiết phƣơng tiện vận tải (ô tô, máy bay, tàu biển ) Nhôm siêu tinh khiết đƣợc sử dụng công nghiệp điện tử sản xuất đĩa CD Phản ứng nhiệt nhơm dùng để điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (nhƣ crơm, Vonfram ) Có thể nói kim loại nhơm có mặt hầu hết ngành nghề, lĩnh vực khác kể thể sống ngƣời [1] Do việc khảo sát có mặt hàm lƣợng kim loại nhơm vật liệu nói riêng mẫu vật nói chung quan trọng Ta biết, phổ phát xạ kim loại nhơm nói riêng nguyên tố nói chung phụ thuộc nhiều vào yếu tố nhƣ nồng độ nguyên tố mẫu, điều kiện khảo sát môi trƣờng (nhiệt độ, áp suất, ), đặc trƣng chùm laser kích thích (độ dài xung, lƣợng kích thích, thời gian trễ,…) [2] Chính mà việc khảo sát phổ phát xạ kim loại nói chung nhơm nói riêng vấn đề đƣợc ngƣời quan tâm Với mục đích tơi chọn đề tài "Khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152nm) vào lƣợng chùm laser kích thích" để làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục tiêu, mục đích nghiên cứu Khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152nm) vào lƣợng chùm laser kích thích Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận điểm làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Al đƣợc kích thích chùm laser xung Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lƣợng nguyên tử Al I sở nghiên cứu đặc trƣng tƣơng tác [L, S]; Mơ tả q trình vật lý xảy chùm laser tƣơng 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 cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al (396,152 nm) vào lƣợng chùm laser kích thích Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nội dung luận văn giới hạn việc xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lƣợng nguyên tử Al I; Khảo sát tác động lƣợng chùm laser kích thích lên cƣờng 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 – Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận văn này, sử dụng kết hợp phƣơng pháp lý thuyết phƣơng pháp thực nghiệm Phƣơng pháp lý thuyết đƣợc sử dụng kết hợp với phƣơng pháp thu thập xử lý thông tin từ nhiều nguồn liệu tin cậy để xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lƣợng nguyên tử Al I Phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc sử dụng máy quang phổ LSS-1 áp dụng kỹ thuật LIBS để khảo sát ghi số liệu cƣờng độ vạch phổ phát xạ dƣới tác động chùm laser với giá trị lƣợng kích thích khác Từ đó, chúng tơi xử lí số liệu dựng đồ thị nhờ trợ giúp gói phần mềm microsoft office 2013 Giả thuyết khoa học Chúng cho cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào lƣợng kích thích chùm laser xung đơi Căn đặc điểm động học tƣơng tác chùm laser với vật mẫu q trình lý hóa xảy plasma, chúng tơi cho rằng, lƣợng kích thích tăng dần, cƣờng 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 đƣợc trình bày theo chƣơng: Chƣơng 1: Phổ phát xạ nguyên tử Chƣơng 2: khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lƣợng chùm laser kích thích CHƢƠNG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ Phổ phát xạ nguyên tử sản phẩm sinh tƣơng tác nguồn lƣợng với vật chất, mà nguyên tử tự trạng thái khí với nguồn lƣợng phù hợp Nhƣng k h i t ƣ n g t c b i nguồn sáng, khơng phải có ngun 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 lƣợng Vì vậy, phổ phát xạ vật mẫu ln 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 phƣơng pháp phân tích dựa sở đo phổ phát xạ nguyên tử phải bao gồm bƣớc nhƣ sau:  Trƣớc hết mẫu phân tích cần đƣợc chuyển thành (khí) nguyên tử hay ion tự mơi trƣờng kích thích Đó q trình hóa nguyên tử hóa mẫu Sau dùng nguồn lƣợng phù hợp để kích thích đám để chúng phát xạ Đấy q trình kích thích phổ mẫu  Thu, phân 1i ghi toàn phổ phát xạ vật mẫu nhờ máy quang phổ Trƣớc đây, phổ đƣợc ghi lên kính ảnh hay phim ảnh Chính máy quang phổ làm nhiệm vụ Nhƣng trang bị đại ngày thu ghi trực tiếp tín hiệu cƣờng độ phát xạ vạch phổ dƣới dạng lực băng giấy hay sóng cƣờng độ vạch phổ máy in, ghi lại vào đĩa từ máy tính  Đánh giá phổ ghi mặt định tính định lƣợng 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 ngƣời ta phải cần hệ thống trang bị gồm ba phần tƣơng ứng nhƣ  Phần 1: Nguồn lƣợng để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu kích thích phổ mẫu phân tích, để có phổ ngun 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 lƣợng thị hay biểu thị kết  Đối với trang bị hồn chỉnh phải có thêm phận sau: Bộ tự động bơm, hệ máy tính phần mềm 1.2 Cƣờng độ vạch phổ phát xạ nguyên tử Trong nguồn phát sáng hay plasma, nguyên tử (Ao) nguyên tố đƣợc kích thích từ trạng thái lƣợng thấp E0 lên trạng thái lƣợng cao Em đƣợc biểu diễn theo phƣơng 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 khơng 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 ngƣợc lại, tức nguyên tử bị kích thích A* giải phóng lƣợng mà nhận đƣợc dƣới dạng tia phát xạ để trở trạng thái lƣợng thấp bền vững ban đầu Chính q trình q trình phát xạ nguyên tử sinh phổ phát xạ nguyên tử, đƣợc biểu diễn theo phƣơng 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 khơng 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 khơng đổi, ứng với nhiệt độ xác định plasma 10 Hình 0-12 Sơ đồ mô tả mở rộng vùng plasma bán cầu Bán kính mở rộng sóng xung kích áp suất trung bình đƣợc cho phƣơng trình: [11], [18] RSW  E0  52  0   t  0  (2.30) Trong đó:  số nhiệt dung riêng; E0 lƣợng đƣợc giải phóng sau chiếu xạ laser vào vật liệu;  mật độ plasma [11] Bán kính chùm plasma rộng đƣợc xác định theo phƣơng trình: RDF  R0 1  exp   t  (2.31) Trong đó: R0 khoảng cách chùm plasma;  hệ số làm chậm [ Q trính hình thành sóng xung kích gồm hai giai đoạn: [13] - Khi t   sóng xung kích bắt đầu hình thành cắt bỏ vật liệu laser, xung laser lƣợng cao cắt bỏ làm nổ vật mẫu để hình plasma Lúc plasma đƣợc mở rộng nhanh chóng tạo sóng xung kích, sóng xung kích tiếp tục hấp thụ lƣợng laser tạo sóng xung kích thứ cấp Khi t   , tốc độ sóng xung kích nhận giá trị cực đại ta kết thúc việc chiếu xạ laser [13], [14], [19] R  t   A0  E  t   40      2 v  t      2 v  t   (2.32) Trong đó: A0  A  1       2 v  ;  tỷ số lƣợng sóng xung kích biến đổi thành lƣợng xung laser - Khi t   giai đoạn đƣợc đặc trƣng với bùng nổ lan truyền sóng xung kích khơng khí Điều đƣợc thực nghiệm chứng minh sóng xung kích cuối biến đổi thành xung âm để lan truyền khơng khí     n   R  t   A1  t    1   exp  k      R0 t    t          (2.33)  v     A0   2v     E  t   2v  , k,  , n số [13] Trong đó: A1     2v  Khi kết thúc xạ tia laser, khơng có lƣợng đƣợc bổ sung trình lan truyền sóng xung kích Lúc đó, bán kính sóng xung kích tiếp tục tăng nhƣng vận tốc truyền sóng xung kích giảm cƣờng độ sóng xung kích giảm theo.[13] Mặt khác xạ laser xạ điện từ biểu diễn dƣới véc tơ điện trƣờng từ trƣờng Khi sóng laser xạ lên bề mặt vật chất xảy phản xạ lan truyền Một số xạ đƣợc truyền đi, số bị phản xạ số xạ đƣợc hấp thụ Khi qua mơi trƣờng bị hấp thụ theo định luật Lambert –Beer: [14] I  I 0e  z (2.34) Trong đó:  hệ số hấp thụ (phụ thuộc vào môi trƣờng); I cƣờng độ chùm xạ Khi cƣờng 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 đƣợc tính theo phƣơng trình Saha-Eggert: [14]  E  ne ni g e gi  2 me kbTe   exp   i  n0 g0 h  kbTe  (2.35) Trong đó: ne, ni, n0 lần lƣợt mật độ electron, mật độ ion mật độ nguyên tử trung hòa; Te nhiệt độ electron; ge, gi, g0 lần lƣợt hệ số suy biến 41 electron, ion nguyên tử trung hòa; Ei lƣợng ion hóa nguyên tử; me khối lƣợng electron; kb số Boltzman [14], [18] b Ảnh hƣởng hiệu ứng phi tuyến Khi chiếu xạ laser cƣờng độ cao vào vật liệu xãy loạt hiệu ứng phi tuyến, chẳng hạn nhƣ: Sự tự chụm tia (sự tự hội tụ chùm tia), ion hóa đa photon, phát sóng hài bậc cao…vv [13], [14]  Q trình ion hóa phi tuyến Khi chiếu chùm tia laser lƣợng thấp tới vật liệu xảy hấp thụ tuyến tính Nếu chiếu chùm tia laser lƣợng, electron liên kết hấp thụ lƣợng để trở thành electron tự do, cịn gọi ion hóa phi tuyến Ion hóa phi tuyến bao gồm hai q trình là: Ion hóa đa photon thác ion   1,5 Ion hóa đa photon;   1,5 ion hóa xuyên hầm;   1,5 ion hóa vƣợt rào Hình 0-13 Biểu đồ ion hóa đa photon cho thơng số Keldysh khác Ion hóa đa photon (gọi tắt MPI- multi-photon ionization) trình mà electron hấp thụ nhiều photon thời gian định, đủ lƣợng chúng vƣợt qua hàng có khả ion hóa (hình 2-13) Các tham số Keldysh đƣợc dùng để phân loại ion hóa đa photon, phụ thuộc vào tần số cƣờng độ laser tới chất vật liệu.[13]    mcn Eg   e I 42   (2.36) Trong đó:  tần số laser; I cƣờng độ laser tiêu điểm; m độ giảm khối lƣợng; e điện tích electron ; c tốc độ ánh sang ; n chiết suất;  số điện môi vật liệu; Eg độ chênh lệch lƣợng Ion hóa đa photon làm gia tăng mật độ electron tự sau hấp thụ lƣợng laser, lần lƣợt 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 0-14 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 (2.37) 3   Trong I   0cn0 E n2  [13] 4 cn02 Tham số n2 phụ thuộc hiệu ứng tự chụm tia tự biến điệu pha Khi n2 > môi trƣờng lúc đƣợc xem nhƣ thấu kính hội tụ hội tụ xảy chùm tia đƣợc truyền qua Nếu hội tụ chùm tia tới phân bố không đồng cƣờng độ tự biến điệu pha dẫn đến việc tách chùm tia làm ảnh hƣởng tới hình ảnh quang phổ thu đƣợc Hiệu ứng Kerr liên tục đƣợc phát làm tăng cƣờng độ xung laser lúc dễ dàng nhìn thấy tự chụm tia xảy cân phân cực nhiễu xạ tự hội tụ Bằng cách tia sáng đƣợc truyền tải dƣới dạng sợi (Hình 2-15) 43 Hình 0-15 Hình ảnh minh họa tự chụm tia a b Hình 0-16 Ví dụ tự chụm tia tinh thể (a) nước (b) Lí thuyết cổ điển, việc lấy tích phân B đặc trƣng cho kích thƣớc tự hội tụ chùm tia B  2 0   I  z  dz Nó lí thuyết cho truyền dẫn quang phi tuyến [13] 2.4 Khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152nm) vào lƣợng 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 LSS-1 44 sản phẩm cơng ty LOTIS TII – Liên doanh Nhật Bản-Bêlarút, hình ảnh máy phịng thí nghiệm đƣợc mơ tả (hình 2-17) Hình 0-17 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 Giá trị Nguồn kích thích Laser xung đơi Nd:YAG Bƣớc sóng laser kích thích 1064 nm Tần số lặp xung 10 Hz Độ dài xung  15 ns Năng lƣợng bơm laser ÷ 12 J Năng lƣợng xung laser 10 ÷ 100 mJ Thời gian dịch chuyển hai xung ÷ 100 μs Thời gian chuyển tiếp μs Phạm vi bƣớc sóng phân tích 190 ÷ 800 nm Nồng độ phần trăm tối thiểu nguyên 10-6 – 10-4 % tố có mẫu Số lƣợng nguyên tố khảo sát ≤ 90 Số mẫu 1÷6 Thời gian phân tích ≤ phút Tiết diện nhỏ chùm laser 50 μm bề mặt mẫu 45 Nguyên tố đƣợc 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 trƣng, khơng thể khơng kể đến vạch Al I (396,152 nm) Dựa vào sơ đồ cấu trúc tinh tế mức lƣợng hình 2-3 biết đƣợc đặc tính phát xạ Al với mức lƣợng vạch cụ thể tƣơng ứng Trong số đó, vạch đặc trƣng Al I (396,152nm) phép chuyển từ số hạng S (3s24s) số hạng P (3s23p) Đây vạch có độ nhạy cao, dễ nhận biết bị nhiễu ứng dụng LIBS Mẫu kim loại Nhôm Al đƣợc gắn vào máy quang phổ khơng khí điều kiện thƣờng Máy quang phổ đƣợc thiết lập thông số nhƣ sau: E = 9,5J ÷ 17 J; ∆t1 = 130 μs; ∆t2 = 130 μs; n = xung Năng lƣợng bơm cho chùm laser kích thích đƣợc điều chỉnh tăng dần 0,5 J Thực tế, lƣợng kích thích chùm laser tác động trực tiếp vào mẫu Al nhỏ nhiều mức lƣợng bơm, vài chục mJ, mát đƣờng truyền Tuy nhiên mát ổn định không ảnh hƣởng đến kết nghiên cứu Với giá trị lƣợng kích thích, chúng tơi thực lần đo cƣờng độ phát xạ lần, sau lấy trung bình cộng Dữ liệu phổ đƣợc máy tính ghi lại cách tự động thông qua phần mềm chuyên dụng (bảng 2-2) Bảng 2-2 Số liệu thực nghiệm Năng lƣợng (J) Lần Lần Lần Trung bình 9.5 744.7 781.9 750.6 759.1 10 1734.7 1521.4 1760.6 1672.2 10.5 7113.6 7069.3 6886.5 7023.1 11 12492.5 11117.1 10672.4 11427.3 11.5 19958.5 18956.4 18198.2 19037.7 12 27424.5 26795.8 27723.9 27314.7 12.5 34575.8 36304.6 34852.4 35244.3 46 13 41727.1 43813.4 44060.9 43200.5 13.5 42918.9 45064.8 47262.2 45082.0 14 44110.7 46316.2 47463.6 45963.5 14.5 40578.0 44606.9 42822.6 42669.1 15 37045.2 41897.5 40221.6 39721.4 15.5 33655.9 38338.7 32805.2 34933.3 16 30266.6 32779.9 31468.7 31505.1 16.5 21110.0 24165.5 19198.9 21491.5 17 744.7 23284.1 18352.8 20635.8 Trên sở liệu phổ thu đƣợc dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào lƣợng chùm laser kích thích hình 2-18a 2-18b 2-18a I(a.u) 60000.0 50000.0 40000.0 30000.0 20000.0 10000.0 E(J) 0.0 10 11 12 13 lan 14 lan 15 lan 2-18a – Cƣờng độ phổ lần đo 47 16 17 18 2-18b I(a.u) 50.000 45.000 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 E(J) 00 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2-18b – Cƣờng độ phổ trung bình Hình 0-18 Sự phụ thuộc cường độ phát 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 đƣờng biễu diễn hình 2-18b cho thấy biến thiên cƣờng độ phát xạ trung bình vạch phổ Al I (396,152 nm) lƣợng chùm laser kích thích tăng dần Từ đồ thị 2-18a,b ta thấy lƣợng đèn bơm tăng từ 9,5 J đến 14 J, tức lƣợng chùm laser kích thích tăng nhƣng chƣa đủ lớn cƣờng độ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) tăng tƣơng đối nhanh; Sau cƣờng độ phổ phát xạ giảm nhanh chóng lƣợng laser kích thích tăng (tƣơng ứng với lƣợng bơm lớn 14 J) Từ liệu, số liệu thực nghiệm đồ thị vẽ đƣợc với phân tích khẳng định cƣờng độ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào lƣợng chùm laser kích thích Cụ thể: Khi lƣợng chùm laser kích thích tăng nhƣng chƣa đủ lớn cƣờng độ vạch phát xạ Al I (396,152 nm) tăng dần; Đến giá trị đó, lƣợng kích thích tăng đủ lớn cƣờng độ vạch phát xạ khơng tăng mà lại giảm dần Nguyên nhân tƣợng nhiều trình plasma tạo nên, q trình sau chủ yếu: 48 Q trình tự hấp thụ, ion hố, q trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), q trình bay Kết đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi xung laser kích thích đập vào mẫu hợp kim Nhơm 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 khoảng thời gian ngắn, khoảng 10-8 s, trở trạng thái có mức lƣợng thấp đồng thời phát xạ có bƣớc sóng tƣơng ứng Đối với vạch đặc trƣng Al I (396,152 nm) phép chuyển từ số hạng S số hạng P Trong thời gian đó, có nhiều trình xảy vùng plasma: trình tự hấp thụ, ion hố, q trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm ngun tố mẫu khơng khí), trình bay hơi, hiệu ứng chắn,… Xét mặt định lƣợng cƣờng 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 Cb (2.38) Trong I cƣờng độ vạch phổ khảo sát; C hàm lƣợng nguyên tố khảo sát mẫu; a số điều kiện thực nghiệm; b số chất vật mẫu phụ thuộc vào q trình phân tích cụ thể So sánh hình 2-18a, 2-18b cơng thức (2.38) ta thấy lƣợng kích thích xuất tham số a Rõ ràng, hàm lƣợng Al, Al+, Al2+,… plasma tỷ lệ với cƣờng độ chùm laser kích thích Hay nói cách khác, cƣờng độ chùm laser lớn lƣợng vật chất đƣợc giải phóng từ mẫu vào vùng plasma nhiều, cƣờng độ vạch phổ phát xạ lớn Tuy vậy, mật độ Al, Al+, Al2+,… plasma lớn q trình tự hấp thụ tăng lên nhanh chóng, làm cho cƣờng độ phát xạ đến đƣợc đầu thu máy quang phổ giảm mạnh 49 Khi lƣợng cao, sƣờn trƣớc xung laser có lƣợng đủ lớn để ion hóa hồn tồn plasma, nhƣng lúc đó, vùng hấp thụ chùm hình thành mơi trƣờng plasma, phần lƣợng sƣờn sau xung bị hấp thụ vùng Tức lƣợng tồn xung laser khơng đƣợc sử dụng hiệu q trình ion hóa mẫu nên dẫn đến cƣờng độ phát xạ bão hòa chí suy giảm [9] Ngồi ra, cƣờng độ chùm laser kích thích lớn, nhiệt độ plasma tăng nhanh q trình ion hóa chiếm ƣu so với trình khác Hiện tƣợng làm cho mật độ Al I giảm (mặc dù hàm lƣợng tổng cộng Al, Al+, Al2+,…trong palasma tăng) Q trình đƣợc định lƣợng hóa thơng qua công thức Saha: [6], [14]  E j  x p  2 m  2  KT exp        x2  h2   KT  (2.39) x độ ion hóa nguyên tử nhiệt (hay bậc ion hố) đƣợc xác định theo công thức: x N j0 N j  N0 (2.40) Với p áp suất khí (Pa); m khối lƣợng 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 plasma (K); Ej lƣợng ion hố (J); Nj0 số ion có đơn vị thể tích; N0 số nguyên tử trung hồ Hơn nữa, lƣợng kích thích q lớn (năng lƣợng bơm vƣợt 14 J) thể tích khối plasma bùng nổ mức gây nên hiệu ứng chắn, tƣợng làm cho số lƣợng nguyên tử Al I nhận đƣợc lƣợng kích thích giảm kèm theo q trình bay hơi, dẫn đến cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (393.366 nm) suy giảm 50 Kết luận chƣơng Trong chƣơng này, chúng tơi trình bày tƣơng tác laser với vật chất trình xảy nhƣ hiệu ứng tuyến tính phi tuyến tính Dựa quan điểm học lƣợng tử mà tiền đề phƣơng trình Schrodinger để xác định mức lƣợng tƣơng ứng hệ Dựa tƣơng tác L – S tơi tìm trạng thái kích thích xây dựng sơ đồ cấu trúc mức lƣợng nguyên tử Al I Khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lƣợng chùm laser kích Căn số liệu thực nghiệm dựng đồ thị phụ thuộc cƣờng độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) vào lƣợng chùm laser kích thích Đồ thị cho thấy lƣợng bơm chùm laser tăng từ 9,5 J đến 14 J cƣờng độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) tăng dần, sau cƣờng độ vạch phổ giảm dần lƣợng 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 lƣợc 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 đƣợc 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 phƣơng trình xác định cƣờng độ phát xạ nguyên tử, nhƣ cƣờng độ vạch phổ phát xạ ion Làm tiền đề việc khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phổ phát xạ Al I (396,152nm) vào lƣợng chùm laser kích thích chƣơng Trong chƣơng 2, chúng tơi trình bày tƣơng tác laser với vật chất trình xảy nhƣ hiệu ứng tuyến tính phi tuyến tính Dựa quan điểm học lƣợng tử mà tiền đề phƣơng trình Schrodinger để xác định mức lƣợng tƣơng ứng hệ Dựa tƣơng tác L – S tơi tìm trạng thái kích thích xây dựng sơ đồ cấu trúc mức lƣợng nguyên tử Al I Trên sở đó, chúng tơi khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lƣợng chùm laser kích Căn số liệu thực nghiệm dựng đồ thị phụ thuộc cƣờng độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) vào lƣợng chùm laser kích thích Đồ thị cho thấy lƣợng bơm chùm laser tăng từ 9,5 J đến 14 J cƣờng độ vạch phát xạ Al I (396,152nm) tăng dần, sau cƣờng độ vạch phổ giảm dần lƣợng chùm laser tiếp tục tăng Nguyên nhân tƣợng nhiều trình plasma tạo nên, q trình sau chủ yếu: Quá trình tự hấp thụ, ion hố, q trình kết hợp ngun tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu khơng khí), q trình bay 52 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 Trƣờng 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, Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên T.p Hồ Chí Minh, 2011 [5] Lƣơng Thị Yến Nga, Các tác dụng học tưng tác giũa nguyên tử trường laser, Luận văn thạc sỹ vật lý, Trƣờng Đại học Vinh 2013 [6] Trịnh Ngọc Hoàng, Quách Văn Phục, Nguyễn Bá Đƣơng, Sự phụ thuộc cường độ phát vạch phổ Ca II (393.366nm) vào lượng chùm laser kích thích, Thơng tin Khoa học – Giáo dục, Trƣờng 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, 53 51000 Rijeka, Croatia, 2012 [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 54 ... việc khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phổ phát xạ Al I (396,15 2nm) vào lƣợng chùm laser kích thích chƣơng 16 CHƢƠNG KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CƢỜNG ĐỘ PHÁT XẠ CỦA VẠCH PHỔ Al I (396,125 nm) VÀO NĂNG LƢỢNG... cứu Khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,15 2nm) vào lƣợng chùm laser kích thích Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận ? ?i? ??m làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Al đƣợc kích thích. .. tử Chƣơng 2: khảo sát phụ thuộc cƣờng độ phát xạ vạch phổ Al I (396,125 nm) vào lƣợng chùm laser kích thích CHƢƠNG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 1.1 Nguyên tắc phép đo phổ phát xạ Phổ phát xạ nguyên tử