trễ của chùm laser xung đôi
Trong nghiên cứu này mẫu hợp kim Nhôm D16 được gắn vào cụm quang-cơ của máy quang phổ LSS-1 trong không khí ở điều kiện thường. Máy quang phổ được thiết lập các thông số như sau: năng lượng E = 12 J; thời gian bắn xung laser thứ nhất sau khi khởi động laser t1 = 130 μs; thời gian trễ giữa xung laser thứ hai và xung laser thứ nhất được thay đổi trong khoảng ∆t = 0 ÷ 19 μs; số laser xung đôi bắn vào vật mẫu n = 5 xung. Thời gian trễ của laser xung đôi kích thích được điều chỉnh tăng 1 μs sau mỗi lần bắn phá vật mẫu. Chúng ta cần chú ý, mỗi thành phần laser xung trong laser xung đôi được chiếu thẳng, vuông góc với vật mẫu. Phương tác động của các xung laser lên vật mẫu được mô tả như hình (1.7a).
Với mỗi một giá trị thời gian trễ của laser xung đôi kích thích, chúng tôi thực hiện 3 lần và đo cường độ phát xạ trong cả 3 lần, sau đó lấy trung bình cộng. Dữ liệu phổ được máy tính ghi lại một cách tự động thông qua phần mềm chuyên
0 1 2 3 4 5
Cx
Ix
dụng của hãng LOTIS TII. Số liệu thực nghiệm được ghi nhận vào ngày 13/01/2015 và với sự trợ giúp của nhóm nghiên cứu ở Đại học Tổng hợp Quốc gia Berarus trình bày như trong bảng số liệu:
Bảng 2.3 – Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ phát xạ của vạch Al I (396,152 nm) tương ứng với thời gian trễ khác nhau.
( s) t 0 1 2 3 4 Lần 1 27424,5 34284,4 36734,5 51503,8 59119,9 Lần 2 27439,54 34496,88 36817,54 51765,35 49395,92 Lần 3 27380,21 34019,33 36210,54 50682,46 48069,70 ( s) t 5 6 7 8 9 Lần 1 53892,5 62847,2 67007,8 66023,2 61093,0 Lần 2 54161,54 63081,73 67285,77 76276,15 61338,50 Lần 3 52648,43 61334,95 66909,77 71893,71 66440,72 ( s) t 10 11 12 13 14 Lần 1 60118,2 54993,6 56160,1 57013,8 57494,2 Lần 2 59951,65 54715,62 55959,08 56851,77 47302,73 Lần 3 68087,99 56925,84 58590,63 58625,10 59175,51 ( s) t 15 16 17 18 19 Lần 1 53886,5 53572,4 49884,8 48224,5 50254,9 Lần 2 53787,04 53405,38 49804,27 48159,46 30157,42 Lần 3 55557,04 55529,94 51385,60 49147,35 41338,31
Trên cơ sở dữ liệu phổ thu được chúng tôi đã dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ của laser xung đôi kích thích ở hình (2.7a) và (2.7b).
Hình 2.7 – Sự phụ thuộc của cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ của laser xung đôi:
a – Cường độ vạch phổ mỗi lần đo; b – Cường độ vạch phổ trung bình.
I (a.u.) a) I (a.u.) b) ∆t (μs) ∆t (μs)
Hình (2.7a) thể hiện kết quả thực nghiệm trong ba lần thực hiện với máy quang phổ LSS-1. Các đường biễu diễn trên hình (2.7a) cho thấy sự biến thiên cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) khi thời gian trễ của laser xung đôi được thay đổi tăng dần. Hình (2.7b) là biều đồ sử dụng số liệu trung bình của ba lần đo.
Từ các đồ thị (2.7a), (2.7b) ta thấy khi thời gian trễ của laser xung đôi kích thích là có ảnh hưởng đến cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm). Cụ thể là khi ta tăng thời gian trễ từ 0 đến 8 μs thì cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) cũng tăng tương đối nhanh, và cường độ phát xạ đạt cực đại khi thời gian trễ được điều chỉnh tại giá trị 8 μs; Sau đó cường độ phổ phát xạ giảm nhanh chóng mặc dù thời gian trễ của chùm laser xung đôi kích thích vẫn tăng (tương ứng thời gian trễ ∆t > 8 μs ).
Kết quả này có thể được giải thích như sau: khi xung laser thứ nhất của laser xung đôi đập vào mẫu hợp kim Nhôm D16, vật chất vùng này bị đốt nóng và nhanh chóng chuyển từ thể rắn sang plasma (có thể gọi đây là khối plasma thứ nhất). Trong vùng plasma nóng sáng này Nhôm tồn tại chủ yếu ở dạng nguyên tử và các ion (Al+, Al2+,…) trong trạng thái kích thích. Nếu chỉ xét riêng các nguyên tử Al I thì nguyên tử này có thể tồn tại ở rất nhiều trạng thái kích thích khác nhau như hình 1.6. Các trạng thái kích kích tồn tại một khoảng thời gian ngắn, khoảng 10-8 s, rồi sẽ trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và đồng thời phát bức xạ có bước sóng tương ứng. Nhưng sau khi laser xung thứ nhất tương tác một khoảng thời gian ∆t rất ngắn thì laser xung thứ hai của laser xung đôi lại đập vào mẫu hợp kim Nhôm D16 tại vị trí mà laser xung thứ nhất đã đập vào. Xung laser thứ hai này tác động vào khối plasma thứ nhất và tạo khối plasma thứ hai ở vị trí sâu hơn. Nếu thời gian trễ được điều chỉnh đúng lúc để bắn xung laser thứ hai vào khối plasma thứ nhất đang ở trạng thái kích thích giản nở về thể tích thì khối plasma thứ nhất này sẽ có nhiều nguyên tử Al được kích thích. Sau khoảng thời
gian sống cho phép, các nguyên tử Al (ở trạng thái kích thích 3s24s – 2 1 2
S ) sẽ đồng loạt trở về trạng thái cơ bản (3s23p – 2
3 2
P ) và tạo ra vạch phổ phát xạ có cường độ cao. Trong thời gian tương tác đó, có rất nhiều quá trình xảy ra trong vùng plasma: quá trình tự hấp thụ, ion hoá, quá trình kết hợp của các nguyên tố trong khối plasma (bao gồm các nguyên tố trong mẫu và trong không khí), quá trình bay hơi, hiệu ứng chắn,… sẽ làm ảnh hưởng đến cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm).
Xét về mặt định lượng thì cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396.152 nm) phụ thuộc vào mật độ nguyên tử Al có trong mẫu hợp kim Nhôm D16 theo công thức Lomakin – Scheibe (2.23). Rõ ràng, dưới tác động của chùm laser kích thích với năng lượng xác định mà cụ thể trong luận văn này, năng lượng bơm là 12 J thì hàm lượng Al, Al+, Al2+,… trong khối plasma sẽ có một giá trị xác định tương ứng. Như vậy nghĩa là nếu cường độ chùm laser kích thích ổn định thì nguyên tử Al bị kích thích ổn định và do đó cường độ vạch phổ phát xạ Al I (396,152 nm) ổn định. Tuy nhiên, thực tế, dưới tác động của chùm laser xung đôi, các quá trình xảy ra trong plasma phức tạp hơn nhiều. Các nghiên cứu về động học plasma và các quá trình xảy ra trong plasma chỉ ra rằng: Dưới tác động của chùm laser xung đôi, vùng plasma tiến triển rất phức tạp theo thời gian và đặc tính động học của nó phụ thuộc chủ yếu vào thời gian trễ giữa các xung laser [7], [26]. Theo đó, hiệu quả kích thích của mỗi cặp xung laser phụ thuộc vào phân bố không gian của vùng plasma thứ nhất (do xung thứ nhất gây ra) khi xung thứ hai tác động; Và do đó phụ thuộc vào thời gian trễ giữa hai xung laser trong mỗi cặp xung. Điều đó đã lý giải tại sao cường độ phát xạ của vạch phổ Al I 396,152 nm tăng lên rồi giảm xuống khi tăng dần thời gian trễ ở hình (2.7).
Ngoài ra, phân bố nhiệt trong khối plasma rõ ràng phụ thuộc vào phân bố không gian của plasma thứ nhất và thứ hai (do xung thứ nhất và thứ hai gây ra). Điều đó nghĩa là phân bố nhiệt này phụ thuộc vào thời gian trễ của các xung
laser [26]. Nhiệt độ và sự phân bố nhiệt lại ảnh hưởng đến các quá trình ion hóa trong khối plasma. Quá trình đó được định lượng hóa thông qua công thức Saha (2.39); Theo đó thì nhiệt độ plasma ảnh hưởng đến quá trinh ion hóa của các nguyên tử Al trong mẫu. Dưới các cơ chế tác động khác nhau của chùm laser xung đôi (phụ thuộc vào thời gian trễ giữa hai xung trong mỗi cặp xung), quá trình ion hóa có thể chiếm ưu thế hơn so với các quá trình khác. Hiện tượng này làm cho mật độ nguyên tử Al I giảm đi (mặc dù hàm lượng tổng cộng Al, Al+, Al2+,…trong palasma vẫn ổn định). Đó là một trong những nguyên nhân làm cho cường độ phát xạ của vạch phổ Al I (396,152 nm) suy giảm khi ∆t > 8 μs ở hình (2.7).
Hơn nữa, khi tăng thời gian trễ của laser xung đôi quá lớn (thời gian trễ vượt quá 8 μs) thì thể tích khối phasma bùng nổ quá mức làm cho các nguyên tử, trong đó có nguyên tử Al , sẽ kết hợp với yếu tố bên ngoài tạo thành các ion khác hoặc thành cách liên kết khác và kèm theo đó là quá trình bay hơi, dẫn đến cường độ phát xạ vạch phổ Al I (393.152 nm) sẽ giảm đi.
Cuối cùng, phải kể đến ảnh hưởng của quá trình tự hấp thụ trong plasma lên cường độ vạch phổ phát xạ. Trong quá trình tác động của laser xung đôi lên mẫu thì thời gian và mức độ tương tác của xung thứ hai với vùng plasma thứ nhất phụ thuộc rất nhiều vào thời gian trễ giữa hai xung [7]. Với thời gian trễ chưa đủ lớn (∆t chưa vượt quá 8 μs) thì các bức xạ Al I (393.152 nm) chỉ cần truyền qua một vùng plasma hẹp để đến đầu thu máy quang phổ; Khi ∆t > 8 μs vùng plasma thứ nhất mở rộng làm cho một lượng lớn bức xạ đang khảo sát bị chính vùng plasma này hấp thụ làm cho lượng photon đến được đầu thu giảm và do đó cường độ vạch phổ khảo sát giảm mạnh [7], [26].
KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu đề tài “Ảnh hưởng của thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích bởi chùm laser xung đôi” chúng tôi đã thu được các kết quả sau:
1. Chúng tôi đã căn cứ vào đặc trưng tương tác giữa các mômen quỹ đạo với các mômen spin của các điện tử và dữ liệu phổ của Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Hoa Kỳ – NIST để xây dựng sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế các mức năng lượng của nguyên tử Al I.
2. Từ những dữ liệu, số liệu thực nghiệm và đồ thị vẽ được cùng với những phân tích ở trên chúng ta khẳng định cường độ phát xạ của vạch Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào thời gian trễ của chùm laser xung đôi kích thích. Cụ thể: Khi thời gian trễ của laser xung kích thích tăng nhưng chưa đủ lớn thì cường độ vạch phát xạ Al I (396,152 nm) phụ thuộc gần tuyến tính vào thời gian trễ; Đến một giá trị nào đó, khi thời gian trễ của laser xung đôi tăng đủ lớn thì cường độ vạch phát xạ không tăng nữa mà lại giảm dần. Khi sử dụng máy quang phổ phát xạ LSS-1 để nghiên cứu hợp kim Nhôm D16 thì cường độ phát xạ của vạch Al I (396,152 nm) đạt cực đại tại giá trị thời gian trễ 8 μs. Nguyên nhân của hiện tượng này là do rất nhiều quá trình trong plasma tạo nên, trong đó những quá trình sau đây là chủ yếu: Quá trình tự hấp thụ, ion hoá, quá trình kết hợp của các nguyên tố trong khối plasma (bao gồm các nguyên tố trong mẫu và trong không khí), quá trình bay hơi.
Đó cũng chính là kết luận mà chúng ta cần phải quan tâm khi áp dụng LIBS thực hiện các nghiên cứu khác như: Xác định hàm lượng nguyên tố Al trong các mẫu (máu người, thực phẩm, thân vỏ máy bay,…); Xác định sự phân bố của Al theo lớp trong cấu trúc của một thiết bị, sản phẩm nào đó;…Đó cũng chính là hướng phát triển tiếp theo của đề tài này.
Danh mục các công trình của tác giả
[1] Trịnh Ngọc Hoàng, Quách Văn Phục, Nguyễn Bá Đương, Sự phụ thuộc cường độ phát xạ của vạch phổ Ca II (393.366nm) vào năng lượng chùm
laser kích thích, Thông tin Khoa học – Giáo dục, Trường Đại học Bạc Liêu. Số
18 năm 2015, trang 76 – 82.
[2] Trịnh Ngọc Hoàng, Nguyễn Bá Đương, Quách Văn Phục, Ảnh hưởng của thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích
thích bởi chùm laser xung đôi, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật (ISSN: 1859
– 1272), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – TP. Hồ Chí Minh, (Đã có chứng nhận đăng bài số 47/GXNBV, ngày 03/06/2015, được đăng trong số 33 năm 2015 của Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật ).
Tài liệu tham khảo
[1] Vũ Thường Bồi, (1993), “Khảo sát chất ăn mòn mỏi của hợp kim Nhôm có độ bền cao sử dụng trên máy bay trong môi trường nhiệt đới ẩm”, Bộ Quốc phòng – Viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội.
[2] Nguyễn Văn Đến, (2002), Quang phổ nguyên tử và ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh.
[3] Đinh Văn Hoàng, (1974), Cấu trúc phổ nguyên tử, NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội.
[4] Phạm Luận, (2006), Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
[5] Ronald Gautreau, William Savin, (2012), Vật lý hiện đại – lý thuyết
và bài tập, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
[6] A. Pichahchy, D. Cremers, M. Ferris, (1997), “Elemental analysis of metals under water using laser – induced breakdown spectroscopy”, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, (52), Issue 1, 25 – 39
[7] A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I. Schechter, (2006), Laser
induced breakdown spectroscopy (LIBS): fundamentals and applications,
Cambridge University Press, Cambridge, UK.
[8] Babar Rashid, Rizwan Ahmed, Raheel Ali, and M. A. Baig, (2011), “A comparative study of single and double pulse of laser induced breakdown spectroscopy of silver”, Physics of plasmas, (18), 073301.
[9] Boueri, M. et al, (2011), “Identification of polymer materials using laser-induced breakdown spectroscopy combined with artificial neural networks”, Appl Spectrosc, (65), 307 – 314.
[10] Celen, S. & Ozden, H., (2012), “Laser – induced novel patterns: As smart strain actuators for new - age dental implant surfaces”, Appl Surf Sci, (263), 579 – 585.
[11] Cơ sở dữ liệu thép và hợp kim Marochnik của trường Đại học Ukraina http://www.splav-harkov.com/en/e_mat_start.php?name_id=1438, truy cập ngày 03/04/2015.
[12] Cổng thông tin điện tử của Đại học Windsor Canada http://www1. uwindsor.ca/people/rehse/15/what-is-libs,truy cập ngày 02/04/2015.
[13] Cổng thông tin điện tử của Viện tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ http://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/lines1.pl, truy cập ngày 02/04/2015.
[14] Cortes, J., Cespedes, E. R., and Miles, B. H., (1996), “Development of laser-induced breakdown spectroscopy for detection of metal contaminants in soils”, Technical Report IRRP – 96 – 4, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS. NTIS No. AD A311 024.
[15] Dr. Reinhard Noll, (2012), Handbook of Laser-Induced
Breakdown Spectroscopy, Springer Heidelberg Dordrecht London New York,
[16] Dyar, M. D. etal, (2012), “Remote laser-induced breakdown spectroscopy analysis of east african rift sedimentary samples under mars conditions”, Chemical Geology, (294), 135 – 151.
[17] F. Colao, V. Lazic, R. Fantoni, S. Pershin, (2014), “A comparison of single and double pulse laser - induced breakdown spectroscopy of aluminum samples”,Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, (57) ,1167 – 1179. [18] Gottfried, J. L., DeLucia, F. C., Jr., Munson, C. A. & Miziolek, A. W., (2008), “Strategiesfor residue explosives detection using laser - induced breakdown spectroscopy”, J Anal At Spectrom, (23), 205 – 216.
[19] H. Hegazy, (2014), “Laser-induced breakdown spectroscopy: technique, new features, and detection limits of trace elements in Al base alloy”, Applied Physics B: Lasers & Optics, (115) Issue 2, 173.
[20] J. A. Aguilera, C. Aragon, (2007), “Multi – element Saha – Boltzmann and Boltzmann plots in laser – induced plasmas”, Spectrochimica Acta B, (62), 378 – 385.
[21] J. Plavcan, M. et. Al, (2012), “Sikhote - alin meteorite, elemental composition analysis using CF LIBS”, WDS'12 Proceedings of Contributed Papers, Part II, 123 – 127.
[22] Jinghua Han and Yaguo Li (2011), “Interaction Between Pulsed Laser and Materials”, Lasers - Applications in Science and Industry, Dr Krzysztof Jakubczak (Ed.), ISBN: 978-953-307-755-0, InTech.
[23] Kasem, M. A., Russo, R. E. & Harith, M. A., (2011), “Influence of biological degradation and environmental effects on the interpretation of archeological bone samples with laser-induced breakdown spectroscopy”, Janal At Spectrom, 26, 1733 – 1739.
[24] Noll, R. et al, (2001), “Laser – induced breakdown spectrometry – applications for production control and quality assurance in the steel industry”, Specrochim Acta B, (56), 637 – 649.
[25] P. A. Benedetti, G. Cristoforetti, S. Legnaioli, V. Palleschi, L. Pardini, A. Salvetti, and E. Tognoni, (2004), “Effect of laser pulse energies in laser induced breakdown spectroscopy in double – pulse configuration”, Spec – trochim. Acta B, (60), 1392 – 1401.
[26] Richard Viskup, (2012), “Single and double laser pulse interaction with solid state – application to plasma spectroscopy”, Nd YAG laser, ISBN: 978- 953-51-0105-5, 279 – 298.
[27] Ron Cobden, Alcan, Banbury, (1994), Physical Properties,
Characteristics and Alloys, European Aluminium Association, TALAT 1501, 02,
08.
[28] S. Pershin, R. Fantoni, V. Lazic, F. Colao, (2002), “A comparison of single and double pulse laser – induced breakdown spectroscopy of aluminum samples”, Spectrochimica Acta Part B, (57), 1167 – 1179.
[29] T Hussain1, M A Gondal, (2013), “Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) as a rapid tool for material analysis”, Journal of Physics: Conference, (439), 012050.
[30] Trinh Ngoc Hoang et. al., (2014), “Quantitative estimation of Ca, Mg and Al content in biological fluids using the laser atomic – emission spectrometry irradiation”, Journal Vestnik BSU – Issue 1, Belarusian State University, 31 – 36.
[31] Trinh Ngoc Hoang, I. D. Pashkovskaya, J. I. Buloichik, А. P. Zajogin (2012), “Investigation into the spatial distribution of Al, Ca, Mg, Zn in dried drops of proteins using atomic – emission multichannel laser spectrometry”, Journal Vestnik BSU – Issue 1, Belarusian State University, 31 – 34.
[32] W. C. Marrtin and Rouald Zalubas, (1979), “Energy levels of alumium, Al I through Al XIII”, J. Phys. Chem. Ref. Data, (8), No. 3.
[33] Zhu, X. et al, (2014), “Advanced statistical analysis of laser- induced breakdown spectroscopy data to discriminate sedimentary rocks based on czerny – turner and echelle spectrometers”, Specrochim Acta B, 93, 8 – 13.