BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN BÁ ĐƯƠNG 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 \ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN BÁ ĐƯƠNG Trang tiêu đề 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 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60 44 01 09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Ngọc Hoàng Nghệ An, 2015 ii Lời cảm ơn Bản luận văn hoàn thành nhờ trình nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hoàng Thầy đặt toán, tận tình hướng dẫn, quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm vinh dự lớn lao Nhân dịp này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hoàng giúp đỡ quý báu nhiệt tình Tôi xin phép cảm ơn thầy cô tham gia giảng dạy, đào tạo lớp Quang học 21, cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Công nghệ, Phòng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, Ban lãnh đạo Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên cứu sở đào tạo Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp anh, chị học viên lớp Cao học 21 – chuyên ngành Quang học Trường Đại học Kinh tế – Kỹ thuật Long An động viên, giúp đỡ suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn ! Tác giả Mục lục Trang tiêu đề i Lời cảm ơn ii Mục lục Danh mục thuật ngữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Danh mục ký hiệu đại lượng vật lý MỞ ĐẦU CHƯƠNG TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM LASER VỚI KIM LOẠI NHÔM 1.1 Cấu trúc phổ tinh tế nguyên tử Al I 1.1.1 Đại cương nguyên tố Al 1.1.2 Đặc trưng liên kết [L, S] .13 1.1.3 Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế nguyên tử Al I 23 1.2 Tương tác chùm laser với kim loại Nhôm .32 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG THỜI GIAN TRỄ CỦA CHÙM LASER XUNG ĐÔI LÊN CƯỜNG ĐỘ PHÁT XẠ VẠCH PHỔ Al I (396,152 nm) 41 2.1 Sự kích thích nguyên tử Al I 41 2.1.1 Bức xạ hấp thụ lượng lượng tử 41 2.1.2 Cường độ vạch quang phổ phát xạ 44 2.1.3 Đặc trưng trạng thái Plasma 49 2.2 Kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 52 2.2.1 Máy quang phổ phát xạ nguyên tử sử dụng nguồn kích thích chùm laser .52 2.2.2 Những sở để chọn vạch phổ khảo sát .56 2.2.3 Độ nhạy phổ 57 2.2.4 Các phương pháp phân tích phổ phát xạ .58 2.3 Sự thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ chùm laser xung đôi 63 KẾT LUẬN 69 Danh mục công trình tác giả 70 Tài liệu tham khảo 70 Danh mục thuật ngữ viết tắt Ký hiệu LIBS DP – LIBS NIST fcc IACS AO LSCW Diễn giải Laser induced breakdown spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser) Double pulse laser induced breakdown spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser xung đôi) National Institute of Standards and Technology (Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ) Face – centered cubic (Cấu trúc tinh thể xếp theo kiểu lập phương tâm mặt) International Annealed Copper Standard (Tiêu chuẩn luyện Đồng quốc tế) Atomic orbital (Oobitan nguyên tử) Laser – supported combustion wave (Laser hỗ trợ sóng đốt) Laser – supported detonation wave LSDW [L, S] Laser Q – switching Nd: YAG (Laser hỗ trợ sóng nổ) Liên kết Russell – Saunder Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Phương pháp điều biến độ phẩm chất Neodymium – doped Yttrium Aluminium Garnet Danh mục hình vẽ Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Tên hình vẽ Trang Nguyên tố Al (a) cấu trúc nguyên tử Al (b) 25 Các trạng thái cấu hình 3s p Các trạng thái cấu hình 3s nd 27 28 Các trạng thái cấu hình 3s np Sơ đồ tạo thành vạch phổ 396,152 nm 394,400 nm 30 Al I Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức lượng nguyên tử Al 31 I Phương trình tự laser cặp laser xung đôi Phương trình tự cặp laser xung đôi Các hiệu ứng tương tác laser với vật chất Tương tác chùm laser xung đơn với kim loại Nhôm Mô tả tương tác chùm laser xung đôi với mẫu kim loại Nhôm Sự hấp thụ xạ lượng Vạch lượng có mức Vạch lượng có mức Cấu tạo máy quang phổ phát xạ LSS-1 a – cấu tạo tổng quan LSS-1; b – cấu tạo cụm quang – LSS-1 Sơ đồ trình hình thành vạch phổ phát xạ sử dụng máy quang phổ phát xạ LSS-1 Đường chuẩn phân tích định lượng Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ laser xung đôi: a – Cường độ vạch phổ lần đo; b – Cường độ vạch phổ trung bình 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 34 35 36 38 39 41 46 47 54 55 63 65 Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 Tên bảng Trang Thuộc tính vật lý nguyên tử Al 10 Tỉ lệ phần trăm nguyên tố hợp kim Nhôm D16 12 Giá trị số lượng tử S tương ứng với số điện tử 19 Bảng tóm tắt số hạng trạng thái mức lượng kích 28 thích tương ứng Thông số kỹ thuật máy quang phổ phát xạ LSS-1 55 Dãy chuẩn phương pháp đường chuẩn 62 Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ phát xạ vạch 64 Al I (396,152 nm) tương ứng với thời gian trễ khác Danh mục ký hiệu đại lượng vật lý  n ,l , m Đại lượng l n l s Diễn giải Hàm sóng Số lượng tử Số lượng tử quỹ đạo Spin ms J L S  ML MS E EJ , J 1 E0 En h c   ∆t Aki , Bki  ( ki ) Nk, Ni k g f ik m k I C a b x T P Nj0 Ej  l  S  Số lượng tử từ spin Mômen động lượng tổng cộng Mômen động lượng quỹ đạo tổng cộng Mômen spin tổng cộng Độ bội Hình chiếu mômen quỹ đạo toàn phần Hình chiếu mômen spin toàn phần Năng lượng tương tác Khoảng cách hai mức liền kề J J + Năng lượng nguyên tử trạng thái Năng lượng nguyên tử trạng thái kích thích Hằng số Plank Vận tốc ánh sáng Tần số xạ Bước sóng xạ Thời gian trễ hai xung cặp laser xung đôi Hệ số Einstein Mật độ lượng khối Số nguyên tử Hằng số Boltzman Trọng số thống kê Hằng số lực Khối lượng nguyên tử Thời gian sống Cường độ vạch quang phổ Hàm lượng nguyên tố khảo sát mẫu Hằng số điều kiện thực nghiệm Hằng số chất vật mẫu Độ ion hóa nguyên tử nhiệt Nhiệt độ Áp suất khí Mật độ ion Năng lượng ion hoá Mật độ quang Hệ số hấp thụ Độ đen kính ảnh Hệ số nhũ tương MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Kỹ thuật quang phổ kích thích laser (laser induced breakdown spectroscopy – LIBS) [15] kỹ thuật phân tích liệu quang phổ vạch phát xạ bao gồm thông số như: bước sóng, phân bố phổ, cường độ vạch phổ, độ rộng vạch phổ LIBS sử dụng tác nhân kích thích chùm tia laser xung để bắn phá mẫu vật, tác dụng laser xung, vật chất mẫu tương tác với laser kích thích chuyển thành thể plasma Ở trạng thái plasma nguyên tử, ion tiếp tục nhận lượng chuyển lên trạng thái kích thích sau hình thành phổ phát xạ chứa thông tin mẫu vật Trên thực tế LIBS nói riêng phương pháp phân tích quang phổ nói chung có nhiều ứng dụng thực nhiều phương pháp khác [7] Một số ứng dụng quan trọng LIBS phân tích phân bố theo lớp nguyên tố bên mẫu vật, nghiên cứu hình thành vi hạt có kích thước nanômét, phân tích thành phần cấu trúc mẫu [30], [31], xác định kim loại nặng độc hại [14], [6] Ngoài ra, kỹ thuật LIBS ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khác môi trường [23], [9], công nghiệp [24], địa chất [33], vũ trụ [16], quốc phòng [18], nha khoa [10], … Chính có ứng dụng rộng rãi mà kỹ thuật LIBS có vai trò quan trọng đời sống, kỹ thuật Trong tất ứng dụng LIBS cường độ vạch phổ phát xạ liệu quan trọng mà cần phải xem xét Một số nghiên cứu sử dụng tác nhân kích thích laser hai xung dùng kỹ thuật LIBS (double pulse laser induced breakdown spectroscopy – DP – LIBS) cho kết cường độ vạch phổ phát xạ độ nhạy vạch phổ tăng kể so với laser xung đơn [25], [17], [29] Trong nhiều nghiên cứu sử dụng kỹ thuật LIBS, kim loại Nhôm nguyên tố ý đặc biệt nhiều chuyên gia Sở dĩ nguyên tố kim loại Nhôm nguyên tố đa vi lượng có mặt hầu hết thể sống nguyên tố nguyên tố mà ứng dụng nhiều dùng làm vật liệu chế tạo ngành nghề, lĩnh vực khác Bên cạnh đó, việc khảo sát có mặt hàm lượng kim loại Nhôm hợp kim có độ bền cao mẫu vật quan trọng [30], [31] Ví dụ nồng độ Nhôm cánh máy bay [1] ảnh hưởng đến độ bền, dẻo cánh máy bay; hàm lượng Nhôm máu số quan trọng đánh giá tình trạng sức khỏe người [30] Ta biết, liệu cường vạch độ phát xạ kim loại Nhôm nói riêng nguyên tố khác nói chung có phụ thuộc nhiều vào yếu tố nồng độ nguyên tử có 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, phương truyền [7], [30] Chính vậy, luận điểm khoa học phụ thuộc cường độ vạch quang phổ phát xạ vào yếu tố môi trường, nguồn kích thích phổ, … đặc biệt đặc trưng chùm laser kích thích quan trọng Do đó, ứng dụng kỹ thuật DP – LIBS để khảo sát phụ thuộc cường độ phổ phát xạ vạch phổ Nhôm vào đặc trưng chùm laser xung đôi cụ thể thời gian trễ chùm laser xung đôi việc làm cần thiết Trên lý mà tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích chùm laser xung đôi” để làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục tiêu, mục đích nghiên cứu Khảo sát ảnh hưởng thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích chùm laser xung đôi Nghiên cứu nhằm mục đích rút luận điểm làm cho khảo sát phổ phát xạ nguyên tử Al kích thích chùm laser xung đôi 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 thời gian trễ laser xung đôi 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 thời gian trễ (một đặc trưng chùm laser xung đôi) 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-1 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 DP – LIBS để khảo sát ghi số liệu cường độ vạch phổ phát xạ tác động chùm laser xung đôi với giá trị thời gian trễ 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 thời gian trễ chùm laser xung đôi Căn đặc điểm động học tương tác chùm laser với vật mẫu trình lý hóa xảy plasma, cho rằng, thời gian trễ tăng dần, cường độ vạch phổ phát xạ tăng bắt đầu giảm từ giá trị thời gian trễ đặc biệt Cấu trúc luận văn 60 + Chọn máy quang phổ có độ phân giải lớn vùng phổ phù hợp để thu, phân li ghi phổ mẫu phân tích Mục đích phân tích phổ phát xạ định tính phát nguyên tố, chủ yếu kim loại mẫu phân tích có hai kiểu định tính: phân tích định tính từng phần phân tích định tính toàn diện Phân tích định tính từng phần tức kiểm tra xem mẫu phân tích có chứa nguyên tố mà người ta cần quan tâm để khảo sát Phân tích định tính toàn diện phải xác định mẫu có tổng cộng nguyên tố Từ thực tế phân tích nguyên tố mẫu nên người ta có số cách quan sát định tính dựa theo phổ phát xạ mẫu: phương pháp quan sát trực tiếp màn, phương pháp so sánh phổ phương pháp phổ chuẩn Phương pháp quan sát trực tiếp nguyên tắc ảnh máy quang phổ người ta đặt mờ, mờ có đánh vị trí vạch đặc trưng số nguyên tố định Đồng thời bố trí hệ thống thấu kính lúp phóng quan sát trực tiếp ảnh Nguyên tắc xác định định tính nguyên tố X theo phương pháp so sánh phổ phải ghi phổ nguyên tố X nguyên chất liền kề với phổ mẫu phân tích Rồi tìm nhóm vạch đặc trưng nguyên tố X mẫu nguyên chất so sánh nhóm vạch phổ đặc trưng với phổ mẫu phân tích mẫu Phương pháp phổ chuẩn dùng atlas vạch phổ kèm theo từng loại máy quang phổ xác định để so sánh Trên sở kết thu từ phương pháp mà kết luận có hay nguyên tố cần khảo sát mẫu phân tích  Phương pháp phân tích định lượng Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng dựa sở nồng độ nguyên tố cần phải xác định cường độ vạch phổ phát xạ nguyên tố phát có mối quan hệ tuyến tính đơn trị nguyên tố bị kích thích điều kiện thích hợp: I   f (C ) (2.45) 61 Trong I  cường độ vạch phổ phát xạ, C nồng độ nguyên tố có mẫu phân tích Từ phương trình Lomakin – Scheibe (2.23), có số mẫu chuẩn ban đầu có nồng độ C biết xác, ví dụ C1, C2, … Cn xác định cường độ vạch phổ phát xạ I  tương ứng, dựng dường chuẩn I – C, từ dễ dàng tìm nồng độ Cx chưa biết Nhưng trước năm 1965 không xác định trực tiếp cường độ phát xạ I  vạch phổ, mà người ta phải chiếu chùm sáng phát xạ cường độ I  lên kính ảnh Sau xác định độ đen kính ảnh vị trí mà chùm ánh sáng chiếu vào Độ đen S tính theo công thức: S   log.I  (2.46)  hệ số nhũ tương kính ảnh Thay phương trình Lomakin – Scheibe vào phương trình (2.46) ta có phương trình hệ sau: S   b.log.C  k  (2.47) với k   log a , trường hợp thực nghiệm phương trình có dạng: S   b.log C  k (2.48) Phương trình (2.46) phương trình (2.48) gọi phương trình phép phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng Kỹ thuật DP – LIBS cho phép thể trực tiếp kết cường độ phát xạ nguyên tử, giới hạn luận văn kết giải thích theo phương trình Lomakin – Scheibe Có nhiều phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử định lượng thường dùng là: phương pháp đường chuẩn, phương pháp đồ thị chuẩn không đổi, phương pháp thêm tiêu chuẩn, phương pháp theo mẫu chuẩn Phương pháp đường chuẩn dựa theo phương trình phép đo phổ phát xạ phương trình Lomakin – Scheibe, muốn xác định nồng độ Cx nguyên tố X mẫu đó, trước hết phải chuẩn bị dãy mẫu 62 đầu có chứa nguyên tố X với nồng độ C1, C2, C3, C4, C5 điều kiện mẫu phân tích Sau chuẩn bị xong mẫu đầu mẫu phân tích, tiến hành hóa hơi, nguyên tử hóa, kích thích phổ ghi phổ mẫu theo điều kiện phù hợp chọn Tiếp chọn vạch phân tích để đo cường độ I  theo hai phương trình tuỳ thuộc vào hệ thống trang bị phòng thí nghiệm (bảng 2.2), tiếp đến tính giá trị trung bình cường độ vạch phổ tương ứng với từng nồng độ Rồi từ cặp giá trị ( I  /C) ta dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ I  – C Đường đường chuẩn để xác định nồng độ Cx chưa biết nguyên tố phân tích X Muốn ta cần đem giá trị Ix có lên trục tung từ kẻ đường song song với trục hoành cắt đường chuẩn điểm Từ điểm ta kẻ đường thẳng vuông góc với trục hoành ta tìm giá trị Cx cần tìm (hình 2.6) Bảng 2.2 – Dãy chuẩn phương pháp đường chuẩn Chất Chất phân tích X Các chất khác (nền, môi trường) Giá trị I  Dãy chuẩn C0 C1 C2 C3 C4 C5 Như tất mẫu I0 I1 I2 I3 I4 I5 Phương pháp thuận lợi ta phân tích hàng loạt mẫu đối tượng, cần đường chuẩn xác định nhiều mẫu có nồng độ Cx chưa biết Nồng độ nguyên tố có mẫu biểu diễn theo khái niệm: nồng độ phần trăm (%), nồng độ phần triệu (ppm) đơn vị ước số, nồng độ microgam (µg/mL) đơn vị ước số 63 Ix Cx C Hình 2.6 – Đường chuẩn phân tích định lượng 2.3 Sự thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ chùm laser xung đôi Trong nghiên cứu mẫu hợp kim Nhôm D16 gắn vào cụm quang-cơ máy quang phổ LSS-1 không khí điều kiện thường Máy quang phổ thiết lập thông số sau: lượng E = 12 J; thời gian bắn xung laser thứ sau khởi động laser t1 = 130 μs; thời gian trễ xung laser thứ hai xung laser thứ thay đổi khoảng ∆t = ÷ 19 μs; số laser xung đôi bắn vào vật mẫu n = xung Thời gian trễ laser xung đôi kích thích điều chỉnh tăng μs sau lần bắn phá vật mẫu Chúng ta cần ý, thành phần laser xung laser xung đôi chiếu thẳng, vuông góc với vật mẫu Phương tác động xung laser lên vật mẫu mô tả hình (1.7a) Với giá trị thời gian trễ laser xung đôi 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 64 dụng hãng LOTIS TII Số liệu thực nghiệm ghi nhận vào ngày 13/01/2015 với trợ giúp nhóm nghiên cứu Đại học Tổng hợp Quốc gia Berarus trình bày bảng số liệu: Bảng 2.3 – Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) tương ứng với thời gian trễ khác t (  s) Lần 27424,5 34284,4 36734,5 51503,8 59119,9 Lần 27439,54 34496,88 36817,54 51765,35 49395,92 Lần 27380,21 34019,33 36210,54 50682,46 48069,70 t (  s) Lần 53892,5 62847,2 67007,8 66023,2 61093,0 Lần 54161,54 63081,73 67285,77 76276,15 61338,50 Lần 52648,43 61334,95 66909,77 71893,71 66440,72 t (  s) 10 11 12 13 14 Lần 60118,2 54993,6 56160,1 57013,8 57494,2 Lần 59951,65 54715,62 55959,08 56851,77 47302,73 Lần 68087,99 56925,84 58590,63 58625,10 59175,51 t (  s) 15 16 17 18 19 Lần 53886,5 53572,4 49884,8 48224,5 50254,9 Lần 53787,04 53405,38 49804,27 48159,46 30157,42 Lần 55557,04 55529,94 51385,60 49147,35 41338,31 Trên sở liệu phổ thu dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ laser xung đôi kích thích hình (2.7a) (2.7b) 65 a) I (a.u.) ∆t (μs) b) I (a.u.) ∆t (μs) Hình 2.7 – Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ laser xung đôi: a – Cường độ vạch phổ lần đo; b – Cường độ vạch phổ trung bình 66 Hình (2.7a) thể kết thực nghiệm ba lần thực với máy quang phổ LSS-1 Các đường biễu diễn hình (2.7a) cho thấy biến thiên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) thời gian trễ laser xung đôi thay đổi tăng dần Hình (2.7b) biều đồ sử dụng số liệu trung bình ba lần đo Từ đồ thị (2.7a), (2.7b) ta thấy thời gian trễ laser xung đôi kích thích có ảnh hưởng đến cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) Cụ thể ta tăng thời gian trễ từ đến μs cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) tăng tương đối nhanh, cường độ phát xạ đạt cực đại thời gian trễ điều chỉnh giá trị μs; Sau cường độ phổ phát xạ giảm nhanh chóng thời gian trễ chùm laser xung đôi kích thích tăng (tương ứng thời gian trễ ∆t > μs ) Kết giải thích sau: xung laser thứ laser xung đôi đập vào mẫu hợp kim Nhôm D16, vật chất vùng bị đốt nóng nhanh chóng chuyển từ thể rắn sang plasma (có thể gọi khối plasma thứ nhất) Trong vùng plasma nóng sáng Nhôm tồn chủ yếu dạng nguyên tử ion (Al+, Al2+,…) trạng thái kích thích Nếu xét riêng nguyên tử Al I nguyên tử tồn nhiều trạng thái kích thích khác hình 1.6 Các trạng thái kích kích tồn khoảng thời gian ngắn, khoảng 10-8 s, trở trạng thái có mức lượng thấp đồng thời phát xạ có bước sóng tương ứng Nhưng sau laser xung thứ tương tác khoảng thời gian ∆t ngắn laser xung thứ hai laser xung đôi lại đập vào mẫu hợp kim Nhôm D16 vị trí mà laser xung thứ đập vào Xung laser thứ hai tác động vào khối plasma thứ tạo khối plasma thứ hai vị trí sâu Nếu thời gian trễ điều chỉnh lúc để bắn xung laser thứ hai vào khối plasma thứ trạng thái kích thích giản nở thể tích khối plasma thứ có nhiều nguyên tử Al kích thích Sau khoảng thời 67 gian sống cho phép, nguyên tử Al (ở trạng thái kích thích 3s24s – S1 ) đồng loạt trở trạng thái (3s23p – P3 ) tạo vạch phổ phát xạ có cường độ cao Trong thời gian tương tác đó, có nhiều trình xảy vùng plasma: trình tự hấp thụ, ion hoá, trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay hơi, hiệu ứng chắn,… làm ảnh hưởng đến cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) 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 hợp kim Nhôm D16 theo công thức Lomakin – Scheibe (2.23) Rõ ràng, tác động chùm laser kích thích với lượng xác định mà cụ thể luận văn này, lượng bơm 12 J hàm lượng Al, Al+, Al2+,… khối plasma có giá trị xác định tương ứng Như nghĩa cường độ chùm laser kích thích ổn định nguyên tử Al bị kích thích ổn định cường độ vạch phổ phát xạ Al I (396,152 nm) ổn định Tuy nhiên, thực tế, tác động chùm laser xung đôi, trình xảy plasma phức tạp nhiều Các nghiên cứu động học plasma trình xảy plasma rằng: Dưới tác động chùm laser xung đôi, vùng plasma tiến triển phức tạp theo thời gian đặc tính động học phụ thuộc chủ yếu vào thời gian trễ xung laser [7], [26] Theo đó, hiệu kích thích cặp xung laser phụ thuộc vào phân bố không gian vùng plasma thứ (do xung thứ gây ra) xung thứ hai tác động; Và phụ thuộc vào thời gian trễ hai xung laser cặp xung Điều lý giải cường độ phát xạ vạch phổ Al I 396,152 nm tăng lên giảm xuống tăng dần thời gian trễ hình (2.7) Ngoài ra, phân bố nhiệt khối plasma rõ ràng phụ thuộc vào phân bố không gian plasma thứ thứ hai (do xung thứ thứ hai gây ra) Điều nghĩa phân bố nhiệt phụ thuộc vào thời gian trễ xung 68 laser [26] Nhiệt độ phân bố nhiệt lại ảnh hưởng đến trình ion hóa khối plasma Quá trình định lượng hóa thông qua công thức Saha (2.39); Theo nhiệt độ plasma ảnh hưởng đến trinh ion hóa nguyên tử Al mẫu Dưới chế tác động khác chùm laser xung đôi (phụ thuộc vào thời gian trễ hai xung cặp xung), trình ion hóa chiếm ưu so với trình khác Hiện tượng làm cho mật độ nguyên tử Al I giảm (mặc dù hàm lượng tổng cộng Al, Al+, Al2+,…trong palasma ổn định) Đó nguyên nhân làm cho cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) suy giảm ∆t > μs hình (2.7) Hơn nữa, tăng thời gian trễ laser xung đôi lớn (thời gian trễ vượt μs) thể tích khối phasma bùng nổ mức làm cho nguyên tử, có nguyên tử Al , kết hợp với yếu tố bên tạo thành ion khác thành cách liên kết khác kèm theo trình bay hơi, dẫn đến cường độ phát xạ vạch phổ Al I (393.152 nm) giảm Cuối cùng, phải kể đến ảnh hưởng trình tự hấp thụ plasma lên cường độ vạch phổ phát xạ Trong trình tác động laser xung đôi lên mẫu thời gian mức độ tương tác xung thứ hai với vùng plasma thứ phụ thuộc nhiều vào thời gian trễ hai xung [7] Với thời gian trễ chưa đủ lớn (∆t chưa vượt μs) xạ Al I (393.152 nm) cần truyền qua vùng plasma hẹp để đến đầu thu máy quang phổ; Khi ∆t > μs vùng plasma thứ mở rộng làm cho lượng lớn xạ khảo sát bị vùng plasma hấp thụ làm cho lượng photon đến đầu thu giảm cường độ vạch phổ khảo sát giảm mạnh [7], [26] 69 KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu đề tài “Ảnh hưởng thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích chùm laser xung đôi” thu kết sau: Chúng vào đặc trưng tương tác mômen quỹ đạo với mômen spin điện tử liệu phổ Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ – NIST để xây dựng sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức lượng nguyên tử Al I Từ liệu, số liệu thực nghiệm đồ thị vẽ với phân tích khẳng định cường độ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) phụ thuộc vào thời gian trễ chùm laser xung đôi kích thích Cụ thể: Khi thời gian trễ laser xung kích thích tăng chưa đủ lớn cường độ vạch phát xạ Al I (396,152 nm) phụ thuộc gần tuyến tính vào thời gian trễ; Đến giá trị đó, thời gian trễ laser xung đôi tăng đủ lớn cường độ vạch phát xạ không tăng mà lại giảm dần Khi sử dụng máy quang phổ phát xạ LSS-1 để nghiên cứu hợp kim Nhôm D16 cường độ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) đạt cực đại giá trị thời gian trễ μs Nguyên nhân tượng nhiều trình plasma tạo nên, trình sau chủ yếu: Quá trình tự hấp thụ, ion hoá, trình kết hợp nguyên tố khối plasma (bao gồm nguyên tố mẫu không khí), trình bay Đó kết luận mà cần phải quan tâm áp dụng LIBS thực nghiên cứu khác như: Xác định hàm lượng nguyên tố Al mẫu (máu người, thực phẩm, thân vỏ máy bay,…); Xác định phân bố Al theo lớp cấu trúc thiết bị, sản phẩm đó;…Đó hướng phát triển đề tài 70 Danh mục công trình tác giả [1] Trịnh Ngọc Hoàng, Quách Văn Phục, Nguyễn Bá Đương, Sự phụ thuộc cường độ phát xạ 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 76 – 82 [2] Trịnh Ngọc Hoàng, Nguyễn Bá Đương, Quách Văn Phục, Ảnh hưởng thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích 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 số 47/GXNBV, ngày 03/06/2015, đăng số 33 năm 2015 Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật ) Tài liệu tham khảo [1] Vũ Thường Bồi, (1993), “Khảo sát chất ăn mòn mỏi hợp kim Nhôm có độ bền cao sử dụng máy bay môi trường nhiệt đới ẩm”, Bộ Quốc phòng – Viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [2] Nguyễn Văn Đến, (2002), Quang phổ nguyên tử 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 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 đại – lý thuyết tập, Nhà xuất 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 71 [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 liệu thép hợp kim Marochnik 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 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 Viện tiêu chuẩn 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, ISBN 978-3-642-20667-2 72 [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 73 [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: 978953-51-0105-5, 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 74 [33] Zhu, X et al, (2014), “Advanced statistical analysis of laserinduced breakdown spectroscopy data to discriminate sedimentary rocks based on czerny – turner and echelle spectrometers”, Specrochim Acta B, 93, – 13 [...]...8 Ngo i phần mở đầu, kết luận, t i liệu tham khảo, luận văn này được trình bày theo 2 chương: Chương 1: Tương tác của chùm laser v i kim lo i Nhôm Chương 2: Ảnh hưởng th i gian trễ của chùm laser xung đ i lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) 9 CHƯƠNG 1 TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM LASER V I KIM LO I NHÔM Trong chương này chúng t i tập trung tìm hiểu tổng quan về kim lo i Nhôm, về đặc trưng của tương... Sơ đồ cấu trúc phổ tinh tế mức năng lượng của nguyên tử Al I 32 1.2 Tương tác của chùm laser v i kim lo i Nhôm Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hoạt động dựa trên nguyên lý khuyếch đ i cường độ ánh sáng nhờ vào hiện tượng phát xạ cảm ứng Hiện tượng này đã được Albert Einstein đưa ra giả thuyết và đăng trên tạp chí Physikalische Zeitschrift vào năm 1917 Laser có thể được...  1) , khi S  L (1.26) Và + Số vạch b i sẽ tăng theo độ b i và xuất hiện khi có sự dịch chuyển giữa các mức của số hạng b i Số vạch thành phần trong vạch b i có thể không trùng v i độ b i, vạch b i có thể vượt quá độ b i nhưng vẫn thỏa nguyên lý chọn lọc Giá trị của độ b i tăng dần đến cực đ i (khi số i n tử bằng ½ số i n tử lớp lấp đầy) ứng v i một lớp nl nào đó, r i l i giảm Số vạch b i có thể... tác giữa các mômen quỹ đạo và các mômen spin của các i n tử v i nhau; Xây dựng sơ đồ cấu trúc tinh tế các mức năng lượng của nguyên tử Al I; Tìm hiểu về tương tác của chùm laser v i kim lo i Nhôm 1.1 Cấu trúc phổ tinh tế của nguyên tử Al I 1.1.1 Đ i cương về nguyên tố Al Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ ba (sau Ôxy và Silic), và là kim lo i phổ biến nhất trong vỏ Tr i Đất Nhôm chiếm khoảng 8% kh i chất... động ở trạng th i bức xạ sóng liên tục continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) i u này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đ i không đ i so v i th i gian Sự đảo nghịch mật độ ( i n tử) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục b i nguồn bơm năng lượng đều đặn Trong chế độ phát. .. nên độ dẫn nhiệt trên đơn vị kh i lượng là gấp đ i Đồng và cao hơn các kim lo i khác (hình 1.2b) Độ dẫn nhiệt sẽ giảm nhẹ khi pha thêm các kim lo i khác vào hợp kim Nhôm Độ dẫn i n của Nhôm nguyên Độ dẫn i n và i n trở suất chất 99.99% ở 200C bằng 63.8% của tiêu chuẩn quốc tế về đồng đã luyện (International Annealed Copper Standard – IACS) và độ dẫn i n trên 12 đơn vị kh i lượng là gấp đ i kim... Chu kỳ 3 Nhiệt độ nóng chảy của Nhôm là thay đ i theo độ tinh khiết của Nhôm Ví dụ như đ i v i Nhôm Nhiệt độ nóng chảy 99.99% thì nhiệt độ nóng chảy là 6600C, còn đ i v i Nhôm 99.5% thì nhiệt độ nóng chảy là 6350C Đ i v i các hợp kim Nhôm thì nhiệt độ nóng 11 chảy giảm xuống đến 5000C như hợp kim v i magnesium ở i u kiện nhất định [27, tr 15] Màu sắc Ánh kim trắng bạc (hình 1.1a) Nhiệt độ s i 2792 K... cường độ lớn nhất do biến thiên của J cùng chiều v i L Số vạch chính là 2S + 1 vạch khi L  S 1 , số vạch là 2S vạch khi 1 L  S  , và số vạch là 2L – 1 vạch khi L  S Dịch chuyển J  J cho vạch phụ 2 thứ nhất có số vạch là 2S vạch khi LS, số vạch là 2L – 1 vạch khi LS Dịch chuyển J  (J + 1) cho vạch phụ thứ hai có cường độ yếu nhất do biến thiên của J ngược chiều v i số lượng tử L Số vạch phụ... của laser xuất hiện trong phổ của mẫu vật ghi nhận được + Đặc biệt tính kết hợp về không gian và th i gian của nguồn sáng laser giúp cho phổ ghi nhận có độ phân gi i tốt, dễ dàng phân biệt hai đỉnh phổ sát nhau, đồng th i, có thể phát hiện được những quá trình xảy ra rất nhanh (ví dụ hiện tượng hấp thu 2 photon,…) Thuận l i trong việc ứng dụng chế tạo các máy quang phổ đa kênh, … + Tính định hướng của. .. chùm laser không bị tán xạ khi i qua mặt phân cách của hai m i trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có + Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser làm cho laser có 33 khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây, nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong th i gian cực ngắn Nguồn sáng laser có những tính chất nổi ... thuộc cường độ phổ phát xạ vạch phổ Nhôm vào đặc trưng chùm laser xung đ i cụ thể th i gian trễ chùm laser xung đ i việc làm cần thiết Trên lý mà tác giả chọn đề t i nghiên cứu Ảnh hưởng th i gian. .. Tương tác chùm laser v i kim lo i Nhôm Chương 2: Ảnh hưởng th i gian trễ chùm laser xung đ i lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) 9 CHƯƠNG TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM LASER V I KIM LO I NHÔM... Đ i v i chùm laser hai xung, đặc tính mà cần ph i quan tâm th i gian trễ ∆t hai xung cặp xung Th i gian trễ ảnh hưởng nhiều đến trình vật lý xảy tương tác Xung laser thứ Xung laser Th i gian trễ