Проектирование и расчет лазерно-искрового эмиссионного анализатора. Дипломная (ВКР). Физика.
🛑 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Проектирование и расчет лазерно-искрового эмиссионного анализатора
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
1.1 Физические
основы лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии
1.2 Свойства
лазерно-индуцированной плазмы
1.3
Интенсивность излучения, испускаемого плазмой
1.4 Анализ
зависимости интенсивности излучения спектральных линий от температуры плазмы
для разных химических элементов
2.1
Принципиальная схема приборов ЛИЭС
2.2 Расчет
необходимой импульсной мощности лазерного излучателя
2.3 Выбор типа
лазерного излучателя для ЛИЭС - анализатора
2.5 Выбор и
обоснование элементов структурной схемы
2.5.1 Источник
излучения реперного канала
2.5.2 Источника
излучения передающего канала
3.1 Расчет
оптической системы реперного канала
3.2 Габаритный
расчет передающей системы
3.3
Энергетический расчет передающей системы
3.4 Расчет
приемной оптической системы
4.1 Анализ
влияния взаимоположения компонентов приемного канала на радиус и положение
пятна рассеяния
4.2 Анализ
влияния взаимоположения компонентов передающего канала на характеристики
лазерного пучка
4.3 Анализ
влияния взаимоположения компонентов реперного канала на радиус пятна рассеяния
4.4 Разработка
технологического процесса сборки и юстировки лазерного искрового эмиссионного
спектроанализатора
4.4.1.
Разработка технологической карты сборочного процесса
4.4.2.
Разработка технологической карты эскизов сборочного процесса
5.2 Определение
стадий и этапов НИОКР
5.3 Определение
трудоемкости и продолжительности этапов НИОКР
5.3.1
Определение трудоёмкости отдельных этапов НИОКР прибора
5.3.2
Определение фонда рабочего времени за заданный период НИОКР
5.3.3 Определение
количества и категории исполнителей
6. Промышленная
экология и безопасность.
6.1
Планирование системы безопасности в ЛИЭС
6.2 Опасные
факторы при работе с лазерами
6.5
Безопасность при работе с системой ЛИЭС
Использование лазеров в спектроаналитических целях началось с создания
первых образцов твердотельных лазеров. К достоинствам лазерного испарения и
возбуждения спектров вещества можно отнести высокую локальность отбора пробы,
малые, до 10-8 г, количества вещества, испаряемого за один импульс, слабую
зависимость процесса испарения от физико-химических свойств, возможность
осуществлять анализ без какой-либо специальной химической или механической
обработки образцов, применимость метода к широкому классу веществ. Отдельно
следует отметить возможность проводить лазерный спектральный анализ образцов
послойно с шагом до 0,05 мкм.
Одним из перспективных спектральных методов анализа, позволяющих проводить
экспрессные аналитические измерения, является лазерно-искровая эмиссионная
спектроскопия. Она основана на регистрации эмиссионного спектра плазмы,
создаваемой с помощью сфокусированного лазерного излучения на поверхности или в
объеме исследуемого образца .
В настоящее время лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия бурно
развивается в связи с возможностью на ее основе создания универсальных
приборов, способных неконтактно в реальном масштабе времени анализировать любые
типы образцов на все элементы сразу с высоким пространственным разрешением без
какой-либо подготовки проб.
Целью данной части проекта является исследования зависимости излучения
плазменного факела от различных параметров плазмы.
.1 Физические основы лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии
Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) превратилась в
современный аналитический метод в течение последних двух десятилетий (В
зарубежной литературе для обозначения лазерно-искровой спектроскопии часто используется
аббревиатура LIBS - laser-induced breakdown spectroscopy, реже ее синонимы: LIPS - laser-induced plasma spectroscopy и LA-OES - laser ablation optical emission spectroscopy). В этом методе, как правило,
используется маломощный импульсный лазер (обычно, с энергией от десятков до
сотен миллиджоулей в импульсе) и фокусирующая система для того, чтобы испарить
очень малое количество пробы и получить плазму. Основные узлы прибора для
проведения анализа методом ЛИЭС схематически представлены на рис. 1.1.
Излучение плазмы собирается и направляется в спектрограф, который разлагает
свет, испускаемый возбужденными атомами и ионами в плазме, детектор
регистрирует эмиссионный сигнал, а компьютер оцифровывает и выводит результаты
анализа.
Привлекательность метода ЛИЭС обусловлена очень простой, по сравнению со
многими другими методами элементного анализа, подготовкой оборудования для
проведения измерений. Действительно, чтобы получить лазерно-индуцированную
микроплазму, необходимо только лишь сфокусировать лазерное излучение на
поверхность образца или в его объем. При этом образцом может быть газ,
жидкость, аэрозоль или твердое тело. Эмиссионные спектры образующейся лазерной
плазмы используют для определения элементного состава анализируемого образца.
Рис. 1.1.Схема основных узлов экспериментальной установки для проведения
анализа с помощью ЛИЭС
Однако основные физические и химические процессы, протекающие при
лазерном испарении вещества не столь просты. Так, возникновение, образование и
затухание лазерной плазмы - очень сложные физические процессы. Поглощение
падающего на образец лазерного излучения происходит через механизм обратного
тормозного излучения, включающего столкновения между тремя сортами частиц:
фотонами, электронами и атомами или молекулами. В газах и жидкостях плазма
образует ударную волну, которая переносит энергию в окружающую среду. Если
лазерное излучение воздействует на образец в вакууме, то плазма и испаренное
вещество свободно распространяются от поверхности образца с разными скоростями.
Возбуждение атомов на определенные энергетические уровни также сложный процесс,
зависящий от таких факторов, как термодинамическое равновесие и взаимодействия
с другими атомами и молекулами. После окончания воздействия лазерного импульса
(который обычно имеет длительность ~ 10 нс) плазма затухает в течение
последующих одной или нескольких микросекунд, в зависимости от используемой
плотности мощности падающего лазерного излучения.
Рис. 1.2. Эмиссионные спектры лазерной плазмы на поверхности титана
В вакууме этот процесс значительно сокращается. Отметим, что большинство
анализов с лазерной искрой проводят с частотой повторения лазерных импульсов 10
Гц и выше.
Спектры испускания плазмы со временем изменяются, как показано на рис.
1.2.
Здесь показаны эмиссионные спектры лазерной плазмы на поверхности титана.
По оси ординат отложена интенсивность в относительных единицах, по оси абсцисс
- длина волны излучения в нанометрах. Временные интервалы, в течении которых
накапливались спектры, составляют: а): 0 - 0,5 мкс; б): 0,5 - 5 мкс; в): 10 -
110 мкс. Из рисунка видно, что вскоре после возникновения плазмы наблюдается
сплошной спектр и спектр ионов. Сплошной спектр представляет собой «белый свет»
плазмы, содержащий минимальную спектроскопическую информацию (см. рис. 1а). По
мере затухания плазмы наблюдаются спектры атомов и. в конечном счете, простых
молекул, образующихся в результате рекомбинации атомов. Со временем
интенсивность фонового сплошного спектра уменьшается из-за рекомбинации
свободных электронов с ионами. Использование эмиссионных спектров (в которых
интенсивность спектров атомов больше интенсивности фонового сплошного спектра)
обеспечивает получение быстрой и качественной информации о составе исследуемого
образца.
Плазма - это в целом электронейтральный ансамбль атомов, ионов и
свободных электронов, в котором поведение заряженных частиц является
коллективным. Плазма описывается множеством параметров, но наиболее важным из
них является степень ионизации. Слабоионизованной называют плазму, в которой
доля электронов по отношению к числу других частиц составляет менее 10%. Как
другой крайний случай, в высокоионизованной плазме атомы могут потерять много
своих электронов, что приводит к очень высокому значению отношения числa электронов к числу атомов/ионов.
Лазерно-индуцированную плазму обычно относят к категории слабоионизованных.
На рис. 1.3 представлено схематически развитие во времени лазерной плазмы,
инициированной одиночным лазерным импульсом.
На ранних стадиях ионизация является высокой. По мере протекания
ионно-электронной рекомбинации образуются нейтральные атомы, а затем и
молекулы. На протяжении всего этого периода наблюдается непрерывный фон,
интенсивность которого спадает быстрее, чем интенсивность спектральных линий.
Этот непрерывный фон связан в первую очередь с тормозными рекомбинационными
процессами. Рекомбинация происходит, когда свободный электрон захватывается на
ионный или атомный энергетический уровень и отдает избыток своей кинетической
энергии в виде фотона. Использование временного стробирования в ЛИЭС позволяет
выделить область, в которой преобладают информативные для исследования состава
вещества сигналы.
Величина
представляет время задержки от начала лазерного
импульса до открытия «окна» (строба) длительностью , в течение которого будет регистрироваться сигнал.
Вставки на рисунке 2 иллюстрируют виды эмиссионных спектров, которые можно
наблюдать в различные промежутки времени. Шкала времени показанная на рисунке
2, соответствует плазме, индуцированной на воздухе при давлении 1 атм лазерным
импульсом Nd:ИАГ- лазера с длиной волны 1064 нм и длительностью
порядка 5 - 10 нс.
Рис. 1.3 Развитие во времени лазерной плазмы, инициированной одиночным
лазерным импульсом
Интенсивность
излучения , испускаемого плазмой, можно представить в следующем
виде:
- длина
плазмы вдоль линии наблюдения.
Отметим,
что для малых значений формула (1) принимает вид:
что
является условием существования оптически тонкой (прозрачной плазмы).
Существуют два относительно простых способа проверки, является ли плазма
оптически тонкой. Относительные интенсивности сильных cпектральных линий элементов хорошо известны. Когда
самопоглощение становится заметным, наблюдаемые интенсивности будут отклоняться
от ожидаемых величин, причем в центре более сильных линий насыщение
интенсивности будет эффективнее. При заметном самопоглощении контур линии
представляет собой пик с плоской вершиной. В более крайнем случае одиночная
линия может иметь провал на центральной частоте. В таком случае говорят о
самообращении линии.
Описание плазмы начинают с попытки охарактеризовать свойства ансамбля
атомов, молекул, электронов и ионов, а не отдельных части. Если существует
термодинамическое равновесие, то свойства плазмы, такие, как относительная
заселенность энергетических уровней, распределение частиц по скоростям, можно
описать с использованием понятия температуры. В действительности полное
термодинамическое равновесие недостижимо и физики были вынуждены
довольствоваться локальным термодинамическим равновесием (ЛТР). Все, что при
этом требуется, - чтобы такое равновесие существовало в небольшой области
пространства, хотя оно может несколько различаться от области к области. ЛТР
обычно существует после того, как произошло достаточное для термализации плазмы
количество столкновений. Термализация означает распределение энергии по объему
плазмы и частицам. Даже в этом случае некоторые частицы могут не находиться в
термодинамическом равновесии. Это является обычным для тяжелых частиц (атомов и
ионов) и легких частиц (электронов), которые по отдельности достигают
равновесия быстрее, а позже - и друг с другом.
Разработаны разнообразные тесты, позволяющие установить наличие
термодинамического равновесия. Возможно, простейший из них заключается в том, что
относительные интенсивности спектральных линий с близких верхних уровней одного
и того же мультиплета согласуются с предсказанными основной теорией.
Для термически равновесной плазмы распределение атомов по степеням
возбуждения определяется законом Больцмана :
- число
атомов, находящихся в состоянии при
температуре Т;
- число
атомов, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии при температуре Т;
-
статистические веса возбужденного и основного состояний, соответственно;
Из
формулы (3) относительная заселенность энергетических уровней атомов или
молекул имеет вид:
где
индексы i и j указывают на два уровня.
Интенсивность
излучения спектральной линии приближенно определяется выражением :
-
вероятность перехода из возбужденного состояния в более
низкое состояние ;
( ) - частота (длина волны), соответствующая этому
переходу;
-
постоянная Планка, =6,626 10 Дж с.
Отношение
интенсивностей двух линий выглядит следующим образом:
Измеряя
относительные интенсивности линий атомов, для которых известны параметры g, A, E, а
также значения их длин волн, можно рассчитать температуру Т с помощью метода
двух линий. Если ширины линий значительно различаются, следует измерять
интегральные интенсивности линий.
Однако,
точно измерять относительные интенсивности бывает непросто. Для улучшения
точности измерения температуры целесообразно одновременное использование многих
линий и проведение графического анализа. Приведем уравнение (1.4) для
интенсивности излучения спектральной линии к следующему виду:
Это
уравнение прямой линии с наклоном .
Следовательно, если построить зависимость выражения в левой части уравнения от
Е (энергии верхнего уровня для случая испускания) и если выполняется
распределение Больцмана, получим прямую линию. Чем больше различаются значения
энергий верхних уровней, тем легче будет определить наклон линии.
Рис.
1.4 Эмиссионный спектр базальта
Для
иллюстрации этого вывода, на рис. 1.4 показан ЛИЭС спектр базальта, где линии
железа, используемые для построения зависимости от , отмечены звездочками.
Полученный
график изображен на рис. 4 [1]. Температура, определенная по наклону линии на
рис. 4, составляет 7500 К.
Рис.1.5
График, построенный по данным, приведенным на рис. 1.4
Температура,
получаемая в плазме ЛИЭС, конечно, зависит от подводимой энергии,
следовательно, и от плотности потока и плотности энергии. Для значений
плотности энергии порядка 1010 Вт/см2 температура составляет обычно 8000-12 000
К при временах 1-2 мкс с момента образования плазмы. На рис. 5 приведены
результаты расчета температур в ЛИЭС.
Рис.
1.6 Результаты расчета температуры плазмы.
Теперь,
зная диапазон температур излучения плазмы, проанализируем зависимость
интенсивности спектральных линий атомов различных элементов от температуры
излучения плазмы. Для расчета интенсивности спектральной линии используется
формула (4)
В
таблицах 1.1 - 1.4 приведены данные для спектральных линий, обладающих
максимальным значением относительной интесивности (Rel.Int.)
Таблица
1.1. Параметры излучения спектральных линий атома Fe
Для удобства расчета интенсивности спектральных линий приведем формулу
(4) в следующий вид:
Получим
графическое представление зависимости интенсивности излучения спектральной
линии от температуры плазмы (рис 1.7 - 1.11)
Рис
1.7. Зависимость интенсивности излучения спектральных линии (Вт/ср) от
температуры плазмы (К) для атома Fe.
- для
спектральной линии =349,05нм;
- для
спектральной линии =370,55нм;
- для
спектральной линии =374,55нм;
- для
спектральной линии =387,85нм;
Таблица
1.2. Параметры излучения спектральных линий атома Na
Рис
1.8. Зависимость интенсивности излучения спектральных линии (Вт/ср) от
температуры плазмы (К) для атома Na.
- для
спектральной линии =313,55нм;
- для
спектральной линии =314,93нм;
- для
спектральной линии =316,37нм;
- для
спектральной линии =588,99нм;
- для
спектральной линии =589,59нм;
Таблица
1.3. Параметры излучения спектральных линий атома Mg
Рис
1.9. Зависимость интенсивности излучения спектральных линии (Вт/ср) от
температуры плазмы (К) для атома Mg.
- для
спектральной линии =285,21нм;
- для
спектральной линии =516,21нм;
- для
спектральной линии =517,26нм;
- для
спектральной линии =518,36нм;
- для
спектральной линии =880,67нм;
Таблица
1.4. Параметры излучения спектральных линий атома Al
Рис
1.10. Зависимость интенсивности излучения спектральных линии (Вт/ср) от
температуры плазмы (К) для атома Al.
- для
спектральной линии =281,61нм;
- для
спектральной линии =308,85нм;
- для
спектральной линии =466,31нм;
- для
спектральной линии =559,33нм;
Таблица
1.5. Параметры излучения спектральных линий атома Be
Рис
1.11. Зависимость интенсивности излучения спектральных линии (Вт/ср) от
температуры плазмы (К) для атома Be.
- для
спектральной линии =313,04нм;
- для
спектральной линии =313,10нм;
- для
спектральной линии =467,34нм;
- для
спектральной линии =527,08нм;
При
постоянной температуре и других условиях возбуждения уравнение (4) для
интенсивности излучения переходит в:
Здесь
объединяет все сомножители в уравнении (4), кроме .
Если
режим работы источника возбуждения достаточно стабилен и скорость подачи
вещества в плазму постоянна, наступает некоторое стационарное состояние, при
котором число атомов элемента в плазме оказывается пропорциональным
концентрации этого элемента в пробе [2]:
-
концентрация вещества в пробе; -
коэффициент пропорциональности.
Подставляя соотношения (1.8) в (1.7) получаем:
Если
условия разряда не меняются при изменении концентрации, то коэффициент остается постоянным и уравнение (9) и выполняется
достаточно хорошо. Коэффициент зависит от
параметров разряда, условий поступления вещества в плазму и констант,
характеризующих возбуждение и последующие переходы.
При
логарифмировании уравнения (1.9) получаем:
Линейная
зависимость от очень
удобна для построения градуировочного графика.
Однако
не все кванты, испускаемые возбужденными частицами, достигают приемника света.
Квант света может быть поглощен невозбужденным атомом и, таким образом, не
будет зафиксирован приемником излучения. Это так называемое самопоглощение. С
увеличением концентрации вещества самопоглощение возрастает.
Самопоглощение
учитывается в уравнении Ломакина-Шайбе, которое хорошо описывает
концентрационную зависимость интенсивности спектральной линии:
где
коэффициент зависит от режима работы источника возбуждения, его
стабильности, температуры и т. д.; -
коэффициент самопоглощения, учитывающий поглощение квантов света
невозбужденными атомами.
Таким
образом, вследствие самопоглощения прямая пропорциональная зависимость
интенсивности от концентрации заменяется степенной зависимость (11) с .
В этой части рассмотрены основные аспекты проектирования
лазерно-искрового эмиссионного анализатора, проведен выбор и обоснование
оптической и структурной схемы прибора, а так же отдельных её узлов.
.1 Принципиальная схема приборов ЛИЭС
ЛИЭС - это метод, основанный на регистрации излучения плазмы с помощью
атомной эмиссионной спектроскопии. Уникальные свойства метода ЛИЭС являются
следствием применения мощного лазерного импульса как для «подготовки» пробы,
так и для возбуждения образовавшихся атомов, излучение которых регистрируют.
При воздействии сфокусированного лазерного пучка на исследуемый образец
(мишень) происходит испарение небольшой массы образца в виде атомов и частиц.
Одновременно с абляцией происходит образование микроплазмы в фокальной области
лазерного пучка, что приводит к возбуждению испаренных атомов. Процесс
возбуждения атомов в плазме продолжается и после окончания действия лазерного
импульса. Вещество исследуемого образца испаряется с образованием атомов и
ионов, которые в свою очередь также могут быть переведены в возбужденное
состояние.
На рис. 2.1 представлена структурная схема установки ЛИЭС.
Основными составными частями установки ЛИЭС являются:
· импульсный лазер 1, который генерирует мощный оптический
импульс, используемый для создания микроплазмы;
· система фокусировки 3 (состоящая из зеркал и линз), которая
направляет и фокусирует лазерное излучение на поверхность мишени;
· держатель образца или контейнер 4 (при необходимости);
· система сбора излучения 5 (линзы, зеркала или оптоволокно),
которая собирает излучение лазерной искры и направляет его на систему
регистрации;
· система регистрации, включающая блок выделения части спектра
6 (с помощью, например, спектрографа), а также приемник 7 (детектор) излучения;
· компьютер 8 и блок электроники.
Рис. 2.1 Структурная схема установки ЛИЭС
Основные части любой системы ЛИЭС одинаковы, однако специфика составных
частей зависит от конкретного применения. Эта специфика включает тип
анализируемого вещества, вид проводимого анализа, а также физические параметры,
такие, как размер, вес, компоновка, мощность и вспомогательное оборудование.
Как было сказано в пункте 1.4, чтобы получить плазму с температурой
8000-12000 К при временах 1-2 мкс с момента образования, необходимо создать на
поверхности исследуемого образца плотность энергии порядка 109 - 1010 Вт/см2.
Согласно определению, поверхностная плотность потока энергии - это
величина потока, приходящегося на единицу площади:
Очевидно,
что эта величина главным образом зависит от двух параметров
· импульсной мощности лазера
· площади сечения лазерного пучка, падающего на исследуемый
образец.
При наличии фокусирующей системы лазерного пучка, можно получить пятно
лазера на поверхности исследуемого образца диаметров 0,1-0,5мм.
Рис. 2.2 Зависимость поверхностной плотности энергии от мощности лазера
при разных диаметрах пятна лазерного излучения, сфокусированного на исследуемом
образце
Из графика видно, что для создания оптического пробоя с плазменным
факелом указанной выше температурой, импульсная мощность лазера должна быть не
менее 1МВт, сфокусированной на поверхности исследуемого образца в пятно радиусом
не более 0,5мм.
Такой мощности соответствует большинство современных малогабаритных
твердотельных импульсных лазеров.
В ЛИЭС используют лазерные импульсы с пиковой мощностью порядка единиц МВт
для формирования микроплазмы при фокусировке лазерного излучения на исследуемом
образце.
Технические характеристики обычно применяемых в ЛИЭС лазеров представлены
в таблице 2.1.
Для большинства областей применения ЛИЭС наиболее предпочтительны Nd: ИАГ-лазеры, потому что они надежны,
компактны и их легко использовать в качестве источников лазерных импульсов,
обеспечивающих высокую плотность мощности излучения. Более того, можно легко
получить гармоники основной длины волны генерации от ближнего ИК до ближнего
УФ-диапазона спектра.
Из
сопоставления экспериментальных данных и расчетов можно сделать вывод, что
наиболее целесообразно использовать для испарения и нагрева вещества в
аналитических целях излучения лазеров с длиной волны 0,7-1,06 мкм энергией в
импульсе ~ десятых и сотых долей джоуля и длительностью импульса =10-30 нс [5]. При этом эффективный нагрев паров
осуществляется при мощности лазерного излучения, обеспечивающей образование
плазмы передним фронтом импульса при создании на поверхности образца плотности
мощности ~ Вт/см . Радиус
пятна фокусировки должен определяться соотношением , где -
скорость расширения плазмы. При температуре плазмы эВ величина см/с.
Таблица 2.1 Технические характеристики используемых в ЛИЭС лазеров
основная: 1064 гармоники:
532, 355, 255
(1) простота преобразования
основной частоты генерации в гармоники (2) небольшие размеры лазера (3)
хорошее качество пучка (4) возможность реализации двухимпульсного режима на
одном лазере (5) возможность оптической накачки с помощью импульсной лампы
или диодов
(1) необходима
периодическая замена газовой смеси (2) качество пучка хуже, чем у Nd:
ИАГ-лазера (3) генерация только в УФ-диапазоне
эффективная длительность
импульса~ 200; длительность заднего фронта импульса ~1000 нс
(1) необходима
периодическая замена газовой смеси (2) практически не поглощается многими
материалами (3) качество пучка хуже, чем у Nd: ИАГ -лaзера
(1) высокая стабильность
лазерных импульсов (2) высокая частота повторения ~ 10 кГц
Важными
свойствами лазерного излучения для ЛИЭС являются: длина волны лазера,
длительность импульса и плотность мощности сфокусированного импульса (плотность
потока излучения на поверхности образца). Эти параметры определяют свойства
лазерной плазмы и соответственно возможность проведение анализа при образовании
данной плазмы. Например, излучение лазера на некоторых длинах волн поглощается
в веществе гораздо лучше, чем излучение другого спектрального диапазона. Так
медная мишень, а также и другие металлы имеют высокий коэффициент отражения для
длины волны СО -лазера (10600 нм). Однако данное излучение хорошо
поглощается стеклами и водными растворами, которые обладают высоким поглощением
в среднем ИК-диапазоне спектра. Следует отметить, что хотя фокусировкой
лазерного импульса можно добиться плотности мощности порядка ГВт/см2, если
энергия будет слишком мала, то аблированного и испаренного материала может быть
недостаточно для формирования необходимого эмиссионного сигнала.
Другим
важным свойством лазерного излучения для некоторых приборов ЛИЭС может быть
качество поперечного сечения пучка, так как оно определяет минимальный размер
пятна, в которое можно сфокусировать излучение.
В
методе ЛИЭС обычно используют лазерные импульсы с энергией в диапазоне от 10
мДж до 500 мДж. Длительность импульсов в методе
ЛИЭС обычно ~ 10 нс.
Способность
лазерного импульса распространяться на большие расстояния в виде
коллимированного пучка является важным свойством для дистанционного анализа
объектов методом ЛИЭС. В методе дистанционного анализа лазерный импульс может
распространяться к объекту и через оптоволокно.
Длина
волны излучения (например,1064 нм для Nd: ИАГ) может быть неоптимальной
для выполнения ЛИЭС анализа. Поскольку Nd: ИАГ -лазеры
обычно имеют хорошее качество пучка и с их помощью возможно получение высокой
пиковой мощности излучения, то для получения излучения другой длины волны можно
использовать метод генерации гармоник. Эффективность преобразования энергии
составляет обычно порядка 50%. В простейшем случае основная длина волны
излучения 1064 нм преобразуется в 532 нм (вторая гармоника), которая, в свою
очередь, может быть удвоена до 266 нм (четвертая гармоника). Сочетанием
оставшейся после преобразования основной гармоники 1064 нм и второй гармоники
532 нм получают третью гармонику 355 нм.
Однако,
при всех преимуществах Nd: YAG лазеров, у них есть один существенный недостатот, а
именно - данный тип лазера относится к IV классу
безопасности и не может эксплуатироваться без индивидуальной защиты, так как
даже рассеянное ИК излучение с длиной волны 1024нм, невидимое человеческим
глазом, легко проходит сквозь роговицу и фокусируется оптической системой глаза
на сетчатку, в результате чего это приводит к ожогам сетчатки вплоть до полной
потери зрения.
Лазеры
высокой пиковой мощности с модуляцией добротности, работающие в узком
спектральном окне между 1.5нм и 1.6нм примерно в 8000 раз более
"безопасные для глаз", чем другие устройства лазера, работающего в
видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Например, лазер на 1.54мкм может
излучать до нескольких мДж энергии в импульсе и по-прежнему считается лазером I
класса безопасности (никакой защиты лазерной глазной требуется).
Тем не менее, несмотря на свою компактность и безопасность, лазеры Er: Glass имеют существенный недостаток перед традиционными
лазерами, используемыми в лазерной эмиссионной спектроскопии, а именно - низкую
энергию в импульсе.
К примеру, сверхкомпактные эрбиевые лазеры фирмы Kigre Inc имели выходную энергию порядка 4-10 мДж при длине
импульса 6 нсек, что создавало поверхностную плотность энергии на образце
исследуемого материала около 6МВт/см2, в то время как Nd: YAG лазер, излучающий
на длине волны 1,064мкм при той же длине импульса и апертуре выходного пучка
давал плотность мощности на порядок больше. Поэтому для такого лазера
необходима фокусирующая оптическая система.
Структурная схема лазерно-искрового эмиссионного анализатора представлена
на рисунке 2.3.
Схема включает в себя 3 оптических канала - реперный, передающий и
приемный, фокальные плоскости всех этих систем находятся на поверхности
исследуемого объекта, закрепленном на механизированном столики с регулировкой
по высоте. Образец устанавливается на столик, далее подъемом столика добиваются
минимального пятна сфокусированного реперного лазера на исследуемом образце.
Как только это условие выполнено, плоскость сечения перетяжки лазера,
создающего плазменный факел, совпадает с плоскостью проведения анализа на
образце. Так же реперный лазер служит для точного указания именно того места, в
котором будет происходить оптический пробой. Это очень удобно в тех случаях,
когда нужно провести анализ с площадки минимальной площади, например
проанализировать минеральное вкрапление в горной породе.
После того, как фокальные плоскости реперного, и, следовательно,
передающего канала совмещены с плоскостью анализа, производится серия выстрелов
лазера, в результате которых возникает плазменный факел. Излучение плазменного
факела проецируется с помощью приемного объектива в торец оптического волокна,
затем попадает в спектральный прибор. Далее путем обработки спектра программным
обеспечением, производится анализ состава исследуемого вещества.
Рис. 2.3. Структурная схема ЛИЭС-анализатора.
2.5 Выбор и обоснование элементов структурной схемы
В качестве источника излучение реперного канала целесообразно выбрать
лазерный диод, так как это наиболее дешевый и практичный вариант, который
хорошо зарекомендовал себя в подобных задачах. Такой лазерный диод должен
обладать следующ
2.5.1
Источник излучения реперного канала Дипломная (ВКР). Физика.
Как Начать Эссе По Русскому Языку
Рефераты По Истории Примеры
Сообщение В Виде Эссе
Реферат: Beowulf 3 Essay Research Paper BeowulfBeowulf is
Отчет по практике по теме Характеристика ОАО 'Белгазпромбанк'
Реферат по теме Задачи по финансовому праву
Контрольная Работа На Тему Роботизовані Технологічні Комплекси
Каким Должен Быть Реферат
Курсовая Работа На Тему Женщины Лишенные Свободы
Нравственная Опора Определение Для Сочинения
Сочинение по теме Роже Мартен Гар. Семья Тибо
Различные эмоции
Реферат Про Животного Кенгуру
Реферат по теме Преобразования Лоренца
Доклад по теме Охрана труда в образовании
Как Начать Сочинение Отзыв
Реферат На Тему В М Глушков
Доклад: Социальная реклама в России
Контрольная работа по теме Кадровая политика в стратегии развития организации
Доклад по теме Томас Гексли
Реферат: John Adams Essay Research Paper Brandon GirouxBible12John
Доклад: Молодежный экстремизм в России
Похожие работы на - Накопитель на гибких магнитных дисках