Phương pháp phân tích laser induced breakdown detection là gì

In this review, we discuss the application of laser-induced breakdown spectroscopy LIBS to the problem of detection of residues of explosives. Research in this area presented in open literature is reviewed. Both laboratory and field-tested standoff LIBS instruments have been used to detect explosive materials. Recent advances in instrumentation and data analysis techniques are discussed, including the use of double-pulse LIBS to reduce air entrainment in the analytical plasma and the application of advanced chemometric techniques such as partial least-squares discriminant analysis to discriminate between residues of explosives and nonexplosives on various surfaces. A number of challenges associated with detection of explosives residues using LIBS have been identified along with their possible solutions. Several groups have investigated methods for improving the sensitivity and selectivity of LIBS for detection of explosives, including the use of femtosecond-pulse lasers, supplemental enhancement of the laser-induced plasma emission, and complementary orthogonal techniques. Despite the associated challenges, researchers have demonstrated the tremendous potential of LIBS for real-time detection of explosives residues at standoff distances.

Distribution Statement:

APPROVED FOR PUBLIC RELEASE

Máy phân tích khí TDL được sử dụng trong một loạt các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Việc lắp đặt phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất, lọc hóa dầu, sản xuất dược phẩm và sản xuất thực phẩm và đồ uống.

Trong các ngành công nghiệp như xút-clo, máy phân tích bằng tia laser lưỡng cực của METTLER TOLEDO có thể thay thế các hệ thống đo lường truyền thống để theo dõi độ ẩm nhằm ngăn ngừa ăn mòn hệ thống nén.

GPro 500 với khả năng điều chỉnh đầu dò lọc là tối ưu cho các thiết bị phân tích khí trong quy trình trong các ứng dụng đốt cháy nơi mà lượng bụi cao thường có thể cản trở phép đo. Thiết lập này đặc biệt thích hợp cho lò sưởi và nồi hơi đốt.

Trong các ứng dụng làm trơ và làm trống, việc sử dụng đầu dò không tẩy trên máy phân tích khí mang lại sự an toàn cao hơn và giảm chi phí vận hành.

Đối với phép đo bằng thiết bị phân tích khí tại chỗ trong ống DN50 hoặc 2 "khi bạn có vận tốc cao hoặc thấp hoặc muốn tránh các hạn chế về dòng chảy, bộ điều chỉnh GPro 500 Wafer Cell cung cấp phép đo ổn định.

Phá vỡ điện môi là sự ion hóa một phần hoặc toàn bộ chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí thông qua sự hấp thụ năng lượng nhiệt hoặc điện từ. Khí của các hạt mang điện tạo thành sau quá trình ion hóa là được gọi là “plasma“, tạo thành trạng thái thứ tư của vật chất.

Plasmas có thể xuất hiện trong tự nhiên thông qua sự kích thích nhiệt hoặc tĩnh điện. Trong sự kích thích nhiệt, nhiệt độ cao gây ra hóa hơi và ion hóa vật chất thông thường. Trong sự kích thích tĩnh điện hoặc điện một chiều, sản xuất plasma là do sự ion hóa dòng điện tử trong trường điện từ.

Nếu trường điện từ cường độ cao được tạo ra bởi một tia laser, sự phá vỡ được gọi là sự phá vỡ do tia laser gây ra. Sự phá vỡ do laser gây ra (LIB), giống như các plasma được sản xuất tự nhiên, có hai dạng khác nhau: sự phân hủy quang học do tia laser gây ra và sự phá vỡ nhiệt cảm ứng. Các cơ chế này được thảo luận chi tiết trong các phần sau.

Trong sự phân hủy bởi sự ion hóa theo tầng, các electron hạt giống đến từ sự ion hóa các tạp chất bằng cách kích thích nhiệt (phát xạ nhiệt bằng cách đốt nóng tế bào sắc tố hấp thụ tuyến tính trong mục tiêu) trong trường hợp môi trường không tinh khiết hoặc bằng cách ion hóa một vài phân tử thông qua sự hấp thụ nhiều photon trong trường hợp tinh khiết.

Trong hấp thụ nhiều photon, các điện tử tự do được tạo ra bằng cách hấp thụ đồng thời một số các photon của một phân tử, cùng chứa đủ năng lượng để ion hóa phân tử. Một số biến các photon có cùng trạng thái phân cực và có tổng năng lượng (Nhυ) vượt quá ion hóa của môi trường được khảo sát là cần thiết để tạo ra một điện tử năng lượng.

Khi một điện tử tự do tồn tại trong môi trường, nó có thể hấp thụ các photon trong một quá trình không cộng hưởng được gọi là “sự hấp thụ ngược Bremsstrahlung” trong quá trình va chạm với các hạt mang điện nặng, tức là ion hoặc hạt nhân nguyên tử.

Trong quá trình hấp thụ, năng lượng và động lượng phải được bảo toàn để một hạt thứ ba (ion / nguyên tử) cũng tham gia vào quá trình này. Electron tự do nhận được động năng trong quá trình sự hấp thụ của photon và sau một chuỗi các sự kiện Bremsstrahlung nghịch đảo K, động năng vượt quá năng lượng vùng cấm ∆E.

Từ thời điểm đó, electron này có thể tạo ra một electron tự do khác thông qua sự ion hóa va chạm và tạo thành hai electron tự do có động năng thấp. Trình tự lặp lại của các sự kiện hấp thụ nghịch đảo bremsstrahlung và tác động ion hóa dẫn đến sự phát triển cộng hưởng trong số electron tự do nếu bức xạ đủ lớn để khắc phục sự mất mát của các electron tự do thông qua khuếch tán ra khỏi tiêu điểm và thông qua tái tổ hợp.

Trong mỗi lần va chạm, một phần động năng của electron tỉ lệ với tỉ số giữa khối lượng electron và ion là chuyển sang dạng ion. Do đó, năng lượng thu được thông qua nghịch đảo bremsstrahlung phải nhanh hơn hơn sự mất mát năng lượng do va chạm với các hạt nặng để duy trì sự phát triển tuyết lở của điện tử.

Hiệu ứng phá vỡ quang học bằng laser – LIOB

Sự phá vỡ quang học bằng laser (LIOB) là một quá trình hấp thụ phi tuyến tính dẫn đến sự hình thành plasma tại các vị trí vượt qua ngưỡng bức xạ. Có khác nhau các cơ chế có thể dẫn đến LIOB: hấp thụ đa photon, ion hóa theo tầng (hoặc ion hóa cộng hưởng) hoặc kết hợp cả hai.

Giai đoạn ban đầu, đối với tất cả chúng là sự tạo ra các electron tự do trong khối lượng tiêu điểm và số lượng tối thiểu cần thiết là giá trị không đặc hiệu trung bình là 1018 -1020 cm-3.

Thời gian xung và sự hiện diện của tạp chất là hai trong số các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình. Chúng tôi có thể xác định cụ thể ba chế độ, như được hiển thị trong Bảng sau:

Đối với độ rộng xung dài, ion hóa theo tầng là cơ chế chiếm ưu thế . Tuy nhiên, trong vật chất tinh khiết, sự ion hóa đa photon là cần thiết để tạo ra các electron hạt giống.

Đối với sự khởi đầu bằng đa photon chiếm ưu thế trong độ rộng xung trung bình với bất kỳ sự đóng góp nào của các hạt electron từ các tạp chất.

Sự phá vỡ trong cả hai môi trường tinh khiết và môi trường không tinh khiết là do quá trình ion hóa cộng hưởng bắt đầu bằng nhiều photon.

Đối với độ rộng xung ngắn sự hấp thụ đa photon là cơ chế chiếm ưu thế, bởi vì chúng không hiện diện đủ lâu để đạt được một thác điện tử. Mỗi nguyên tử bị ion hóa độc lập, vì vậy không phải hạt tương tác giữa các hạt và các electron là cần thiết.

Tóm lại, giảm thời lượng xung (đối với xung picosecond và femtosecond) thì quá trình multiphoton trở nên quan trọng hơn.

Khía cạnh này cũng có thể được chứng minh khi phụ thuộc vào cường độ của quá trình ion hóa đa tầng và đa photon. Khi sự mất mát của điện tử bị bỏ qua, tốc độ ion hóa tầng tỷ lệ với tia laser ánh sáng cường độ. Tốc độ ion hóa đa photon tỷ lệ với cường độ của chùm tia laser và là số lượng photon cần thiết cho quá trình ion hóa.

Hiệu ứng phá vỡ nhiệt bằng laser – LITB

Hiệu ứng phá vỡ nhiệt do tia laser là việc phá vỡ xảy ra trong môi trường hấp thụ bởi một cường độ tia laser.

Các điện tử hạt được tạo ra bởi các hạt mang màu hấp thụ tuyến tính (hắc tố, máu) trong da. Sắc tố mang màu hấp thụ năng lượng từ chùm tia laser và nhanh chóng chuyển nó thành nhiệt, làm tăng xác suất giải phóng electron về mặt nhiệt học. Các electron tự do này thu được năng lượng từ trường laser ion hóa các nguyên tử khác trong va chạm (ion hóa va chạm) và sự lặp lại của quá trình này dẫn đến sự nhân lên nhanh chóng của các điện tử tự do (sự ion hóa cộng hưởng) với sự hình thành kết quả là plasma và từ đó vượt qua ngưỡng phá vỡ.

Tóm lại, LITB bắt đầu với sự hấp thụ năng lượng tuyến tính (hấp thụ tuyến tính) và sau đó tiến tới hấp thụ phi tuyến tính thông qua quá trình ion hóa cộng hưởng.

So sánh giữa LIOB và LITB

LITB xảy ra khi tiếp xúc lâu với nguồn sóng liên tục (cw) hoặc phát xung lặp lại ở mức công suất trung bình. Nó được gặp chủ yếu trong các vật liệu có hệ số hấp thụ tuyến tính khá cao.

Sự hấp thụ (tương đối) chậm của năng lượng từ tia laser tạo ra sự đốt nóng của môi trường, sau đó là sự nóng chảy, hóa hơi và sự ion hóa collisional.

LIOB ngược lại xảy ra chủ yếu đối với xung ngắn trong micro giây đến thời gian femto giây, trong đó thời gian tương tác xung ngắn không cho phép tuyến tính hấp thụ hoặc gia nhiệt trực tiếp. Trong chế độ này, công suất đỉnh cao và liên kết phản xạ đặc trưng của ngắn xung tạo ra sự hình thành plasma thông qua các quá trình như hình thành dòng điện tử và trực tiếp sự ion hóa của môi trường bằng cách hấp thụ đa photon.

Trong trường hợp sự phá vỡ nhiệt sẽ chỉ xảy ra ở những vị trí có tế bào sắc tố. Sự khác biệt chính giữa LIOB và LITB về loại hấp thụ, cơ chế liên quan, tiêu chí để chọn laser bước sóng và độ sâu thâm nhập được liệt kê trong Bảng sau: