بخشی از مقاله
چکیده تعیین غلظت عناصر سیمان نقش مهمی در صنعت سیمان و ساختمان دارد. در این مقاله، روش طیفسنجی تخلیه لیزری - LIBS - برای تعیین کمی و کیفی عناصر سیمان گزارش میشود. برای این منظور سیمان بصورت قرص در آمده و پالسهای لیزر بر سطح قرص متمرکز میشوند. این فرآیند باعث تولید یک میکرو پلاسما روی سطح قرص سیمان شده و نور حاصل از تابش پلاسما حاوی اطلاعات ارزشمندی در مورد نوع و مقدارعناصر موجود در سیمان میباشد. با فرض شرایط تعادل ترمودینامیکی موضعی - LTE - و بوسیله مجموعهای از نمونههای استاندارد، نمودارهای کالیبراسیون برای عناصر مختلف سیمان کشده شد. در طی این فرایند عناصر Sr, Mn, Ca, Na, Al, Mg, K, Si,Ti, بصورت کمی و کیفی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه برای تایید شرایط تعادل LTE چگالی الکترونی و دمای پلاسما مورد ارزیابی و بررسی قرار گرفته شد.
-1 مقدمه
از دیرباز سیمان نقش مهمی در زندگی انسان ایفا میکرده . بتن پرمصرفترین و شناخته ترین ماده حاصل از سیمان است که بر اساس آمارها سالانه بیشتر از یک متر مکعب به ازای هر نفر تولید میشود.[1] طول عمر بتن و مقاوت آن در برابر خوردگیها از مهمترین فاکتورهای بتن میباشد. مطالعات و تحقیقات زیادی برای افزایش طول عمر بتن و کاهش خوردگیها صورت گرفته است . یکی از کارهای مهم برای رسیدن به این هدف، استفاده از نوع سیمان مناسب با هر شرایط محیطی می باشد.
بداین منظور باید سیمان را به گونههای مختلف طبقه بندی کرد و در این فرایند اندازه- گیری دقیق غلظت مواد تشکیل دهنده سیمان نقش اساسی را ایفا میکند. امروزه، برای اندازهگیری غلظت مواد تشکیل دهنده سیمان از روشهای گران قیمت و زمان بری از قبیل آزمایشات شیمیایی و طیفسنجی پرتو X استفاده می- شود.[2] در این مقاله طیفسنجی تخلیه لیزری - LIBS - بعنوان یک روش دقیق برای آنالیز غلظت عناصر سیمان معرفی میگردد.
تکنیک طیفسنجی تخلیه لیزری کاربردهای زیادی در تشخیص کمی و کیفی عناطر مختلف در فازهای گاز، مایع و جامد دارد. این روش یک روش آنالیز سریع چند عنصری در یک زمان است که میتواند در شرایط مختلف بکار گرفته شود.[3] تولید پلاسما با دمای بالا بوسیله پالسهای کوتاه لیزری که اغلب دارای انرژی چند میلی ژول هستند ماهیت اصلی این روش را تشکیل میدهد. حجم بسیار کمی از ماده در اثر پالس لیزری کنده میشود.
این حجم، باقیمانده انرژی پالس را جذب کرده و یک پلاسمای داغ بوجود میآید. با تمام شدن پالس لیزری، پلاسمای داغ سریعاً شروع به سردن شدن میکند. در حین این فرایند، الکترون های برانگیخته در اتم ها و یون های برانگیخته در ترازهای الکترونی شروع به انتقال به ترازهای پایه میکنند و پلاسما شروع به تابش می کند. با آنالیز نور ساطع شده از پلاسما میتوان نمودارهای کالیبراسیون را برای عناصر مختلف سیمان کشید و از روی آن غلظت عناصر را بررسی کرد.
- 2 چیدمان آزمایش
چیدمان مورد استفاده در آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. در این آزمایش از لیزر Nd:YAG با طول موج 1064 nm و طول پالس ns 10 استفاده شده است. انرژی لیزر در 37 mJ و فرکانس 1 Hz تنظیم شده و با یک لنز 35 mm پالس لیزر را کانونی کردهایم. نور پلاسما بوسیله یک لنز کوارتز در فیبر نوری متمرکز شده و به ICCD منتقل میشد. بخشی از نور بوسیله باریکه شکن جدا شده و به فوتودیود می-رسد. این فوتودیود به تأخیرساز فرمان داده و بوسیله آن ICCD را کنترل میکنیم. برای آنالیز کمی سیمان از 9 نمونه استاندارد سیمان استفاده شده که از موسسه استاندارد امریکا - NIST - تهیه شده است. نمونهها با فشار 12 MPa به مدت 5 دقیقه با دستگاه پرس هیدرولیکی بصورت قرص در آورده شد.
-3 نتایج
برای آنالیز خطوط طیفی از سطح زیر نمودار طیف استفاده شده است. مساحت زیر هر خط طیفی محاسبه شده و تابش زمینه از آن کم می-شود. به جهت کاهش خطای آزمایش از روش استاندارد داخلی استفاده شده است. برای این منظور مساحت بدست آمده برای هر خط طیفی به مساحت بدست آمده برای خط کلسیم تقسیم میگردد .[4] بزرگی خطوط طیفی نرمالایز شده در زمانهای تاخیر تغییر میکند. برای بدست آوردن زمان تأخیر بهینه برای آنالیز هر عنصر یک سری آزمایش در زمانهای تأخیر مختلف انجام شد و زمان تأخیر بهینه برای هر عنصر محاسبه شد . جدول 1 زمان تأخیر بهینه را برای عناصر مورد بررسی نشان میدهد. شکل 2 بخشی از طیف سیمان را در زمان تاخیر 1 ʽs و در بازه طول موجی 240 nm تا 500 nm به نمایش میگذارد.
با فرض تعادل ترمودینامیکی موضعی - LTE - و نازک بودن پلاسما نمودارهای کالیبراسیون برای عناصر Al، Si بعنوان عناصر اصلی تشکیل-دهنده سیمان و K ، Mg، Na ، Mn، Sr و Ti بعنوان عناصر جزئی در سیمان کشیده شد. از خطوط طیفی پر شدت که کمترین برهم نهی با دیگر خطوط طیفی را داشتند استفاده شد. جدول شماره 1 نشاندهنده خطوط انتخاب شده برای عناصر میباشد. برای عنصر سدیم دو خط طیفی 588.99 nm و 589.59 با هم انتخاب شدند.
علت امر نزدیکی زیاد دو خط سدیم به هم بود. نمودارهای کالیبراسیون برای عناصر مختلف در شکل 3 آمده است. هر اندازهگیری از جمع شدت 20 پالس لیزری بدست آمده و هر نقطه از میانگینگیری از سه آزمایش حاصل شده است. معمولا در گذارهایی که به حالت پایه ختم میشوند پدیده خود جذبی - self-absorption - دیده میشود. برای از بین بردن این پدیده از پالسها با انرژی کم استفاده شد.[5] از طرفی خطی بودن نمودارهای کالیبراسیون نشاندهنده این است که، پدیده خود جذبی صورت نگرفته است.[6]
