بخشی از مقاله
چکیده –
بیناب سنجی پلاسما القایی لیزري - Laser induced plasma spectroscopy-LIPS - یک تکنیک طیف نگاري شیمیایی است, که در آن باریکه, لیزر به عنوان چشمه برانگیزش مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله پلاسماي حاصل از پالس لیزر اگزایمر - 193 nm - ArF در سطح نمونه هاي مختلف طلا در فشار هوا مورد مطالعه و بررسی قرار داده می شود و بر مبناي آن عیار طلا تعیین می گردد. همچنین به جهت جلوگیري از تخریب ظاهري نمونه ها در مرحله بعد از لیزرNd:YAG در هارمونیک اصلی - - 1064nm با روش جرقه در هوا که به کندگی ناچیز می انجامد عیارسنجی نمونه ها تعیین و مقایسه گردیده است.
-1 مقدمه
تعیین دقیق و سریع عیار طلا براي تولید کنندگان و خریداران از دیدگاه امنیت اقتصادي و هرگونه سوء استفاده احتمالی امري بسیار مهم است. روشهاي سنتی ذاتا" مخرب و نیاز به چند مرحله اندازه گیري مهم دارند, همچنین سایر تکنیک ها از جمله طیف سنجی جذبی اتمی, طیف سنجی القایی پلاسمایی جرم, آنالیزهاي فعالیتهاي نوترونی در عیار سنجی مورد استفاده قرار نمی گیرند.
روش جدید و کار آمد طیف سنجی القایی لیزري - - LIPS می تواند در طی چند دقیقه و به صورت یک روشی ذاتا" غیر مخرب بر روي نمونه هاي طلا با هر شکل دلخواه انجام گیرد, در ضمن می توان آن را بصورت قابل حمل و فشرده طراحی نمود
در این روش هنگامیکه خروجی یک پالس لیزر پر توان بر روي نقطه اي از سطح هدف متمرکز می شود. فروشکست روي می دهد, مقدار بسیار کوچکی از ماده تبخیر شده و در اثر جذب فوتونهاي بعدي گرمتر شده تا جائیکه یونیزه می شود و متعاقبا" یک پلاسماي پر انرژي گذرا تشکیل می گردد. مواد مختلف در پلاسما طول موج هاي مختلفی را گسیل می کنند و با طیف سنج تابشی حاصل از پلاسما می توان به اطلاعاتی از ترکیب مواد در نمونه و مقدار آن پی برد.
اطلاع از موقعیت و شدت تابش پلاسما در زمان هاي مختلف براي استفاده موثر از این روش بسیار با اهمیت است. ترکیبات پلاسما عموما" با فاصله ء آن از سطح نمونه به دلیل انبساط سریع پلاسما و به دنبال آن کاهش دما تغییر می کند. منطقه پلاسمایی را می توان به سه ناحیه تقسیم نمود. ناحیه I ,ناحیهء مرکزي یا هسته نزدیک سطح نمونه جائیکه دما بیشینه و اکثر گونه ها در حالت یونیزه هستند. ناحیه,II ناحیهء میانی که علاوه بر گونه هاي یونی گونه هاي خنثی و مولکولی حضور دارند.ناحیهء,IIIناحیهء انبساط یافته, در این قسمت دماي پلاسما در مقایسه پایین تر و چگالی گونه هاي مولکولی حاضر در پلاسما بیشتر است.
تولید میکرو پلاسما ي سطحی براي LIPS می تواند توسط یک تپ لیزري - با پهناي - ns با چگالی توان بالا - 108-1012w.cm-2 - در سطح صورت گیرد.[3] پلاسماي اولیه داراي چگالی بالاي الکترونی و یونی - - 1710 -2010 cm-3 و دماي بالا حدود چند هزار درجه سلیسیوس می باشد. طیف گسیلی از مرحلهء اخیر در اثر پدیده برمشترالانگ الکترونهاي آزاد و باز ترکیب الکترون-یون یک طیف پیوسته است.
خطوط گسیلی یونها و اتمها - این خطوط در طیف قوي پیوسته زمینه ظاهر می شوند - را می توان حدود چند صد نانوثانیه بعد مشاهده نمود, این خطوط باریک اتمی و یونی متناظر با عناصر موجود در توده است این رژیم زمانی در مرتبه میکرو ثانیه بطول می انجامد و در این مرحله آنالیز عنصري امکان پذیر است. با گذشت زمان طیف پیوسته زمینه به سرعت از بین می رود و طیف خطوط گسیلی اتمی باریکتر و ضعیف تر می شوند و انتشارات از مولکولهاي ساده آغاز می شود.[2-4] یک پنجره انتخاب زمان آشکار سازي می تواند در نسبت سیگنال به زمینه بسیار موءثر باشد.
-2 نظریه
جهت تعیین کمی گونه هاي حاضر در پلاسما می توان از شدت خطوط اتمی وخطوط یونی استفاده نمود. به محض تشکیل پلاسما فرض می شود که مدل تعادل ترمودینامیکی موضعی - LTE - برقرار است.[5] در چنین حالتی ابعاد میکروپلاسما به طور چشمگیري از مسیر آزاد میانگین فوتونهاي منتشره در پلاسما کوچکتر است.
در این شرایط فوتونها مسافت نسبتا" بزرگی را از محل گسیل شان حرکت می کنند و ممکن است از پلاسما فرار کنند یا جذب قسمت دیگري که داراي دما و چگالی متفاوتی است شوند, به طوري که میدانهاي تشعشعی از قانون پلانک تبعیت نمی کنند.اما براي چگالهاي کافی الکترونها[3] هنوز توزیع ماکسول-بولتزمن در یک دماي Te برقرار است و شدت خطوط اندازه گیري شده از یک عنصر, مربوط به گذار بین ترازهاي Ek و Ei را می توان چنین بیان نمود.
جهت حذف اثرات ماتریسی از دو روش استاندارد خارجی و استاندارد داخلی استفاده می شود. در روش استاندارد خارجی یک نمونه مرجع که ترکیبات آن کاملا" شناخته شده باشد وداراي ترکیباتی مشابه با نمونهء مورد بررسی باشد انتخاب می گردد و براي این منظور خطی یکسان از یک عنصر موجود در هر دو نمونه در رابطه - - 1 به کار برده می شود.از آنجا که معمولا" دماي پلاسما در نمونه مرجع - ref - و نمونه ناشناخته آزمون - un - مورد بررسی تفاوت چندانی ندارند[6] در واقع با تقریب دما در مرجع و نمونه یکسان در نظر گرفته می شود لذا خواهیم داشت:
حضور اثرات ماتریسی باعث تفاوت این مقدار از 100%می شود و با استفاده از نرمالیزاسیون می توان ضریب تصحیح Nun را تعیین نمود.
در این نوع اندازه گیري ها بهتر است خطوط طیفی, مورد بررسی قرار گیرند که انرژي هاي برانگیختگی و توابع افراز مشابه داشته باشند. همچنین از آنجا که ممکن است در ناحیه هاي مختلف طیفی آزمون انجام پذیرد لذا بهتر است خطوط آزمون از یک ناحیه طیفی انتخاب شوند تا در واقعه از بخش یکنواخت پاسخ طیفی سیستم استفاده شود.
لازم به ذکر است در روشی دیگر موسوم به CF بدون منحنی کالیبراسیون تنها با در نظر گرفتن غلظت یونی مرتبه اول و غلظت اتمی در پلاسما , غلظت را در نمونه تعیین می کنند
-3 مشخصات چیدمان آزمایش
مجموعه آزمایشی براي آنالیز طلا در شکل - 2 - نشان داده شده است. پرتو یک لیزر , Nd:YAG ,Q-Switch طول موج,1064nm نرخ تکرار پالس 5 هرتز, انرژي هر پالس50 ,mj مد خروجی TEM00 وعرض پالس 0ns - FWHM - ا و یک لیزر اگزایمر ArF با طول موج 193 nm نرخ تکرار پالس 1 هرتز, انرژي هر پالس90 mjبا مد خروجی TEM00 بر روي سکه بهار آزادي - 20 عیار - و یک قطعه طلاي آزمون با عیار نامشخص تابیده می شود, براي این منظور یک سکوي پرتو دهی با قابلیت تحرك میکرو متري در راستايX و Y استفاده شده است.
نمونه ها در فواصل مختلف نسبت به فاصله کانونی عدسی و به طور عمود نسبت به انتهاي تار نوري و عمود بر مسیر باریکه لیزر بر سکوي پرتو دهی نصب شده است و نور گسیلی از پلاسما را به اسپکتروفوتومتر هدایت می کند. انرژي پالس هاي لیزر با دستگاه coherent-fieldmaster با هد LMP10LP - ژول متر - اندازه گیري شده است. طیف پلاسما توسط تار نوري انتقال یافته و اطلاعات طیفی توسط اسپکترو-فوتومتر - - Spectrastar S-100 مجهز به آرایه CCD ,مدل , آشکار سازي می شود.
لازم به ذکر است که دوربین CCD مورد استفاده داراي ورودي الکترونیکی Trigger inputبوده که به کمک مولد پالس - ساخته شده در آزمایشگاه - در بازهء زمانی چند صد نانوثانیه - از - 500ns تا چند صد میکرو ثانیه - تا μs - 300 قادر است در هر لحظه به سیستم فرمان ذخیره سازي اطلاعات را دهد که می تواند متناسب با زمان تاءخیر دلخواه در لیزر اگزایمر یا از طریق دیود PIN در لیزر یاگ فرمان بگیرد. سپس اطلاعات طیفی توسط نرم افزار مربوطه پردازش شده و بر روي صفحهء مونیتور کامپیوتر نمایش داده می شود.
شکل:1 چیدمان آزمایش
-4 بررسی و تحلیل نتایج
در ابتدا نمونه هاي در فاصله اي حدود-2 mm از کانون لیزر اگزایمر - باریکه درون ماده هدف کانونی شده است -
تابش دهی گردید. از طرفی به دلیل اینکه در نزدیکی سطح هدف در پلاسما شدت پس زمینه و پهن شدگی خطوط زیاد می باشد , سعی شد آنالیز طیف در فاصله 4-7 mm از سطح هدف انجام گیرد - تشعشعات زمینه در این ناحیه کمتر و خطوط انتشاري نسبتا" قوي و باریک هستند.
طیف حاصل از پرتو دهی بر روي سکه در شکل - - 2 مشاهده می شود که به منظور عدم آمیختگی طیف پس زمینه با طیف اصلی با تاءخیري حدود 4 μs از تشکیل پلاسما جمع آوري شده است.
