ویکی‌پدیا:آشنایی با ویرایش: تفاوت میان نسخه‌ها
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
خنثی‌سازی ویرایش 7294362 توسط 81.85.243.70 (بحث) |
Mr.alisafi (بحث | مشارکت‌ها) بدون خلاصۀ ویرایش |
||
خط ۱:
{{پانویس}}
{{آشنایی}}
== طیف سنجی فروشکست القاییده لیزری ==
در روش طیف سنجی فروشکست القاییده لیزری (LIBS) با متمرکز کردن پالس لیزری روی ماده نمونه مجهول، حجم کوچکی از آن به شکل پلاسمای تابشی بسیار داغ که ناپایدار است، کنده می شود. پلاسما يك گاز يونيزه با یماي بالا شامل اتمها، يون و الكترون هاي آزاد است. عامل ايجاد پلاسما برخورد پي در پي الكترونها با مولكولها و اتمهاي نمونه و برانگيختگي آنهاست. تعداد اين برخوردها آن قدر زياد است كه دماي پلاسما را بالا ميبرد. در حقيقت پلاسما را مي توان يك شعله الكتريكي دانست كه در مقايسه با شعله شيميايي از پايداری، صحت و حساسيت بالاتري برخوردار است. عناصر مختلف در پلاسما پس از سرد شدن، طیف های اتمی، یونی و مولکولی مخصوص به خود را ساطع می کنند. از آنجايي كه پلاسماي ايجاد شده داراي طول عمر بسيار كوتاهی است، لذا استفاده از تکنیک تفكيك زماني به منظور انتخاب طيف هاي اتمي، بسیار مهم است. نور گسیلی به وسیله یک طیف سنج به مؤلفه های طول موجی تجزیه شده و توسط آشکارساز ثبت می شود. با پردازش طول موج های ثبت شده، میتوان به اطلاعاتی در مورد مقدار و نوع عناصر موجود در نمونه پی برد.
===محتویات ===
* ''''تاریخچه'''''
*''''' مزیت وکاربرد'''''
* '''''تشکیل پلاسما'''''
** '''یونیزاسیون'''
** '''فرآیندهای یونیزاسیون'''
**''' فروشکست'''
**''' گسیل پلاسما'''
* '''''تجهیزات مورد نیاز'''''
** '''منبع تولید پلاسما'''
** '''المان های نوری'''
**'''فیبر نوری'''
** '''طیف سنج'''
== تاریخچه ==
اما تاریخچه طیف سنجی فروشكست القاییده لیزری (LIBS) برمی گردد به كمي بعد از ابداع ليزر در دهه ۶۰ میلادی. لیزر پایه اصلی تکنیک LIBS می باشد، بعد از ساخت اولین لیزر یاقوت در ۱۹۶۰ تحقیقات زیادی در زمینه لیزر صورت گرفت. در سال ۱۹۶۳ روش Q-Switched در لیزرها ابداع شد. این نوع لیزرها توانایی تولید پالس با انرژی بالا و طول پالس کوتاه را دارا بودند و قابلیت استفاده در تکنیک LIBS را پیدا کردند. در سال ۱۹۶۳ اولین گزارشات در مورد ایجاد پلاسمای لیزر در گازها داده شد. در ادامه درسال ۱۹۶۶ آنالیز فلزات داغ توسط تکنیک LIBS صورت گرفت و می توان این دوران را زمان تولد تکنیک LIBS در عرصه علم دانست. در سالیان متمادی تحقیقات زیادی روی این تکنیک صورت گرفت و امروزه این تکنیک، یک تکنیک شناخته شده در زمینه طیف سنجی می باشد.
== مزیت وکاربرد==
از آنجا که این روش را می توان در محیط های متفاوت روی هر سه فاز ماده (جامد، مایع و گاز) به کار گرفت، در سال های اخیر کاربرد این روش در زمینه های صنعتی، پزشکی، نظامی و ... رشد و توسعۀ بسیاری پیدا کرده و با استفاده از آن نمونه های مختلفی از قبیل آلیاژهای فلزی، نمونه های وابسته به زمین شناسی، باستان شناسی، زیست محیطی، مواد پلیمری و بیولوژیکی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتهاند.
ابزار و وسایل LIBS نسبت به دیگر روش های متداول ساده تر و ارزان تر است به گونه ای که می توان مجموعه ای از این ابزار را بصورت یک وسیله قابل حمل، قدرتمند و قابل استفاده در هر محیطی ساخت. مزیت هایی از قبیل عدم نیاز به آماده سازی نمونه که علاوه بر جلوگیری از آلوده شدن نمونه، استفاده از این روش را برای هر نمونه ای با ابعاد و ویژگی های مختلف ممکن می سازد.، آنالیز از راه دور، سریع بودن و آنالیز مواد به طور آنی و در محل و ... سبب شده که استفاده از این روش جهت تجزیه و تحلیل کمی و کیفی عنصری مواد مختلف بسیار مورد توجه قرار گیرد. همچنین این روش می تواند عناصر کمینه و اصلی را به طور همزمان و با حساسیتی بالا تا حد ppm آشکارسازی کند.
== تشکیل پلاسما==
پلاسما مجموعه ای از ذرات شامل اتم ها، یونها و الکترون های آزاد است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و رفتاری جمعی از خود نشان می دهند. پلاسما در روش LIBS، از برهم کنش و جذب انرژی پالس لیزر توسط نمونه حاصل می شود. پلاسماها توسط پارامترهای گوناگونی مشخص می شوند که اساسی ترین آنها درجه یونیزاسیون میباشد. پلاسمایی که در آن نسبت الکترون ها به گونه های دیگر موجود در پلاسما، کمتر از %10 باشد پلاسمای ضعیف نامیده می شود و از طرفی پلاسمایی که اتم های آن تعداد زیادی الکترون از دست داده و نسبت الکترون به اتم و یون ها خیلی زیاد است، پلاسما با درجه یونیزاسیون بالا گفته می شود. پلاسماهای ایجاد شده در روش LIBS عموما در دسته اول قرار میگیرند.
برهم كنش بين ليزروماده دارای قدمتی طولانی به اندازه خود لیزراست.این فرایند که در روش LIBS محصول آن پلاسمااست،فرآيندي پيچيده است كه به متغيرهاي زيادي از جمله پارامترهاي مربوط به ليزر و نوع ماده بستگي دارد و بحث پیرامون آن دراینجانمی گنجد.در پلاسما،اتمهای خنثی و یونهایی که در حالت برانگیخته قرار دارند، از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. در ادامه فرآيندهاي مربوط به تشكيل پلاسما بيان خواهد شد
==یونیزاسیون==
در یک اتم خنثی تعداد الکترونها و پروتونها با هم برابرند و پروتونها در هسته به طور متمرکز ( بار مثبت) و الکترونها در اطراف هسته در مدارهای اتمی حول هسته قرار گرفته اند و به شدت تحت تأثیر نیروی هسته هستند، به طوری که انرژی این مدارها و ترازهای اتمی کوانتیده است. حال اگر الکترون بیرونی ترین تراز به نحوی بتواند انرژی بیشتر از انرژی بستگی خود را جذب کند، میتواند از قید هسته فرار کرده و آزاد شود. این انرژی را، انرژی یونیزاسیون نامیده که باEi نشان داده می¬شود و به این فرایند، یونیزاسیون گفته می شود. اگر انرژی جذب شده توسط الکترون بیشتر از انرژی یونیزاسیون باشد، الکترون هنگام ترک تراز اتمی دارای انرژی جنبشی خواهد بود و به دلیل عدم کوانتیده بودن انرژی جنبشی الکترون در فضای آزاد، الکترون تمام انرژی (بیشتر ازEi) را جذب کرده و دارای طیفی پیوسته خواهد بود.
== فرآیندهای یونیزاسیون ==
یونیزاسیون برخوردی: به طور کلی برخورد بین ذرات شامل دو دسته برخوردهای کشسان و غیرکشسان می باشد. در برخوردهای کشسان قانون بقای انرژی جنبشی برقرار بوده و بعداز چنین برخوردی ساختاراتمی و مولکولی ذرات تغییری نمی¬کندوصرفاانرژی جنبشی مبادله می شود.امادر برخوردهای غیرکشسان،انرژی جنبشی ذرات قبل و بعد از برخورد باهم برابر نبوده ومبادله انرژی شامل انتقال انرژي جنبشی و همچنین تغيیر درانرژی داخلی اتم یا مولکول است که میتواند آنها را یونیزه کرده یا به حالات برانگیخته ببرد. به عبارت ديگر برخورد غیرکشسان برخوردی است كه منجر به یونیزاسیون ميشود.
یک الکترون با انرژی جنبشی،در یک برخوردغیرکشسان،درصورتی منجربه یونیزاسیون یک اتم ویامولکول می شود که شرط برقرار باشد ( Eiاولین انرژی یونیزاسیون است) در این حالت یک یون مثبت و دو الکترون ایجاد میشود.یونیزاسیون یک اتم خنثی یامولکول ممکن است به صورت مرحله ای یاپله ای نیز انجام پذیرد. به این صورت که امکان دارد انرژی الکترونهای برخوردی در مقایسه با انرژی یونیزاسیون کمتر باشد. در این حالت،فرآیندهایی به شکل زیر در یونیزاسیون پله ای رخ میدهد:
الف) الکترونی که انرژی کمتری از انرژی یونیزاسیون دارد با برخورد به اتم خنثی آن را برانگیخته کرده و بلافاصله الکترون دیگری با برخورد به اتم برانگیخته شده، آن را یونیزه می کند.
ب) برخورد دو اتم برانگیخته شده با یکدیگر، بدین صورت که یکی از اتمها با آزاد کردن انرژی به حالت پایه خود بر می گردد و اتم دیگر با دریافت این انرژی یونیزه میشود.
فوتو- یونیزاسیون : یک اتم خنثی می تواند با جذب یک فوتون پرانرژی یونیزه شود. لازمه این امر این است که انرژی فوتون (E= hν)برخوردی بااتم، بزرگتر از انرژی یونیزاسیون اتم باشد. منابع نور فرابنفش به دلیل انرژی بالایشان در فوتو- یونیزاسیون اتم ها مؤثرند. همچنین اگر چند فوتون به طور هم زمان به اتم تابیده شوند، می توانند مانند یک فوتون پرانرژی عمل کرده و انرژی یونیزاسیون اتم را تأمین نمایند. برای این منظور باید شدت لیزر را بالا برد تا احتمال حضور چند فوتون به طور هم زمان زیاد شود.
== فروشکست ==
فروشكست به پدیده ای گفته می شود که در آن ماده در اثر بالا رفتن دما و اعمال میدان الکتریکی از حالت نارسانا به حالت رسانا تبدیل می شود. شروع این فرایند را فروشكست و ادامه آن را تخلیه گویند. در واقع فروشکست لحظه تبدیل ماده از حالت نارسانا به رسانا را گویند که در اثر اعمال میدان الکتریکی ایجاد می شود. زمان شروع فرایند فروشکست 8-10 تا 4-10 ثانیه است. زمانی که میدان به ماده اعمال می شود، فروشكست در ماده رخ میدهد.
با گذشت زمان یونیزاسیون داخل ماده زیادتر و زیادتر شده تا جایی که در نهایت با نور سفیدی که با چشم قابل رویت است همراه میشود. میدانی که تخلیه را ایجاد میکند،میتواند هر نوع میدانی اعم از Ac، Dc، الکترومغناطیسی ، امواج الکترومغناطیسی فرکانس بالا و امواج اپتیکی باشد و یونیزاسیونی که اتفاق می افتد، میتواند درجات متفاوتی داشته باشد.
== گسیل پلاسما ==
گذارهایی که نوعاً در اتمها و یونهای موجود در پلاسما رخ میدهد باعث گسیل تابشی پلاسما می شود. اتمها یا یونها دارای دو دسته ترازهای مقید و آزاد میباشند. انرژی ترازهای مقید گسسته و انرژی ترازهای آزاد که همان انرژی الکترون است، به طور پیوسته تغییر می کند. گذارها به دو دسته جذبی و گسیلی تقسیم میشوند. در گذارهای جذبی، الکترون با دریافت انرژی کافی و جذب فوتون، از ترازهای مقید پایین تر به بالاتر (برانگیختگی) و یا از ترازهای مقید به ترازهای آزاد (یونیزاسیون) میرود. گذارهای جذبی عموما در هنگام تشکیل پلاسما رخ می دهد. اما در گذارهای گسیلی، الکترون آزاد توسط یک تراز انرژی یونی گیر افتاده و انرژی جنبشی اضافه خود را به شکل فوتون از دست میدهد (باز ترکیب).به این ترتیب، الکترون از ترازهای آزاد به مقید کشانده شده وسپس با گسیل فوتونهای بعدی،از ترازهای مقید بالاتر به پایین تر(واهلش) می آید که چنین گذارهایی هنگام تابش پلاسما مؤثر می باشد.
== تجهیزات مورد نیاز در روش LIBS ==
به طور کلی ابزار و تجهیزات معمول برای انجام طیف سنجی پلاسمای فروشکست القای لیزری عبارتند از: لیزر (منبع تولید پلاسما)، المان¬های نوری از قبیل آینه و عدسی (برای متمرکز کردن و جمع آوری نور)، منشور، تأخیرانداز ، طیف سنج ها، آشکارسازها و کامپیوتر جهت آنالیز طیف ها که در زیر در مورد آن توضیح داده خواهد شد.
== منبع تولید پلاسما ==
در این روش از لیزر به عنوان منبع ایجاد پلاسما استفاده می شود. پارامترهای لیزری برای استفاده در این روش از اهمیت بالایی برخوردارند.از جمله این پارامترها عبارتند از:
الف- انرژی لیزر: معمولا محدوده انرژی بین 10 تا 500 میلی ژول در این روش استفاده میشود.
ب- طول موج لیزر: بسته به نوع نمونه میتوان از طول موج¬های مختلف لیزری استفاده کرد. برای مثال در نمونه های فلزی می توان از طول موج های ناحیه فرابنفش استفاده کرد. به این خاطر که فلزات جذب بسیار خوبی در این ناحیه دارند.
ج- طول پالس لیزر: هر مرتبه طول پالسی دارای برخی خصوصیات است که بسته به نوع لیزر و نمونه مورد آزمایش در روش LIBS استفاده می شود. در لیزرهای فمتوثانیه اثر حفاظ پلاسمایی رخ نمی دهد و در نتیجه، پراکندگی انرژی توسط پلاسما را نداریم و حاصل آن تمرکز بهتر انرژی پالس روی نمونه، کندگی کمتر نمونه نسبت به لیزرهای نانوثانیه است[26].
د- شکــل پروفایل لیزر: بیشتر از مد TEM00 لیزر استفاده میشود و برای بالا بردن قدرت تمرکز پرتو اهمیت دارد.
== المان های نوری ==
نور لیزر توسط تعدادی المان نوری مناسب شامل آینه ها و عدسی ها به سطح نمونه رسیده و در آنجا متمرکز می شود. هرچه نور لیزر بهتر متمرکز شود، پلاسمای ایجاد شده قویتر خواهد بود. از آنجا که تابش پلاسما حاوی اطلاعات ماده مورد آزمایش است و در همه جهات پخش می شود، لذا با یک چیدمان نوری مناسب می توان نور گسیلی بیشتری را جمع آوری کرده و به دستگاه طیف سنج و آشکارساز ارسال کرد.
== فیبر نوری ==
در این روش از فیبر نوری به منظور دریافت نور پلاسما و رساندن آن به دستگاه طیف سنج استفاده میشود. همچنین در آزمایش های راه دور که فاصله بین لیزر و نمونه زیاد است و همچنین در آزمایشاتی که نوع نمونه خطرناک بوده و نمیتوان به آن نزدیک شد، برای رساندن نور لیزر به نمونه و جمع آوری نور حاصل از پلاسما از آن استفاده می شود.
== طیف‌سنج ==
نور حاصل از پلاسما از طریق فیبر نوری به وسیله طیف‌سنج به طول موجهای مختلف تشکیل‌دهنده آن تجزیه میشود و در نهایت با ورود به آشکارساز، شدت هر بازه طول‌موجی محاسبه میشود. برای تحلیل‌های چند عنصری با دقت بالا بهترین سیستم تحلیل نور و آشکارسازی یک طیف سنج اشل به همراه یک دوربین ICCD است. در مواردی دیگر بسته به نوع کار و دقت مورد نیاز می توان از آشکار‌سازهای دیگر مانندCCD وPMT نیز استفاده کرد.
[[کاربر:Mr.alisafi|Mr.alisafi]] ([[بحث کاربر:Mr.alisafi|بحث]]) ۶ ژوئیهٔ ۲۰۱۲، ساعت ۰۱:۳۵ (UTC) [[کاربر:Mr.alisafi|Mr.alisafi]] ([[بحث کاربر:Mr.alisafi|بحث]]) ۶ ژوئیهٔ ۲۰۱۲، ساعت ۰۱:۳۵ (UTC) [[کاربر:Mr.alisafi|Mr.alisafi]] ([[بحث کاربر:Mr.alisafi|بحث]]) ۶ ژوئیهٔ ۲۰۱۲، ساعت ۰۱:۳۵ (UTC)
| |||