Application of laser induced breakdown spectroscopy for elemental analysis of glass

[А. Шајић]

106 стр.

Физичка хемија – Спектрохемија / Physical chemistry – Spectrochemistry

У овој докторској дисертацији извршена је свеобухватна анализа узорака стакла применом спектроскопије ласерски индуковане плазме (LIBS). За анализу су коришћене две експерименталне поставке. Прва се базира на коришћењу TEA CO₂ ласера као извора побуђивања, док је друга као извор побуђивања користи Nd:YAG ласер. Истраживање је обухватило оптимизацију параметара експерименталних поставки како би се одредили оптимални услови за добијање спектара. Квалитативна анализа узорака обојеног стакла извршена је LIBS техником, а као контролна метода коришћена је XRF спектрометрија. Поред стандардне LIBS технике, исти узорци обојеног стакла анализирани су и NELIBS техником. Упоредна анализа показала је да примена NELIBS-а доводи до повећања интензитета спектралних линија приближно десет пута у односу на класичну LIBS технику. Поред значајног повећања интензитета спектралних линија, примена NELIBS технике имала је за циљ и смањење степена деструктивности на површини узорака стакла. Квантитативна анализа је спроведена на лабораторијски припремљеним узорцима стакла познатог састава, а добијени резултати су показали добро слагање са вредностима добијеним XRF техником, што потврђује валидност примењене методологије. Границе детекције су одређене за више елемената различите заступљености у стаклу, при чему су добијене довољно ниске вредности које потврђују да се LIBS техника може успешно применити и за детекцију елемената у траговима. Детаљна дијагностика плазме обухватила је одређивање температуре и концентрације електрона у плазми индукованој TEA CO₂ и Nd:YAG ласером. Температура плазме је израчуната на основу односа интензитета две спектралне линије и применом методе Болцманове праве, док је концентрација електрона одређена из мерења Штарковог ширења спектралних линија. Профилометријска анализа ширине и дубине кратера насталих након ласерске аблације на узорцима стакла је извршена како би се утврдио степен деструктивности методе. Поред експерименталних мерења, израчуната је температурска расподела равнотежног састава плазме, релевантна за примену LIBS технике за анализу стакла. Поређење експерименталних и теоријских резултата показало је добро слагање, што потврђује тачност примењених дијагностичких метода. Добијени резултати потврђују да је LIBS поуздана и ефикасна техника за анализу стакла.

In this doctoral dissertation, a comprehensive analysis of glass samples was performed using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Two experimental setups were employed for the analysis. The first was based on the use of a TEA CO2 laser as the excitation source, while the second utilized an Nd:YAG laser for excitation. The research included the optimization of experimental parameters in order to determine the optimal conditions for obtaining spectra. Qualitative analysis of colored glass samples was carried out using the LIBS technique, with XRF spectrometry employed as a control method. In addition to standard LIBS, the same colored glass samples were also analyzed using the NELIBS technique. Comparative analysis showed that the application of NELIBS resulted in an approximately tenfold increase in the intensity of spectral lines compared to conventional LIBS. Besides the significant enhancement of spectral line intensity, the use of the NELIBS technique also aimed at reducing the degree of destructiveness on the surface of the glass samples. Quantitative analysis was conducted on laboratory-prepared glass samples of known composition, and the obtained results showed good agreement with the values measured by the XRF technique, confirming the validity of the applied methodology. Limits of detection were determined for several elements with different abundances in glass, and sufficiently low values were obtained, demonstrating that the LIBS technique can be successfully applied for the detection of trace elements. Detailed plasma diagnostics included determining the temperature and electron density in plasma induced by the TEA CO2 and Nd:YAG lasers. Plasma temperature was calculated based on the intensity ratio of two spectral lines and by applying the Boltzmann plot method, while electron density was determined from measurements of Stark broadening of spectral lines. Profilometric analysis of crater width and depth formed after laser ablation on the glass samples was performed to assess the degree of method-induced destructiveness. In addition to experimental measurements, the temperature distribution of the equilibrium plasma composition relevant to the application of the LIBS technique for glass analysis was calculated. Comparison of the experimental and theoretical results showed good agreement, confirming the accuracy of the applied diagnostic methods. The obtained results demonstrate that LIBS is a reliable and efficient technique for glass analysis.

стакло, елементна анализа, LIBS, XRF, NELIBS, дијагностика плазме, равнотежни састав плазме

glass, elemental analysis, LIBS, NELIBS, XRF, plasma diagnostic, equilibrium plasma composition

544.552.12:543.42(043.3)

Tekst