Využití zvukového signálu při laserové ablaci Aleš Hrdlička Laboratoř atomové spektrochemie, Ústav chem Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity Brno Podélné vlnění - periodicky se opakující zhušťování a zřeďování prostředí -místa se stejným stupněm stlačení se posouvají od zdroje - vlnění se šíří - všechny i velmi slabě stlačitelné materiály všech skupenství Stlačení je za normálních okolností malé => změny tlaku jsou vzhledem k atmosférickému tlaku zanedbatelné, lze kmity popsat jako harmonický oscilátor: Síla stlačení je přímo úměrná výchylce: Fxyz = -k.x,y,z pro malé výchylky ve směrech x,y,zv kartézských souřadnicích => paiľ« konst, k = konst..."tuhost pružiny", Energie harmonického oscilátoru s výchylkami ve směrech x, y, z: E=1A k.x2,y2,z2 toto neplatí pro rázovou vlnu - chová se nelineárně Laserový puls - prudké zahřátí malého objemu řádově mm3 a explozivní expanze -několik km s1 Energie pulzu: vyražení materiálu, zahřátí, excitace, ionizace...a zvukové vlny Rázová vlna (Shockwave) - nadzvuková rychlost - s roztoucí vzdáleností od zdroje transformace na „normální" zvukovou vlnu Použití v analytické chemii s LA pokud je akustický signál úměrný množství odablatovaného materiálu a/nebo irradianci Každý puls laseru má jinou energii - množství ablatovaného materiálu kolísá Každý materiál má jinou ablační rychlost Každý materiál má jinou optimální irradianci 1) Možná vnitřní standardizace na akustický signál 2) Určení optimálního zaostření paprsku 3) Indikace odstranění vrstvy (čištění) 4) Měření hloubky ablačního kráteru Experimentální uspořádání 1) Mikrofon v ablační cele: LA-ICP-OES/MS, MALDI-TOF 2) Mikrofon v přívodní hadici: LA-ICP-OES/MS -pro nižší energie pulzů => slabší signál, možné problémy s vakuem 3) Mikrofon vně ablační cely, vzorek uvnitř: LA-ICP-OES/MS, LIBS 4) Mikrofon i vzorek venku bez ablační cely: LIBS -pro vyšší energie pulzů Ultrazvukový mikrofon (transducer) připevněn na ablatovaný vzorkek: LIBS -musí být kontaktní, protže ultrazvuk (stovky kHz a více) má velký útlum ve vzduchu Metody zpracování signálu 1) Záznam kmitu v čase - vlnění z mikrofonu - použití přímo jedné vybrané amplitudy A nebo více z časového průběhu 2) Fourierova transformace (Fast Fourier Transform FFT) a použití jedné vybrané frekvence nebo více 3) Integrace časového průběhu v určitém intervalu 4) Integrace časového průběhu 2. mocniny v určitém intervalu - kinetická energie E vlny iy(t) = Asin(tut + c o Ü 10 '05 5 0 orange 420 engobe ceramic body 50 100 150 Pulses 200 610 jim j_l 250 AI/sou nd AI/Si Zr/sound Zr/Si Príklad z LAS: zelene glazovaná dlaždice, zaostrení 11 mm za vzorek, ablace do bodu, zvukový a optický emisní signál, pulzy 1-131 - glazura (1) a pulzy 132-200 substrát (2) Príklad z LAb: zelene glazovaná dlaždice - ablace do bodu, normalizace na integrální amplitudu akustického signálu - integrální amplitudy napětí snímače, elektretový mikrofon 10 mm do asi 35 kHz (průměry ze 4 pulzů) 35 r O - £■ 30 U T3 25 CO O -B 20 < - 4-o 15 - - 10 - Ol - Wei 5 0 - 100 200 —i-1-1— ^Cr Depth [fun] 300 400 500 600 50 100 Pulses 150 200 XRF wt.%: glazura Cr203 = 6.2, Al203 = 7.8, sub Al203 = 19.0 Osa y nastavena podle XRF hodnot v glazuře, obsah Al203 v substrátu nadhodnocen Příklad z LAS: zeleně glazovaná dlaždice - ablace do bodu, normalizace na sumu 2. mocnin akustického signálu (napětí) - elektretový mikrofon 10 mm do asi 35 kHz (průměry ze 4 pulzů) XRF wt.%: glazura Cr203 = 6.2, Al203 = 7.8, sub Al203 = 19.0 Osa y nastavena podle XRF hodnot v glazuře, obsah Al203 v substrátu velmi dobře odpovídá hodnotě z XRF. : zeiene glazovaná aiazaice - aoiace signálem - integrální amplitudy napětí snímačů loau s aKusticKym 300 3 250 to l 150 100 560 □ cd 500 r n is < 440 380 50 100 Pulses 150 200 Elektretový mikrofon 10 mm do asi 35 kHz (průměry ze 4 pulzů) a piezoelektrický senzor (jednotlivé pulzy) 40-400 kHz. XEDO - 100,1 pulz - časová doména 1 •T _5m _3jjj Kej il 1 XEDO- - 100,1 pulz - fekvenční doména po provedení FFT * 200 400 Frequency (kHz) 600 r provedení FFT 150 -g 100 50 0 10 15 Frequency (kHz) 20 25 Příklad z LAS: Charakter akustického signálu v závislosti na zaostření (vysvětlení v 3: „point explosion model" ) E E, 0) 0 N > 1 , l>o O l>o Tfí o c "d ü 250 - 200 - focus 150 - 100 husté píky !5 ms husté píky J—L ^ 5 dolní hranice energie pro jednoduché píky IR 1064 nm energie pulzu [mJ] 135 Příklad z LAS a Ústavu fyzikálního inženýrství VUT-FSI Brno: LIBS 1064 nm a 532 nm: Keramické dlaždice - standardizace na zvukový signál - schéma Tektronix 20! 2 gating Triax 320 monochrom., Horiba JY, ICCD Laser Quantel Brilliant B ablační cela 1064/532 nm tandardizace na sumu 2. mocnin akust. signál i20 E £ 15 co O OJ CO O O 10 5 0 green glaze substrate 25 E 20 - E 15 - O < 10 < Ó CM U 5 0 green glaze substrate i , ■ i ■ i i i i 100 200 300 Depth [um] 400 80 160 240 Depth [fim] 320 400 Měřený interval 290-310 nm, Cr I 295,368; AI I 309,271 nm £ E 4 (O O O Cr/AS ^Ti/AS — TiXRF substrate green glaze J_I_L_ 1 0.8 8 E E 6 0.6 i 1 0.4 O Ó 0.2 0 +- Cr/AS ^Ti/AS —TiXRF substrate green glaze i i i i i 100 200 300 Depth foim] 400 500 100 200 300 Depth him] 400 Měřený interval 320-340 nm, Ti II 334,904; Cr I 336,805 nm prof. V. Kanickému, doc. V. Otruboví, dr. K. Novotnému a Ing. P. Krásenskému z LAS - Ústav chemie PřF MU Brno doc. J. Kaiserovi a dr. R. Malinoví - Odbor přesné mechaniky a optiky Ústav fyzikálního inženýrství FSI VUT Brno