Спектроскопско испитивање угљеничне плазме индуковане зрачењем импулсивног угљендиоксидног ласера

Abstract

Предмет проучавања ове докторске дисертације је спектрална емисија ласерски индуковане плазме на материјалима са великим садржајем угљеника. Конкретно, испитивана је плазма индукована помоћу ТЕА СО2 ласера мале енергије импулса (до 170 mJ) на графиту, различитим врстама угља нижег квалитета (лигнита) и тефлона. Графит је одабран као технолошки веома значајан материјал, између осталог и за синтезе дијамантских превлака и графитних наночестица помоћу плазме. Лигнит има широку примену за производњу електричне енергије у електранама, а постоји изражен интерес за развој брзих метода елементне анализе, неопходних за оптимизацију процеса сагоревања. Тефлон је одабран као пример полимера који је, између осталог, интересантан и као подлога код LIBS анализе течних узорака. Циљ истраживања је био да се одреде најповољнији експериментални услови за добијање плазме са оптималном емисијом атомских и јонских линија елемената и молекулских трака (C2 и CN), за примену у спектрохемијске сврхе. Демонстрирана је примена LIBS технике базиране на IC ласеру за елементну анализу угљева: добијена прецизност, опсези аналитичких кривих и вредности граница детекције, потврђују потенцијал ове методе за брзу квантитативну анализу лигнита. Одређивани су и најважнији параметри плазме, применом различитих дијагностичких метода из домена оптичке спектроскопије. Концентрације електрона су одређиване из штарковских профила погодних линија, а температура плазме је одређивана методама које се базирају на односу интегралних интензитета спектралних линија. Посебна пажња је посвећена оптимизацији емисије молекулских трака, и њиховој примени за одређивање температуре хладнијих, периферних делова плазме. У дисертацији су предложена побољшања и дата је критичка анализа неких од примењених дијагностичких метода.

The research subject of this doctoral dissertation is the spectral emission of laser-induced plasma on materials with high carbon content. In particular, plasma was induced by a low-energy (up to 170 mJ) pulsed TEA CO2 laser on graphite, various low-quality coals (lignite), and Teflon. Graphite was selected as a technologically important material with numerous applications, including laser synthesis of diamond coatings and graphite nanoparticles. There is a strong interest in developing fast methods for the elemental analysis of lignite in order to optimize the combustion process in thermal power plants. Teflon was chosen as an example of a polymer that is, among other things, interesting as a substrate for LIBS analysis of liquid samples. The research aimed to determine the most favorable experimental conditions for obtaining plasma with optimal emission of atomic and ionic lines of elements and molecular bands (C2 and CN) suitable for spectrochemical purposes. The applicability of the LIBS based on IR laser for elemental analysis of coal was demonstrated; the obtained precision, the dynamic range of the calibration curve, and detection limit values confirm the potential of this method for rapid quantitative coal analysis. The plasma parameters were obtained using different optical spectroscopy diagnostic methods. The electron number density was determined from Stark profiles of suitable lines, while plasma temperature was determined from the ratio of integral intensities of spectral lines. Special attention was paid to optimizing the emission of molecular bands and their application for determining the temperature of colder, peripheral parts of the plasma. The applied diagnostic methods were critically analyzed, and possible improvements were proposed