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通過超敏感emICCD技術實現的具有納秒和皮秒時間分辨率的高精度LIBS

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2024-09-09 06:19 ? 次閱讀

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PI-MAX4:1024EMB emICCD攝像機將圖像增強器的快速門控功能與背照式,幀傳輸1024 x 1024EMCCD檢測器的出色線性度無縫結合”

介紹

激光誘導擊穿光譜(LIBS)被認為是氣體,固體和液體中痕量元素分析的方便和有效的分析技術之一。無創和無損LIBS都需要很少的樣品制備,并且可以在實驗室或實時的危險工業環境中輕松實施。遠程測量可以從超過50米的距離完成。

在LIBS期間,通常但并非始終,通過Nd:YAG激光器在1064nm處產生的短激光脈沖聚焦在樣品上(參見圖1)。激光能量加熱,蒸發,霧化和電離目標材料,產生小面積的等離子體。等離子體中激發的原子和離子發射二次光,其通過光譜儀收集和解析并且被引導到高速,高靈敏度的光電檢測器。每個化學元素都具有獨特的光譜特征,可從所獲得的光譜中辨別。結果,可以立即測定樣品的多元素組成。

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圖1由紅色箭頭表示的短激光脈沖方向和持續時間聚焦在固體樣品上

少量材料發生分解,發生局部加熱,高壓蒸氣的膨脹產生超音速沖擊波:自由電子(e-),離子物質(i),原子物質(a),分子物質 ),激發物種(*)

改編自J.Braz. Chem.Soc.,Vol. 18,No.3,463-512,2007

為了滿足LIBS對高分辨率和寬波長范圍的競爭要求,推薦使用梯形光譜儀。與Czerny-Turner和Littrow光譜儀不同,電子光譜儀使用兩個色散元件,通常是棱鏡和光柵。因此,光譜不僅在x方向上而且在y方向上被劃分。該組件的主要優點是使用了整個二維檢測陣列,并且以高分辨率捕獲全譜,而不僅僅是小區域。

在可以使用相對低功率激光的LIBS應用中,較不強烈的背景連續譜發射意味著具有高速機械斬波器的常規CCD相機提供了合適的成像解決方案。然而,在需要大功率,短持續時間的激光脈沖(即,單個激光脈沖持續到毫秒,10-15至10-9秒)的LIBS應用中,只有較少量的激光能量轉移到例子。這種短時間脈沖在連續體上產生弱發射信號,這對于常規CCD照相機來說是非常困難的,甚至是不可能的,以獲得良好的信噪比(S / N)比 - 這就是為什么門控強化CCD (ICCD)相機被廣泛用于執行LIBS。

對于ICCD攝像機靈敏度和動態范圍不足的挑戰性應用,建議使用emICCD攝像機。本文檔介紹了從普林斯頓儀器(與柏林Lasertechnik公司或LTB公司合作開發的電子光譜儀一起使用)的新型emICCD相機的性能提升的數據,可為納秒和皮秒時間尺度上要求苛刻的LIBS應用提供超高靈敏度。

普林斯頓儀器公司的新型emICCD相機技術通過將圖像增強器光纖耦合到背照式電子倍增CCD(EMCCD)檢測器來克服ICCD靈敏度和動態范圍限制。雙增益控制通過調節增強器和EMCCD增益來優化emICCD相機的性能,從而允許更好的線性度和動態范圍(隨后增加S / N比)。

實驗裝置

實驗室和現場工業場所的LIBS設置依賴于緊湊,相對便宜的科學儀器。 圖2是典型的LIBS設置的圖,其包括脈沖激光器,反射鏡,聚焦透鏡,樣品保持器/腔室,收集光學器件,光纖,電子光譜儀,門控ICCD相機和計算機( 未示出)。

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圖2 典型的LIBS設置

以下部分中提出的LIBS光譜在Lasertechnik Berlin的測試實驗室中采用了類似于圖2所示的設置。柏林的實驗裝置包括與PI-MAX4:1024EMB相配的LTB ARYELLE 200電子光譜儀 來自普林斯頓儀器公司的emICCD攝像機配置了一個光學光耦合到背照式,幀傳輸EMCCD檢測器的超紅色圖像增強器。 參見圖3。

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圖3普林斯頓儀器PI-MAX4:1024EMB emICCD攝像機與Lasertechnik Berlin的ARYELLE 200電梯光譜儀配對。

光譜和觀察

圖4示出了使用與ARYELLE 200梯形圖光譜儀配合的PI-MAX4:1024EMB emICCD照相機獲得的固體樣品(即不銹鋼402)的LIBS光譜。

通過使用梯形光譜儀在x方向和y方向上分割光譜,可以利用電荷耦合器件的整個1024 x 1024檢測陣列來捕獲全譜,與ARYELLE 200的光譜分辨率相匹配 。

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圖4使用PI-MAX4:通過LIBS采集的全系列402不銹鋼:與ARYELLE 200 echelle光譜儀配對的1024EMB emICCD攝像機

數據由Lasertechnik Berlin提供

圖5比較了使用與emICCD相機(使用金線渲染的光譜)和標準ICCD相機(使用藍線渲染的光譜)配對的LTB光譜儀獲得的402不銹鋼的LIBS光譜。

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圖5使用emICCD相機(金線)和標準ICCD相機(藍線)獲取的LIBS光譜與電子光譜儀配對

數據由Lasertechnik Berlin提供,使用LTB的Sophi軟件創建二維圖

emICCD攝像機(PI-MAX4:1024EMB)配有超紅色增強器,而標準ICCD攝像機(PI-MAX4:1024f)配有紅藍色增強器。具有雙增益機制的emICCD攝像機被觀察到?3x?5x更敏感。如果兩臺相機使用相同的超紅色增強器,預計在200nm至900nm的整個光譜范圍內,emICCD相機的靈敏度將比標準ICCD相機高出約3倍。固體樣品,百萬像素檢測器陣列尺寸,增強器門/延遲時間,激光激發波長和其他關鍵實驗參數相同。

圖6和圖7分別更詳細地分析了UV和NIR區域的這些光譜。由于使用了具有電子倍增檢測技術的CCD,與標準門控ICCD相機相比,emICCD相機系統清晰地顯示了感興趣的光譜區域的卓越靈敏度和分辨率。

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圖6 UV區域中的LIBS光譜的特寫:emICCD相機(金線)和標準ICCD相機(藍線)與電子表格光譜儀配對

數據由Lasertechnik Berlin提供,使用LTB的Sophi軟件創建二維圖

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圖7近紅外光譜中的LIBS光譜的特寫:emicCD相機(金線)和標準ICCD相機(藍線)與電子光譜儀配對

數據由Lasertechnik Berlin提供,使用LTB的Sophi軟件創建二維圖

啟用技術

PI-MAX4:1024EMB emICCD相機將圖像增強器的快速門控功能和背照式,幀傳輸,1024 x 1024 EMCCD檢測器的較好線性無縫組合,以提供定量,超高靈敏度的性能LIBS應用程序在納秒和皮秒的時間尺度上執行。

這種光纖粘合的普林斯頓儀器PI-MAX?4攝像機系統使用標準快門增強器提供<500 psec柵極寬度,同時保持量子效率。其集成的SuperSynchro定時發生器允許攝像機用戶在GUI軟件控制下設置門脈沖寬度和延遲,并顯著降低固有的插入延遲(?27 ns)。

使用最新版本的Princeton Instruments的LightField?數據采集軟件(可選)可以完全控制所有PI-MAX4:1024EMB硬件功能。通過非常直觀的LightField用戶界面提供精密增壓門控控制和門延遲,以及大量用于輕松捕獲和導出光譜數據的新功能。

PI-MAX4:1024EMB使用高帶寬(125 MB /秒或1000 Mbps)的GigE數據接口,為攝像機用戶提供實時圖像傳輸。該接口支持距離超過50米的遠程操作。

概要

激光誘導擊穿光譜通常需要很少的樣品制備,并且在危險的工業環境中實時地易于進行。因此,這是一個非常有吸引力的分析工具。 LIBS應用程序用于許多不同領域。受益于LIBS的領域包括地質學,采礦,建筑,行星探索,環境監測,生物樣品分析,考古學,建筑學,軍事/國防,法醫學,燃燒過程,金屬工業和核工業。

來自普林斯頓儀器公司的獨特PI-MAX4 emICCD攝像機為納秒級和皮秒級的超高靈敏度LIBS應用提供了高性能,高性價比和用戶友好的解決方案。所有與儀器相關的功能都通過軟件完全控制,包括定量算法以及復雜自動測量任務的腳本語言。

審核編輯 黃宇

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