同时Raman-LIBS对峙分析爆炸材料

哈维尔•摩洛人,胡安·安东尼奥·洛伦佐,帕特里夏·卢塞纳,胜选的卢西亚诺·米格尔Tobaria和何塞哈维尔Laserna *

分析化学、科学教师,大学的马拉加,e - 29071西班牙马拉加

介绍

检测的问题,识别并确定炸药在重大对峙距离证明近年来最——而且现在困难依旧最重要的挑战之一,是今天,最苛刻的应用光谱技术之一。数量有限的复杂的可用技术可能能对峙检测少量的炸药是基于激光光谱学。半岛综合体育官方APP下载德甲最近开发的技术、拉曼光谱和激光诱导击穿光谱(LIBS)被认为是重要的对他们的祖国国防潜力半岛综合体育官方APP下载德甲的应用程序。^1,2这两种技巧都询问样品使用激光束,都使用光谱仪驱散信号的重叠光谱范围和要求大约相同的光谱分辨率。此外,这两种技术在他们提供的数据是非常互补的;LIBS收益率multi-elemental组成的详细信息,而拉曼光谱收益率信息分子组成。半岛综合体育官方APP下载德甲因此,库和拉曼光谱有多种特性,这些特性使仪半岛综合体育官方APP下载德甲器远程分析非常有吸引力。³

然而,除了这些首先快速地瞟着两种互补的方法,有很多问题都很难操作技术互补,同时,因为限制的信号集合。拉曼散射和原子发射过程发生在颞窗不同的秩序,拉曼信号可以被后台连续发射的LIBS等离子体,和激光功率密度(作为目标的面积大小的函数在激光能量接触)实施严格的仪器条件的探测器以及用于激光聚焦光学系统。

在光谱中提取信息现象的概念从一个示例使用单一工具已经存在了一段时间。事实上,一些论文发表证明拉曼和填词连续数据采集(也就是说,刷新样品位置和修改激光脉冲能量或光束焦条件),但在这些情况下,拉曼和库信息可能不提供任何直接关系谱数据不属于相同的审问目标区域。⁴

“传感器融合”允许集成用的拉曼和填词光谱技术实现更好的性能或降低处罚每个传感器都是单独使用时发生。它可能提供一种改进的解决方案需要识别的信心,同时结合以来收集的数据从传感器然后感觉的更精确的评估目标。⁵

本文提出了第一个实验融合传感器开发允许一个获得对峙,瞬间,同时,单独的拉曼光谱和库数据从单一激光目标的事件在同一地点。

Raman-LIBS混合传感器系统

图1说明了移动混合传感器系统用于同时分析拉曼和填词光谱学对峙。半岛综合体育官方APP下载德甲辐射源是Quantel辉煌的双胞胎q开关Nd: YAG激光脉冲(10 Hz, 400焦耳¹@ 532海里,5.5 ns脉冲宽度);10×大输出光束扩展器(特殊光学,沃顿,新泽西,美国)是用于第一次扩大,然后再把光束聚焦到一个定义良好的遥远的地方。光谱信号收集使用自制卡塞格林望远镜(167厘米的长度和直径24厘米),并返回光集中到尖端分叉光纤的直径(600µm安装在精密线性阶段)。纤维耦合一对相同的封闭的三叶草sr - 303——我Czerny-Turner光谱仪,每个装有一个和或iStar加剧了电荷耦合器件(CCD)的相机,探测器。拉曼光谱仪使用每毫米300槽光栅,而LIBS光谱仪使用每毫米150槽光栅。全息SuperNotch滤波器(Kaiser光学系统)被放置在纤维把Rayleigh-scattered 532纳米的光。Berkeley Nucleonics生产两个脉冲和延迟发电机(型号565 - 4 c)也包括援助同步的实验。整个系统是安装在轮式,容易移动式车装备保障系统稳定水准尺一旦它坐落在所需的位置。此外,激光和望远镜也安装上一对气动水准隔离安装,以避免振荡的点目标和关注光线在光纤收集点。

时机

同时分子和multi-elemental分析信息时需要分别收集信号采集的时间分辨的研究是第一个关键问题。在拉曼光谱入射光与半岛综合体育官方APP下载德甲分子的交互和光子散射几乎同时发生,拉曼现象一生剩下的激光脉冲的时间内政权和光子散射激光脉冲宽度(5.5 ns)。此外,拉曼散射与分子荧光发射以来竞争两种现象有相似的起源,他们必须由适当的时机歧视,因此只允许一个收集那些喇曼散射光子在激光脉冲和拒绝绝大多数的荧光。

相比之下,原子发射,激光烧蚀过程慢得多(加热、汽化、喷雾、电离作用和辐射发射必须)与库光谱被发现一次等离子体连续发射几乎消失。

在这个意义上,因为时间的窗户一般不同,所有实例提供的时间分辨能力的多通道探测器可以克服歧视现象的问题。拉曼和LIBS信号的时间演化(光谱采集不同delays-gate延迟从激光的输出信号的相机增强管)如图2所示。

时间分辨,low-irradiance实验(图2)允许一个确定最合适的时机参数记录拉曼光谱没有荧光发射的干扰,而作为其强度的函数,可以使收购有用的拉曼光谱非常困难。每当荧光兴奋,材料的拉曼信号“骑”在广泛的非特异性基线,从而,可以观察到显著增长的背景信号。在操作条件下探索,它的存在稍微出现在门延迟时间比几ns。

然而,同时收集拉曼和库信息来自同一激光事件在同一目标点,定时参数下的拉曼信号采集必须评估high-irradiance实验(图2 b)导致激光击穿发生。轫致辐射和非特定的复合排放情况下发生等离子体形成和喇曼签名后再“骑”在广泛的非特异性高度倾斜的基线,它可能完全掩盖弱拉曼乐队在延迟时间的ns。

因此拉曼收购需要延迟时间设置足够大让拉曼信号发展但足够短,以避免掩蔽的分子指纹LIBS背景。最佳LIBS信号收集的门延迟1µs是必需的,为了避免收集非特定的背景信号,和LIBS信号必须被收购后几µs发生期间,参见图2 c。

激光功率

所有激光光谱信息同时发生在一个事件中,最优的组合脉冲能量和光束焦条件必须找到两种现象导致的有效激励。的成功同时信息采集与激光光束的强度分布剖面。因此,表面的激光脉冲相互作用后的目标,几个流程结合起来,包括烧蚀和激光分解的光束的一部分,在辐照度高于材料的烧蚀阈值,和分子散射发生在光束的外,没那么强烈的地区。

评价的行为中发射谱线一起观察拉曼乐队几个材料广泛的辐照度条件下为科学家提供了重要信息优化能源和激光聚焦光斑大小。

作为一个例子,图3显示了辐照度影响双Raman-LIBS同步信号说明大多数的强度特征拉曼特性和最强烈的发射信号对一些具有代表性的物质。如图所示,560年乔丹激光脉冲聚焦到2.5毫米²区域位置确保一个适当的权衡,因为在这些实验条件下,辐照度远高于所需的阈值水平诱导对峙不同固体激光分解测试,而辐照度足够低,以避免完全屏蔽材料的拉曼信号。

信号采集

虽然单发LIBS测量了巨大的可能性进行化学分析以及样本识别,包括精力充沛的材料位于仪器表面在不同的距离,连拍之前必须积累有用的拉曼信噪比(信噪比)建立。

这一点尤其相关同步光谱采集,因为拉曼光谱的激光脉冲积累数集合必须设置为最低为了应付的单发功能库,因为第一枪可以切除全部或大部分的目标。正如所料,拉曼信噪比随着激光脉冲积累的数量。然而,不同的行为,由于每个化学的不同程度的密实度,他们不同的异构性问题和激光消融,而拉曼光谱是积累,可以观察到一个函数的复合测试。

而使用激光脉冲积累需要一个清晰的和有用的拉曼指纹,传统的统计平均值相同数量的激光脉冲产生的光谱是用来最后multi-elemental LIBS频谱。

图4显示了原始对峙(20米)双重Raman-LIBS几种物质的光谱同时获得。

传感器的特性

在考虑操作参数,一些功能,包括目标质量烧蚀率和光谱变化来自传感器的使用,必须考虑。根据目标,laser-created陨石坑生产固体表面可以跨几个毫米的范围³卷,就是在烧蚀行为的广泛差异特点和化学性质的函数。尽管物理化学性质的差异,目标的紧密度被认为是一个重要的参数在确保均匀的烧蚀率(达到质量与低变异性)和类似的密实度和化合物表现出相似的消融率低几百µg每拍摄。

对烧蚀率之间的相关性和喇曼库光谱信号,必须提到一个大每脉冲熔化的质量并不一定导致LIBS信号强度增加,因为大多数的材料切除可以撵出样品表面的粒子少排放的形式。另一方面,拉曼强度似乎并不与烧蚀率表现出明显的相关性,这可能是预期的,因为拉曼信号从完好无损,推断non-ablated部分的目标与激光束进行交互。然而,广泛不同的属性和炸药的配方化合物防止明确的结论,它是不可能延长上述参数对所有化合物。

然而,总的趋势,支持喇曼散射的条件往往减少LIBS发射,反之亦然。

结论

科学家发明了一种新型移动混合传感器系统,能够同时测量拉曼光谱和激光诱导击穿光谱的瞬间,对峙炸药材料的分析。这用连字符连接光谱学方法Rama半岛综合体育官方APP下载德甲n-LIBS利用激光束的能量分布轮廓提取的振动从non-ablated部分指纹外内的审问目标激光与原子共同在一起的一部分从伤口获得的信息质量的内在激光束的一部分。在定义良好的操作条件(时间、激光功率和收购)分子和multi-elemental光谱信息属于相同的审问区域接受相同的激光事件证明。

尽管这激动人心的成就,通过最优化的实现进一步评估工具和数据融合策略的系统分析能力的增强系统安全用于检测爆炸物的对峙残渣(例如,通过人类的指纹)改变天气条件(大气温度、相对湿度、风力等)以减少光谱变化必须执行。

引用

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