Лазерная плазма за две миллисекунды

Сотрудники химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработали модель, позволяющую чрезвычайно быстро рассчитывать параметры лазерной плазмы и таким образом определять содержание химических элементов в испаряемом под действием лазерного излучения веществе. Предложенный алгоритм расширяет возможности метода лазерной спектроскопии, что чрезвычайно важно для приложений — в частности, позволяет определять редкоземельные элементы в горных породах.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Николай Козин, аспирант Химического факультета МГУ

При высокой мощности лазерного излучения в среде, где происходит его распространение, наблюдается оптический пробой — лавинообразная ионизация вещества и образование светящейся плазмы. Лазерная плазма является источником излучения атомов и ионов, находящихся в области оптического пробоя. Спектр лазерной плазмы позволяет идентифицировать элементы и определять их концентрации — это называется методом лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС).

Метод ЛИЭС универсален, он подходит для анализа твердых образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей. Однако исследование спектров лазерной плазмы осложняется высоким фоновым излучением и эффектом самопоглощения. Поэтому такое неоспоримое достоинство, как универсальность, нивелируется малой чувствительностью, которая ограничивает применение метода в аналитической практике.

Для описания «леса» из пиков в эмиссионных спектрах (для железа, например, может наблюдаться несколько десятков тысяч линий) специалисты пытаются моделировать лазерно-индуцированную плазму. Дело в том, что, не имея никаких представлений о параметрах плазмы, корректно расшифровать эмиссионный спектр практически невозможно. Существующие модели лазерной плазмы либо не дают хорошего совпадения с экспериментом, либо требуют значительных по времени расчетов.

Поведение лазерной плазы похоже на тепловой взрыв — движение частиц описывается схожими уравнениями, распространение плазмы сопровождается ударной волной. Расчет эмиссионных спектров с помощью динамического подхода требует использования гидродинамических моделей, для чего необходимы очень большие вычислительные мощности. Стандартное динамическое описание плазмы, получающейся при испарении одного образца, может занимать более суток, что неприемлемо для рутинного анализа.

Сотрудники кафедры лазерной химии МГУ под руководством доцента, кандидата химических наук Тимура Лабутина предложили использовать стационарную модель лазерной плазмы, позволяющую легко идентифицировать линии эмиссионных спектров. Аппаратура снимает эмиссионный спектр за очень короткий промежуток времени, в течение которого плазму можно считать постоянной. А алгоритм расчета сделан настолько быстрым, что этого промежутка ему хватает.

Идеальный спектр эмиссии состоит из так называемых дельта-функций — бесконечно узких и бесконечно высоких пиков на определенных длинах волн. Линии же реальных регистрируемых спектров обладают конечными высотой и шириной. И высота (то есть интенсивность) у разных пиков разная.

Разработанный в МГУ алгоритм позволяет исключить большинство низкоинтенсивных линий из расчета (оставшихся линий вполне хватает для анализа). Количество линий сокращается на два порядка, и спектр может быть рассчитан всего за 2 миллисекунды. Варьируя параметры, ученые подгоняют смоделированный спектр под экспериментальный, и отсюда уже извлекаются данные о составе испарившегося вещества. Помимо учета самопоглощения моделирование спектра позволяет также оценить наложение линий от разных элементов, поскольку в реальных образцах таких элементов много.

«Раньше оптимизация всех экспериментальных параметров для проведения анализа требовала большого количества предварительных измерений, теперь же мы моделируем спектр для нескольких характерных условий в лазерной плазме, затем оцениваем самопоглощение и взаимное мешающее влияние эмиссионных линий элементов. Соответственно, мы можем до эксперимента выявить основные мешающие факторы и выбрать подходящие условия для измерений»,— комментирует Тимур Лабутин.

Предложенная российскими учеными модель позволяет значительно повысить корректность метода ЛИЭС, а также улучшить его чувствительность за счет оптимизации экспериментальных условий. Предложенный алгоритм интерпретации экспериментальных спектров позволяет расширить список анализируемых методом ЛИЭС объектов. «Мы показали, что метод может на уровне 6 ppm (ppm — промилле, одна миллионная доля) определять в образце легкие редкоземельные элементы, это ниже их среднего содержания в земной коре, то есть этого достаточно для определения их в реальных породах»,— пояснили авторы.

Высокая значимость исследования подтверждается тем, что публикация по его результатам была выбрана для обложки свежего номера журнала Spectrochimica Acta Part B.