Analysis of solid materials by means of laser-induced breakdown spectroscopy

Ing. Tereza Čtvrtníčková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce se zabývá využitím spektroskopie laserem indukovaného plazmatu (LIBS) k analýze pevných materiálů. Práškové aluminosilikáty pro cihlářskou výrobu byly analyzovány technikou jednoduchého a dvojitého pulsu. Příprava tablet, výběr a množství vhodného pojiva byly optimalizovány za účelem nalezení co nejrychlejšího a nejjednoduššího způsobu analýzy. Výsledky srovnání dvou typů detektorů poukazují na výhody CCD oproti fotonásobiči. Kalibrační křivky hliníku, sestrojené na základě měření reálných vzorků metodou LIBS za použití techniky jednoduchého pulsu, mají lineární charakter a odpovídají modelovým kalibračním křivkám do 8 % obsahu hliníku. Technikou dvojitého pulsu bylo dosaženo vyšší citlivosti metody LIBS, nižších detekčních limitů, vyššího podílu signálu k pozadí a menších směrodatných odchylek. Nicméně, při technice dvojitého pulsu se projevuje značné zakřivení kalibračních závislostí způsobené samoabsorpcí ze zvýšené koncentrace atomů v základním stavu ve vnější oblasti plazmatu. Ortogonální konfigurace dvojitého pulsu použitá pro hloubkové profilování keramických dlaždic poskytuje vyšší intenzity emisních linií než technika jednoduchého pulsu. Tato konfigurace umožňuje snížit ablační rychlost, což vede k lepšímu hloubkovému rozlišení než může poskytnout standardní technika jednoduchého pulsu. Za účelem zdokonalení hloubkového rozlišení byla do stávajícího experimentálního zařízení LIBS zařazena optická clona, která umožňuje vymezit pozorování emisního signálu pouze z centrální části kráteru. Tím je eliminován efekt chvostování (tailing), který se běžně vyskytuje při hloubkovém profilování, a vylepšeno tak hloubkové rozlišení.

Abstract:

This thesis deals with the analysis of solid samples with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Powdered aluminosilicates for brick-and-tile industry were analyzed by single-pulse and double-pulse technique of LIBS. The preparation of pellets, selection and amount of the binder were optimized with respect to the time demands and the analytical performance. Two detectors, photomultiplier tube and CCD camera attached to the spectrograph were utilized for the signal acquisition. Based on the comparison of both detection systems, the CCD camera is prioritized. Response curves of aluminum constructed from real samples with single-pulse method provided linear course and coincided with respective model samples until 8 % of Al content. Double-pulse measurement provided higher sensitivity, lower detection limits, higher signal-to-background ratio and lower standard deviation values. However, substantial rollover of the response curve occurred, which was due to the self-absorption enhanced by and increased concentration of atoms in a ground state in the outer parts of the plasma. Orthogonal reheating double-pulse configuration of LIBS applied to depth profiling of ceramic tiles yielded higher signal than the single-pulse configuration. Double-pulse depth profiling of layered ceramic tiles enabled lower ablation rate and consequently resulted in better depth resolution than its single-pulse counterpart. The optically enhanced LIBS single-pulse instrumental set-up was tested on depth profiling of multilayered metal sample. The optical restriction (pinhole) placed in the instrumental set-up was proved to eliminate partially the tailing effects and improve thus the depth resolution.

Keywords

spektroskopie laserem indukovaného plasmatu, laserová ablace, optická emisní spektrometrie, hloubkové profilování, keramika, keramické dlaždice, technika dvojitého pulsu, Laser-induced breakdown spectroscopy, Laser ablation, Optical emission spectrometry, Depth profiling, Ceramics, Ceramic tiles, Double pulse, orthogonal reheating configuration.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 1. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 20. 3. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Viktor Kanický, DrSc.
• Reader: doc. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D., Ing. Tomáš Černohorský, CSc., doc. RNDr. František Krčma, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Analytical Chemistry