Fluorescenční diagnostika jednoatomových reaktivních částic v plazmatu

Mgr. Martina Mrkvičková, Ph.D.

Doctoral thesis

Fluorescence based diagnostics of monoatomic reactive species generated in plasma

Abstract:

Dizertační práce používá diagnostickou metodu laserem indukované fluorescence (LIF) pro stanovení koncentrací atomárních částic v plazmatu. Tuto metodu rozvíjí do dvou směrů. Zaprvé se jedná o měření v blízkosti pevných povrchů, kdy kontakt laserového svazku s pevnou látkou způsobuje množství parazitních efektů. Práce navrhuje způsoby, jakými lze tyto efekty eliminovat a jak stanovit velikost jejich vlivu na měřený fluorescenční signál. Navrhovaný postup je demonstrován na měření časoprostorových map koncentrací atomárního vodíku v dohasínajícím povrchovém dielektrickém bariérovém výboji. Výsledky naznačují, že povrch dielektrika krátce po odeznění výboje funguje jako zdroj atomárního vodíku. Zadruhé, v práci uvažujeme měření LIF s relativně vysokou intenzitou laserového záření, kdy závislost fluorescenčního signálu na energii laserových pulzů nemá lineární charakter, jak se obvykle předpokládá. Pro studium této závislosti byl použit tříhladinový model. S jeho pomocí navrhujeme aproximativní vztahy, které popisují saturovaný tvar závislosti. Tyto vztahy umožňují vyhodnotit měření laserem indukované fluorescence v částečně saturovaném režimu. Vztahy jsou testovány na excitačním schématu atomárního olova. Metodu vyhodnocení nakonec aplikujeme na rozsáhlou sadu experimentů s měřením koncentrací atomárního olova v atomizátorech. Atomizátory představují jeden z kroků metody pro stanovení stopového množství nebezpečných látek v roztocích. Stanovením časoprostorových map koncentrací atomárního olova v různých typech atomizátorů ukazujeme jejich silné a slabé stránky. Tím otevíráme diskuzi o možných dalších směrech jejich optimalizace, sloužící k jednodušší, levnější a citlivější detekci toxických látek v životním prostředí.

Abstract:

Laser-induced fluorescence (LIF) method is used for measurements of concentrations of atomic species in the plasma. This method is developed in two directions. Firstly, we deal with measurements close to solid surfaces where the contact of the laser beam with the solid causes a number of parasitic effects. The thesis suggests how to eliminate these effects and to determine their impact on the measured fluorescence signal. The proposed procedure is demonstrated for the measurement of spatio-temporal maps of atomic hydrogen concentrations in the afterglow of the surface dielectric barrier discharge. The results suggest that the dielectric surface acts as a source of atomic hydrogen in the early afterglow. Secondly, we consider the measurement of LIF with a relatively high intensity of laser radiation, where the dependence of the fluorescence signal on the energy of laser pulses is not linear, as is usually assumed. A three-level model is used to study this dependency. Using this approach, we propose approximative formulas describing the saturating shape of the dependence. The formulas enable the evaluation of LIF measurements in a partially saturated regime. The relations are tested on the excitation scheme of atomic lead. Finally, we apply the evaluation method to an extensive set of measurements of atomic lead concentrations in atomizers. Atomizers are one of the steps of the method for the detection of trace amounts of hazardous substances in solutions. By determining spatio-temporal maps of atomic lead concentrations in various types of atomizers, we show their strengths and weaknesses. That opens up a discussion on possible further directions of their optimization, which serves for easier, cheaper and more sensitive detection of toxic substances in the environment.

Keywords

laserem indukovaná fluorescence, diagnostika plazmatu, atomární vodík, atomární olovo, saturace, povrchový dielektrický bariérový výboj, atomizátor, atomová absorpční spektrometrie, laser-induced fluorescence, plasma diagnostics, atomic hydrogen, atomic lead, surface dielectric barrier discharge, atomizer, atomic absorption spectrometry

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 11. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 9. 12. 2019
• Supervisor: doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.
• Reader: RNDr. Milan Šimek, Ph.D., prof. RNDr. Pavel Veis, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics