Том 39, номер 05, статья № 6

Аннотация:

Диагностика лазерной плазмы в аэрозолях сложна в силу неоднородности плазмы. В настоящей работе оценена электронная плотность лазерной плазмы, генерируемой в жидко-капельном аэрозоле, на основе эмиссионных линий Ba II 455,4, Na I 589, Al I 396,2, Ca II 393,4 и Fe I 542,4 нм, для условий использования оборудования на мобильных носителях. Установлено, что минимальная электронная плотность характерна для линии Ba II, максимальная – для линии Na I. Разница в значениях достигает почти одного порядка величины, что обусловлено различиями в диффузионных длинах элементов. Экспериментально показано, что электронная температура плазмы слабо зависит от времени в интервале 2–4 мкс при времени экспозиции 40 и 150 мкс. Подтверждено, что рекомбинационная накачка верхних уровней исследуемых переходов несущественно влияет на интенсивность аналитических линий. На основе анализа констант скоростей возбуждения из основного состояния установлено, что наихудший предел обнаружения характеризует линию Al I 396,2 нм. Результаты работы востребованы в эмиссионном спектральном анализе аэрозолей.

Ключевые слова:

лазерная плазма, водный аэрозоль, электронная плотность, эмиссионная линия, лазерная искровая спектроскопия

Список литературы:

1. Ахметжанов Т.Ф., Лабутин Т.А., Зайцев С.М., Дроздова А.Н., Попов А.М. Определение отношения Mn/Fe в железомарганцевых конкрециях с помощью безэталонной лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии // Опт. и спектроскоп. 2019. Т. 126, № 4. C. 398–403.
2. Fortes F.J., Moros J., Lucena P., Cabalín L.M., Laserna J.J. Laser-induced breakdown spectroscopy // Anal. Chem. 2013. V. 85, N 2. P. 640–669. DOI: 10.1021 /ac303220r.
3. Hang Y., Zhang T., Li H. Application of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) in environmental monitoring // Spectrochim. Acta B. 2021. V. 181. P. 106218. DOI: 10.1016/j.sab.2021.106218.
4. Chen T., Zhang T., Li H. Applications of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) combined with machine learning in geochemical and environmental resources exploration // Trends Anal. Chem. 2020. V. 133. P. 116113. DOI: 10.1016/j.trac.2020.116113.
5. Ilyin A.A., Golik S.S., Shmirko K.A., Mayor A.Yu., Proschenko D.Yu. Anomalous broadening and shift of emission lines in a femtosecond laser plasma filament in air // Spectrochim. Acta B. 2017. V. 138, N 12. P. 97–105. DOI: 10.1016/j.sab.2017.10.010.
6. Lednev V.N., Dormidonov A.E., Sdvizhenskii P.A., Grishin M.Ya., Fedorov A.N., Savvin A.D., Safronova E.S., Pershina S.M. Compact diode-pumped Nd:YAG laser for remote analysis of low-alloy steels by laser-induced breakdown spectroscopy // J. Anal. Atmos. Spectrom. 2018. V. 33, N 2. P. 294–303. DOI: 10.1039/ c7ja00319f.
7. Aguilera J.A, Aragón C. Multi-element Saha–Boltzmann and Boltzmann plots in laser-induced plasmas // Spectrochim. Acta B. 2007. V. 62, N 4. P. 378–385. DOI: 10.1016/j.sab.2007.03.024.
8. LeCroy G., Austin R., Gakhar R., Williams A. Quantitative analysis of fission-product surrogates in molten salt chloride aerosols // Photonics. 2026. V. 13, N 1. P. 93. DOI: 10.3390/photonics13010093.
9. Latty K.S., Hartig K.C. Spatiotemporal plasma-particle characterization of dry aerosols using nanosecond, femtosecond, and filament laser-produced plasmas // Appl. Spectrosc. 2023. V. 77, N 8. P. 848–859. DOI: 10.1177/00037028221149480.
10. Бабушкин П.А., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К. Спектральный анализ водного аэрозоля методом лазерно-индуцированного пробоя фемтосекундными импульсами // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 5. С. 356–360; Babushkin P.A., Matvienko G.G., Oshlakov V.K. Spectral analysis of aqueous aerosol by femtosecond pulse laser-induced breakdown method // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 5. P. 485–489. DOI: 10.1134/s1024856022050074.
11. Апексимов Д.В., Бабушкин П.А., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Рябцев В.М. Исследования эмиссионного свечения твердого вещества и антропогенных аэрозолей в поле мощного фемтосекундного лазерного излучения при его самофокусировке в воздухе для целей дистанционного зондирования атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 9. С. 698–704; Apeksimov D.V., Babushkin P.A., Geints Y.E., Zemlyanov A.A., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Petrov A.V., Ryabtsev V.M. Study of the emission glow of solids and anthropogenic aerosols in the field of high-power femtosecond laser radiation during self-focusing in air for remote sensing of the atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2021 V. 34, N 1. P. 6–13. DOI: 10.1134/s1024856021010036.
12. Голик С.С., Майор А.Ю., Лисица В.В., Толстоногова Ю.С., Ильин А.А., Боровский А.В., Букин О.А. Пределы обнаружения химических элементов в водном аэрозоле в филаментно-индуцированной эмиссионной спектроскопии // Журн. прикл. спектроскоп. 2021. Т. 88, № 2. С. 275–281.
13. Mayor A.Yu., Lisitsa V.V., Tolstonogova Yu.S., Boro-vsky A.V., Golik S.S. Limits of detection of Na, Ca, Ba, Al in water aerosol by laser-induced breakdown spectroscopy using mobile platforms for atmospheric monitoring tasks // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N S1. P. S43–S46. DOI: 10.1134/s102485602570075.
14. Ильин А.А., Шмирко К.А., Голик С.С., Прощенко Д.Ю. Излучение молекул азота при острой фокусировке фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе // Известия высших учебных заведений. Физика. 2021. Т. 69, № 9. C. 42–48.
15. NIST atomic spectra database (ver. 5.12) ‒ Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 2024. URL: https://physics.nist.gov/asd (last access: 27.01.2026).
16. Griem H.R. Spectral line Broadening by Plasmas. New York: Academic press, 1974. 408 p.
17. Stark-B database for "Stark" broadening of isolated lines of atoms and ions in the impact approximation. URL: https://stark-b.obspm.fr/index.php/introduction (last access: 27.01.2026).
18. Zielinska S., Pellerin S., Dzierzega K., Valensi F., Mu­siol K., Briand F. Measurement of atomic Stark parameters of many Mn I and Fe I spectral lines using GMAW process // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. P. 434005. DOI: 10.1088/0022-3727/43/43/434005.
19. Cristoforetti G., De Giacomo A., Dell'Aglio M., Legnaioli S., Tognoni E., Palleschi V., Omenetto N. Local thermodynamic equilibrium in laser-induced breakdown spectroscopy: beyond the McWhirter criterion // Spectrochim. Acta B. 2010. V. 65, N 1. P. 86–95. DOI: 10.1016/j.sab.2009.11.005.
20. Sobel’man I.I., Vainshtein L.A., Yukov E.A. Excitation of atoms and broadening of spectral lines. Berlin: Springer, 1995. 310 p.
21. Ilyin A.A., Golik S.S. Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of sea water // Spectrochim. Acta B. 2013. V. 87. P. 192–197. DOI: 10.1016/j.sab.2013. 06.001.
22. Shevelko V.P. Atoms and their spectroscopic properties. Berlin: Springer-Verlag, 1997. 202 p.
23. Alvarez-Trujillo L.A., Lazic V., Moros J., Laserna J.J. Standoff monitoring of aqueous aerosols using nanosecond laser-induced breakdown spectroscopy: Droplet size and matrix effects // Appl. Opt. 2017. V. 56, N 13. P. 3773–3782. DOI: 10.1364/ao.56.003773.
24. Diwakar P.K., Jackson P.B., Hahn D.W. The effect of multi-component aerosol particles on quantitative laser-induced breakdown spectroscopy: Consideration of localized matrix effects // Spectrochim. Acta B. 2007. V. 62. P. 1466–1474. DOI: 10.1016/j.sab.2007.10.001.
25. Diwakar P.K., Groh S., Niemax K., Hahn D.W. Study of analyte dissociation and diffusion in laser-induced plasmas: implications for laser-induced breakdown spectroscopy // J. Anal. At. Spectrom. 2010. V. 25. P. 1921–1930. DOI: 10.1039/c0ja00063a.
26. Purohit P., Fortes F.J., Laserna J.J. Atomization efficiency and photon yield in laser-induced breakdown spectroscopy analysis of single nanoparticles in an optical trap // Spectrochim. Acta B. 2017. V. 130. P. 75–81. DOI: 10.1016/j.sab.2017.02.009.
27. Turns S.R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. Boston: McGraw Hill, 2000. 676 p.
28. Соколова И.А., Тирский Г.А. Отчет Института механики МГУ № 2857. 1983. 116 с.
29. McGee B.C., Hobbs M.L., Baer M.R. Exponential 6 parameterization for the JCZ3-EOS. Report SAND98-1191 Sandia, 1998. 74 p. DOI: 10.2172/639774.