Μελέτη και εφαρμογές πλάσματος επαγόμενου από laser στην αέρια και συμπυκνωμένη ύλη

Abstract

The continuously increasing needs for fast, reliable and easy to use analytical techniques operating remotely and in situ, under laboratory and/or field conditions have boosted considerable research efforts towards the development of novel analytical techniques satisfying these requirements. In that view, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been proposed as an efficient tool for elemental analysis of various types of samples exhibiting several attractive advantages. LIBS is a laser based spectroscopic technique which permits the simultaneous atomization and excitation of the sample in one step, without requiring any sample preparation. In addition, LIBS operates successfully with all kinds of samples while the results are obtained within few seconds. Because of these advantages and its attractive simplicity, LIBS has become rapidly the most popular laser based analytical technique. In this work, LIBS is used in two different fields: the study of combustible hydrocarbon-air mixtures and the study of the created plasma in polymeric samples. In hydrocarbon-air flames, LIBS was applied for the determination of the local equivalence ratio in different hydrocarbon (gaseous and liquid)-air mixtures. In particular, it is shown that the ratio of the intensities of atomic spectral lines of H, C and O, emitted from a laser induced spark in the gaseous mixture, can be used for the rapid and accurate determination of the local equivalence ratio. There are also obtained spatially resolved equivalence ratio profiles in laminar premixed flames of different geometries (Bunsen type and impinging flames), which are used in order to reveal and quantify important flame structure features. Additionally, it is shown that LIBS can be used for the detection of humidity in air and in hydrocarbon-air flames. The results obtained showed that humidity causes significant changes in flame characteristics, and through the atomic spectral lines of H, N and O, humidity can be qualitatively be determined. In polymeric samples, LIBS technique is used for the identification of polymers and plastics for recycling purposes. Due to the importance of this application, the properties of the plasma created are extensively studied. It is shown that plasma generation and expansion is effected by the laser properties (laser energy, laser pulse) and by the environmental conditions (pressure).

Η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για γρήγορες, αξιόπιστες και εύκολες στην χρήση αναλυτικές τεχνικές, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν εντός και εκτός εργαστηρίου, έδωσε ιδιαίτερη ώθηση για ανάπτυξη τεχνικών που να πληρούν τις παραπάνω προϋποθέσεις. Η Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από laser (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy-LIBS), λόγω των σημαντικών της πλεονεκτημάτων, έχει προταθεί ως μια τεχνική για στοιχειακή ανάλυση υλικών, ανεξαρτήτως της κατάστασής τους (στερεή, υγρή ή αέρια). Κατά την τεχνική LIBS, η ατομοποίηση και η διέγερση των ατόμων του υλικού γίνεται σε ένα στάδιο, ενώ δεν απαιτείται προετοιμασία του δείγματος. Έτσι, τα τελευταία χρόνια η τεχνική LIBS είναι η πιο διαδεδομένη αναλυτική τεχνική βασισμένη στα laser. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή η τεχνική LIBS εφαρμόζεται σε δυο διαφορετικά πεδία έρευνας: στις φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα και στην μελέτη πολυμερικών/πλαστικών δειγμάτων. Στις φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα, η φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενου από laser χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό του λόγου ισοδυναμίας (φ), ο οποίος εκφράζει την αναλογία καύσιμου προς οξειδωτικό μέσο, σε φλόγες αέριων και υγρών υδρογονανθράκων μέσω των λόγων των εντάσεων των φασματικών γραμμών του υδρογόνου, H, οξυγόνου, O, και άνθρακα, C. Μέσω αυτής της συσχέτισης, πραγματοποιήθηκαν χωρικά αναλυμένες μετρήσεις του φ σε προαναμεμιγμένες φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα διαφορετικής γεωμετρίας, οι οποίες παρείχαν σημαντικές πληροφορίες για την δομή της φλόγας. Επιπλέον, η τεχνική LIBS χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση υδρατμών στον αέρα και σε φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα και έγινε φανερό πως οι υδρατμοί προκαλούν σημαντικές αλλαγές στην δομή και τα χαρακτηριστικά της φλόγας, ενώ μέσω των φασματικών γραμμών του υδρογόνου, H, οξυγόνου, O, και αζώτου, Ν, οι υδρατμοί μπορούν να καθοριστούν ποιοτικά. Σε ότι αφορά τα πολυμερικά/πλαστικά δείγματα, η τεχνική LIBS μπορεί να αποτελέσει μια σημαντική μέθοδο για την ταυτοποίηση πολυμερικών δειγμάτων, οπότε στην συνέχεια, έγινε μελέτη των χαρακτηριστικών του πλάσματος που δημιουργείται κατά την ακτινοβόληση πολυμερικών/πλαστικών δειγμάτων και πως αυτά επηρεάζονται από τις ιδιότητες της δέσμης laser καθώς και από το περιβάλλον.