Master's Thesis

Comparison of quantitative LIBS analysis of steel standards utilizing single-pulse and double-pulse LIBS

Final Thesis 1.65 MB

Author of thesis: doc. Ing. Pavel Pořízka, Ph.D.

Acad. year: 2009/2010

Supervisor: prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Aleš Hrdlička, Ph.D.

Abstract:

In this diploma thesis the differences between single pulse and double pulse laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) methods are discussed. The time evolution of laser induced plasma (LIP) parameters, such electron density, plasma temperature, density of ions and atoms is shown. Selected methods for evaluation of plasma parameters (Boltzmann equation, Saha-Boltzmann equation etc.) are also stated. The theoretical bases of local thermodynamic equilibrium (LTE), which is necessary condition for using of previously stated methods for computation of plasma parameters, are discussed. Diploma thesis also contains the description of each component of our LIBS experimental set up and the way of their optimization. Presented theoretical advantages of DP LIBS method are demonstrated on results of experimental measurements of steel standards.

Keywords:

LIBS, DP LIBS, plasma, optimization, LTE

Date of defence

16.06.2010

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. RNDr. Josef Kuběna, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Diplomovou práci považuji za lehce podprůměrnou, diplomant mě nepřesvědčil o hlubších znalostech dané problematiky. I když zadání diplomové práce bylo v zásadě splněno, diplomantovi vytýkám strohé zpracování, nedostatečnou diskuzi naměřeních výsledků a absenci naznačení vývoje DP LIBS vzhledem k různým aplikacím.
Formální úroveň práce je dobrá. Celkově diplomovou práci hodnotím s klasifikačním stupněm C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Mgr. Aleš Hrdlička, Ph.D.

Diplomant cíle práce z větší části naplnil a prokázal, že si problematiku LIBS vcelku osvojil. Postupy a metody jsou formálně správně, ale k vlastnímu provedení i vyhodnocení mám výhrady - viz níže. Oceňuji použití ploch píků místo pouhých maxim. Z hlediska optimalizace spatřuji přínos ve zjištění času 5 ?s mezi oběma pulzy pro dosažení nejvyšší intenzity čáry Cr II 267,7 nm, neboť tato doba je netypicky dlouhá a operátor by určitě zpočátku volil časy kratší. Uspořádání práce je vesměs dobré, uvítal bych výraznější oddělení výsledků převzatých z literatury od vlastních, které se s nimi občas prolínají. Někde je nejistota výsledku zbytečně uváděna na 3 platné číslice (např. str. 34, 35). Grafika je na vyšší úrovni, pravopis je v pořádku, někde chybí čárka mezi hlavní a vloženou vedlejší větou, "plazma" ve fyzice je středního rodu, má být Lorentzova místo "Lorenzova" křivka, na str. 30 je uvedeno "standartami" místo "standardy" (zřejmě nechtěná automatická oprava), jinak je práce prakticky bez překlepů (např. str. 26, 48, odkaz na obr. 24, 25 místo 25, 26 na str. 39). Citovány jsou relevantní publikace, jejich číslování podle prvního výskytu v textu však nebylo dodrženo.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. 1. Mám pochybnosti o platnosti LTE i o způsobu jejího ověřování, i když se zde použité kritérium hojně vyskytuje v odborné literatuře o LIBS. Můžete vysvětlit použití vztahu 1.5 resp. 2.16? 2. Měl jste možnost z naměřeného spektra vybrat vhodné čáry ke zjištění ionizační teploty a porovnat ji s teplotou excitační? 3. V práci používáte pojmy "limit detekce" (str. 11 a další) a "citlivost" (např. str. 39). Nikde však nejsou definovány ani kvantifikovány pro obě metody LIBS. Můžete je objasnit? 4. Na základě čeho vyvozujete, že metoda DP LIBS ve Vaší laboratoři je citlivější než SP LIBS? Dle mého zjištění z obr. 25 a 26 je to překvapivě naopak. Jak vypadají kalibrační závislosti bez standardizace na čáru železa? Vyplývá snad výše uvedené tvrzení z nich?
  2. 5. Píšete, že standard C7 vykazoval v kalibrační závislosti odlehlý bod, což se může u této metody přihodit. Bylo by zřejmě lepší jej pro lepší představu v grafech ponechat mimo regresní závislost. Jaké kritérium pro určení odlehlého bodu jste použil? Může to nějak souviset s vlastnostmi materiálu? Tento standard má totiž dosti velký obsah molybdenu. 6. Bylo při optimalizaci použito zesílení ("gain") u detektoru ICCD? V práci jsem se to nedočetl. 7. Kolik měření (pulzů) bylo provedeno a jak byla zpracována (sumace, průměrování/medián, statistické vyhodnocení, software na zpracování křivek) na a) vytvoření kalibračních závislostí (obr. 25, 26), b) optimalizaci (obr. 18, 19)?
  3. 8. Správně píšete, že při měřeních je velmi důležitý co největší odstup signálu od šumu, v tomto případě poměr intenzit Cr II 267,7 nm a FeI 438,5 nm k úrovni pozadí. Toto vyhodnocení ve vztahu k různým parametrům (časy, energie pulzů) je naznačeno na obr. 12 a 13. Vyhodnocoval jste poměr signálu ku pozadí (S/B) v závislosti na těchto parametrech komplexně? Tj. např. 3D graf S/B = f(E Quantel, E Solar). 9. Při měření přístrojového rozšíření byla použita poměrně vzdálená čára Hg I 253,7 nm. Nebyla k dispozici jiná čára rtuti v blízkosti Fe I 538,34 nm? Ideální by samozřejmě byla čára v těsné blízkosti ve stejném řádu spektra.
  4. 10. Použitý echelle spektrograf umožňuje simultánní záznam v rozsahu cca 230-900 nm. Byla v něm přítomna i čára H I (alfa) 656,27 nm? Její šířka je i při velkém Dopplerově rozšíření celkově mnohem větší, než jakou vykazuje použitá čára železa, která je vzhledem k rozlišení spektrografu dosti úzká, a proto je měření zatíženo velkou chybou. Nebylo možné ji též použít k výpočtu hustoty elektronů, případně výsledky z obou čar porovnat?
  5. 11. Boltzmannovy grafy na obr. 20-23 odpovídají různým teplotám, které se vypočítávají ze směrnice regresní přímky. Přesto má tato směrnice ve všech grafech stále stejnou hodnotu. Je to snad záležitost nastavení zobrazení malého počtu platných číslic? Chybové úsečky jsou zde navíc symetrické, což vzhledem k logaritmu intenzity (či plochy) zřejmě není správné, ať už byly zkonstruovány jakkoliv.

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová