Высокочувствительная лазерная спектроскопия ультрамалых концентраций атомов в различных фазовых состояниях вещества

Актуальность и востребованность темы диссертации. В современном мире разработка новых аналитических методов определения ультранизких содержаний элементов в различных веществах играет важную роль для многих направлений современной науки и техники. В этом аспекте для решения большого числа задач на современных достижениях необходим контроль содержания определенных элементов в веществе на уровне 10’8-10’ *% является одной из важных задач.
В годы независимости значительное внимание уделялось приоритетному развитию науки Республики Узбекистан, в частности особое внимание было уделено исследованию атомов и аэрозолей или аналогичных сложных молекул для эффективного развития высокочувствительной лазерной спектроскопии. В этой области достигнуты определенные результаты по исследованию ближней границы ионизации атомов и определения эффективных схем возбуждения атомов, а также по изучению морфологических и оптических свойств различных аэрозолей. В соответствии со «Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» особое внимание важно уделить созданию эффективных механизмов внедрений научных и инновационных достижений в практику, создание новых приборов на основе физических механизмов проявления резонансных и нерезонансных процессов взаимодействия лазерного излучения с ультрамалыми концентрациями атомов и аэрозолей вещества в области фотоники лазерной спектроскопии.
В настоящее время в мировой науке исследования высоковозбужденных состояний многоэлектронных атомов и оптических свойств различных аэрозолей дают возможность разработки универсального лазерного фотоионизационного спектрометра. В этом отношении актуальность и востребованность темы данной диссертации определяется целенаправленными научными исследованиями, а именно: разработка новых фотоионизационных и столкновительных схем возбуждения известных состояний исследуемых атомов; проведение теоретических расчетов и получение экспериментальных спектров для тяжёлых атомов; выявление эффективной динамики и типов физических процессов возбужденных атомов и молекул; изучение кинетики сигналов в зависимости от технических характеристик экспериментальной установки и параметров атомов и молекул; установление новых закономерностей морфологических и оптических свойств аэрозольных частиц, не имеющих квантовых состояний; определение ультрамалых концентраций атомов и аэрозолей имеет важное значение.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан №-ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года, №-ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года и №-УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по развитиям Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является установление физических механизмов проявления резонансных и нерезонансных процессов взаимодействия лазерного излучения с ультрамалыми концентрациями атомов и аэрозолей вещества.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
выявлена обратная зависимость закономерности (N~d‘) между абсолютной концентрацией частиц (N) образованной от поверхности металлов, сплавов и почвы при воздействии мощного импульсного инфракрасного лазерного излучения (Х=1064нм, 250 мДж) и размерами аэрозоля (d), а также прямая зависимость (o~L) между коэффициентами экстинкции (о) и расстоянием от поверхности (L) до лазерного излучения;
обоснована обратная зависимость закономерности (Q~a“) между эффективностью экстинкции (Q) и величиной размерного параметра (а) различных прозрачных (NaCI, CsCl, Nal, NaF, K.C1, AgNCh) и органических (Родамин 640) аэрозольных частиц;
определены эффективные схемы возбуждения через р и d состояний по сравнению с s состоянием при возбуждении атомов;
выявлены физические механизмы формирования полезных сигналов (селективный ионизационный сигнал и сигнал затухания), позволяющие регистрировать параметры ионизации, поглощения и затухания атомарных и аэрозольных систем в интенсивных импульсных лазерных полях;
показан способ повышения селективности и чувствительности метода атомно-ионизационной спектроскопии на основе селекции по температуре атомизатора «стержень-пламя» и реализации новых электротермических атомизаторов-ионизаторов, состоящих из графитовой трубки и платформы;
разработан внутрирезонаторный лазерный абсорбционный спектрометр на основе двухобъёмного азотного лазера для измерений экстинкции света частицами аэрозоля.
Заключение
На основе проведенных исследований физических механизмов проявления резонансных и нерезонансных процессов взаимодействия лазерного излучения с ультрамалыми концентрациями атомов и аэрозолей сделаны следующие выводы:
1. Разработан и создан внутрирезонаторный лазерный абсорбционный спектрометр для измерения экстинкции света частицами аэрозоля, который состоит из лазерной системы, системы блока подготовки и очистки газа и системы регистрации сигнала затухания.
2. Разработан новый метод детектирования атомов, молекул и аэрозолей, образующихся при лазерном испарении, который основан на измерении времени затухания пробного излучения при многократном прохождении в оптическом резонаторе с двумя высокоотражающими зеркалами.
3. Определены максимальные экстинкции при энергии лазерного импульса 250мДж, времени задержки 50мс и расстоянии 12мм между линзой и пробы для всех аэрозолей на основе зависимости закономерности расстояния между линзой и пробой (плотность энергии) и времени задержки.
4. Определены зависимости эффективности экстинкции (Q,KC) прозрачных аэрозолей солей металлов (NaCI, CsCI, Nal, NaF, K.C1, AgNOs) и аэрозоля органического красителя от размерного параметра (а) аэрозоля при их импульсном лазерном возбуждении с длинами волн 630, 580-5-660, 615 и 635нм и показано, что зависимости хорошо согласуются с «теорией Ми».
5. Впервые обнаружены максимальные ионизационные сигналы для атомов In при переходе 5р‘Рз/2—♦6s2S3/2—’*8p2Pi/2 и для атомов Li, Na, Au, Ag, Pt при переходе (n)s—>(m)p—>(k)d при использовании столкновителной схемы возбуждения и ионизации атомов In, Li, Au, Ag, Pt в атомизаторе «Графитовая печь».
6. Определены селекция легко испаряемых элементов по температуре атомизатора «стержень-пламя» и применение новых электротермических атомизаторов-ионизаторов, состоящих из графитовой трубки и платформы для устранения матричных эффектов.
7. Разработан универсальный лазерный фотоионизационный спектрометр для исследования локального распределения примесей щелочных металлов и кальция в алюминиевых сплавах.
8. Показано распределение примесей натрия по объему образца примерно одинаково, около 10'3%, но распределение примесей кальция оказалось неравномерным.
9. Показано, что высоковозбужденные пр 3Р0,1д - триплетные состояния атомов Hg, Cd, Zn и полученные расчетные результаты значения энергии (Еп) ридберговских состояний для п<50 хорошо согласуются с результатами, полученными другими авторами на основе альтернативных методов.
10. Показано, что с увеличением энергии лазерного излучения селективный ионизационный сигнал от исследуемых атомов линейно растет до достижения порога насыщения резонансных переходов.