CIS Systems: Камера TRC411 высокого временного разрешения с усилением изображения для детектирования в лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (LIBS или ЛИЭС)

1. Исследовательская база

Излучение, генерируемое мощными импульсными лазерами, например, твердотельными лазерами Nd:YAG, фокусируется на поверхности образца благодаря оптическим элементам, таким, как линзы. Из-за высокой мощности и малой площади пятна фокусировки локальная плотность мощности лазерного излучения в образце может быстро достигать чрезвычайно высоких значений: ГВт/см² за наносекундное время. В результате лазер испаряет несколько микрограмм образца с поверхности, и на облучаемом участке возникает высокотемпературная плазма.

За счет большой энергии лазера атомы внутри образца возбуждаются, состав образца может быть исследован методом анализа спектров, возникающих при переходе атомов и ионов в возбужденных состояниях на уровень ниже, который известен как лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС). Технология лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии – бесконтактный метод с низкой степенью разрушительности для быстрого удаленного анализа in situ (с лат. – «на месте») и одновременного онлайн-мониторинга множества элементов.  

Применение охватывает такие области, как анализ состава стали и качества угля, исследования космоса, мониторинг окружающей среды и отходов, изучение объектов культурного наследия, контроль промышленных процессов, детектирование, геохимический анализ и другие.

Генерация лазерно-индуцированной плазмы – сложный процесс с малой длительностью. При этом фоновый непрерывный спектр плазмы элементов из-за интерференции и экранирования атомных и ионных характеристических дискретных линий элементов, содержащихся в образце, затрудняет их распознавание. Следовательно, задача дифференцирования характеристического спектрального сигнала, несущего информацию о составе вещества, от плазменного сигнала – это ключевой шаг в проводимых исследованиях.

Благодаря функциям наносекундного оптического стробирования и пикосекундной синхронизации по времени высокой точности, камеры с усилением изображения – мощные инструменты для исследования процессов и характеристик генерации плазмы, а также для спектроскопического анализа с временным разрешением. Комбинирование камеры высокого временного разрешения с усилением изображения и спектрометра с высокоточной синхронизацией по времени позволяет отделить спектральные линии элементов от сильных плазменных фоновых помех и усилить слабый сигнал, тем самым получая временное разрешение в широком спектральном диапазоне.

Таким образом, объединение двух инструментов отлично подходит для анализа состава материалов и детектирования веществ, представляя собой профессиональное решение для научных исследований.

2. Принцип и схема эксперимента

Экспериментальное оборудование:

Наносекундный стробируемый спектрометр с временным разрешением, используемый в эксперименте, состоит из камеры с усилением изображения модели TRC411-S-H411-F и дифракционного спектрометра Trieda Princeton Instrument модели IsoPlane20. В качестве тестового образца выступает сплав.

Процесс тестирования:

1. Камера TRC411 и спектрометр соединяются через фланец с закрытием стыка черной тканью для исключения паразитной засветки

2. Калибровка системы по длине волны и настройка фокуса:

Настройки параметров калибровки:   

Таблица 1. Параметры настройки фокуса

Центральная длина волны спектрометра устанавливается ​​на 546 нм, камера перемещается так, чтобы полученное изображение представляло собой четкое изображение щели, далее положение камеры фиксируется. На данном этапе горизонтальное положение, соответствующее пику, составляет 978 пикселей, значение для центрального пикселя задается в интерфейсе калибровки.

Для калибровки по длине волны в спектрометре проверяется соответствие длин волн наблюдаемых спектральных линий ртутной лампы ее известным стандартным линиям. Центральный пиксель устанавливается по умолчанию и начинается эксперимент.

3. Лазерный импульс, попадающий на фотодетектор, выступает в качестве триггерного сигнала системы для запуска моторизованной ступени образца и камеры. Длительность свечения люминесценции составляет около 10 мкс, частота лазера – 1 кГц, выходное напряжение фотодетектора – 1,2В.

Камера устанавливается в режим высокочастотного внешнего триггера с пороговым значением 1В. После настройки параметров проводится анализ зависимости  значений сигнала от величины задержки открытия затвора. Можно заметить, что при задержке затвора равной 0, сигнал LIBS (ЛИЭС) наиболее сильный, и это доказывает синхронизацию сигнала с затвором камеры.

4. Далее устанавливаются указанные выше параметры камеры, центральная длина волны спектрометра на значение 340 нм и осуществляется формальный сбор данных.
 

Таблица 2. Показатели теста для метода LIBS (ЛИЭС)

3. Результаты эксперимента. 

Рисунок 2. Спектр LIBS (ЛИЭС)

Рисунок 3. Локальное усиление спектральных линий LIBS

На Рисунке 3 показаны локальные спектральные линии LIBS (ЛИЭС) испытуемых образцов сплава, было зафиксировано несколько очевидных волновых пиков, соответствующих 374,5 нм, 385,6 нм, 387,3 нм и 394,6 нм. Было подтверждено, что полученные пики представляют собой характерные спектральные линии нескольких металлических элементов, входящих в состав сплава.

4. Выводы

Приведенные выше результаты показывают, что функции наносекундного оптического стробирования и точной синхронизации запуска научной КМОП-камеры TRC411 с усилением могут использоваться для детектирования высокоэнергетических лазерных импульсов, которые возбуждают спектр плазмы образца. Усиление камеры, время стробирования и другие параметры могут регулироваться в соответствии с задачами эксперимента, также существует возможность напрямую получать характеристические спектральные линии элементов материала с использованием метода LIBS (ЛИЭС).

Камера высокого временного разрешения с усилением изображения TRC411 имеет функцию синхронизации внешнего триггера, способную выполнять запуск внешней синхронизации и точно регулировать временные задержки других устройств.

Благодаря большой частоте кадров и высокому разрешению, а также сверхмалому времени экспозиции, камера в полной мере использует преимущества высоких значений усиления и временного разрешения для методов спектроскопического анализа с временным разрешением, таких как лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия, спектроскопия люминесценции с временным разрешением и рамановская спектроскопия с временным разрешением.

5. Предлагаемое решение

Камера высокого временного разрешения с усилением изображения TRC411, независимо разработанная и произведенная CISS, использует технологию Hi-QE 2-го поколения с высокой квантовой эффективностью и низким уровнем шума, а также усилитель изображения GaAs 3-го поколения с временем экспозиции всего 500 пикосекунд. Частота кадров в полном разрешении – до 98 кадров в секунду. Встроенный многоканальный синхронный секвенсор пикосекундной точности, визуализируемый по времени с помощью программного обеспечения SmartCapture, идеально подходит для анализа быстрых процессов генерации плазмы с временным разрешением.

5.1. Время экспозиции 1500 пикосекунд

Позволяет точно зафиксировать явление люминесценции плазмы в разные моменты времени и проанализировать механизм образования плазмы.

5.2. Сверхвысокая частота дискретизации

Камера IsCMOS с технологией «свет за светом» теперь обеспечивает частоту до 98 кадров в секунду при максимальном разрешении и высокую скорость сбора данных, повышая при этом эффективность экспериментов. Кроме того, возможно увеличить количество кадров до 1300, если задать область использования с 16-ю линиями разрешения.

5.3. Точный контроль времени

Камера с усилителем изображения IsCMOS и технологией «свет за светом» оснащена контроллером временной синхронизации с тремя независимыми входами и выходами с минимальным временем задержки 10 пс, а также настройками внутреннего и внешнего триггера для точной синхронизации с лазером и другими устройствами.

5.4. Инновационная технология «нулевого шума»

Благодаря точному распознаванию однофотонного сигнала, темновой шум камеры и помехи при считывании полностью удаляются.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ