Spatiotemporal diagnostics of laser induced plasma of potassium gallosilicate zeolite
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2019
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Camacho, Joaquin & Vrabel, Jakub & Manzoor, Sadia & Pérez-Arribas, Luis & Díaz, Deseada & Caceres, Jorge. (2019). Spatiotemporal diagnostics of laser induced plasma of potassium gallosilicate zeolite. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 34. 10.1039/C9JA00052F.
Abstract
The present work focuses on the analysis of laser induced plasma of a zeolite sample to study its spatial and temporal evolution. Plasmas were induced by focusing a high-peak power IR CO2 pulsed laser at 10.6 μm and irradiance 6.3 GW cm−2 onto a sample under 0.01 Pa vacuum, which produced special conditions allowing the detection of species in high ionization states and velocities. In this study, high spatial, temporal and spectral resolution was obtained using imaging by an optical emission spectroscopy method, namely, laser induced breakdown spectroscopy. In addition, this work introduces the possibility of studying the early stages of plasma evolution. The induced plasma shows electronically excited neutral K, Ga, Si and O atoms and ionized K+, Ga+, Ga2+, Si+, Si2+, Si3+, O+, O2+, and O3+ species. Time-resolved two-dimensional spectra, which were also spatially resolved, were used to study the expanded distribution of some species ejected during ablation. Spatial and temporal variations of different atoms and excited ionic species are reported. Decreasing electron densities in the order of 1017 to 1016 cm−3 at 2 mm from the target surface were measured using Stark broadening in the plasma lifetime of 4 μs. The measured temperature range of electrons is 35 000 to 5800 K within the first 5 μs after initiation of optical breakdown and for the supposed local thermodynamic equilibrium of the plume at a distance of 2 mm from the target.
Description
El presente trabajo se centra en el análisis del plasma inducido por láser de una muestra de zeolita para estudiar su evolución espacial y temporal. Los plasmas se indujeron enfocando un láser pulsado IR de CO2 de alta potencia a 10.6 mu m e irradiancia 6.3 GW cm-2 sobre una muestra bajo vacío de 0.01 Pa, lo que produjo condiciones especiales que permitieron la detección de especies en altos estados de ionización y velocidades. En este estudio, se obtuvo una alta resolución espacial, temporal y espectral utilizando imágenes por un método de espectroscopia de emisión óptica, a saber, la espectroscopia de ruptura inducida por láser. Además, este trabajo introduce la posibilidad de estudiar las primeras etapas de la evolución del plasma. El plasma inducido muestra átomos neutros de K, Ga, Si y O excitados electrónicamente y especies ionizadas de K+, Ga+, Ga2+, Si+, Si2+, Si3+, O+, O2+ y O3+. Se utilizaron espectros bidimensionales resueltos en el tiempo, que también se resolvieron espacialmente, para estudiar la distribución expandida de algunas especies expulsadas durante la ablación. Se presentan variaciones espaciales y temporales de diferentes átomos y especies iónicas excitadas. Se midieron densidades de electrones decrecientes del orden de 10(17) a 10(16) cm-3 a 2 mm de la superficie del blanco utilizando el ensanchamiento de Stark en el tiempo de vida del plasma de 4 mu s. El rango de temperatura medido de los electrones es de 35 000 a 5800 K dentro de los primeros 5 mu s tras el inicio de la ruptura óptica y para el supuesto equilibrio termodinámico local del penacho a una distancia de 2 mm del blanco.