Nền thử nghiệm

Các thiên thạch, những tảng đá ngoài hành tinh hạ cánh trên bề mặt Trái đất, không phải là những thiên thạch cháy trước khi chúng đến Trái đất, đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa lịch sử của Trái đất. Có rất nhiều giả thuyết về thiên thạch, và một số người tin rằng Mặt trăng được hình thành từ tàn dư của một thiên thạch lớn va chạm với Trái đất. Những người khác tin rằng nước bao phủ Trái đất được mang đến bởi thiên thạch. Một trong những tuyên bố được biết đến rộng rãi hơn là tác động của thiên thạch đã gây ra sự kiện tuyệt chủng kỷ Creta-Paleogen.

Nhiều bí ẩn tồn tại trong thiên thạch, và mẫu vật của nó tự nhiên đã được các nhà sử học, nhà địa chất và những người yêu thích những thứ ngoài trái đất tìm kiếm. Tuy nhiên, việc xác định một tảng đá có phải là thiên thạch thật hay không lại khó khăn hơn. Thông thường, các chỉ số cơ bản để xác định loại đá là: mật độ, từ tính và thành phần. Tuy nhiên, chẳng hạn như các loại đá vô định hình trong đá đất chủ yếu bao gồm sắt, chúng cũng gần giống với các thiên thạch về ngoại hình và thành phần. Vì vậy, chúng ta cần sử dụng một phương pháp nhắm mục tiêu hơn để xác định loại đá, trong đó phương pháp hiệu quả hơn là sử dụng công nghệ quang phổ phá vỡ do laser gây ra (LIBS).

Laser Induced Breaking Spectrum (LIBS) là một phổ phát xạ nguyên tử sử dụng laser xung làm nguồn kích thích. Các xung laser tập trung vào bề mặt của vật thể được thử nghiệm, làm tăng mật độ năng lượng laser trên bề mặt vật liệu được thử nghiệm đến một mức độ nhất định. Dưới tác động của mật độ công suất laser cao như vậy, bề mặt vật liệu được thử nghiệm sẽ có vài microgram vật chất phun ra, đồng thời bề mặt vật liệu cũng sẽ tạo ra plasma có tuổi thọ rất ngắn nhưng độ sáng rất cao, nhiệt độ tức thời của nó có thể đạt tới 10.000 độ C. Trong quá trình làm mát, các nguyên tử và ion ở trạng thái kích thích trở lại từ trạng thái năng lượng cao đến trạng thái năng lượng thấp.Tại thời điểm này, các nguyên tố khác nhau sẽ phát ra các bước sóng cụ thể của ánh sáng, ánh sáng nàyQuang phổ được hình thành sau khi được quan sát bởi máy quang phổ và các đỉnh đại diện cho bước sóng của các nguyên tố có thể được quan sát trực tiếp trong bản đồ quang phổ.Do đó, LIBS đã trở thành một kỹ thuật quang phổ được sử dụng để xác định các thành phần của các loại kim loại và khoáng chất khác nhau.

Phương pháp thử nghiệm

Mục đích của thí nghiệm này là sử dụng LIBS để xác định thiên thạch và đất đá trong bốn mẫu đá.

Thí nghiệm tổng cộng có bốn mẫu, trong đó hai mẫu là mẫu thiên thạch, lần lượt là thiên thạch hạt cầu bình thường H5 và thiên thạch sắt niken. Hai mẫu khác là oxit sắt (FeO2) và titan dioxide (TiO2).

Trong thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng chế độ nền tối được gọi là chế độ Sd để khấu trừ dữ liệu thô từ AvaSoft. Sử dụng chế độ này để giảm tiếng ồn và cô lập và xác định các đỉnh plasma tốt hơn. Chúng tôi đặt thời gian tích lũy là 10ms và thời gian trung bình là 1.

Cấu hình thử nghiệm

Thí nghiệm này (Hình 2) sử dụng Ava hoàn toàn mớiSMáy quang phổ loại nhỏ pec-PCT4096CL, nó được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị máy tính để bàn và thiết bị cầm tay, phù hợp hơn với người dùng OEM. Máy quang phổ này được cấu hình 4096 nhưMáy dò CMOS nguyên tố có độ phân giải lên tới 0,09 nm và mức độ loạn thị thấp tới 0,1%.

Các phụ kiện khác được sử dụng trong thí nghiệm như sau: Laser Nd: YAG xung kép DPSS của Lumibird,Hộp điều khiển Quantel tùy chỉnh cho sợi ngắn, cho phép đo đồng bộ laser và máy quang phổ với số model FX002725.

Kết quả thí nghiệm

Hình ảnh dưới đây cho thấy quang phổ LIBS của mỗi mẫu ở chế độ Sd.

Hình 3: Quang phổ LIBS của mẫu thiên thạch hạt thường H5

Hình 4: Quang phổ LIBS của các mẫu thiên thạch sắt niken

Hình 5: Quang phổ LIBS của mẫu oxit sắt

Hình 6: Quang phổ LIBS của mẫu titanium dioxide

Hình 7: So sánh quang phổ LIBS của các mẫu thiên thạch sắt niken (màu cam) và sắt oxit (màu đỏ)

Phân tích kết quả

Hãy bắt đầu bằng cách xem xét ba trong số các mẫu này: thiên thạch hạt thông thường H5, thiên thạch sắt niken và oxit sắt, tất cả đều cho thấy các đỉnh cụm gần phạm vi bước sóng 230-265 nm (Hình 3-5) chỉ ra rằng chúng chứa các nguyên tố sắt.

Các mẫu chondrit thông thường H5 có các đỉnh gần 280 nm và 288 nm mà các mẫu còn lại không có, hai đỉnh này lần lượt cho thấy nó chứa các nguyên tố magiê và silicon, các phép đo tương ứng với thành phần của chondrit thông thường H5.

So sánh với thiên thạch sắt niken và mẫu sắt oxit, sự khác biệt không lớn (hình 7). Nhưng một đỉnh cao hơn một chút, khoảng 221 nm, có thể được quan sát thấy trong quang phổ mẫu của thiên thạch niken, cho thấy nó chứa nguyên tố niken.

Mẫu titanium dioxide (Hình 6) có ít đỉnh hơn trong phạm vi bước sóng 230-265 nm, cho thấy hàm lượng sắt ít hơn. Đỉnh chính của nó nằm trong phạm vi bước sóng 300-340 nm, có nghĩa là nó chứa nguyên tố titan.

Kết luận thí nghiệm

Bằng cách sử dụng kỹ thuật LIBS để quan sát các đỉnh bước sóng cụ thể của từng mẫu trong biểu đồ quang phổ, thành phần nguyên tố của mẫu có thể được xác định một cách dễ dàng và trực quan. Máy quang phổ mini mới PACTO được sử dụng trong thử nghiệm này phù hợp với tất cả các loại ứng dụng, nó có kích thước nhỏ, hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông và dễ dàng tích hợp vào các sản phẩm và hệ thống.