Effect of liquid-sheet thickness on detection sensitivity for laser-induced breakdown spectroscopy of aqueous solution

レーザー誘起ブレークダウン分光における検出感度の液体シート厚の効果

大場 弘則  ; 佐伯 盛久; 若井田 育夫  ; 田邉 里枝*; 伊藤 義郎*

Oba, Hironori; Saeki, Morihisa; Wakaida, Ikuo; Tanabe, Rie*; Ito, Yoshiro*

液体を対象にしたレーザー誘起ブレークダウン分光(LIBS)分析において、簡素化して高感度な分析を行うために付加的機器やキャリアガス等用いない連続液体フロージェットの気液界面をLIBSに適用することを検討している。本研究では、Nd:YAGレーザー基本波(1064nm)をmオーダーの液膜ジェットに照射したときに得られる発光スペクトルにおいて、膜厚と発光検出感度の関係を調べた。その結果、液体膜厚を数mから数十mに増加させるとそれに比例して検出感度は向上して20mで最大感度となった。また、膜厚が25mを超えると急激に検出感度が低下することがわかった。さらに、液膜ジェット形状の時間分解シャドウグラフおよびプラズマ発光分光計測を行い、レーザー光と水溶液の相互作用体積の大小、すなわち液体ジェットの膜厚、により飛沫の発生量や飛散方向が異なり、検出感度は膜厚に依存することがわかった。

For aqueous-solution-based elemental analysis, we used a thin liquid sheet (m-scale thickness) in laser-induced breakdown spectroscopy with nanosecond laser pulses. Laser-induced plasma is emitted by focusing a pulsed Nd:YAG laser (1064 nm) on a 5- to 80-m-thick liquid sheet in air. To optimize the conditions for detecting elements, we studied how the signal-to-background ratio (SBR) for H Balmer and Na-neutral emission lines depends on the liquid-sheet thickness. The SBR of the H Balmer and Na-neutral lines was maximized for a sheet thickness of 20 m at the laser energy of 100 mJ. The hydrodynamics of liquid flow induced by the laser pulse was analyzed by laser flash shadowgraph imaging. Time-resolved observation of the hydrodynamics and plasma emission suggests that the dependence of the SBR on the liquid-sheet thickness is correlated with the volume of flowing liquid that interacts with the laser pulses.