レーザー誘起ブレークダウン分光法

レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）は、高エネルギーレーザーパルスを励起源として使用する原子発光分光法の一種です。 ^{[1] [2]}レーザーを集束させてプラズマを形成し、サンプルを原子化して励起します。プラズマの形成は、集束レーザーが光破壊の特定の閾値に達したときにのみ始まります。この閾値は、通常、環境とターゲット材料によって異なります。^[3]

2000年から2010年にかけて、米国陸軍研究所（ARL）は、危険物質の検出に焦点を当てたLIBS技術の潜在的な拡張を研究しました。^{[4] [5]} ARLで調査されたアプリケーションには、爆発性残留物やその他の危険物質のスタンドオフ検出、プラスチック地雷の識別、さまざまな金属合金やポリマーの材料特性評価が含まれていました。ARLによって発表された結果は、LIBSがエネルギー物質と非エネルギー物質を区別できる可能性があることを示唆しています。^[6]

広帯域高解像度分光計は2000年に開発され、2003年に商品化されました。材料分析用に設計されたこの分光計により、LIBSシステムは低濃度の化学元素に対しても感度を持つようになりました。^[7]

2000年から2010年にかけて研究されたARL LIBSアプリケーションには以下が含まれる: ^[5]

• ハロン代替物質の検出試験済み
• 土壌と塗料中の鉛の検出のための現場ポータブルLIBSシステムをテストしました
• 異なる浴ガス中のバルクアルミニウムからのアルミニウムおよびアルミニウム酸化物のスペクトル発光を研究した。
• LIBSプルームの運動モデル化を実施
• 地質物質、プラスチック地雷、爆発物、化学兵器および生物兵器の代替物質の検出と識別を実証しました。

この期間に研究されたARL LIBSプロトタイプには以下のものがあった: ^[5]

• 研究室のLIBSセットアップ
• 商用LIBSシステム
• 携帯型LIBS装置
• 100 メートル以上の距離での爆発性残留物の検出と識別のために開発されたスタンドオフ LIBS システム。

LIBSは、スパークOESなどの純粋な実験室技術とは対照的に、現場で展開できるいくつかの分析技術の1つです。2015年現在^[update]、LIBSに関する最近の研究は、コンパクトで（人間が）持ち運び可能なシステムに焦点を当てています。LIBSの産業用途には、材料の取り違えの検出、^[8]、鋼鉄中の介在物の分析、二次冶金におけるスラグの分析、^[9] 、燃焼プロセスの分析、^[10]、材料固有のリサイクルタスクのためのスクラップ片の高速識別などがあります。データ分析技術を駆使して、この技術は医薬品サンプルにも拡張されています。^{[11] [12]}

多光子またはトンネル電離の後、電子は逆制動放射線によって加速され、近くの分子と衝突し、衝突によって新しい電子を生成する可能性があります。パルス持続時間が長い場合、新しく電離した電子は加速され、最終的に雪崩電離またはカスケード電離が続きます。電子の密度が臨界値に達すると、ブレークダウンが発生し、レーザーパルスの記憶がない高密度プラズマが生成されます。したがって、高密度媒体でのパルスの短さの基準は次のとおりです。高密度物質と相互作用するパルスは、相互作用中に雪崩電離のしきい値に達しない場合に短いと見なされます。一見すると、この定義は制限が厳しすぎるように見えるかもしれません。幸いなことに、高密度媒体でのパルスの挙動は微妙にバランスが取れているため、しきい値に簡単に到達することはありません。^[要出典] このバランスの原因となる現象は、高密度媒体中における強いレーザーパルスの伝播中に フィラメント化プロセスが開始される際に生じる強度クランプ^{[13]である。}

LIBS の潜在的に重要な開発には、分光光源として短いレーザーパルスを使用することが含まれます。^[14]この方法では、超高速レーザーパルスをガスに集中させることでプラズマ柱が生成されます。自己発光プラズマは、連続光のレベルの低さと線の広がりの小ささの点ではるかに優れています。これは、短いレーザーパルスの場合、相互作用領域でのパルスの強度を制限し、ガスのさらなる多光子/トンネルイオン化を防ぐデフォーカス効果により、プラズマの密度が低くなることに起因します。^{[15] [16]}

局所熱平衡（LTE）にある単一の中性原子種からなる光学的に薄いプラズマの場合、レベルiからレベルjへの遷移によって放出される光子の密度は^[17]

${\displaystyle I_{ij}(\lambda )={\frac {1}{4\pi }}n_{0}A_{ij}{\frac {g_{i}\exp ^{-E_{i}/k_{B}T}}{U(T)}}I(\lambda )}$

どこ ：

• ${\displaystyle I_{ij}}$光子の放出率密度（m ⁻³ sr ⁻¹ s ⁻¹）
• ${\displaystyle n_{0}}$プラズマ中の中性原子の数（m ⁻³）
• ${\displaystyle A_{ij}}$はレベルiとレベルjの間の遷移確率（s ⁻¹）
• ${\displaystyle g_{i}}$は上位レベルiの退化である（2 J +1）
• ${\displaystyle U(T)}$は分割関数（単位なし）
• ${\displaystyle E_{i}}$上位レベルiのエネルギーレベル（eV単位）
• ${\displaystyle k_{B}}$ボルツマン定数（eV/K）
• ${\displaystyle T}$温度（K）
• ${\displaystyle I(\lambda )}$線プロファイルは次のようになる。${\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }I(\lambda )d\lambda =1}$
• ${\displaystyle \lambda }$波長（nm）

分配関数は、原子種の 各レベルの統計的占有率です。${\displaystyle U(T)}$${\displaystyle k}$

${\displaystyle U(T)=\sum _{j}g_{j}\exp ^{-E_{j}/k_{B}T}}$

最近、LIBS は高速で微小破壊的な食品分析ツールとして研究されています。定性および定量化学分析の潜在的な分析ツールと考えられており、PAT (プロセス分析技術) またはポータブルツールとして適しています。牛乳、ベーカリー製品、お茶、植物油、水、シリアル、小麦粉、ジャガイモ、ナツメヤシ、さまざまな種類の肉が LIBS を使用して分析されています。^[18]特定の食品の不純物検出ツールとしての可能性を示した研究はほとんどありません。^{[19] [20]} LIBS は、肉の有望な元素イメージング技術としても評価されています。^[21]

2019年、ヨーク大学とリバプール・ジョン・ムーア大学の研究者らは、コナーズ島（アイルランド共和国）の後期中石器時代の貝塚から 発見された12個のヨーロッパカキ（Ostrea edulis、Linnaeus、1758年）を研究するためにLIBSを使用しました。その結果、先史時代の季節性慣行や生物学的年齢と成長を、これまでよりも改善された速度と低コストで判定するためのLIBSの適用可能性が明らかになりました。^{[22] [23]}

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• NIST LIBS データベース