مقايسه‌ي كندگي كاتاليست‌هاي فلزي در محيط‌هاي پلاسماي القايي ليزري بوتان و هوا

Comparative Investigation of Metal Catalysts Ablation in Laser Induced Plasma Environment of Butane and Air

چكيده در اين مقاله، طيف سنجي فروشكست القايي ليزري (LIBS) با استفاده از ليزر نئوديميم-ياگ سوئيچ Q شده با حضور كاتاليست‌هاي فلزي در محيط‌هاي گازي بوتان و هوا بررسي شده است. اندازه‌گيري عمق كندگي كاتاليست‌ها (مس، آهن، نيكل و پالاديوم) با استفاده از پروفايل‌سنج مكانيكي Dektak انجام شد. عمق كندگي كاتاليست‌هاي فلزي در محاسبه پارامترهاي پلاسما مانند دما و دانسيته الكتروني از اين جهت حائز اهميت است كه معيار براي بررسي اثر گاز زمينه بر فرايند كندگي مي‌باشند. ميانگين عمق كندگي اندازه‌گيري شده و همچنين دما و دانسيته الكتروني پلاسماي القايي ليزري در شرايط LTE براي چهار گونه فلزي در محيط‌هاي گازي بوتان و هوا با يكديگر مقايسه شده‌اند. نتايج حاصل نشان مي‌دهد عمق كندگي، دما و چگالي الكتروني در محيط گازي بوتان نسبت به محيط گازي هوا بيشتر مي‌باشند كه ناشي از بالاتر بودن چگالي گاز بوتان و پايين‌تر بودن ضريب انتشار گرمايي (α) بوتان نسبت به هوا است. به هر حال اثر حرارتي مربوط به واكنش‌هاي گرمازاي حاصل از تشكيل پيوندهاي مولكولي در مرحله بازتركيب پلاسما نيز خود يكي از عوامل تأثيرگذار اجتناب‌ناپذير مي‌باشد.

In this work, metal-assisted laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) was carried out in butane and air environments using Q-switched Nd:YAG laser at the presence of metal catalysts such as Cu, Pd, Ni and Fe. The ablation depths of each catalyst were measured by using the stylus profilometer Dektak. The ablation depth measurement and the calculation of the plasma temperature and electron density are important to specify the effect of background gas on the ablation process. For this purpose, the ablation depth and the plasma temperature as well as the electron density are investigated in LTE condition at the presence of four metal catalysts in butane and air. The results show that these parameters are slightly higher in the butane environment respect to the air due to the higher butane gas density and lower thermal diffusivity (α). However, the thermal effects of the exothermic reactions result from the formation of molecular bonds in the plasma recombination stage are inevitably effective too.