Yaptığımız bu çalışmada lineer uçuş zamanlı kütle spektrometresi dizayn edilip; Cu, Ti, Re ve Mo katı malzemeleri hedef malzeme olarak seçilip, laser ablasyon ve iyonizasyon çalışmaları yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre; yerli sanayi yapımı olan TOF cihazı oldukça iyi çalışmakta ve literatüre uygun sonuçlar elde dilmesine olanak sağlamaktadır.
Laser ablasyon dinamiklerinden odaklama koşulları, laser gücü (P), laser yoğunluğu, laser dalga boyu (λ) önemli rol oynamaktadır. Malzemelerin laser demetiyle iyonlaşması sonucu, kullandığımız malzemelerin kütle spektrumlarında gözlenen (+1) yüklü iyonlarının spektral çizgilerinde oldukça büyük bir genişleme gözlenmektedir. Bu genişleme laser ablasyon dinamiklerine bağlı olarak değişmektedir. 1 p.g. λ∝ 4.1.a P∝i.s. 4.1.b P∝p.g. 4.1.c
p.g.; pik genişliği, i.s.; iyon sayısı olarak ifade edilmiştir.
Bakır malzemesiyle yapılan deneyden elde edilen Şekil 3.4, sadece laser gücü değiştirilerek elde edilen Cu+ piklerinin bir karşılaştırmasıdır. Her üç dalga boyunda da (355nm, 532nm ve 1064nm) Cu+ iyon miktarının (pik yüksekliği, düşey eksen) laser gücünün artırılmasıyla doğru orantılı olduğu görülmüştür. Yani Cu+ iyon miktarının laser gücüne oldukça bağlı olduğu gözlenmiştir. Đyon miktarındaki artış lazer yoğunluğunun artmasıyla açıklanabilmektedir (Amoruso ve ark. 1998). Yani deneyde, hedef malzeme üzerindeki spot boyutu değiştirilmeden laser gücü artırıldığında lazer yoğunluğu artmaktadır. Dolayısıyla bu değişim de iyon artışına sebep olmaktadır. Böylece, birim zamanda oluşan iyon sayısı artmaktadır, bu da pikte yükselme olarak kendini göstermektedir.
10 100 1 10 100 iy o n s a y is i- m V Lazer Gücü-mW Cu+ 355 nm 532 nm 1064 nm
Şekil 4.1: Laser gücüne bağlı olarak 355 nm, 532 nm ve 1064 nm dalga boyları kullanılarak elde edilen Cu+ iyon sayısındaki değişim.
Laser gücünün artışıyla iyon sayısı da artmaktadır (Horn ve ark. 2001). 355nm ve 1064nm dalga boylarında eğim doğrusal iken 532nm dalga boyunda eğim belirli bir değerden sonra sabit olma eğilimi göstermektedir. 532nm dalga boyundaki bu durum belirli laser gücünden sonra foton soğurma olmadığından, Cu+ iyon pikinin miktarında artma olmamaktadır. Bu durumda sistemin optik doyuma ulaştığı söylenebilmektedir. 1 1E-3 0.01 0.1 355 nm 532 nm 1064 nm iy o n s a y is i (m V ) lazer yogunlugu (W/cm2)
Şekil 4.2: Laser yoğunluğuna bağlı olarak Cu+ iyon sayısı değişimi. Şekil 4.2’de laser gücünün artırılmasıyla iyon miktarının arttığı gözlenmektedir.
- 81 -
Bütün bu verileri denklem şeklinde laser gücüne bağlı olarak yazarsak;
( )
( )
log i.s. ∝ ×a log P 4.2
Laser yoğunluğuna (I) bağlı olarak;
( )
log i.s. ∝ ×b log(I) 4.3
biçiminde yazılabilir. a ve b katsayısı, sistemden kaynaklanan değişimleri ifade etmektedir. Yani detektörden, gerilim yüklü levhalardan, TOF cihazının geometrisinden, deneysel koşullardan kaynaklanan değişimlerin tümünü temsil etmektedir.
Literatürde laser enerjisi-iyon miktarı ile ilgili çalışmalar oldukça yaygın olarak verilmiştir (Singhal ve ark. 1996, Smith ve ark. 1999, Ledingham ve ark. 1997). Plazmada laserin absorbsiyonu atımlı laser ablasyonunun belirli dinamiklerinde önemli bir rol oynamaktadır (Lunney ve ark. 1998). Laser gücüne bağlı olarak iyon sayısını incelemek için laser gücü ve pik yüksekliğinin logaritmasını alarak (Majumder ve ark. 1999) çizilen grafiğin eğiminden (Şekil 4.1, 4.3) numunenin iyonlaşması için gerekli foton sayısı gözlenebilir.
100 1000 1 10 100 1064 nm Fe+ Fe+2 iy o n s a y is i (e V ) lazer yogunlugu (W/cm2)
Şekil 4.3: 1064 nm’de demir malzemesinden elde edilen Fe+ ve Fe+2 iyonların laser gücüne bağlı değişimi.
Şekil 4.3’den anlaşıldığı üzere laser gücüyle iyon miktarı doğru orantılıdır. Laser gücünün belirli yüksek değerlerinden sonra iyon miktarı sabit olmakta yani system doyuma ulaşmaktadır. Ayrıca, aynı güç değerinde Fe+ iyonlarının Fe+2 iyonlarından fazla olduğu görülmektedir.
Yapılan bu çalışmada laser ablasyon ve iyonizasyon parametreleri laser dalga boyuna, laser ışığının gücüne, malzeme üzerindeki spot alanına, dolayısıyla laser yoğunluğuna, laser ışığının malzeme üzerine düşme açısına, sistemdeki gerilim yüklü levhalara, TOF cihazının geometrisine sıkı bir şekilde bağlıdır.
- 83 -
KAYNAKLAR
Alcántara, J. F., Vadillo, J. M., Laserna, J. J., 2008, Subthreshold Two-Pulse Time-Delayed Laser Ionisation of Cu, Appl Phys A, 92, 963-967.
Amoruso, S., Berardi, V., Bruzzese, R., Spinelli, N., Wang, X., 1998, Kinetic Energy Distrubution of Ions in the Laser Ablation of Copper Targets, Applied Surface Science 127-129, 953-958.
Amoruso, S., Berardi, V., Bruzzese, R., Velotta, N., Spinelli, N., Wang, X., 1999, XeF Excimer Laser Ablation of Metallic Targets Probed by Energy-Selective Time-of- Flight Mass Spectrometry, Applied Surface Science 138-139, 250-255.
Bäuerle, D., 1996, Laser Processing and Chemistry, Springer Verlag, Berlin, Heidelnerg, New York.
Boesl, U., Weinkauf, R., Weickhardt, C., Schlag, E. W., 1994, Laser Ion Sources for Time- of-Flight Mass Spectrometry, Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc, 87-124
Borrielli, A., Torrisi, L., Margarone, D., Caridi, F., Mazzasalma, A., M., 2008, Spectroscopic Measurements in Fe-Plasma Produced by Pulsed Laser Ablation, Science Direct, Nuclear Instruments and Methods in Physics B, 266, 3968-3974.
Borthwick, I. S., Ledingham, K. W. D., Singhal, R. P., Zheng, R. ve Campbell, M., 1996, Diagnostic and Analitical Study of Post Ablation of Neutral Atoms of Major and Miinor Constituents From a Low Alloy Steel, Spectrochimica Acta Part B 51, 127-137 Chin, S.L. and Lambronouls, P., 1984, Multiphoton Ionization of Atoms, Academic Press
Canada, Orlando, Florida, London.
Cleveland, D., Stchur, P., Hou, X., Yang, K. X., Zhou, J., Michel, R. G., 2005, Resonant Laser Ablation of Metals Detected by Atomic Emission in a Microwave Plasma and by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, Society for Applied Spectroscopy, Volume 59, 1427-1443.
Corneggia, C., Morellec, J., Normand, D., 1985, Resonant Multiphoton Ionisation- Dissociation of H2, J.Phys. B: At. Mol. Phys. 18, L501-L506.
Cotter, R. J., 1997, Time-of-Flight Mass Spectrometry Instrumentation and Applications in Biological Research, American Chemical Society, U. S. A.
Dai, S. T., Jin, L., Lu, W., An, R. T., Tai, L. L., Chen, D. Y., 1999, Resonant Laser Ablation of Copper and its Application in Microanalysis, Appl. Phys. A, 69, 167-169.
Ekman, R., Silberring, J., Westman-Brinkmalm, A., Kraj, A., 2009, Mass Spectrometry Instrumentatiton, Interpretation, and Applications, John Wiley&Sons, New Jersey, U.S.A.
Ferrer, I., Thurman, E. M., 2009, John Wiley&Sons,U.S.A.
Gross, J. H., 2004, Mass Spectrometry, 2.baskı, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany.
Gündüz, T., 2002, Instrumental Analiz, 6. baskı, Gazi Kitabevi Tic. LTD.ŞTĐ., Ankara. Hecht, E., 1999, Optik, Akademi Yayın Hizmetleri, Ankara.
Hasegawa, J., Yoshida, M., Oguri, Y., Ogawa, M., Nakajima, M., Horika, K., 2000, High- Current Laser Ion Source for Inducation Acceleratiors, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 161-163, 1104-1107
Hoffman, E., Stroobant, V., 2007, Mass Spectrometry Principles and Applications, 3rd ed., John Wiley&Sons, England.
Horn I., Guillon M., Günther D., 2001, Wavelength Dependant Ablation Rates for Metals and Silicate Glase Using Homogenized Laser Beam Profiles-Implications for LA-ICP- MS, Applied Surface Science, 182, 91-102.
Jordan, R., Lunney, J. G., 1998, Investigation of Excimer Laser Ablation of Iron, Applied Surface Science, 127-129, 968-972
Kılıç, H. Ş., Laser Fiziği Ders Notları.
Kponou, A., Hershcovitch, A., McCafferty, D., Usack, F., 1994, A Time-of-Flight Spectrometer for SuperEBIS, Accelerator Division Altenating Gradient Synchrotron Department, Brookhaven National Laboratory.
Latekhov, V. S., 1987, Laser Phtoionization Spectroscopy, Academiv Press, U.S.D.
Ledingham, K.W.D., 1994, Multiphoton Ionization and Laser Mass Spectrometry. Glasgow, Scotland.
Ledingham, K.W.D., Singhal, R. P., Kiliç, H. S., McCanny, T., Peng, W. X., Kosmidis, C., Langley, A. J., Taday, P. F., 1997, Femtosecond Laser Mass Spectrometry as an Ultra- Sesitive Analytical Technique, Science-lasers for science facility programme.
Lubman, D. M., 1990, Laser and Mass Spectrometry, Oxford University Press, New York, Oxford.
Lunney, J. G., Jordan, R., 1998, Pulsed Laser Ablation of Metals, Applied Surface Science, 127-129, 941-946
Majumder, C., Jayakumar, O.D., Vatsa, R. K., Kushreshtha, S. K., Mittal, J. P., 1999, Multiphoton Đonisation of Acetone at 355 nm: A Time-of-Flight mass spectrometry Study, Chemical Physics Letters, 304, 51-59.
Majumdar, J. D., Manna, I., 2003, Laser Processing of Materials, Sadhana Vol.28, 495-562, India.
Mejia-Ospino, E., Alvarez, I., Cisneros, C., 2004, Opo-Time of Flight System for Multiphoton Ionization and Dissociation Studies, Revista Mexicana de Fisıca, 50 (2), 170-178.
Mannion, P. T., Magee, J., Coyne, E., O’Connor, G. M., Glynn, T. J., 2004, The Effect of Damage Accumulation Behaviour on Ablation Thresholds and Damage Morphology in Ultrafast laser Micro-Machining of Common Metals in Air, Applied Surface Science, 233, 275-287.
Manura, J. M., Dahl, D. A., 2007, SIMION 8.0 User Manual, U.S.A.gs
Milonni, P. W., Eberly, J. H., 1988, Lasers, Wiley-Interscience Publication, New York. Peng, D., He, J., Yu, Q., Chen, L., Hang, W., Huang, B., 2008, Parametric Evoluation of
Laser Ablation and Đonisation Time of Flight Mass Spectrometry With Đon Guide Cooling Cell, Spectrochimica Acta Part B 63, 868-874.
Phipps, C., 2007, Laser Ablation and its Aplications, Springer Sceince+Business media LLC, U.S.A.
Ready, J. F., Farson, D. F., 2001, Handbook of Laser Materials Processing, Laser Institute of America, U.S.A.
- 85 -
Rodrigues, N. A.S., Giăo, M. A. P., Silveira, C. A. B., Riva, R., Schwab, C., 2002, Ablation of Molibdenum and Niobium with a HyBrID Copper Laser, Applied Surface Science, 200, 68-75.
Rohrbacher, A., Continetti, R. E., 2001, Multiple-Ion-Beam Time-of-Flight Mass spectrometer, Review of Scientific Instruments, Volum 72, 8, 3386-3389.
Santagata, A., Teghil, R., De Giacomo, A., Dell’Aglio, M., Parisi, G. P., De Bonis, A., Galasso, A., 2007, Optical Emission Spectroscopy Investigation of an Ultra-Short Laser Induced Titanium Plasma Reheated by a ns Laser Pulse, Applied Surface Science, 253, 7792-7797.
Seshadri, S. D., 1973, Fundamentals of PlasmaPhysics, American Elsevier Publishing Company, New York.
Silfvast, W.T., 2004, Laser Fundamentals, 2. baskı, Cambridge University Press, U.S.A. Steen, W. M., 1991, Laser Material Processing, Springer-Verlag, Germany.
Smith, D. J., Ledingham, K. W. D., Singhal, R. P., Kilic, H. S., McCanny, T., Langley, P. F., Taday, P. F., Kosmidis, C., 1998, Time-of-Flight Mass Spectrometry of Aromatic Molecules Subjected to High Intensity Laser Beams, Rapid Commun. Mass Spectrom, 12, 813-820.
Singhal, R.P., Kiliç, H. S., Ledingham, K. W. D., McCanny, T., Peng, W. X., Smith, D. J., Komidis, C., Langley, A. J., Taday, P.F., 1998, Comment on “On the Ionisation and Dissociation of NO2 by Short Intense Laser Pulses”, Chemical Physics Letters 292, 643-646.
Singhal, R.P., Kilic, H.S., Ledingham, K.W.D., Kosmidis, C., McCanny, T., Langley, A.J. and Shaikh, W., 1996, Multiphoton Ionisation and Dissociation of by 50fs Laser Pulses. Chemical Physics Letter 253 (1996) 81-86
Skoog, D. A., Holler, F. J., Nieman, T. A., 1998, Principles of Instrumental Analysis, 5. edition, Harcourt Brace&Collage Publishing, U.S.A.
Sloviev, A., Sφgaard, E. A., 2006, Application of Electro-Spray Ionisation Mass Spectrometry for Characterization of Titanium Polyoxalkoxides in Sol- Gel Processes, J Matter Sci. 41:6159-6161.
Smith, D. J., Ledingham, W.D., Singhal, R.P., McCanny, T., Graham, P., Kilic, H. S., Tzallas, P., Kosmidis, C., Langley, A. J., Taday, P. F., 1999, The Onset of Coulomb Explossions in Polyatomic Molecules, Rapid Commun. Mass Spectrom. 13, 1366- 1373.
Soloviev, A., Søgaard, E. G., 2006, Application of Electro-Spray Ionization Mass Spectrometry for Characterization of Titanium Polyoxoalkoxides in Sol-Gel Processes, J Mater Sci, 41, 6159-6161.
Steen, W. M., 1991, Laser Material Processing, Springer-Verlag London Limited, Germany. Torrisi, L., Gammino, S., Ando, L., Nassisi, V., Doria, D., Pedone, A., 2003, Comparison of
Nanosecond Laser Ablation at 1064 and 308nm Wavelength, Applied Surface Science 210, 262-273.
Torrisi, L., 2001, Gold Ions Produced by 1064nm Pulsed Laser Irradiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 183, 271-278.
Torrisi, L., Mezzasalma, A. M., Gammino, S., Badziak, J., Parys, P., Wolowski, J., Laska, L., Franco, G., 2006, Ion Implantation Induced by Cu Ablation at High Laser Fluence, Applied Surface 252, 8533-8538.
Torrisi, L., Margarone, D., Borielli, A., Caridi, F., 2008, Ion and Emission From Laser- Generated Titanium- Plasma, Applied Surface Science 254, 4007-4012.
Torrisi, L., 2003, Radiation Effects and Pulsed Laser Deposition of Titanium By Nd:Yag Laser, Radiation Effect&Defects in Solids 158, 811-818.
Watson, J. T., Sparkman, O.D., 2008, Introduction to Mass Spectrometry Instrumentation, Applications and Strategies for Data Interpretation, 4. baskı, John Willey&Sons, Great Britain.
Webb C. E. and Jones J. D. C., 2004, Handbook of Technology and Applications, Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia, U.S.A.
Weber, M. J., 1999, Handbook of Laser Wavelengths, CRC Press Boca Raon, U.S.A.
Wiza, J. L., 1979, Microchannel Plate Detectors, Reprinted from Nuclear Instruments and Methods, Vol.162, 587-601.
Yildirim, M., Sise, O., Dogan, M., Kilic, H. S., 2010, Designing Multi-Field Liear Time-of- Flight Mass Spectrometers with Higher-Order Space Focusing, International Journal of Mass Spectrometry, 291, 1-12.
Zhang, L., Wei, J., Zheng, H., Li, Z., Xia, Z., Gu, X., 2001, Laser Mass Spectrometry For High Sensitive and Multicomponent Analysis of Exhaust Gas from Vehicles, Chinese Science Bullet, vol.46, 86-88.
Zheng, W., Nilles, J. M., Thomas, O. C., Bowen Jr. K. H., 2005, Photoelectron Spectroscopy of Titanium-Benzene Cluster Anions, Chemical Physics Letters, 401, 266-270.
- 87 -
BĐREYSEL VE ÇALIŞMA GRUBU YAYINLARI
Aydin, R., Kaymak, N., Yildirim, M., Ucar, U., Erengil, Z., Sise, O., Dogan, M., Kilic, H.S., 2008, Laser Ionisation of CS2 and Time of Flight Mass Spectroscopic Study, Türk Fizik Derneği 25. Uluslararası Fizik Konferansı (poster)
Erengil, Z., Kaymak, N., Yildirim, M., Sise, O., Dogan, M., Kilic, H.S., 2008, Design, Simulation and Construction of a Multi-Field Linear Time-of-Flight Spectrometer, 4th Conference on Elementary Processes in Atomic Sistems (CEPAS’08), Napoca, Romania, Cluj (poster presentation)
Kaymak, N., Aydin, R., Ucar, U., Erengil, Z., Sise, O., Dogan, M., Kilic, H.S., 2008, Laser Ablation/Ionisation Study on the Copper Plate Using Harmonics of a ns Nd:YAG Pulsed Laser System, Türk Fizik Derneği 25. Uluslararası Fizik Konferansı (poster) Kilic, H.S., Ucar, U., Kaymak, N., Aydin, R., Erengil, Z., Yildirim, M., Sise, O., Dogan, M.,
2008, Establishment and Performans of a Home Madelaser Time of Flight Mass Spectrometry (L-TOF-MS) System, Türk Fizik Derneği 25. Uluslararası Fizik Konferansı (poster)
Turkoglu. Y., Kaymak, N., Yilmaz, T., Durmuş, H., Sise, O., Dogan, M., Kilic, H. S., 2009, Multiple Ionisation of Titanium (Ti) Atom Using A Ns Nd:YAG Pulsed Laser, Türk Fizik Derneği 26. Uluslararası Fizik Konferansı (poster)
Ucar, U., Kaymak, N., Aydin, R., Yildirim, M., Erengil, Z., Sise, O., Dogan, M., Kilic, H.S., 2008, Production Process of N2O, O2 and N2 and Ionisation of N2O Molecule During a Laser Pulse, Türk Fizik Derneği 25. Uluslararası Fizik Konferansı (poster)
ÖZGEÇMĐŞ
1979 yılında Bayburt’ta dünyaya geldi. Đlk ve orta öğrenimini Sinop-Gerze’de, Samsun’da ve Norveç’in Moss şehrinde çeşitli okullarda okuduktan sonra Samsun’da tamamladı. Lise öğrenimini Aydın-Nazilli’de tamamladı. 2000 yılında girdiği Karadeniz Teknik Üniversitesi (Trabzon) Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü’nden 2004 yılında mezun oldu. 2004 yılında girdiği Marmara Üniversitesi Eğitim Bilimleri Enstitüsü Ortaöğretim Alan Öğretmenliği Tezsiz Yüksek Lisans programından 2006 yılında mezun oldu. 2007 yılında Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilimdalı’nda Yüksek Lisans öğrenimine başladı.