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对与激光诱导击穿光谱 (LIBS) 测量相关的烧蚀坑进行表征

摩擦学, 案例研究, 考古学与古生物学
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PACEA 实验室是法国国家科学研究中心(CNRS)、波尔多大学和法国文化部旗下研究单位。我们的研究课题主要集中在欧洲和非洲的旧石器时代文化及其环境生物人类学、丧葬习俗和岩石艺术等方面。

共聚焦技术已被证明是一种行之有效的技术,适用于研究和表征不同 LIBS 仪器产生的烧蚀坑的大小、直径和深度

此研究具有双重目的:1) 对与壁画样品(图 1)上的激光诱导击穿光谱 (LIBS) 测量相关的烧蚀坑进行表征;以及 2) 比较与便携式仪器(EasyLIBS)及实验室仪器相关联的 2 分欧元硬币(图 2)上的烧蚀坑。

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<em>图 1</em>.分析壁画样品
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<em>图 2</em>.硬币概述:a) 放大使用便携式仪器分析的区域;b) 放大使用实验室仪器分析的区域

我们对与 LIBS 测量相关的烧蚀坑尺寸和深度进行了研究。在共聚焦模式下使用 3D 光学轮廓仪 S neox 分析烧蚀坑。为进行此研究,我们通过 1、3、8、10、15 和 20 次激光发射,形成了六个烧蚀坑(图 3)。初步定性观察表明,烧蚀坑伴有深色光晕,表明该物质受到撞击时会急剧升温。这被称为热影响区 (HAZ),在激光烧蚀中是一种已被大家熟知的现象。

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<em>图 3</em>.覆盖红色颜料的黄色装饰层上的分析点位置

在所有形成的烧蚀坑中,烧蚀坑的平均尺寸约为 800 µm x 400 µm。经 20 次激光发射形成的烧蚀坑需要更被进一步深入研究(图 4)。实际上,在烧蚀坑内观察到了一个中空区域,尺寸约为 160 µm x 100 µm。每个烧蚀坑中都观察到了相同的结果。

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<em>图 4</em>.由 20 次激光发射形成的烧蚀坑;a) 由 20 次激光发射形成的烧蚀坑的 3D 视图; b)烧蚀坑尺寸(单位:µm),以及在烧蚀坑中观察到中空区域(以蓝色显示)

每个烧蚀坑的剖面图表明,烧蚀坑的深度会随着激光发射次数的增加而加深(图 5)。在经过 20 次激光发射后,样本在最深的区域被挖空约 100 µm。

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<em>图 5</em>.烧蚀坑深度(单位:µm);a) 和 b)顶视图形貌,c) 剖面图

在使用 EasyLIBS 仪器的情况下,可以观察到一个宽而均匀的环,并且这个环会将形成的烧蚀坑划界(图 6)。总体而言,烧蚀坑非常平坦且浅:并会形成熔融物,该熔融物会一直留在烧蚀坑中,不会被排出。

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<em>图 6</em>. A) 使用便携式仪器经过 150 次激光发射后产生的烧蚀坑的 3D 视图;b) 使用便携式仪器经过 500 次激光发射后产生的烧蚀坑的 3D 视图

对于使用实验室仪器进行的测量,在烧蚀坑周围可见物质喷出(图 7)。此外,使用实验室仪器形成的烧蚀坑都会有因物质积聚而形成的“坑沿”。这些坑沿相对于硬币表面的高度在 4 µm 至 20 µm 之间,具体取决于发射的激光次数。

cs12 PACEA - LIBS 7
<em>图 7</em>.用实验室仪器经过 20 次激光发射后产生的烧蚀坑,可以看到物质喷射。a) 用共聚焦显微镜 S neox 拍摄到图像;b) 烧蚀坑的 3D 视图

表 1 显示了使用 EasyLIBS 和实验室仪器在进行了不同次数的激光发射后产生的烧蚀坑深度对比。此外,图 8图 9 分别显示了两种 LIBS 仪器在经 50 次和 500 次激光发射后产生的烧蚀坑的 2D 图片。

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<em>表 1</em>.便携式仪器 (EasyLIBS) 和实验室仪器在不同次数的激光发射后产生的烧蚀坑深度对比
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<em>图 8</em>. a) 使用便携式仪器 (EasyLIBS) 经过 50 次激光发射后产生的烧蚀坑;b) 使用实验室仪器经过 50 次激光发射后产生的烧蚀坑
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<em>图 9</em>.烧蚀坑的形状和大小 a) 使用便携式仪器 (EasyLIBS) 经过 500 次激光发射后产生的烧蚀坑;b) 使用实验室仪器经过 500 次激光发射后产生的烧蚀坑

3D 光学轮廓仪 S neox 已被证明是一种精确、快速且易于使用的工具,可用于研究与激光诱导击穿光谱法测量相关的烧蚀坑。3D 光学轮廓仪可以进行定性和定量分析,特别是,共聚焦技术已被证明是一种行之有效的技术,适用于研究和表征不同 LIBS 仪器产生的烧蚀坑的大小、直径和深度

这对考古学家和策展人具有重要意义,因为他们需要在对文物进行具有微破坏性的评估之前便评估其收益/风险。

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