Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) enables rapid elemental analysis and plasma diagnostics but suffers from limited quantitative accuracy due to the strong spatiotemporal nonuniformity of the laser-induced plasma and stochastic fluctuations in ionization-recombination kinetics. In this work...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Publishing house "Academperiodika"
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023923 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Ukrainian Journal of Physics |
Institution
Ukrainian Journal of Physics| _version_ | 1863131543810080768 |
|---|---|
| author | Gomidze, N. Jakobia, D. Khajidhvili, M. Kalandadze, L. Jabnidze, I. Makharadze, K. Nakashidze, O. Shainidze, J. |
| author_facet | Gomidze, N. Jakobia, D. Khajidhvili, M. Kalandadze, L. Jabnidze, I. Makharadze, K. Nakashidze, O. Shainidze, J. |
| author_sort | Gomidze, N. |
| baseUrl_str | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-02-18T14:26:41Z |
| description | Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) enables rapid elemental analysis and plasma diagnostics but suffers from limited quantitative accuracy due to the strong spatiotemporal nonuniformity of the laser-induced plasma and stochastic fluctuations in ionization-recombination kinetics. In this work, we develop and experimentally validate a deterministic–stochastic framework that couples classical rate equations with stochastic differential terms to capture shot-toshot plasma variability. The model, implemented through a first-order Runge–Kutta (RK1) scheme augmented by the Euler–Maruyama method, is quantitatively related to standard LIBS diagnostics: Stark broadening for electron density (ne), the LTE Saha equation for ionization balance, and Boltzmann plots for excitation temperature (Texc). Single-shot LIBS experiments using a 1064 nm, 7 ns Nd : YAG laser were performed on six metals (Al, Cu, brass, Pb, stainless steel, and Ti) under identical conditions. The measured spectra showed high reproducibility (intensity scatter <7%), and the extracted plasma parameters revealed consistent materialdependent trends: Al and stainless steel exhibited the highest ne (up to (7–9) × 1018 cm−3), whereas Cu and brass showed lower values (∼(2–3) × 1018 cm−3). Electron temperatures derived from the Saha equation reached 12–13 kK for high-ionization materials and <11 kK for low-ionization ones. The introduction of a stochastic fluctuation term (σ ≈ 0.05) reproduced the observed intensity scatter and improved agreement between modeled and experimental spectra. The proposed framework enhances LIBS diagnostic accuracy under transient, nonequilibrium conditions and provides a compact laboratory analogue for studying fluctuationdriven plasma dynamics relevant to high-energy-density physics, laser–plasma interactions, and fusion environments. This unified deterministic–stochastic treatment bridges applied laser spectroscopy with the broader physics of non-LTE plasmas. |
| doi_str_mv | 10.15407/ujpe71.2.173 |
| first_indexed | 2026-04-22T01:18:21Z |
| format | Article |
| id | ujp2-article-2023923 |
| institution | Ukrainian Journal of Physics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-04-22T01:18:21Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Publishing house "Academperiodika" |
| record_format | ojs |
| spelling | ujp2-article-20239232026-02-18T14:26:41Z Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Plasmas as a Testbed for Non-Equilibrium Plasma Modeling in High-Energy Physics Applications Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій Gomidze, N. Jakobia, D. Khajidhvili, M. Kalandadze, L. Jabnidze, I. Makharadze, K. Nakashidze, O. Shainidze, J. laser-induced plasma (LIP) Saha equation Boltzmann plot stochastic modeling high-energy density physics non-LTE plasma лазерно-iндукована плазма (LIP) рiвняння Саха графiк Больцмана стохастичне моделювання фiзика високих густин енергiї нерiвноважна плазма Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) enables rapid elemental analysis and plasma diagnostics but suffers from limited quantitative accuracy due to the strong spatiotemporal nonuniformity of the laser-induced plasma and stochastic fluctuations in ionization-recombination kinetics. In this work, we develop and experimentally validate a deterministic–stochastic framework that couples classical rate equations with stochastic differential terms to capture shot-toshot plasma variability. The model, implemented through a first-order Runge–Kutta (RK1) scheme augmented by the Euler–Maruyama method, is quantitatively related to standard LIBS diagnostics: Stark broadening for electron density (ne), the LTE Saha equation for ionization balance, and Boltzmann plots for excitation temperature (Texc). Single-shot LIBS experiments using a 1064 nm, 7 ns Nd : YAG laser were performed on six metals (Al, Cu, brass, Pb, stainless steel, and Ti) under identical conditions. The measured spectra showed high reproducibility (intensity scatter <7%), and the extracted plasma parameters revealed consistent materialdependent trends: Al and stainless steel exhibited the highest ne (up to (7–9) × 1018 cm−3), whereas Cu and brass showed lower values (∼(2–3) × 1018 cm−3). Electron temperatures derived from the Saha equation reached 12–13 kK for high-ionization materials and <11 kK for low-ionization ones. The introduction of a stochastic fluctuation term (σ ≈ 0.05) reproduced the observed intensity scatter and improved agreement between modeled and experimental spectra. The proposed framework enhances LIBS diagnostic accuracy under transient, nonequilibrium conditions and provides a compact laboratory analogue for studying fluctuationdriven plasma dynamics relevant to high-energy-density physics, laser–plasma interactions, and fusion environments. This unified deterministic–stochastic treatment bridges applied laser spectroscopy with the broader physics of non-LTE plasmas. Лазерно-iндукована пробiйна спектроскопiя (LIBS) дає можливiсть проводити швидкий елементний аналiз та дiагностику плазми, але має обмежену кiлькiсну точнiсть через сильну просторово-часову неоднорiднiсть лазерно-iндукованої плазми та стохастичнi флуктуацiї в кiнетицi iонiзацiї-рекомбiнацiї. У цiй роботi ми розробляємо та експериментально перевiряємо детермiнiстично-стохастичний пiдхiд, який поєднує класичнi диференцiйнi рiвняння зi стохастичними членами для врахування мiнливостi плазми вiд одного пострiлу лазера до iншого. Модель, реалiзована за допомогою схеми Рунґе–Кутти першого порядку (RK1), доповненої методом Ейлера–Маруями, кiлькiсно пов’язана зi стандартною LIBS дiагностикою: розширенням Штарка для визначення електронної густини (ne), рiвнянням Саха в наближеннi iонiзацiйної рiвноваги та графiками Больцма-на для визначення температури збудження (Texc). Одноiмпульснi експерименти LIBS з використанням неодимово-го (Nd : YAG) лазера з довжиною хвилi 1064 нм i тривалiстю iмпульсу випромiнювання 7 нс були проведенi на шести металах (Al, Cu, латунь, Pb, неiржавна сталь та Ti) за iдентичних умов. Вимiрянi спектри показали високу вiдтво-рюванiсть (розкид iнтенсивностi <7%), а отриманi параметри плазми виявили стiйкi тенденцiї, залежнi вiд матерiалу: Al та неiржавна сталь демонстрували найвищi значення ne (до (7–9) · 1018 см−3), тодi як Cu та латунь показали нижчi значення (∼(2–3) · 1018 см−3). Електроннi температури, отриманi на основi рiвняння Саха, досягали 12–13 кК для матерiалiв з високою iонiзацiєю та <11 кК для матерiалiв з низькою iонiзацiєю. Введення стохастичного флуктуацiйного члена (σ ≈ 0,05) вiдтворило спостережуваний розкид iнтенсивностi та покращило узгодженiсть мiж змодельованими та експериментальними спектрами. Запропонований пiдхiд пiдвищує точнiсть дiагностики LIBS у перехiдних нерiвноважних умовах i є компактним лабораторним аналогом для вивчення динамiки плазми, зумовленої флуктуацiями, що є актуальним для фiзики високих густин енергiї, лазерно-плазмової взаємодiї та середовищ термоядерного синтезу. Цей унiфiкований детермiнiстично-стохастичний пiдхiд поєднує прикладну лазерну спектроскопiю з ширшою фiзикою нерiвноважної плазми. Publishing house "Academperiodika" 2026-02-18 Article Article Original Research Article (peer-reviewed) Оригінальна дослідницька стаття (з незалежним рецензуванням) application/pdf https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023923 10.15407/ujpe71.2.173 Ukrainian Journal of Physics; Vol. 71 No. 2 (2026); 173 Український фізичний журнал; Том 71 № 2 (2026); 173 2071-0194 2071-0186 10.15407/ujpe71.2 en https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023923/3449 Copyright (c) 2026 Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, National Academy of Sciences of Ukraine |
| spellingShingle | лазерно-iндукована плазма (LIP) рiвняння Саха графiк Больцмана стохастичне моделювання фiзика високих густин енергiї нерiвноважна плазма Gomidze, N. Jakobia, D. Khajidhvili, M. Kalandadze, L. Jabnidze, I. Makharadze, K. Nakashidze, O. Shainidze, J. Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| title | Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| title_alt | Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Plasmas as a Testbed for Non-Equilibrium Plasma Modeling in High-Energy Physics Applications |
| title_full | Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| title_fullStr | Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| title_full_unstemmed | Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| title_short | Спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| title_sort | спектроскопія плазми лазерно-індукованого пробою як метод для випробовування і моделювання нерівноважної плазми у фізиці високих енергій |
| topic | лазерно-iндукована плазма (LIP) рiвняння Саха графiк Больцмана стохастичне моделювання фiзика високих густин енергiї нерiвноважна плазма |
| topic_facet | laser-induced plasma (LIP) Saha equation Boltzmann plot stochastic modeling high-energy density physics non-LTE plasma лазерно-iндукована плазма (LIP) рiвняння Саха графiк Больцмана стохастичне моделювання фiзика високих густин енергiї нерiвноважна плазма |
| url | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023923 |
| work_keys_str_mv | AT gomidzen laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT jakobiad laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT khajidhvilim laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT kalandadzel laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT jabnidzei laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT makharadzek laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT nakashidzeo laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT shainidzej laserinducedbreakdownspectroscopyplasmasasatestbedfornonequilibriumplasmamodelinginhighenergyphysicsapplications AT gomidzen spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT jakobiad spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT khajidhvilim spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT kalandadzel spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT jabnidzei spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT makharadzek spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT nakashidzeo spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj AT shainidzej spektroskopíâplazmilazernoíndukovanogoproboûâkmetoddlâviprobovuvannâímodelûvannânerívnovažnoíplazmiufízicívisokihenergíj |