空气环境下激光诱导金属靶等离子体物理参数测量

摘要

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术现已广泛应用于各个领域,这项技术在化学定量分析上有着很大的优势,可以多元素同时检测、检测速度快、几乎无损伤样品。然而定量分析的前提是等离子体处于局部热平衡状态,等离子体两个重要参数就是电子密度和温度,对等离子体物理参数的测量是十分必要的。因此本文针对激光诱导击穿金属靶材等离子体物理参数进行了计算,并研究了对等离子体电子密度的影响因素,以期为LIBS定量分析提供保障。
　　论文首先介绍了研究背景和意义,然后从LIBS物理机制、谱线展宽及研究现状、参数测量原理及研究现状、仪器原理等方面介绍了本论文的理论依据与实验方法。本文作者的主要工作包括:1)研究了不同激光脉冲能量下铝靶LIBS探测时等离子体电子密度所受空气背景的影响。2)测量了仪器展宽数值,并评估了仪器展宽对等离子体电子密度测量的影响。
　　利用搭建的LIBS光路,研究了空气背景对激光诱导击穿铝靶等离子体电子密度测量的影响。实验数据表明激光诱导击穿铝靶等离子体原子线谱线宽度及等离子体电子密度在10mJ时数值最大,15mJ次之,20mJ最小,且都随延时表现出下降的趋势。对于空气背景所产生的H?线,谱线宽度和等离子体电子密度在20mJ时数值最大,15mJ次之,10mJ最小,且都随延时表现出下降的趋势。在三个能量下,激光诱导击穿铝靶等离子体温度也是10mJ最大,15mJ次之,20mJ最小。结果表明在激光能量为20mJ时,激光能量耦合进靶材的效率低,空气电离度较高,在20mJ激光能量下等离子体屏蔽效应最明显。而在相对小些的能量15mJ和10mJ时,空气吸收的激光能量要小于20mJ下空气所吸收的激光脉冲能量,空气电离度减弱,等离子体屏蔽效应减弱。
　　另外一个对等离子体电子密度测量的影响因素就是仪器展宽,论文的第二部分就是评估了仪器展宽对等离子体电子密度测量的影响。为了得到仪器展宽数值,本文利用海洋光学公司生产的HG-1型标准汞氩灯测量了中阶梯光栅光谱仪的仪器展宽数值,绘制了仪器展宽随波长变化的演化趋势,得到仪器展宽的数值范围大概是0.08nm-0.19nm。由于大多数金属靶材等离子体发射谱线宽度相比较仪器展宽数值都较窄,因此一定程度上受仪器展宽影响较大,需要考虑仪器展宽影响。对于谱线宽度较大的H?线,仪器展宽对其影响是很小的,相对误差基本在10％以内,我们几乎可以忽略不计。研究结果表明等离子体发射谱线宽度是所对应仪器展宽4倍及以上时,仪器展宽对原始谱线宽度作用较小,几乎可以忽略。同样对于等离子体电子密度的测量,采用金属靶材等离子体发射谱线计算等离子体电子密度需要考虑仪器展宽影响。而采用H?线计算电子密度,其相对误差基本在10%以内,受仪器展宽影响可以忽略。研究发现如果选择的等离子体发射谱线的宽度大于仪器展宽数值4倍以上,那么采用该谱线计算的电子密度数值受仪器展宽作用很小,可以忽略仪器展宽的影响。
　　在总结所做工作的基础上,论文展望采用Saha-Boltzmann plot计算等离子体温度,测量其它光谱仪的仪器展宽数值以及研究激光诱导击穿金属靶材的空间分辨光谱特性。

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目录

第一章 引言

1.1 研究背景和意义

1.2 本论文的主要工作及安排

第二章 激光诱导等离子体特性及研究现状

2.1激光诱导等离子体演化特性

2.2激光诱导等离子体的局部热平衡

2.3 谱线展宽及研究现状

2.4 等离子体物理参数测量方法及研究现状

第三章 实验系统与实验样品

3.1 LIBS光谱探测实验系统

3.2 LIBS谱线仪器展宽测量实验系统

3.3 实验样品

第四章 空气背景对等离子体物理特性的影响

4.1空气背景中不同激光能量下铝靶LIBS探测

4.2空气背景中不同激光能量下铝靶等离子体谱线宽度分析

4.3 空气背景对铝靶LIBS探测的影响

4.4 不同激光能量下空气背景对铝靶等离子体物理特性影响

4.5 本章小结

第五章 仪器展宽对等离子体电子密度测量的影响

5.1 仪器展宽的影响因素

5.2 仪器展宽与等离子体发射谱线展宽的问题研究

5.3 考虑仪器展宽后的等离子体电子密度的计算

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

所获奖励

学术论文情况

攻读硕士学位期间参加的工作