空气和水中激光诱导金属镍靶等离子体辐射特性研究

摘要

实时原位观测是海洋探测中的理想探测方式,发展水下原位化学成分传感器成为海洋探测仪器研发的主流方向之一。基于激光光谱的分析技术具有可对固体、液体、气体目标的原位、实时、连续、无接触、多物质同时探测的诸多优点,随着世界海洋调查的需要,发挥着越来越重要作用,并出现了应用于海洋探测的成功实例。激光诱导击穿光谱技术(LIBS-Laser Induced Breakdown Spectroscopy)作为一种可原位、实时、多元素同时无损检测技术,常用于普通及异常环境下化学成分检测。目前,LIBS技术已被广泛用于冶金、采矿、环境分析及恶劣环境远程分析等多领域。然而,在液体环境中,等离子体在液体内部产生,信号特别微弱且持续时间短,光谱探测难度增加,将LIBS技术应用到水下环境尚处在实验室研究阶段。本论文作为LIBS水下原位探测技术的实验室研究工作,针对LIBS技术中的自吸收现象及脉冲对LIBS影响两大关键问题进行实验探索,以期为水下原位LIBS探测方法的建立提供有价值的参考数据。
　　 论文首先介绍了选题的背景和意义,然后阐述了LIBS的基本原理、研究现状、发展趋势及与其它原子探测技术的比较,根据研究目的合理选择了实验仪器并介绍了所用仪器的基本原理、性能参数等。本论文的主要工作包括:(1)分析了连续谱及镍特征谱线的时间演化特性,对出现的自吸收现象给出了解释;(2)采取单脉冲、双脉冲、宽脉冲三种形态激光脉冲对水下激光诱导击穿光谱特性进行了分析;(3)论文还研究了海水中富含的金属元素Na+、K+对LIBS信号的影响。
　　 对空气中镍等离子体辐射光谱研究表明,在等离子体辐射初期,连续谱具有较高的强度,原子的特征辐射不明显,但会在原子特征辐射谱线处出现对连续谱吸收或自吸收现象,对于某些谱线出现的自吸收现象会伴随等离子体特征辐射寿命始终。对具有共同上下能级组态的四条原子线Ni I341.476、351.034、351.505及352.454nm,通过对其自吸收持续时间差异及能量对自吸收的影响,结合谱线跃迁对应的能级参数,发现谱线Ni I351.034 nm没有表现出自吸收现象,其下能级为电子组态为3d9(2D)4s的各能级中能量最高的3D1态。对于其它三条谱线,在等离子体辐射初期自吸收较为严重,随着等离子体的演化,自吸收减弱。不同谱线的自吸收持续时间不同,其中谱线Ni I352.454 nm自吸收最为严重,且当门延时为1,100 ns时仍存在明显自吸收现象,而Ni I341.476/351.505 nm的自吸收持续时间分别为900 ns和500ns。自吸收现象随着激光脉冲能量的增加而减弱。结果表明通过选择合适的谱线、激光脉冲能量和较长的探测门延时可以有效避免自吸收现象对LIBS测量的影响。
　　 采用单脉冲及双脉冲两种激发方式对水下环境激光诱导等离子体光谱进行了研究。采用持续时间较短的单脉冲激发等离子体时,没有观测到镍元素特征谱线,当使用激光脉冲持续时间约大于50 ns时,观测到镍特征谱线波长位置出现吸收谱。使用双脉冲激发等离子体时,谱线强度得到明显改善,双脉冲LIBS在水下原位探测时具有最佳的性能。对处于波长范围330-390 nm范围内的镍特征谱线进行了观测,部分谱线出现严重的自吸收现象,并结合谱线跃迁对应能级参数给出了合理的解释。此外,本位还对水中离子对LIBS信号的影响进行了探测分析,采用了不同浓度的Na+、K+溶液及海水,结果表明离子的存在使信号强度、信背比均得到增强。LIBS技术在水下原位分析领域具有巨大潜在的应用价值。
　　 在总结所做工作基础上,论文最后对将LIBS用于水下金属元素原位分析的可行性进行了探讨,对今后的工作开展进行了展望,并浅谈了进一步的努力方向。