LIBS技术在土壤环境质量监测中的应用研究

摘要

本文以发展激光诱导击穿光谱(LIBS)技术为目标。采用Nd：YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发国家标准土壤样品，产生等离子体，由光栅光谱仪和光电检测系统记录样品元素的发射光谱，研究了激光脉冲重复频率变化、平面反射镜装置和磁场约束对等离子体辐射特性的影响，得到了一系列优化条件。在此基础上利用LIBS技术对土壤中重金属元素进行了定量分析。主要内容及创新点包括以下几方面：
　　1.激光脉冲重复频率对等离子体辐射的影响
　　在探究CsCl添加剂(0%~25%)对激光诱导等离子体影响的基础上，研究了激光脉冲重复频率(5Hz、10Hz和15Hz)对等离子体辐射特性的影响。实验发现，在相同的激光输出能量条件下，当采用15Hz的激光脉冲重复频率时，元素Al、Ba、Fe和Ti的谱线强度要比5Hz时的分别提高50.94%、112.7%、107.46%和99.38%，光谱信噪比分别提高15.16%、24.08%、40.26%和72.06%。结果表明，本实验条件下选择较高的激光脉冲重复频率能够增强激光诱导等离子体辐射强度，提高LIBS检测能力。
　　2.平面反射镜装置对激光诱导土壤等离子体辐射的增强效应
　　研究了平面反射镜装置对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明，相同激光输出能量条件下，在等离子体周围放置由三块平面反射镜组成的装置以后，土壤样品中元素Mg、Fe、Ba、Ti和Al的谱线强度比常态下的分别增大了116.2%、96.43%、90.93%、102.1%和98.57%，信噪比分别提高39.17%、32.48%、38.07%、39.95%和21.30%。通过测量激光等离子体参数，解释了平面反射镜装置对等离子体辐射增强的机理。
　　3.磁约束对等离子体辐射特性的影响
　　研究了磁场作用下的激光诱导等离子体辐射特性。实验结果表明，在相同激光输出能量条件下，随着磁场强度的增大，等离子体的辐射强度逐渐增强。计算可知，当采用的磁场强度为0.5T时，样品元素Al、Fe、Ba和Ti的光谱线强度比无磁场作用时的分别增强了52.35%、46.64%、64.01%和51.73%，光谱信噪比分别提高了45.44%、69.64%、40.26%和41.33%；而等离子体的电子温度和电子密度分别提高了1355.01K和0.53×1016cm-3。可见，利用磁场约束等离子体的技术是提高激光光谱质量的一种有效方法。
　　4.利用LIBS技术对土壤进行定量分析
　　采用LIBS技术定量分析了国家标准土壤样品（GBW07411）中金属元素Cr和Pb。分别绘制了以Fe原子谱线为内标、分析谱线背景为内标以及没有内标各情况下的元素定标曲线，并确定了方法的精密度和检出限。结果表明，三种情况下分析元素Cr的相对标准偏差(RSD)分别为5.85%、26.48%和33.10%，元素Pb的分别为5.42%、22.78%和38.66%，证明采用内标法可以明显提高测量精度。用Fe谱线为内标时得到的元素Cr和Pb的相对检出限分别为3.50×10-3%和57.90×10-3%，满足微量元素分析要求。在加入平面反射镜装置的优化条件下，检测了土壤中的Cr和Pb元素，并与不加平面反射镜装置情况下的准确度和精密度做对比，验证了用平面反射镜装置提高LIBS技术水平的可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 LIBS技术的特点与研究现状

1.3 研究意义和工作内容

第2章 LIBS技术的原理

2.1 激光诱导等离子体光谱的物理过程

2.2 LIBS技术基本原理

第3章 激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响

3.1 实验部分

3.2 激光脉冲重复频率对LIBS信号强度的影响

3.3 激光脉冲重复频率对LIBS信噪比的影响

3.4 等离子体参数测量

3.5 本章小结

第4章 平面反射镜装置对激光诱导等离子体辐射的增强效应

4.1 实验部分

4.2 反射镜装置对LIBS信号的影响

4.3 激光诱导等离子体的形貌比较

4.4 等离子体参数测量

4.5 局部热力学平衡分析

4.6 本章小结

第5章 磁约束技术对激光诱导等离子体辐射特性的影响

5.1 实验部分

5.2 磁场约束技术对LIBS信号的影响

5.3 磁场约束技术对LIBS谱线轮廓的影响

5.5 局部热力学平衡分析

5.6 本章小结

第6章 LIBS技术测定土壤中元素Cr和Pb

6.1 实验装置与样品制备

6.2 选定最佳内标

6.3 平面反射镜装置对LIBS定量分析的影响

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文