长脉宽激光诱导击穿Pb/Cr光谱特性研究

摘要

激光诱导击穿光谱技术作为新兴的光谱检测技术，具有快速、实时及无损分析等优点，同时也存在着测量灵敏度偏低和检出限较高等不足。探索激光诱导等离子体辐射增强机制，提高检测的精密度和灵敏度具有重要的科学意义和应用价值。
　　本文分别采用长脉宽、调Q和毫秒级脉宽激光诱导激发含Cr和Pb元素的自制土壤和含Pb元素的合金样品，通过分析校准曲线、检出限和等离子体特性，研究了激光脉冲宽度、谱线特性及自吸收效应对激光诱导击穿光谱的影响，探究了长脉宽激光对于激光诱导光谱的增强作用。
　　首先，分别采用长脉宽激光器(80μs)和调Q激光器(18μs)作为光源，诱导激发土壤样品产生等离子体光谱，通过内标法测定Cr元素的校准曲线及检出限，并计算出等离子体电子温度及电子密度，对比分析长脉宽激光诱导击穿土壤光谱增强效果及增强机制。研究结果表明，相比于调Q激光条件，长脉宽激光诱导条件下检出限降低19％，电子温度和电子密度分别增长了75%和24%。在长脉宽激光条件下，长脉宽激光后沿对样品等离子体会产生进一步的激发，使得处于激发态的粒子数目增大和电子密度提高，有效改善了LIBS光谱的质量，增强了LIBS对土壤中微量元素的分析能力。同时实验发现，采用毫秒激光诱导击穿土壤样品，Pb和Cr光谱的增强效果与长脉宽激光(80μs)相比相对不明显。
　　第二，采用长脉宽激光(80μs)诱导击穿铅黄铜合金样品产生等离子体光谱，对合金中Pb元素通过内标法绘制校准曲线，并计算检出限、等离子体电子温度及电子密度。与调Q激光条件相比，Pb元素检出限减低了66%，电子温度增加了72%，对于不同样品电子密度分别增加了32-120%。实验结果表明，应用长脉宽激光诱导击穿合金样品得到较好的激发效果，能够改善LIBS对合金样品中微量元素的分析能力。
　　最后，通过从谱线的跃迁能级、角动量及跃迁几率等微观特性角度对土壤样品中重金属元素不同谱线的谱线特性及合金样品谱线的自吸收效应进行了分析。研究发现，土壤中重金属元素谱线的信背比与谱线对应的跃迁几率无关，原子组态相同谱线的信背比随含量变化趋势相同，且角动量较大的谱线得到的检出限相对较低。合金中铜谱线自吸收随时间增加逐渐减弱；在一定范围内，自吸收程度随能量增加而增加，对于原子组态相同的谱线，角动量相对较大的谱线自吸收程度相对明显，且持续时间较长。分析结果表明，在排除自吸收效应影响的情况下，选用角动量较大谱线作为分析谱线，有利于提高激光诱导击穿光谱分析的灵敏度。

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第1章 绪论

1.1 激光诱导击穿光谱检测技术

1.2 LIBS增强方法研究现状及存在问题

1.3论文主要工作

第2章 激光诱导击穿光谱原理及实验介绍

2.1激光诱导击穿光谱谱线的产生

2.2定量分析

2.3激光诱导击穿等离子体基本原理

2.4 激光诱导击穿等离子体电子温度

2.5 激光诱导击穿等离子体电子密度

2.6 实验设备及样品配制

第3章 激光诱导击穿自制土壤样品光谱特性

3.1长脉宽(80 μs)激光诱导击穿自制土壤样品光谱特性

3.2毫秒激光诱导击穿自制土壤光谱特性

3.3不同特性谱线对激光诱导击穿光谱影响

3.4本章小结

第4章 激光诱导击穿合金样品光谱特性

4.1长脉宽(80 μs)激光诱导击穿HPb59铅黄铜合金样品光谱特性

4.2 激光诱导击穿Cu合金样品谱线自吸收特性

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢