液相基质中重金属元素的激光诱导击穿光谱研究

摘要

随着我国工业化进程的不断向前推进，严重的环境污染问题愈发显现，人们的健康和安全受到威胁。其中最严重的当属工业废水的排放造成废水中的重金属对土壤和水体的污染，而对废水中重金属元素的种类和含量实行有效而准确的检测是控制污染的必要前提。因此，我们迫切的需要一种可以满足检测要求的重金属种类和含量的检测技术。诸多传统的检测方法虽具有检测精度较高、检出限较低等优点，但却大都需要对样品进行较复杂的预处理，难以满足对液体中微量重金属元素的快速、多元素、在线定量分析的要求。
　　激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy简称LIBS）是利用高功率密度脉冲激光照射并烧蚀样品使其产生激光等离子体，然后通过对激光等离子体中的离子、原子发射谱线进行测定达到对样品进行分析的检测技术。该技术得益于其灵敏度高、分辨率高且无需对样品进行预处理等优点，并被广泛运用于固相基质中微量元素的检测和分析中，但是其探测灵敏度和精度现阶段难以达到液相基质中微量元素的定量检测要求，因此提高LIBS技术的检测灵敏度和可重复性成为需要解决的关键问题，而想要解决这个问题，首先要对激光诱导等离子体的相关动力学特性进行研究。
　　针对上述问题，本工作利用已有的液相射流激光诱导击穿光谱测定系统，使用纳秒单脉冲激光烧蚀含有Cr、Cd、Fe、Mn、Pb、Cu等六种金属元素的混合溶液射流，产生了激光等离子体，测定了液相基质中这些重金属元素的激光诱导击穿光谱。在最优化实验参数下，通过测定激光等离子体中Cu324.74nm光谱线的峰值强度，研究了谱线强度和信噪比随ICCD门延时、ICCD门宽、样品流速、激光脉冲能量等实验参数的演化特性，在综合考虑谱线强度和信噪比的基础上，得到最优化的实验参数为ICCD门延时2000ns、门宽1400ns、脉冲激光能量30mJ、样品流速40ml·min-1、聚焦透镜相对射流表面的距离为247mm。在最优化实验参数下测定了延时在500ns到2500ns和样品流速在35ml·min-1至55ml·min-1范围内变化时Mn和Cr元素的部分光谱线的积分强度，由此计算得到激光等离子体的电子温度和电子密度随实验参数的演化特性，同时计算得到Mn元素第一电离态和基态、Mn元素第一电离态和Cr元素基态的粒子浓度比值，最后通过比较Mn和Cr元素的谱线强度的实验测定值和理论计算值，对激光等离子体的局部热平衡和自吸收不存在条件进行了验证。
　　本论文内容包含以下几个部分。
　　第一章讨论了激光诱导等离子特性的研究背景、意义和LIBS技术的有关应用和发展。
　　第二章主要阐述了激光诱导等离子体的基本原理、特性和LIBS技术的有关原理。
　　第三章详细介绍本工作的实验装置和主要研究内容。
　　第四章、第五章、第六章和第七章分别研究了激光等离子体发射光谱强度、电子温度、电子密度随实验参数的演化特性、Mn元素第一电离态和基态、Mn元素第一电离态和Cr元素基态的粒子浓度比值， 最后通过比较Mn和Cr元素的谱线强度比的实验测定值和理论计算值，验证了本实验条件下产生的激光等离子体处于局部热平衡和不存在自吸收。

目录

声明

第一章 绪论

1.研究背景与意义

2.本论文的主要内容

第二章 激光诱导击穿光谱技术的原理

2.1激光等离子体的形成

2.2激光等离子体的性质和特征

2.3激光等离子体的局部热平衡（LTE）假设

2.4激光等离子体电子温度的测定

2.5激光等离子体电子密度的测定

2.6等离子体相邻电离级次粒子密度比值的计算

第三章 激光诱导击穿光谱实验装置和实验方案

3.1 实验装置

3.2 实验样品的配制

3.3 实验方案

第四章 激光诱导等离子体发射光谱演化特性研究

4.1元素谱线的归属

4.2 发射光谱的时间演化特性

4.3 ICCD 门宽对发射光谱特性的影响

4.4 脉冲激光能量对发射光谱特性的影响

4.5 样品流速对发射光谱特性的影响

4.6 LOD对发射光谱特性的影响

第五章 激光诱导等离子体电子温度特性的研究

5.1等离子体电子温度特性研究

第六章 激光等离子体的电子密度特性研究

6.1电子密度的时间演化特性

6.2样品流速对电子密度的影响

第七章 激光等离子体中元素浓度比值的测定

7.1 Mn元素第一电离态和基态粒子密度比值的演化特性

7.2 Cr元素基态和Mn元素一价离子的粒子密度比值

第八章 激光等离子体局部热平衡条件的判定

工作展望与小结

论文工作小结

工作展望

参考文献

攻读硕士期间所做的工作

致谢