水下金屬元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜特性研究.pdf

1、現(xiàn)有海水中金屬含量的分析方法主要有原子吸收分光光度法、電感耦合等離子光譜法及一些傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法。雖然測(cè)量精度很高，但都需要對(duì)海水進(jìn)行采樣，并對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)先的處理，分析時(shí)間較長(zhǎng)，不具備快速、實(shí)時(shí)、在線分析的能力，難以滿足海洋原位探測(cè)的需要。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)作為一種原位、實(shí)時(shí)、連續(xù)、無(wú)接觸檢測(cè)技術(shù)，常用于一些異常環(huán)境下的化學(xué)成分檢測(cè)，其檢測(cè)對(duì)象主要是金屬元素。目前，LIBS技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于礦業(yè)、冶金業(yè)、環(huán)境分析等多個(gè)

2、領(lǐng)域。然而在液體環(huán)境中，受液體壓力、吸收等因素的影響，光譜探測(cè)難度增加，使得LIBS技術(shù)應(yīng)用到水下探測(cè)面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此，作為L(zhǎng)IBS海洋原位探測(cè)技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)室預(yù)演，本課題瞄準(zhǔn)LIBS技術(shù)在水下應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，以期為基于LIBS的海洋原位探測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)的開發(fā)提供有價(jià)值的技術(shù)參數(shù)與方案。 論文首先介紹了選題的背景和意義，然后從LIBS技術(shù)的基礎(chǔ)原理、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)、儀器等方面介紹了本論文的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法。作

3、者的主要工作包括：①搭建氣-液界面LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)氣-液界面激光誘導(dǎo)等離子的光譜特性進(jìn)行了分析；②搭建水下LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)水下激光誘導(dǎo)等離子的光譜特性進(jìn)行了分析；③搭建LIBS&Raman光譜聯(lián)合探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)將兩種光譜技術(shù)結(jié)合的可行性進(jìn)行了探討。 運(yùn)用氣-液界面LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)豎直流動(dòng)的CuSO4和Pb(NO3)2水溶液樣品表面的LIBS光譜特性進(jìn)行了觀測(cè)分析。通過對(duì)Cu元素的LIBS信號(hào)隨時(shí)間及能量演化的研究，確定

4、了該系統(tǒng)脈沖激光在氣-液界面的擊穿閾值約為10mJ，誘導(dǎo)的等離子體壽命約為1400ns；檢測(cè)Cu元素時(shí)的最佳延時(shí)為700ns，最佳脈沖能量為40mJ。在進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的其它工作參數(shù)后，對(duì)信號(hào)隨濃度的演化進(jìn)行了探測(cè)，初步確立了系統(tǒng)對(duì)Cu元素的檢測(cè)限為31ppm。在對(duì)Cu元素檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)溶液中的Pb元素進(jìn)行了探測(cè)，結(jié)果表明兩者有著幾乎相同的時(shí)間及能量演化趨勢(shì)；為了減少空氣擊穿時(shí)氧信號(hào)對(duì)Pb元素信號(hào)的影響，實(shí)驗(yàn)在探測(cè)Pb元素時(shí)，將擊穿點(diǎn)從

5、液柱的前表面移到了后表面，優(yōu)化工作條件后，系統(tǒng)對(duì)Pb的檢測(cè)限由在前表面擊穿時(shí)的200ppm降到了50ppm，得到了很大的改善。運(yùn)用水下LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)激光在CaCl2溶液中誘導(dǎo)的等離子體特性進(jìn)行了研究。通過對(duì)Ca Ⅰ422.7nm、CaⅡ393.4/396.8nm特征譜線強(qiáng)度隨時(shí)間演化的研究，得到了532nm和1064nm脈沖各自在溶液中誘導(dǎo)的等離子體壽命分別約為600ns及1200ns，確定了有利于信噪比改善的探測(cè)延時(shí)。通過對(duì)Ca

6、的特征信號(hào)隨能量演化的研究發(fā)現(xiàn)，在脈沖能量高于擊穿閾值時(shí)，激光誘導(dǎo)等離子體的壽命趨于恒定，并且增加脈沖能量會(huì)使等離子體輻射的連續(xù)背景大大增強(qiáng)，影響元素特征輻射的探測(cè)，選擇較低的單脈沖能量激發(fā)將使信號(hào)得到改善。開展上述工作之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，初步確定了在采用532nm及1064nm脈沖激發(fā)時(shí)，所搭建的LIBS系統(tǒng)對(duì)溶液中Ca元素的最低檢測(cè)濃度分別為50ppm和25ppm。 通過對(duì)水下LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)，引入Raman光

7、譜的探測(cè)，對(duì)LIBS與Raman光譜技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了初步的探討。實(shí)驗(yàn)通過兩種工作方式同時(shí)獲得了Na元素的LIBS信號(hào)及SO42-的Raman信號(hào)，肯定了將LIBS和Raman技術(shù)結(jié)合的可行性，但所探測(cè)到信號(hào)的信噪比都較差，有待對(duì)激光器及探測(cè)器等方面進(jìn)行改善。 在總結(jié)所做工作的基礎(chǔ)上，論文最后對(duì)開發(fā)一種基于LIBS的海洋原位探測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于海洋中金屬通量監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了分析；對(duì)今后的工作開展進(jìn)行了展望：并淺談了進(jìn)一步的努力方向。