激光誘導(dǎo)液相基質(zhì)等離子體電子溫度電子密度研究.pdf

1、將高功率脈沖激光束聚焦到樣品表面時(shí)，由于激光束在焦斑區(qū)域的功率密度超過(guò)了待測(cè)樣品的擊穿閾值，形成激光誘導(dǎo)等離子體。激光等離子體內(nèi)有大量處于激發(fā)態(tài)的原子和離子，而處于激發(fā)態(tài)的原子或離子在能級(jí)間的躍遷會(huì)產(chǎn)生可觀測(cè)的激光等離子體發(fā)射光譜。隨著激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)射光譜特性研究的不斷深入，產(chǎn)生了激光誘導(dǎo)擊穿光譜光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱LIBS技術(shù)），LIBS技術(shù)就是通過(guò)對(duì)激光等離子體發(fā)射光譜的分析，從而確定基質(zhì)樣品中的成分及含量，是現(xiàn)代光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的前沿研

2、究領(lǐng)域。激光誘導(dǎo)等離子體是LIBS技術(shù)的基礎(chǔ)，LIBS技術(shù)的發(fā)展依賴于對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，LIBS技術(shù)在固相基質(zhì)中微量元素定量分析中得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于液相基質(zhì)的微量元素，仍存在檢測(cè)靈敏度、重復(fù)性和精確度不高等問(wèn)題，要解決這些問(wèn)題需要研究激光誘導(dǎo)液相基質(zhì)等離子體的動(dòng)力學(xué)特性。
　　本論文從實(shí)驗(yàn)上測(cè)定了激光誘導(dǎo)液相基質(zhì)等離子體中Mg元素的發(fā)射光譜，并對(duì)光譜特性進(jìn)行了分析和討論。利用單脈沖激光束聚焦到MgSO4水溶液射

3、流表面，產(chǎn)生激光等離子體，通過(guò)改變ICCD探測(cè)門(mén)相對(duì)激光脈沖的延時(shí)從0.6μs-1.6μs范圍變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了液相基質(zhì)等離子體中Mg元素的發(fā)射光譜。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Mg518.36nm，517.268nm，516.732nm，383.829nm，383.23nm，382.935nm譜線線型進(jìn)行擬合，得到這些譜線的積分強(qiáng)度，利用Boltzmann斜線法得到了不同探測(cè)延時(shí)下激光等離子體的電子溫度取值范圍在4772K-6281K之間變化，擬合線

4、性相關(guān)度系數(shù)大于0.93，擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.25。通過(guò)測(cè)定不同探測(cè)延時(shí)下Mg原子518.36nm譜線以及Mg一價(jià)離子280.27nm譜線的相對(duì)強(qiáng)度，計(jì)算得到不同探測(cè)延時(shí)下等離子體的電子密度變化范圍為1012-1015cm-3。同時(shí)，通過(guò)改變?nèi)肷浼す獾拿}沖能量在24-36mJ范圍內(nèi)變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)不同激光脈沖能量下的Mg元素發(fā)射光譜線進(jìn)行線型擬合，由譜線積分強(qiáng)度計(jì)算得到了等離子體電子溫度取值范圍為4737K-5965K，等離子體電子密度范

5、圍為1012-1014 cm-3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)ICCD門(mén)延時(shí)從0.6μs增大到1.6μs的過(guò)程中，Mg原子譜線強(qiáng)度不斷衰減，但衰減的速度越來(lái)越慢；譜線的信噪比有一個(gè)先增大后緩慢減小并趨于穩(wěn)定的過(guò)程。在最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，來(lái)自Mg原子兩個(gè)不同激發(fā)態(tài)的發(fā)射譜線強(qiáng)度比值的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值和理論計(jì)算值符合較好，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)參數(shù)下得到的液相基質(zhì)等離子體均處于局部熱平衡狀態(tài)和譜線不存在自吸收效應(yīng)。為L(zhǎng)IBS技術(shù)用于液相基質(zhì)中微量元素的定量分析提供了理論

6、指導(dǎo)和技術(shù)支持。
　　本論文主要內(nèi)容有：
　　第一章討論了激光誘導(dǎo)等離子體特性的研究背景以及LIBS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。激光等離子體特性研究是LIBS技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，因此對(duì)激光等離子體特性的研究是提高LIBS技術(shù)性能參數(shù)的關(guān)鍵。第二章主要闡述了激光誘導(dǎo)等離子體的基本理論、發(fā)射光譜診斷原理和LIBS技術(shù)基本原理等。
　　第三章主要講述了本實(shí)驗(yàn)所選取的實(shí)驗(yàn)裝置和研究方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)探測(cè)分析系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。

7、
　　第四章、第五章分別研究了激光誘導(dǎo)MgSO4水溶液射流等離子體電子溫度、電子密度隨ICCD探測(cè)門(mén)延時(shí)和激光脈沖能量的演化特性。實(shí)驗(yàn)采用單脈沖激光誘導(dǎo)等離子體技術(shù)，通過(guò)分別改變ICCD門(mén)延時(shí)和激光脈沖能量，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)固定為最優(yōu)化參數(shù)，分析了液相基質(zhì)等離子體中Mg原子發(fā)射光譜線強(qiáng)度的演化特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）等離子體發(fā)射光譜中，分立譜線的持續(xù)時(shí)間要比連續(xù)背景信號(hào)長(zhǎng)。（2）隨著ICCD門(mén)延時(shí)的增大，激光等離子體電子溫度和電子密