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。雖然測量精度很高，但都需要對海水進(jìn)行采樣，并對樣品進(jìn)行預(yù)先的處理，分析時間較長，不具備快速、實(shí)時、在線分析的能力，難以滿足海洋原位探測的需要。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)作為一種原位、實(shí)時、連續(xù)、無接觸檢測技術(shù)，常用于一些異常環(huán)境下的化學(xué)成分檢測，其檢測對象主要是金屬元素。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

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，光譜探測難度增加，使得LIBS技術(shù)應(yīng)用到水下探測面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此，作為LIBS海洋原位探測技術(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的海洋原位探測系統(tǒng)原理樣機(jī)的開發(fā)提供有價值的技術(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、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)合探測系統(tǒng)，對將兩種光譜技術(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)，對豎直流動的CuSO4和Pb(NO3)2水溶液樣品表面的LIBS光譜特性進(jìn)行了觀測分析。通過對Cu元素的LIBS信號隨時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Cu元素時的最佳延時為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，對信號隨濃度的演化進(jìn)行了探測，初步確立了系統(tǒng)對Cu元素的檢測限為31ppm。在對Cu元素檢測的基礎(chǔ)上，對溶液中的Pb元素進(jìn)行了探測，結(jié)果表明兩者有著幾乎相同的時間及能量演化趨勢；為了減少空氣擊穿時氧信號對Pb元素信號的影響，實(shí)驗(yàn)在探測Pb元素時，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Pb的檢測限由在前表面擊穿時的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Ca Ⅰ422.7nm、CaⅡ393.4/396.8nm特征譜線強(qiáng)度隨時間演化的研究，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延時。通過對Ca

6、的特征信號隨能量演化的研究發(fā)現(xiàn)，在脈沖能量高于擊穿閾值時，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，選擇較低的單脈沖能量激發(fā)將使信號得到改善。開展上述工作之后，對實(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，所搭建的LIBS系統(tǒng)對溶液中Ca元素的最低檢測濃度分別為50ppm和25ppm。 通過對水下LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)，引入Raman光

7、譜的探測，對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獲得了Na元素的LIBS信號及SO42-的Raman信號，肯定了將LIBS和Raman技術(shù)結(jié)合的可行性，但所探測到信號的信噪比都較差，有待對激光器及探測器等方面進(jìn)行改善。 在總結(jié)所做工作的基礎(chǔ)上，論文最后對開發(fā)一種基于LIBS的海洋原位探測系統(tǒng)，應(yīng)用于海洋中金屬通量監(jiān)測的可行性進(jìn)行了分析；對今后的工作開展進(jìn)行了展望：并淺談了進(jìn)一步的努力方向。