激光誘導液相基質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，由于激光束在焦斑區(qū)域的功率密度超過了待測樣品的擊穿閾值，形成激光誘導等離子體。激光等離子體內有大量處于激發(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間的躍遷會產(chǎn)生可觀測的激光等離子體發(fā)射光譜。隨著激光誘導等離子體發(fā)射光譜特性研究的不斷深入，產(chǎn)生了激光誘導擊穿光譜光譜技術（簡稱LIBS技術），LIBS技術就是通過對激光等離子體發(fā)射光譜的分析，從而確定基質樣品中的成分及含量，是現(xiàn)代光學檢測領域的前沿研

2、究領域。激光誘導等離子體是LIBS技術的基礎，LIBS技術的發(fā)展依賴于對激光誘導等離子體動力學特性的認識，LIBS技術在固相基質中微量元素定量分析中得到廣泛應用，但對于液相基質的微量元素，仍存在檢測靈敏度、重復性和精確度不高等問題，要解決這些問題需要研究激光誘導液相基質等離子體的動力學特性。
　　本論文從實驗上測定了激光誘導液相基質等離子體中Mg元素的發(fā)射光譜，并對光譜特性進行了分析和討論。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，通過改變ICCD探測門相對激光脈沖的延時從0.6μs-1.6μs范圍變化時，實驗測定了液相基質等離子體中Mg元素的發(fā)射光譜。對實驗測定的Mg518.36nm，517.268nm，516.732nm，383.829nm，383.23nm，382.935nm譜線線型進行擬合，得到這些譜線的積分強度，利用Boltzmann斜線法得到了不同探測延時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、性相關度系數(shù)大于0.93，擬合標準偏差小于0.25。通過測定不同探測延時下Mg原子518.36nm譜線以及Mg一價離子280.27nm譜線的相對強度，計算得到不同探測延時下等離子體的電子密度變化范圍為1012-1015cm-3。同時，通過改變入射激光的脈沖能量在24-36mJ范圍內變化時，實驗對不同激光脈沖能量下的Mg元素發(fā)射光譜線進行線型擬合，由譜線積分強度計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。實驗結果表明，當ICCD門延時從0.6μs增大到1.6μs的過程中，Mg原子譜線強度不斷衰減，但衰減的速度越來越慢；譜線的信噪比有一個先增大后緩慢減小并趨于穩(wěn)定的過程。在最優(yōu)化的實驗參數(shù)下，來自Mg原子兩個不同激發(fā)態(tài)的發(fā)射譜線強度比值的實驗測定值和理論計算值符合較好，說明本實驗參數(shù)下得到的液相基質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。為LIBS技術用于液相基質中微量元素的定量分析提供了理論

6、指導和技術支持。
　　本論文主要內容有：
　　第一章討論了激光誘導等離子體特性的研究背景以及LIBS技術的實際應用和發(fā)展。激光等離子體特性研究是LIBS技術發(fā)展基礎，因此對激光等離子體特性的研究是提高LIBS技術性能參數(shù)的關鍵。第二章主要闡述了激光誘導等離子體的基本理論、發(fā)射光譜診斷原理和LIBS技術基本原理等。
　　第三章主要講述了本實驗所選取的實驗裝置和研究方案，并對實驗中相關探測分析系統(tǒng)的工作原理進行了簡要描述。

7、
　　第四章、第五章分別研究了激光誘導MgSO4水溶液射流等離子體電子溫度、電子密度隨ICCD探測門延時和激光脈沖能量的演化特性。實驗采用單脈沖激光誘導等離子體技術，通過分別改變ICCD門延時和激光脈沖能量，其他實驗參數(shù)固定為最優(yōu)化參數(shù)，分析了液相基質等離子體中Mg原子發(fā)射光譜線強度的演化特性。實驗結果表明：（1）等離子體發(fā)射光譜中，分立譜線的持續(xù)時間要比連續(xù)背景信號長。（2）隨著ICCD門延時的增大，激光等離子體電子溫度和電子密