激光诱导Ca等离子体温度的实验研究

 等离子体温度是激光诱导击穿光谱测量中一个重要的因素。采用Nd:YAG脉冲激光器作为光源击穿样品形成等离子体,其发射光谱由中阶梯光栅光谱仪和ICCD进行分光和光电转换。通过实验得出了300~450 nm波段的光谱图,定性分析出了Ca Ⅱ 315.9, 317.9, 393.4, 396.9 nm和Ca Ⅰ 422.7 nm等发射谱线。根据激光诱导击穿光谱定量公式,等离子体温度的变化对谱线强度有影响。先假设实验中等离子体处于局部热平衡状态,选用Ca的4条一价离子谱线,根据Boltzmann斜线法计算出了等离子体温度,并得到了等离子体温度与Ca质量分数的关系。随着Ca质量分数的增加,等离子体温度也相应增加。但当Ca质量分数小于0.50%时等离子体温度增加的幅度较小,而质量分数大于0.50%时等离子体温度的上升幅度相对较大。最后经过验证,实验中等离子体处于局部热平衡状态的假设成立。     

碘密度对COIL激光频率的影响

 假设处于碘原子同一电子能级的不同超精细子能级上的粒子处于热平衡状态,推导了化学氧碘激光器（COIL）中增益系数在饱和状态附近的表达式,分析了稳定激光振荡谱线的中心频率随碘密度变化的定性规律。     

基于温度迭代校正自吸收效应的激光诱导击穿光谱定量分析方法

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一种理想的实时在线检测合金中微量元素的方法.然而在激光诱导击穿产生的高密度等离子体中,自吸收通常是一种不期望出现的效应,它降低了谱线的真实强度,使谱线强度随目标物质含量增长呈非线性,从而严重影响对目标中元素含量测量的准确性.本文提出了一种基于温度迭代校正自吸收效应的方法,借助等离子体热平衡辐射模型,对等离子体电子温度(T)和辐射粒子数密度乘以吸收路径长度(Nl)这两个参数进行迭代计算和校正,消除自吸收对谱线强度的影响,最终提高定量分析的准确性.对合金钢样品中Mn元素的实验测量结果表明,该方法有效地提高了Boltzmann平面图的线性度及元素含量的测量精度.该方法模型简单,计算效率高,且与Stark展宽系数的可用性和准确性无关,可以直接获得辐射粒子数密度和吸收路径长度参数,因此在提高LIBS定量分析能力的同时,还可以实现对等离子体状态的诊断.     

磁约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究

建立磁约束飞秒激光诱导铜等离子体辐射光谱采集系统,通过发射光谱法分析磁约束效应对飞秒激光诱导铜等离子体特性的影响.在强度为0.67T的稳磁场约束下,等离子体辐射连续谱和分立谱均有增强,分立谱线增强更显著;铜原子上能级越高,其辐射的原子谱线增强因子越大,具有最高上能级的Cu I 507.6nm增强因子最大,为2.8;等离子体铜原子谱线持续时间明显延长,在等离子体演化初期,谱线增强显著,在较大延时,谱线增强迅速减弱;等离子体电子温度和电子密度均有提高.     

采用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度

阐述了激光诱导击穿技术的基本原理，研究了激光诱导击穿光谱技术在探测等离子体温度方面的应用，并进行了实验研究。在等离子体达到局部热平衡时，通过探测Cu的等离子体特征谱线相对强度的方法，达到用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度的目的。实验结果表明，该方法方便、快捷，具有一定的实际应用价值。     

激光诱导煤粉等离子体的特性研究

本文研究了煤粉形态对于激光诱导煤粉等离子体特性的影响,以指导应用激光感生击穿光谱进行煤质测量时最佳样品形态的选择.建立了一套激光诱导击穿光谱的实验台架,对同一煤种的4个不同粒径范围的粉状样品进行激光激发与光谱分析,利用钙原子不同跃迁能级发射谱线的强度分布计算了0.3～0.5μs区间内的等离子体温度,并依据谱线Stark展宽与电子密度的关系得到了等离子体的电子密度.再对激发不同粒径煤粉样品产生的等离子体温度与电子密度进行了对比.实验证明,煤粉粒径越小,等离子体温度越高且电子密度越大,也即样品的等离子化程度越高,越有利于煤中元素的定量分析.     

1064 nm Nd:YAG激光诱导铁等离子体特征参数的研究

利用1064 nm Nd:YAG激光器研究了激光诱导铁条等离子体的特征参数。为了减小测量误差和谱线自发辐射跃迁几率不确定性带来的计算误差,采用改进的迭代Boltzmann方法精确求解铁等离子体的电子温度为8058 K。Lorentz函数拟合Fe I 376.553 nm得到等离子体的电子数密度为8.71017 cm-3。分析表明等离子体的加热机制主要是逆轫致过程,其吸收系数是0.14 cm-1。实验数据证实激光诱导铁等离子体处于局部热力学平衡状态和光学薄状态。     

基于发射光谱法锡等离子体特征参数的求解研究

利用调QNd:YAG 1064 nm激光器诱导产生锡等离子体,基于9条锡发射谱线,构建二维玻尔兹曼图,得到锡等离子体电子温度5063 K,利用洛伦兹函数拟合锡发射谱线Sn(I) 228.66 nm,得到锡等离子体电子密度3.8×10¹⁷ cm^-3,结果证实激光诱导的锡等离子体处于热力学平衡状态.     

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采用光学多通道分析仪等设备对532nm YAG激光诱导产生的Al等离子体光谱进行了时空分辨测量,得到了等离子体时空分辨光谱。利用局部热平衡(LTE)模型和谱线的Stark展宽计算得到了等离子体电子温度和电子密度的时空演化曲线,获得了与文献[9～11]一致的结果。     

飞秒激光诱导铝等离子体时间分辨光谱研究

在大气环境下利用中心波长800nm、脉宽为30fs的激光聚焦在铝靶上,测定了激光诱导铝等离子体中铝原子的时间分辨发射谱。在局部热平衡条件近似下,根据实验测定的谱线相对强度得到了等离子体的电子温度;研究了激光脉冲能量对等离子体电子温度的影响和等离子体电子温度的时间演化特性。同时,实验发现了394.4nm和396.1nm两条铝原子谱线存在较强的自吸收效应,实验结果表明随着激光脉冲能量的减少和延时的增加,自吸收现象逐渐消失。     

用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析

研究将激光感生击穿光谱技术用于元素定量分析的可行性。利用Nd∶YAG激光器发出的激光与一个大气压下的空气相互作用产生激光等离子体，等离子体的光经单色仪分光后转化为电信号进入计算机，存储了600～800nm的等离子体光谱数据。利用自由定标模型对等离子体进行了分析。在延迟时间8μs、采样门宽0.4μs时，利用二维波尔兹曼平面得到了大气等离子体处于局部热平衡时的温度（1.62×10K）。在假设空气全部由N和O组成的条件下由自由定标模型得到了空气中氧的含量（20.75%）和氮的含量（79.25%）。试验结果与实际吻合得很好。实验证实了用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析是可行的，为大气污染监测研究和试验工作奠定了基础。     

Identification of nitro-compounds with LIBS

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is applied to characterize the organic compounds 4-nitroaniline and 4-nitrotoluene by measuring the intensity of atomic lines. The hypothesis of local thermodynamic equilibrium (LTE) is verified by comparing the measured value of electron density in the laser-induced plasma with its lower limit, for which LTE holds good. The present study infers that the O/N intensity ratio is a unique parameter to discriminate each nitro-compound from the explosives.     

Calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy for quantitative elemental analysis of materials

The application of calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy (CF-LIBS) for quantitative analysis of materials, illustrated by CF-LIBS applied to a brass sample of known composition, is presented in this paper. The LIBS plasma is produced by a 355?nm pulsed Nd:YAG laser with a pulse duration of 6?ns focussed onto a brass sample in air at atmospheric pressure. The time-resolved atomic and ionic emission lines of Cu and Zn from the LIBS spectra recorded by an Echelle spectrograph coupled with a gated intensified charge coupled detector are used for the plasma characterization and the quantitative analysis of the sample. The time delay where the plasma is optically thin and is also in local thermodynamic equilibrium (LTE), necessary for the elemental analysis of samples from the LIBS spectra, is deduced. An algorithm relating the experimentally measured spectral intensity values with the basic physics of the plasma is developed. Using the algorithm, the Zn and Cu concentrations in the brass sample are determined. The analytical results obtained from the CF-LIBS technique agree well with the certified values of the elements in the sample, with an accuracy error <1%.     

激光诱导等离子体LTE态判定方法研究

针对目前等离子体温度测量中常用的Boltzmann平面法和双线法的测量精度较差的问题,提出结合Boltzmann-Maxwell分布和Saha-Eggert公式来提高等离子温度的测量精度;根据高斯公式的面积与峰值关系建立了发射谱线线宽的简便算法,并通过谱线的Stark展宽计算等离子体的电子密度;建立了以McWhirter准则的等离子局部热平衡(LTE)态判据。以铝为被测样品的实验结果表明,随着激光能量的增加,等离子体温度和电子密度随之呈线性上升趋势;激光能量在127～510 mJ范围内的等离子体电子密度变化范围为1.305 32×1017～1.873 22×1017 cm-3,等离子体温度的变化范围为12 586～12 957 K,根据McWhirter准则本实验中所有等离子体均满足LTE态阈值条件;针对在光谱仪波段内可观测到的处于同一电离态谱线相对较少的铝元素,在不适合用Boltzmann平面法计算温度时,利用Saha-Boltzmann方法对100组铝等离子体光谱进行温度测量的相对标准偏差(RSD)为0.4%,相比于双线法的1.3%,大幅提高了测量精度。该计算方法可用于快速计算等离子体温度、电子密度及判断等离子体LTE态,在自由定标、光谱有效性分析、谱线的温度校正、确定最佳采光位置以及等离子体LTE分布状态等研究中都有较高的应用价值。     

基于K-CV参数优化支持向量机的LIBS燃煤热值定量分析

热值是煤质特性的重要参数之一,很大程度上影响着燃煤锅炉的运行。为了克服传统检测方法所存在的问题,将激光诱导击穿光谱(LIBS)应用于燃煤热值的定量分析。煤的结构复杂,所含的元素种类众多,包括了主量元素、次量元素和痕量元素,致使煤的LIBS光谱信息复杂。如何有效提取LIBS光谱信息,实现准确的定量化测量是LIBS在煤特性检测中发挥作用的前提和基础。近年来,随着人工智能技术的发展,相关的分析技术也开始应用于煤的工业指标分析和热值预测中。为实现煤样品中LIBS光谱信息的有效提取,同时为克服常规的分析方法易出现的过渡拟合、收敛性不好等问题,提出采用结合K-fold Cross Validation(K-CV)参数优化的支持向量机(SVM)回归方法,实现LIBS定量分析煤中的热值。SVM方法是结构风险最小化的近似实现,可用于模式分类和非线性回归。为了得到有效的LIBS分析模型,实验选用44种电厂常用的热值含量不同的煤样作为实验对象,选择其中33个作为训练集,剩余11个为测试集。利用搭建的LIBS实验系统获取所选煤样品的等离子体发射光谱数据,首先分析了SVM热值回归模型的参数-惩罚因子C、核函数参数g与模型精度的关联,确定C和g最佳取值范围,然后分别建立了基于LIBS全谱和某些元素(非金属元素和金属元素)特征光谱的SVM回归模型。利用训练集光谱数据,结合K-CV法得到热值SVM回归模型的最优参数C和g的值,建立基于SVM最优参数的煤热值定量分析模型。然后将测试集的光谱数据作为输入量用于测试所建立模型的可靠性,得到分别采用全谱、非金属元素特征光谱、非金属与金属元素特征谱相结合的热值定量分析模型,其决定系数R2均达到0.99以上,均方误差分别为0.12,0.17和0.06 (MJ·kg-1)2,预测平均相对偏差分别为1.2%,1.23%和0.69%。结果表明：基于K-CV参数优化SVM回归方法可用于LIBS技术实现燃煤热值的定量分析,且可得到较高的分析精确度和准确度;同时通过对比选用不同的光谱特征的定量分析模型可知,采用非金属与金属元素的特征光谱所建立的基于K-CV参数优化SVM的热值定量模型,能够有效提高LIBS应用于快速检测煤热值的精度和准确度,实现煤热值的准确预测。     

25kW氩壁稳电弧离子体LTE性的光谱学实验研究

本文利用光谱学诊断方法对25kW氩壁稳电弧等离子体的LTE性进行了实验研究.结果发现在实验条件下等离子体至少是PLTE的,压力高于0.05MPa、电流大于50A时,基本上是LTE的,谱线半宽度与等离子状态无关,只取决于电子密度.     

LIBS分析模型对铝合金定量分析精度的影响

为了提高铝合金定量分析的精度,将激光诱导击穿光谱技术与多变量线性回归、中值高斯核支持向量机回归及标准化偏最小二乘回归等方法相结合,建立铝合金中 Cu元素定量分析模型。对采集的LIBS光谱进行三阶极小值去背景和小波阈值降噪处理,从而提高LIBS光谱的信背比。将处理后数据筛选最佳训练集、预测集并用多变量线性回归、中值高斯核支持向量机回归法和标准化偏最小二乘拟合回归等建立定标模型。选用 Cu Ⅰ 324.80 nm,Cu Ⅰ 327.43 nm两条特征谱线以及323～329 nm范围内的LIBS光谱数据进行定量分析,对比分析三种LIBS定量分析模型的拟合系数(R2)、定标均方根误差(RMSEC)、预测均方根误差(RMSEP)和平均相对误差(ARE)等。结果表明,相对于多变量线性回归和中值高斯核支持向量机回归法两种LIBS定量分析模型,对于铝合金中的Cu元素定量分析,标准化PLSR模型的精度和准确度都有明显的提高,并且LIBS定标曲线的R2,RMSEC,RMSEP和ARE分别为0.997,0.014 Wt%,0.129 Wt%和3.053%。研究结果表明在提高定标模型精确度与泛化性方面,标准化PLSR方法更具有优势,能够有效地减小参数波动和自吸收效应对铝合金定量分析的影响。     

Computational Model of Thermal‐Fluid Flow in a Radio‐Frequency Plasma Torch

The paper aims to clarify the modelling results concerning the heat transfer and fluid flow in a radio‐frequency plasma torch with argon at atmospheric pressure. Fluid numerical simulation requires the coupling of magnetohydrodynamics (MHD) and thermal phenomena. This model combines Navier–Stokes equations with the Maxwell's equations for compressible fluid and electromagnetic phenomena successively. A numerical formulation based on the finite element method is used. In this study, fluid flow and temperature equations are simultaneously solved (direct method, instead of using the indirect method) using a finite elements method (FEM) for optically thin argon plasmas under the assumptions of local thermodynamic equilibrium (LTE) and laminar flow. Appropriate boundary conditions are given, and nonlinear parameters such as the thermal and electrical conductivity of the gas and input power used in the simulation are detailed. We have found that the source of power is located on the torch wall in this type of inductive discharge. The center can be heated by conduction and convection via electromagnetic phenomena (power loss and Lorentz force). (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Determination and Analysis of the Thermodynamic Regimes of Xenon Plasmas

Xenon is a common element employed, for example, as impurity in magnetically confined plasmas or the medium in which radiative shocks propagate in laboratory astrophysics. In both situations, it is required the knowledge of plasma parameters such as the average ionization, the charge state distribution, the atomic level populations and the radiative properties. In most cases, the plasmas are under non‐local thermodynamic equilibrium (NLTE) conditions and these quantities should be determined by means of the so‐called collisionalradiative models. For a high Z element like xenon this is a complex task and entails a high computational cost since it is necessary to solve a very large set of rate equations. In this work are characterized the thermodynamic regimes of xenon plasmas as a function of the matter density and temperature. This fact will allow us to establish in which regions of density and temperature the assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE) is accurate and also in which regions it can be retained to estimate some plasma parameters but not others. Moreover, it is also provided information about the average ionization in a wide range of plasma conditions which covers both LTE and NLTE regimes which is valuable information in order to optimize subsequent calculations. Finally, it is also performed an analysis of the differences of NLTE and LTE simulations on several relevant plasma parameters. With this purpose, a comparison is made between the results of the calculation using detailed NLTE modeling with simulations that use the same energy level structure, but atomic populations that are forced into LTE (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)