激光诱导击穿光谱直接测量颗粒流的粒径效应及其修正方法研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于颗粒流的直接测量是实现固体物料特性在线监测的有效途径之一。以不同粒径的高纯石英砂为研究对象,利用高精度的连续给粉机产生稳定连续的石英砂颗粒流。脉冲激光在大气环境下分别激发5组不同粒径的石英砂颗粒流,研究LIBS直接测量颗粒流时的粒径效应及其修正方法。研究结果表明,在相同粒径下质量流量小范围波动对激光等离子体光谱强度没有显著影响,而粒径波动则会引起光谱强度的较强变化,光谱强度随着粒径的减小而增强。通过分析各粒径的颗粒流在不同光谱信号探测延迟时间下的光谱特性,发现在2~4μs的延迟时间区间内,粒径效应较弱。在此优化延时基础上,将颗粒流直接激发时同步产生的N谱线作为石英砂组分谱线的内标时,可以进一步减弱粒径效应,从而获得可以表征颗粒流基体特性的修正光谱强度。在N元素的各条特征谱线中,343.76nm谱线的修正效果最佳。     

用激光感生击穿光谱技术测量燃煤含碳量

研究了应用激光感生击穿光谱技术对燃煤进行元素快速定量分析的可行性。介绍了用于激光感生击穿光谱技术定量分析的定标曲线方法，并以5种煤样作为实验对象，选取激光击穿煤粉时碳元素505.2nm原子发射谱线为分析谱线，定量分析了延迟时间分别为0.8μs，1.2μs，1.6μs，2.0μs和2.4μs时煤粉中的含碳量，将测量结果与元素分析仪测量结果比较，延迟时间为1.6μs时测量误差最小。根据等离子体发射机制分析了延迟时间对定量分析的影响。实验结果表明：激光感生击穿光谱技术的分析精度较高，可望用于煤质特性快速检测。     

激光诱导击穿光谱对农药气溶胶的在线监测

作为现代农业的重要工具,农药凭借其高效的灭病虫害能力在农业生产中应用广泛,然而其灭杀虫害的同时对大气环境和人体健康等方面也会造成危害。使用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术对农药的气溶胶喷雾进行了在线探测,研究了使用LIBS技术对农药使用过程的实时监测。首先检测了清洁环境下的空气LIBS光谱,在空气的光谱中探测到大量的氮（N）、氧（O）原子发射谱,这个结果与空气成分是相吻合的;同时还观察到了氢（H）的两条巴尔默系原子谱线,这主要是来源于空气中的水蒸气。值得注意的是,在空气谱中还发现了两条氩（Ar）的原子谱线,这也表明LIBS技术在微量元素检测方面有着重大潜力。选用农药敌杀死作为研究对象,对其有效成分溴氰菊酯（C₂₂H₁₉Br₂NO₃,CAS: 52918-63-5）进行了LIBS检测。在溴氰菊酯的LIBS光谱中观察到了卤素元素溴（Br）的存在,标记出了两条Br的原子发射谱线（827.294和833.470 nm）。对农药样品进行探测时也发现了包括CN分子发射谱与C₂分子发射谱等大量空气光谱中没有检测到的特征谱线;同时还检测到了空气谱中没有观测到的元素纳（Na）以及钙（Ca）;尤其是Ca,农药中不仅仅检测出了Ca的存在,而且相比于溴氰菊酯光谱中Ca谱线的能量以及数量都有着非常明显的上升。最后,实验中对CN分子的温度进行了研究;拟合得到溴氰菊酯与农药的CN分子的振动温度分别为8 800和6 200 K,转动温度分别为8 600和5 500 K。以上结果表明了使用LIBS技术对农药的在线监测是可行的,是有发展前景的。     

激光波长对煤激光诱导击穿光谱特性影响的试验研究

我国电站入炉煤种复杂多变,实时快速获取煤质成分对保障锅炉的安全、高效、低污染运行具有重大意义。将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于燃煤煤质测量,观测了不同波长激光(355,532和1 064 nm)诱导产生的等离子体时间演变特性和不同电离特性元素的谱线时间特性,对比了出现屏蔽效应时的能量阈值随激光波长的变化特征,并研究了激光波长对煤LIBS光谱特性的影响规律。结果发现：使用532 nm激光作为激发光源时,煤LIBS光谱具有最强的谱线信号强度,且出现等离子体屏蔽效应的能量阈值也较高,是一种较理想的激发光源,为LIBS技术在煤质测量领域的工业应用提供了实验依据。     

表面粗糙度对激光诱导击穿光谱信号的影响

硅橡胶复合绝缘子是高压输电线路的关键设备,长期在复杂外界环境条件下带电运行后会发生表面老化,表现为粉化、褪色、粗糙度和硬度上升等现象。粗糙度作为复合绝缘子的老化特征量之一,其测量是复合绝缘子在线带电检测的难题。激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)适用于开展输电线路复合材料的远程在线检测,但粗糙度对LIBS信号的影响还没有得到系统的研究,利用这种基体效应进行绝缘子表面粗糙度的测量尚无报道。制备了不同粗糙度的硅橡胶新样品,与500 kV线路退运的复合绝缘子样品进行对比分析,研究了硅橡胶材料的粗糙度对LIBS信号的影响,结果表明,对于新制备硅橡胶材料随着粗糙度的增加,各主体元素特征谱线强度会随之增强,不同主体元素之间的原子谱线强度比（Si 288.2 nm/C 247.9 nm和Al 394.4 nm/Si 288.2 nm）随之下降,说明样品粗糙度对LIBS测量结果影响显著。但特征谱线强度及不同主体元素原子谱线强度比与粗糙度之间的函数关系不明显,难以用于粗糙度测量。硅橡胶的主体元素为Si,Al,C和O等,考虑元素含量及特征谱线的选取方便选择Si为主要分析元素。对于Si原子谱线强度比,选取了两条上能级相近（E_ki＝40 991.88, 39 955.05 cm-1）的原子谱线（SiⅠ288.2 nm,SiⅠ250.7 nm）作为分析线,在满足局部热力学平衡与光学薄的条件下两条谱线的强度比应为定值,但样品粗糙度的改变会影响脉冲激光烧蚀材料表面的过程,从而改变等离子体的状态,使得谱线强度比值也随之变化。上述两条硅原子谱线强度比和粗糙度建立的定标关系,线性相关系数为0.88。对于500 kV输电线路退运的老化硅橡胶材料,其表面由于老化有部分氢氧化铝填料析出,使得基体成分不均匀性更为显著,其表面也变得更为粗糙,这导致一对谱线强度比值作为定标函数,实用性降低。因此针对老化硅橡胶材料,除了选择Si元素谱线(SiⅠ250.7 nm,SiⅠ251.4 nm,SiⅠ251.9 nm)以外,还引入了Al元素谱线(AlⅠ305.7 nm, AlⅠ305.9 nm),利用三组谱线强度比进行多元回归分析,对于两个实测粗糙度为2.659和2.523 μm老化硅橡胶样品,LIBS测量的相对误差分别为0.218和0.189。结果表明对同样成分的复合材料,表面粗糙度对LIBS信号的影响是必须考虑的,而利用这种基体效应,开展远程在线测试复合绝缘子表面粗糙度,对于高压输电线路检测运维具有重要的应用价值。     

腔体约束和纳米粒子共同作用下的激光诱导击穿光谱时间演化特性

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是近二十几年发展起来的一种新型材料识别及定量分析技术,它具有操作简单、迅速、可多元素同步检测、对样品几乎无损耗等优点。传统的LIBS技术发射光谱谱线强度弱,导致检测精度低。在样品表面施加腔体约束或者沉积纳米颗粒可以大幅地增强等离子体发射光谱强度,同时检测精度以及定量分析时的准确度均可以得到有效提高。而等离子体的存活时间十分短暂,通常在1～10μs之间。采集时间延迟过短会连同背景噪声一同采集,采集延迟时间过长则有可能导致采集到的光谱强度低,因此选择合适的采集延迟时间来获取光谱数据至关重要。为了研究腔体约束和纳米粒子共同作用下激光诱导击穿光谱时间演化问题,对烧蚀合金样品产生的等离子体,采集延迟时间为0.5～5μs时等离子体时间分辨光谱。选择NiⅡ221.65 nm, CⅠ193.09 nm作为目标研究谱线,分析采集延迟时间变化对谱线强度、增强因子、信噪比等参数的影响。实验结果表明:在未加约束,腔体约束激光诱导击穿光谱(cavity confinement LIBS,CC-LIBS)、纳米粒子增强激光诱导击穿光谱(nanoparticle enhancement LIBS,NELIBS)以及两种情况共同作用下,随着采集延迟时间的增加,光谱强度均依次降低;在施加腔体约束时,采集延迟时间大于2μs后谱线强度变得很低;当表面沉积纳米粒子时,采集延迟时间大于3μs仍可以收集到可观数量的等离子体。当采集延迟时间为1μs时,双重作用下的增强因子最高,可达2.1。而当有腔体约束参与时,在采集延迟时间大于3μs后光谱强度比未加约束时更低;当只有纳米颗粒沉积时,信噪比最优,达到9.52;双重作用下信噪比的变化趋势与只有腔体约束时的变化趋势基本相同。纳米颗粒在整个采集延迟时间范围内都有助于检测样品中微量元素,而腔体约束在延迟时间大时对微量元素的检测起抑制作用。     

激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N_2~+(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+,v:0-0)跃迁谱线强度在12—15μs范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N+2分子离子第一负带系(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在10—25μs之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在10—28μs内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10~(17)—10~(16)cm~(-3)量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.     

共轴双脉冲激光诱导击穿光谱结合双谱线内标法定量分析植物油中的铬

采用共轴双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术对3种植物油中的重金属铬(Cr)含量进行定量分析.对实验配制的24个样品,来用桐木木片对其中的Cr进行富集,烘干后进行LIBS试验.选取Cr I 425.39 ran为定量分析谱线,CN分子谱线(421.49 nm)、Ca原子谱线(422.64 nm)以及它们谱线强度之和为内标线,分别建立了Cr的基本定标法、单谱线内标法和双谱线内标法的定标曲线,并用验证样品对它们进行检验.研究结果表明,3种植物油的基本定标曲线的拟合度R~2在0.97以上,低浓度验证样品预测的相对误差较大;采用单谱线内定标法时,定标曲线拟合度R~2在0.98以上,验证样品预测的相对误差较基本定标法有所降低;来用双谱线内标时,大豆油、花生油和玉米油的内定标曲线拟合度R~2分别为0.995,0.992和0.996,2个验证样品预测的相对误差分别为12.81%,1.73%,9.19%,6.05%和6.23%,6.69%.由此可见,采用双谱线内标法能有效减小定量分析误差,提高LIBS对植物油中Cr元素的预测能力.     

C-Fe谱线干扰修正对飞灰含碳量LIBS测量的影响

在燃煤电厂,飞灰含碳量是直接反映锅炉燃烧效率的重要指标,控制含碳量水平和低氮燃烧之间的平衡要求实现含碳量的在线(或快速)检测。将激光诱导击穿光谱技术应用于飞灰含碳量的快速测量,针对测量中248 nm附近的C和Fe谱线干扰问题,提出了利用Fe谱线修正的方法以提取重叠峰中C谱线的积分强度,对比分析了Fe 248.33 nm, Fe 254.60 nm和 Fe 272.36 nm谱线分别作为Fe 247.98 nm的修正谱线时提取的C修正积分强度对飞灰含碳量定标曲线和未知样品重复测量精确度的影响。研究结果表明,对C和Fe谱线干扰进行强度修正可以提高含碳量定标曲线的拟合度,并且可以显著改善低含碳量样品重复测量的精确度。但同时需要注意用于修正的Fe谱线的合理选取,防止在对低含碳量样品中C谱线强度的过度修正。从定标曲线和重复测量精确度总体评价而言,Fe 254.60 nm谱线最适用于LIBS测量飞灰含碳量时的C和Fe谱线干扰的修正。     

基于PCA-SVM的飞机蒙皮激光分层除漆LIBS在线监测研究

飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测,是实现分层可控除漆、满足适航维修要求的重要手段,也是推进激光除漆工程应用、飞机维修自动化的核心技术。激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分析材料表面元素变化,实现激光清洗表面状态的在线监测。基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,分别采集了不同激光功率下,面漆、底漆、铝合金基体去除过程中的3类LIBS光谱(各100幅)。分析了不同激光功率下,各类光谱示踪元素特征谱线的变化情况,初步筛选了12条特征谱线作为光谱识别的特征。进一步对这12个特征进行主成分分析(PCA),并将前3个主成分(PC1、 PC2、 PC3)构成的数据集作为支持向量机(SVM)识别模型的输入量,建立了3类光谱的识别模型。形成了多漆层结构激光分层可控清除过程的LIBS在线监测判定规则,并对该规则的有效性进行了实验验证。结果表明,与低频脉冲激光单点作用采集的针状LIBS光谱相比,基于该平台采集的LIBS光谱普遍存在较强的连续背景(大于5 000 a.u.)以及1.5 nm左右的半峰全宽;针对此类光谱设计了改进均值平滑滤波...     

Comparison of chemical solvents for mitigating CO2 emissions from coal-fired power plants

There is a growing concern about the effect of greenhouse gases on global warming. Among the many greenhouse gases, CO₂ produced from burning fossil fuels is a major contributor due to the huge volumes emitted into the atmosphere. According to the estimates of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), a worldwide reduction in the emission of greenhouse gases by more than 60% is necessary to avert significant global climate changes.This paper examines the key issues involved in greenhouse gas emissions from coal-fired power plants. At the present time, absorption by chemical solvents appears to be best option for the separation of CO₂ from low pressure flue gas streams. The costs of separation and disposal of CO₂ from existing coal fired, air blown boilers are estimated to increase the cost of electricity by about 75%. Therefore, there is a need to optimize the selection of processing solvents and operating parameters to minimize the cost of separation. Increasing the inlet flue gas pressure did not improve mass transfer rates sufficiently to compensate for the higher compression costs. The effects of other process variables were also examined.In this work, we have examined the cost effectiveness of six ethanolamine-based solvents. Overall, monoethanolamine (MEA) was found to be the best solvent.     

V2CO2MXene从CO2/N2混合气体中选择性吸附CO2的第一性原理计算

二氧化碳作为温室气体中最重要的组成部分,其含量的变化将直接影响全球气候变化,在燃烧后气体中选择性捕获CO₂,对减缓因CO₂浓度过高引发的环境问题具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了V₂CO₂ MXene材料对CO₂的选择性吸附性能.首先研究了不同官能团V₂CT_X MXene材料的结构和性质,发现V₂CO₂具有良好的稳定性.后研究了V₂CO₂对CO₂的吸附行为,结果表明,当CO₂被水平吸附时,V₂CO₂对CO₂气体分子的吸附能力较强且均满足在高性能吸附剂表面吸附CO₂的理想值(-0.42 eV-0.82 eV),可以适用于探测/捕获CO₂气体分子.此外,进一步研究了相同条件下V<...     

激光诱导击穿光谱技术在气体检测中的研究综述

随着工业技术的发展,气体检测领域对在线检测仪器及检测技术的要求越来越高,气体成分在气体流动时会发生复杂变化,通常的检测手段傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、光腔衰荡技术(CRDS)、电化学传感等往往不能满足检测要求或仅对局部区域检测。激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新兴的原子发射光谱分析技术,得到光谱分析领域研究者的广泛重视与研究。LIBS技术具备多元素同时检测、非侵入式、实时在线以及无需样品特殊制备等技术优势,已应用于固体、液体和气体的检测。在环境恶劣、干扰较大的气体制造及检测领域LIBS技术能够实时准确地进行检测。介绍了LIBS技术基本原理并描述等离子体物理特性的两个参数等离子体温度及等离子体电子数密度,针对LIBS技术在气体检测领域中的应用,从通过原子谱线强度比分析燃料的当量比、燃料混合气燃烧产物的气体组分、工业制造中作为保护气的氮气及稀有气体、温室气体和新能源气体的检测,以及与之相关的LIBS实验装置及实验方法的改进与优化等6个方面介绍了LIBS技术应用于气体检测领域的近些年国内外进展。对气体检测领域激光诱导击穿光谱研究的前景进行了展望。     

基于卫星平台的全球大气一氧化碳柱浓度反演方法及结果分析

温室效应是全球气候变化的主要原因之一, 除温室气体外, 有毒气体一氧化碳(CO)作为一种非直接温室气体加剧了这种变化. 由于地基观测台站数量有限, 而大气化学模型的模拟又很大程度上依赖于模型假定, 因此, 卫星观测成为实时获取大气CO浓度分布信息的有效途径. Sciamachy是第一台搭载在卫星上, 利用观测到的近红外波段太阳反射光谱反演大气一氧化碳的仪器. 由于在近红外波段, 大气散射效应可以忽略, 所以Sciamachy观测数据能够很好地反演与人类活动息息相关的大气底层一氧化碳的时空变化信息. 本文基于迭代最大后验概率算法, 对Sciamachy的观测数据进行反演分析, 同时应用云效应校正与仪器本身问题校正方法, 得到了全球一氧化碳柱浓度时空分布结果; 通过与Atsr全球火点数据的比较, 分析了全球CO排放源的种类与时空分布; 最后选取中国地区CO柱浓度分布图, 并结合人口密度与煤田/煤矿分布, 对其排放源进行了初步推断.     

碳排放气体浓度遥感监测研究

结合国际碳排放气体浓度遥感监测最新研究进展,介绍了碳排放监测方法,以及碳排放气体浓度遥感监测技术(包括热红外、太阳波谱、主动遥感监测技术)。并详细介绍了目前已在使用和未来将采用的监测主要碳排放气体的几种星载传感器,并对这些传感器已获取的监测结果进行了详细分析。     

全球变暖背景下温室效应的光谱能量分布分析

利用一维辐射传递方程及LBLRTM逐线积分模式建立计算模型,对工业革命前与目前大气构成情况下温室效应的能量分布及其光谱吸收机理进行分析,在保持温室气体浓度为当前水平的基础上,研究温室效应能量分布与地表温度之间的相互耦合机理.结果表明:工业革命前地球的温暖环境主要来自于大气温室气体的(100~370)cm^-1、(640~710)cm^-1以及(1370~2000)cm^-1三个强吸收带对于地球长波辐射的吸收,而地球当前的变暖则源自于大气的(370~640)cm^-1和(710~1370)cm^-1两个弱吸收带的作用,其对工业革命以来所额外增加的温室效应贡献分别达到了25%和55%;地表温度升高,温室效应在全波段范围内也会随之增强,但不同谱带处的温室效应贡献以地球平均温度所对应的辐射峰值波数为界线,峰值波数右侧的温室效应贡献将会增加,在其左侧的贡献比例则会减小.     

Thermal efficiency of the principal greenhouse gases

Atmospheric gases are ranked according to the efficiency with which they absorb and radiate longwave radiation.The open international HITRAN database of gaseous absorption lines of high resolution together with inverse Fourier transform were used.The autocorrelation functions of the total dipole moment of the basic greenhouse gases molecules such as H2O,CO2,O3,N2O,and CH4were obtained.Absorption coefficient spectra and emission power spectra of infrared radiation of these gases were calculated.Analysis of the emissive ability of all gases under consideration was carried out.Compared to CO2,all the gases under investigation have more effective emission except ozone.An efficiency criterion of IR absorption and emission is defined and is calculated for each studied gas,and the gases are ranked accordingly as follows(from strong to weak):H2O,CH4,CO2,N2O,and O3.     

SO2 cooling and detection of the greenhouse effect

Summary Greenhouse effect calculations normally take into account the greenhouse gases’s (CO₂ mainly) warming effect. Only recently the inclusion of the cooling effect due to different gases (SO₂ mainly) has been suggested. Zecca and Brusa have proposed that the historical evolution of SO₂ production might have caused the apparent global cooling in the period 1940–1970 and might still now hinder the detection of greenhouse warming. In this paper it is shown that the SO₂ hypothesis could lead to a definite detection of the greenhouse warming provided that the globally averaged minimum daily and maximum daily temperatures were studied.     

Ground-based remote sensing of atmospheric total column CO_2 and CH_4 by direct sunlight in Hefei

Fourier transform spectrometry has played an important role in the three-dimensional greenhouse gas monitoring as the focus of attention on global warming in the past few years. In this paper, a ground-based low-resolution remote sensing system measuring the total columns of CO2 and CH4 is developed, which tracks the sun automatically and records the spectra in real-time and has the advantages of portability and low cost. A spectral inversion algorithm based on nonlinear least squares spectral fitting procedure for determining the column concentrations of these species is described. Atmospheric transmittance spectra are computed line-by-line in the forward model and observed on-line by direct solar radiation. Also, the wavelength shifts are introduced and the influence of spectral resolution is discussed. Based on this system and algorithm, the vertical columns of O2, CO2, and CH4 are calculated from total atmospheric observation transmittance spectra in Hefei, and the results show that the column averaged dry-air mole fractions of CO2 and CH4 are measured with accuracies of 3.7% and 5%, respectively. Finally, the H2O columns are compared with the results observed by solar radiometer at the same site and the calculated correlation coefficient is 0.92, which proves that this system is suitable for field campaigns and used to monitor the local greenhouse gas sources under the condition of higher accuracy, indirectly.     

温室气体遥感探测仪器发展现状

阐述了温室气体遥感探测技术的发展历程。详细介绍了几种国外先进的高光谱分辨率温室气体遥感探测仪器的设计理念、工作方式、谱段设置和主要技术指标。综述了温室气体探测技术从综合性探测仪器到专用温室气体探测仪器的发展过程,指出了温室气体探测仪器未来发展方向,包括高光谱分辨率、高空间分辨率,宽覆盖范围,短覆盖周期以及高信噪比等。