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。     

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。     

铁合金中微量钛元素的激光诱导击穿光谱研究

采用激光诱导击穿光谱对铁(Fe)合金中的钛元素(Ti)的含量进行测量。实验中激光器在最大能量输出(50 mJ),延时为1 μs时光谱信号的强度值最大。在此条件下,分别使用传统定标法和Fe Ⅰ 438.35 nm及Fe Ⅰ 427.12 nm两条谱线的内标法对铁合金中的Ti进行定量分析。内标法得到的拟合相关系数(r)分别为0.997 8和0.993 9,优于传统法得到的r(0.956 3)。提出了一种双谱线平均内标法,拟合得出r为0.998 4。同时,在浓度为0.063%～1.9%的范围内传统定标法测量的相对误差为23.7%,内标法的相对误差为6.0%,采用平均内标法后相对误差降为3.9%。最后,通过测量的Ti光谱计算了激光能量为50 mJ时所产生的等离子体温度为6 654.3 K,电子密度为1.072×1022 cm-3,并讨论了激光能量与烧蚀产生等离子体温度之间的关系。     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

激光诱导空气等离子体的实验研究

本文利用激光诱导等离子体光谱技术(LIPS)测定一个标准大气压强下的空气所含有的元素成分。假设空气全部由氮和氧元素组成,利用自由定标模型获得空气中氮元素和氧元素的含量。由此验证激光诱导等离子体光谱技术进行定量分析的可行性,为其在等离子体定量分析中的应用奠定基础。     

基于激光诱导击穿光谱的化验室水泥质量检测设备研制

研制了一套基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的化验室水泥质量检测设备,可对水泥生熟料成分及率值进行快速检测。对该设备的总体结构、光学系统、样本制备、光谱处理方法等几方面进行了介绍。通过内标法建立定标模型,将LIBS测量结果与X射线荧光光谱分析(XRF)结果进行了对比分析,该套LIBS设备对水泥生熟料中CaO,SiO₂,Al₂O₃和Fe₂O₃测量的平均绝对误差分别为0.46%,0.25%,0.13%和0.05%,对水泥熟料率值KH,SM,IM测量的平均绝对误差分别为0.02,0.05和0.04;通过计算激发产生的等离子体温度和电子密度,验证了激光诱导水泥等离子体处于局部热平衡(LTE)态。     

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。     

激光诱导的钛酸钡等离子体的时间分辨光谱

利用光学多通道分析仪（ＯＭＡⅢ）研究脉冲激光沉积钛酸钡薄膜过程中的激光诱导等离子体的时间分辨发射光谱，利用各种粒子不同时刻发射的谱线强度描绘成该粒子的飞行时间谱，表征了等离子体中该粒子的空间浓度分布，根据飞行时间谱的特征，推算了粒子束脉冲（等离子体）的空间宽度及其与缓冲气体压力的关系，提出了在激光沉积多元氧化物薄膜过程中的合适的缓冲气体压力范围，解释了激光原位沉积高温超导薄膜中所需氧气分压达３０Ｐ     

激光诱导硬币等离子体特征参数的研究

利用1064 nm调Q Nd:YAG激光诱导产生壹圆硬币等离子体,为了提高等离子体特征参数的求解精度,利用改进型迭代Boltzmann算法,建立镍原子谱线(225.47 nm、303.19 nm、304.50 nm、323.30 nm、339.29 nm、491.84 nm、495.32 nm、500.03 nm、501.76 nm)的Boltzmann图,计算得到硬币等离子体电子温度为28144 K.通过测量镍原子谱线341.48 nm的Stark展宽,得到硬币等离子体的电子数密度为8.6×1017cm-3.基于实验结果,证明激光诱导硬币等离子体满足局部热力学平衡模型.     

影响激光诱导等离子体稳定性的因素研究

采用1064nm的激光对炉渣样品进行烧蚀,分析了影响炉渣中信号稳定性的一些因素。激光能量在小范围波动(±2%)对信号的稳定性影响很小,参考激光能量和光谱信号强度无明显关系。当激光频率降低至4Hz以下时,信号的相对标准偏差下降至10%左右。当激光聚焦位置位于样品表面下3mm时信号强度和稳定性最优。熔渣样品信号的稳定性高于粉渣样品,不同渣系的炉渣的稳定性也不相同。对于原子线,不同点烧蚀的稳定性远远优于单点烧蚀稳定性,而对于离子谱线,两种不同的烧蚀稳定性差别不大。     

The States of Thermal Plasma Torch and Its Application

In recent years, plasma technology has emerged as a novel technique for the manufacture of newer and better materials. The thermodynamic state of thermal plasma approaches local thermodynamic equilibrium, temperature of heavy particle is higher （ 10^3 -10^4 K ） and the temperature range of electron is 10^4- 10^6 K. The state of thermal plasma can be described by an unitive thermodynamic temperature. The characteristics of thermal plasmas are high temperature, high enthalpy, high energy density, controllable atmosphere, steep temperature gradient etc. It has been widely applied in field of processing, metallurgy, material, chemical engineering, environmental protection.     

外加电场下激光诱导Al等离子体特性的实验研究

由Q-Nd:YAG脉冲激光(波长1.06μm,脉宽10 ns)烧蚀Al靶产生等离子体.观测了在低气压和直流电场条件下的Al等离子体发射光谱.研究了激光功率密度和直流电场对各谱线强度的影响,分析了谱线半高全宽与外加电压,等离子体电子温度与激光能量的变化规律.结果表明,直流电场对铝原子谱线强度有显著的增强,铝原子谱线的半高全宽与直流电场的外加电压基本上呈线性关系.     

激光能量对激光诱导Cu等离子体特征辐射强度、电子温度的影响

利用Nd:YAG激光(波长1 064 nm,脉宽10 ns)烧蚀金属Cu靶获得等离子体 .改变激光脉冲能量,观测到Cu的原子谱线和离子谱线随激光脉冲能量有不同的变化关系, 但都在330 mJ/pulse时,谱线强度达到最大,随后在330 mJ～370 mJ/pulse间出现一小平台 ,能量继续增加,各谱线强度减小.同时,使用烧蚀Cu靶产生的五条原子谱线(465.11 nm,5 10.55 nm,515.32 nm,521.82 nm,529.25 nm)的相对强度,在局部热力学平衡近似下,利用B oltzmann图的最小二乘法拟合,测定了不同激光能量下Cu等离子体的电子温度.随激光能量的增加,电子温度近似单调地从1.02×104 K上升到1.46×104 K后,反而有所下降.     

液体激光诱导转移的格子玻尔兹曼仿真研究

采用介观尺度的格子玻尔兹曼方法,结合气-液两相流模型,对藻酸盐溶液的激光诱导液体转移进行了三维模拟.为获取气-液两相流模型的入口条件,引入Rayleigh-Plesset方程对等离子体气泡的演化进行计算.数值模拟结果与之前的实验结果吻合,反映了气泡形状变化和液体的向前向后转移现象.仿真研究表明液体的激光诱导转移机制主要与气泡动力学有关,气泡的快速膨胀将引发向前转移,而气泡的剧烈收缩是形成向后转移的主要原因.     

我国等离子体工艺研究进展

扼要综述了我国等离子体材料工艺研究的新近进展。内容包括：热等离子体源,等离子冶金、化工,超细粉合成,喷涂;低气压非平衡等离子体源,镀膜,表面改性,等离子浸没离子注入,电晕放电,介质阻挡放电,滑动弧等及其应用,当前,各类薄膜制备和表面改性的研究工作更为活跃。     

图像寻优对土壤中重金属Cu元素稳定性的提高方法研究

为了提高土壤重金属激光诱导击穿光谱特征谱线的稳定性,进而提高土壤定量分析的精度,将图像寻优与激光诱导等离子体技术相结合对土壤中的Cu元素进行分析。通过实验对比分析了 Cu Ⅰ 324.75 nm与 Cu Ⅰ 327.40 nm两条谱线的特性,最后选取了Cu Ⅰ 324.75 nm作为分析谱线。利用小波变换对光谱进行了降噪处理,排除了基底效应对结果的影响,提高了光谱的稳定性。随后对不同延时下等离子体图像进行实时采集,分析了延迟时间对光斑面积与光谱强度的影响,确定了最佳延时为900 ns。在最佳延时、相同能量下,对不同浓度土壤有寻优模型的光谱数据RSD与无寻优光谱数据的RSD进行了对比。通过图像寻优模型选取最优的等离子体图像,利用选取后的谱线数据进行计算,发现不同浓度土壤的RSD都有较大改善,无寻优条件下,各浓度的RSD分别为5.39%,6.22%,7.56%,8.42%和9.63%; 寻优条件下,各浓度的RSD分别为3.24%,4.47%,5.32%,6.13%和7.21%。图像寻优的方法有效抑制了连续背景辐射,提高了光谱的稳定性和重复性。与没有经过图像寻优的数据相比,经过图像寻优模型的谱线RSD分别下降了2.15%,1.75%,2.24%,2.29%和2.42%。大大提高了土壤中Cu元素含量的检测稳定性。最后,利用内标法对土壤重金属进行定量分析,相比于无寻优条件下,有寻优条件下定标模型的精确度和稳定性都有提高,R2由0.978提高到了0.995。由以上数据可知图像寻优技术大大提高了光谱的稳定性,在土壤重金属LIBS检测中图像寻优技术可以很大程度地提高LIBS技术对元素检测的定量分析能力。     

Investigation of Saha-Boltzmann equilibrium in the analyte zone of a two-jet plasma generator

Relative populations of the excited levels for Cr(I), Cr(II), Fe(I) and Fe(II) in the argon plasma flow of an arc two-jet plasma generator used in spectrochemical analysis were measured. The range of the total energy E of excitation and ionization was 4.5–8.0 and 12.5–16.0 eV, respectively. It is shown that the populations of atom and ion levels are linear with respect to energy lower than E∼15 eV. For ionic lines with energy close to 15.5–16.0 eV the line intensities behave anomalously against equilibrium values. This can be associated with charge transfer between the analyte and argon ions. Deviation of I from LTE values increases in the plasma zones below and above the site of jet confluence, where the plasma temperature decreases. A. P. Vinogradov Institute of Geochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 1a Favorskii St., Irkutsk, 664033, Russia. Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 64, No. 5, pp. 575–581, September–October, 1997.     

Rotational Temperatures Determined from C2 Molecular Band Spectra in a Thermal Argon Plasma Interacting with Insulating Materials

The interaction between argon plasma and an insulating material is studied in an arc chamber. Argon plasma is put in contact with insulator by means of a magnetic field produced by Helmoltz coils. Arc spectrum is analysed by means of an optical multichannel analyser (O.M.A) connected to a monochromator and a Personal Computer.

The spectral analysis shows, for each insulator, the molecular spectrum of C₂ Swan system (d³ P_g,v' = 0-> a ³P_u,v'' = 0) with head band at 516,52 nm.

The rotational temperature is determined from the slope calculation of the Boltzmann plot.