多径腔增强激光诱导击穿光谱用于合金中痕量元素的高灵敏检测

激光诱导击穿光谱(LIBS)在合金表面痕量元素分析领域具有重要的潜在应用价值,尽管LIBS甚至是双脉冲LIBS(DP-LIBS)已具有很高的检测灵敏度,但对部分元素的检出限(LOD)仍无法满足某些应用需求。为了进一步降低DP-LIBS的LOD,提出了一种共心多径腔(CMC)增强DP-LIBS(CMC-DP-LIBS)技术,使双脉冲激光中的再加热激光在CMC腔室内经多次反射和会聚来持续加热等离子体,充分利用再加热激光的能量,最终实现光谱信号和检测灵敏度的提升。对锌样品表面Mn元素检测的实验结果显示,CMC-DP-LIBS较正交再加热DP-LIBS的LOD降低了63%,说明了CMC-DP-LIBS确实大幅提升了LIBS的检测灵敏度,提升了LIBS在合金表面痕量元素分析中的应用价值,特别是对样品烧蚀及损伤有特殊需求的应用领域。     

多径腔增强激光诱导击穿光谱用于合金中痕量元素的高灵敏检测

激光诱导击穿光谱(LIBS)在合金表面痕量元素分析领域具有重要的潜在应用价值,尽管LIBS甚至是双脉冲LIBS(DP-LIBS)已具有很高的检测灵敏度,但对部分元素的检出限(LOD)仍无法满足某些应用需求。为了进一步降低DP-LIBS的LOD,提出了一种共心多径腔(CMC)增强DP-LIBS(CMC-DP-LIBS)技术,使双脉冲激光中的再加热激光在CMC腔室内经多次反射和会聚来持续加热等离子体,充分利用再加热激光的能量,最终实现光谱信号和检测灵敏度的提升。对锌样品表面Mn元素检测的实验结果显示,CMC-DP-LIBS较正交再加热DP-LIBS的LOD降低了63%,说明了CMC-DP-LIBS确实大幅提升了LIBS的检测灵敏度,提升了LIBS在合金表面痕量元素分析中的应用价值,特别是对样品烧蚀及损伤有特殊需求的应用领域。     

激光诱导击穿光谱技术分析岩石和煤样品

本文采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术分别对具有不同成分和紧密度的岩石和煤样品进行分析。由波长为1 064 nm的Nd:YAG脉冲激光器,样品台和分辨率为0.1 nm的微光谱仪等器件组成一个小型激光诱导击穿光谱实验系统,通过计算机对光谱仪采集到的数据进行分析和处理。根据LIBS光谱图的特征谱线,对岩石和煤等样品中部分元素进行了定性分析,并对未知岩石样品进行了简单的分类;选用Si I谱线(251.6 nm),对标准岩石粉末样品的硅元素进行分析,发现谱线的相对强度和元素含量的对数值之间有很好的线性关系,由此可得到Si元素的定标曲线,并用于定量分析Si的含量,同样的方法也可分析样品中的其他元素。实验结果为采用激光诱导击穿光谱技术对物质成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。     

激光诱导击穿光谱法分析精度提高的研究

信号波动严重、强烈的连续发射干扰复杂光谱、激光能量波动、重复性差等影响激光诱导击穿光谱法（Laser Induced Breakdown Spectrometry,简称LIBS）的分析精度。本文在自主研制的激光光谱仪上,通过采用激光光束调整技术兼顾空间分辨率和数据稳定性,门控积分技术提高LIBS的分析灵敏度和检测下限,数据筛选技术提高数据的可靠性等手段提高了LIBS的分析精度。对一中低合金钢中的C、Si、Mn、P、S、B、Mo、Ni、Cr、V、Cu、Ti、Al、W、Fe 等15个元素进行LIBS测定,测定结果的相对标准偏差除P和B外,其他元素均小于10%,分析精度高于文献报道的LIBS。     

激光诱导击穿光谱实验数据波动性的影响因素研究

由于激光诱导击穿光谱(LIBS)实验数据容易受各种实验条件的影响,所以采集的光谱数据相对标准偏差较大,导致后续的定量分析精度不高。本文采用激光诱导击穿光谱,以高合金钢样品中Si,Cr,Mn,Fe 4种元素的特征谱线为对象,系统的研究了各种可能引起光谱数据波动的因素,如激光能量及频率、收集位置、焦深等对光谱实验数据波动性的影响。实验发现,激光能量的稳定、合适的聚焦深度等都是提高灵敏度,降低光谱数据相对标准偏差(RSD)的有效手段,而改变信号采集位置及角度则影响不大。     

内标元素强度筛选法在激光诱导击穿光谱定量分析铝合金样品中的应用

利用激光诱导击穿光谱技术进行光谱定量分析时,由于实验条件不稳定造成的测量结果检测限差、测量准确度低的问题一直备受研究者的关注。实验选取铝合金标准样品为分析样品,以输出波长为1064nm的Nd∶YAG激光器为激发光源,设置脉冲重复频率1Hz,通过激光诱导击穿光谱实验装置采集样品在260~300nm、300~330nm范围内的等离子体光谱。采用以内标法为基础的内标元素强度筛选法处理数据,分析了铝合金待测样品E113中Mn、Mg、Fe和Cu元素的含量,并且与常规的数据平均法进行了比较。测得其质量分数分别为5.92、4.79、4.06、39.00mg/g,测量结果的相对误差由数据平均法的9.80%、3.70%、13.30%、3.47%分别降为5.52%、0.40%、4.92%、3.23%;Mn、Mg、Fe、Cu各元素的检测限由数据平均法的0.205、0.207、0.755、6.150mg/g下降为0.163、0.176、0.674、1.71mg/g。此结果说明根据内标元素谱线强度进行数据筛选的数据预处理法同样适用于基体元素含量近似相同的铝合金样品分析,实验结果基本符合金属样品定量分析的要求,此数据处理方法为实验条件不稳定下的元素定量分析提供了一种新的思路。     

内标元素强度筛选法在激光诱导击穿光谱定量分析土壤标样中铁钛锶的应用

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术进行光谱定量分析时,由于实验条件不稳定造成的测量结果检出限高、测量精确度低的问题一直是一个亟待解决的难题。实验选取地质矿产部化探分析质量监控站的标准土壤样品为分析样品,以波长为1064nm的Nd∶YAG激光器为激发光源,脉冲重复频率1Hz,通过激光诱导击穿光谱实验装置采集土壤样品在420~440nm范围内的等离子体光谱图。采用以内标法为基础的数据平均处理和内标元素强度筛选法(即以选定的内标元素谱线强度为参考,进行数据筛选)处理数据分别分析了待测样品中的Fe、Ti和Sr元素的含量并进行了对比,利用内标元素强度筛选法测得Fe、Ti和Sr的质量分数分别为68.4mg/g、10777μg/g和75.5μg/g,相对误差由平均法测得的10.60%、3.20%和8.57%降低为2.01%、0.21%和1.95%。说明内标元素强度筛选法处理数据可以减少数据处理量,简化数据处理过程并提高分析精度,尤其适用于激光能量输出不稳定、时间延迟较难控制的实验条件下的物质成分定量分析。     

铝合金中锌元素的高重频火花放电增强激光诱导击穿光谱高灵敏分析

锌元素的高灵敏分析在工业生产、冶金制造等领域中均具有非常重要的意义。而传统的激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在测定固体样品中的锌元素时灵敏度相对较低。实验采用高重频火花放电增强激光诱导击穿光谱并结合锁相放大的微弱信号检测技术实现了铝合金中锌元素的高灵敏分析。在1kHz的重复频率下,以火花放电技术增强激光等离子体的光学辐射;以门控放大器选择放大锌的原子辐射信号并降低白光背景干扰;再采用锁相放大技术来实现对微弱原子辐射信号的高灵敏检测。基于标准样品在优化的实验条件下建立了铝合金样品中锌元素的校正曲线。锌的检出限达到了3.8μg/g,比采用传统的LIBS技术检测铝合金中锌元素时的检出限改善了一个数量级。方法有助于实现合金中锌和其他元素直接的和高灵敏的定量分析,在冶金分析领域有较好的应用价值。     

基于激光诱导击穿光谱的废钢元素定量分析

为提高对废钢的利用效率,实现以元素含量对废钢的精确分类,采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)结合偏最小二乘算法,对18组钢铁标准样品进行废钢元素含量分析。通过自主研发的便携式LIBS成分分析仪获得光谱数据并进行基线校正,筛选出光谱特征数据作为模型输入,将光谱数据划分为训练集和测试集,以10折交叉验证方法确定模型最优潜变量。C、Cu、Mn、Cr、Ni、Si、V、Al、Ti元素模型在测试集上的相关决定系数(R²)和均方根误差(RMSE)平均为99.27%和0.023。实验结果表明,以偏最小二乘算法结合LIBS技术测定废钢中各元素含量准确性高,该检测方法能够适用于钢铁企业中废钢成分的快速检测。     

手持式激光诱导击穿光谱仪现场测定钢铁制品中铬镍锰铜硅

钢铁中各元素组成及含量对钢种质量和性能都有重要影响,实时、快速对钢铁中各元素进行有效检测分析是目前钢铁行业的关注重点。实验探讨了手持式激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在钢铁中多元素同步、快速分析方面的可行性:选取3个钢铁标准样品,以Cr(I) 520.84nm、Ni(I)232.003nm、Mn(I) 403.075nm、Cu(I) 324.753nm、Si(I) 288.16nm作为分析谱线,以Fe(I) 373.486nm作为内标谱线,考察了手持式LIBS分析仪对钢铁标准样品分析的精密度和正确度。标样验证试验结果表明,手持式LIBS分析仪快速定量分析Cr、Ni、Cu及Si 4种元素的准确性较高,对于Mn的定量分析存在一定的系统偏差,但也基本能反映元素含量。随机选取不同种类的钢铁材料日常实际样品,采用实验方法进行快速定量分析,同时以电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)进行对照,绘制两种方法测定结果的线性趋势图,并与理想趋势线(y=x)进行对比。结果表明,Cr、Ni、Cu及Si 4种元素的LIBS与ICP-AES测试结果表现较一致,Mn的测试结果普遍较ICP-AES偏低,但二者存在较好的相关性。在整个试验过程中,手持式LIBS分析仪测试一组数据的时间平均为5s,该技术用于钢铁行业快速定量分析是可行的。     

合金钢中微量元素的双脉冲激光诱导击穿光谱远程定量分析

在冶金工业生产中，快速检测产品的化学元素组成对生产过程和产品质量的实时、现场控制具有重要意义。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有无需制样、快速、无接触测量等优势，适合高温、振动等复杂环境下的冶金工业生产线上产品的在线原位监测。实验利用自主研发的共轴远程双脉冲LIBS测量装置对20 m处的6种合金钢标准样品进行探测，并采用内标法和偏最小二乘法对标准样品中的Cr、Mn、V 3种元素进行定量分析。采用内标法分析时，为提高定量分析的精度，选取合金钢的基体元素Fe作为内标元素，得到3种元素的定标曲线的相对标准偏差为4%～5%,决定系数均大于0.98,预测相对误差分别为7.64%、7.86%、9.09%。采用偏最小二乘法分析时，3种元素预测模型的决定系数均大于0.99,预测相对误差分别为15.79%、8.12%、8.53%。与偏最小二乘法相比，内标法获得了更加精确的定量结果。结果表明，共轴远程双脉冲LIBS测量装置具有远距离高精度探测能力。     

激光诱导击穿光谱技术识别航空合金牌号

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种多元素、高灵敏、非接触式的光谱分析技术,已经被广泛用于钢铁、铝合金等金属材料的定量与定性分析。为将LIBS技术用于航空合金牌号的高准确率识别,对6种不同牌号的航空合金进行了实验测量与分析。实验使用1064nm的Nd∶YAG固体激光器作为激发源,采集了每种合金的100组光谱,每组光谱为100次激光脉冲的平均结果。将得到的航空合金光谱按7∶3的比例划分为训练集和测试集,分别利用全光谱数据和特征谱线数据建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型进行航空合金LIBS识别。两种模型得到训练集和测试集的识别正确率均为100%。研究结果表明,LIBS技术与化学计量学结合可以快速准确识别航空合金牌号,且基于特征谱线数据的PLS-DA模型在较少数据输入的情况下可取得与全光谱数据模型相同的结果。实验可为进一步开展航空合金LIBS现场检测工作提供方法参考。     

激光诱导击穿光谱技术识别航空合金牌号

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种多元素、高灵敏、非接触式的光谱分析技术,已经被广泛用于钢铁、铝合金等金属材料的定量与定性分析。为将LIBS技术用于航空合金牌号的高准确率识别,对6种不同牌号的航空合金进行了实验测量与分析。实验使用1064nm的Nd∶YAG固体激光器作为激发源,采集了每种合金的100组光谱,每组光谱为100次激光脉冲的平均结果。将得到的航空合金光谱按7∶3的比例划分为训练集和测试集,分别利用全光谱数据和特征谱线数据建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型进行航空合金LIBS识别。两种模型得到训练集和测试集的识别正确率均为100%。研究结果表明,LIBS技术与化学计量学结合可以快速准确识别航空合金牌号,且基于特征谱线数据的PLS-DA模型在较少数据输入的情况下可取得与全光谱数据模型相同的结果。实验可为进一步开展航空合金LIBS现场检测工作提供方法参考。     

激光诱导击穿光谱法测定铝合金中铁铜硅

将Nd：YAG激光脉冲会聚于合金表面以产生激光诱导等离子体,等离子体辐射发射光经过多通道光栅光谱仪并由CCD检测。分析发射光谱的特征谱线,建立校准曲线以实现铝合金中代表元素Fe,Cu,Si的定量分析。测量相对误差基本可在10%以内,检出限可达10-4量级。证明激光诱导击穿光谱（LIBS）技术可在短时间内实现合金样品中多元素的定量分析。     

无监督数据挖掘辅助激光诱导击穿光谱用于铜冶炼光谱结构解析

在有色冶炼领域,元素成分检测是保证冶炼质量的重要一环。目前国内有色冶炼企业多采用X射线荧光光谱法进行检测,该方法需要样品制备,造成冶炼状态无法实时反馈,严重影响冶炼过程优化。研究了无监督数据挖掘算法辅助激光诱导击穿光谱技术用于铜冶炼光谱结构解析。实验中,首先选择4种铜冶炼物料作为实验样品,然后利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)激发样品获得18750个光谱数据,通过盲源分离技术对所有光谱进行分析,最终提取得到3个特征光谱。进一步研究发现,3个特征光谱与Cu、Fe、Ca元素光谱有一一对应关系。在此基础上,提出了LIBS光谱的定量化评价指标,量化结果表明分解模型对18750个光谱都能达到很高的评分,说明铜冶炼光谱能够良好地被3个特征光谱重构,即铜冶炼光谱存在显著的光谱结构。以上结论在实际应用中具有重要研究价值,可用于光谱快速评价、异常光谱剔除、光谱信号提纯、元素谱线选取、样品定性/半定量分析等,为LIBS技术应用于在线铜冶炼成分分析奠定基础。     

无监督数据挖掘辅助激光诱导击穿光谱用于铜冶炼光谱结构解析

在有色冶炼领域,元素成分检测是保证冶炼质量的重要一环。目前国内有色冶炼企业多采用X射线荧光光谱法进行检测,该方法需要样品制备,造成冶炼状态无法实时反馈,严重影响冶炼过程优化。研究了无监督数据挖掘算法辅助激光诱导击穿光谱技术用于铜冶炼光谱结构解析。实验中,首先选择4种铜冶炼物料作为实验样品,然后利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)激发样品获得18750个光谱数据,通过盲源分离技术对所有光谱进行分析,最终提取得到3个特征光谱。进一步研究发现,3个特征光谱与Cu、Fe、Ca元素光谱有一一对应关系。在此基础上,提出了LIBS光谱的定量化评价指标,量化结果表明分解模型对18750个光谱都能达到很高的评分,说明铜冶炼光谱能够良好地被3个特征光谱重构,即铜冶炼光谱存在显著的光谱结构。以上结论在实际应用中具有重要研究价值,可用于光谱快速评价、异常光谱剔除、光谱信号提纯、元素谱线选取、样品定性/半定量分析等,为LIBS技术应用于在线铜冶炼成分分析奠定基础。     

激光诱导击穿光谱发展现状

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是近年来迅速发展的一种新型分析检测手段,它的发展备受关注。从激光诱导击穿光谱技术的发展、仪器设备的发展、应用技术3个方面进行了综述。其中,在激光诱导击穿光谱技术的发展方面,概述了激光诱导击穿光谱技术的发展历程、技术的改进以及数据处理方法的发展情况。在仪器设备发展方面,介绍了仪器设备在国内外的发展现状,主要介绍了便携式仪器的研究进展。在应用技术方面,介绍了激光诱导击穿光谱技术在各领域中的应用,特别是在工业在线分析领域中的应用。最后对激光诱导击穿光谱技术的未来发展趋势做了展望。     

样品加热结合空间约束的飞秒激光诱导击穿光谱用于合金元素定量分析研究

铝合金是工业应用中最广泛的有色金属,添加一定元素形成的合金成为理想的结构材料,如何快速、精确的检测合金中元素的含量是生产和使用中的关键问题。实验基于样品加热结合空间约束的飞秒激光诱导击穿光谱方法(Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy,fs-LIBS)对铝合金元素进行了定量分析,探讨了样品加热结合空间约束条件下等离子体辐射光谱增强、稳定性提高的物理原因。实验结果发现,利用样品加热空间约束方法,等离子体辐射光谱增强,随着靶材温度的升高,等离子体辐射存在时间也明显延长;通过对铝合金系列中的Mn元素进行分析,比较了无约束、空间约束和样品加热结合空间约束实验条件下fs-LIBS的检出限、相对标准偏差和拟合度值,相比于无约束fs-LIBS,通过样品加热空间约束,在样品温度为150℃时,检出限和相对标准偏差值分别大约降低到原来的1/5和1/4,同时拟合度达到0.99以上。因此,利用样品加热结合空间约束方法,可以提高LIBS技术对于合金元素定量分析的探测灵敏度和分析精度。     

磁约束激光诱导煤粉次量元素定量分析的研究

在有无磁约束的激光诱导击穿光谱技术下,对煤粉次量元素等离子体光谱强度以及定量分析精度进行对比研究。在采用激光诱导击穿光谱技术的基础上加入磁约束的方式,比较煤粉次量元素中Fe368.2nm、Ca393.4nm元素光谱谱线在加入磁场前后光谱强度的变化,在有无磁约束下利用偏最小二乘法对煤粉中Fe含量进行定量分析。实验结果表明:磁约束下的激光诱导击穿光谱技术可以有效提高等离子体的光谱强度,并且磁约束下采用偏最小二乘法得到的定标曲线拟合系数更高,效果更佳。     

样品加热结合空间约束的飞秒激光诱导击穿光谱用于合金元素定量分析研究

铝合金是工业应用中最广泛的有色金属,添加一定元素形成的合金成为理想的结构材料,如何快速、精确的检测合金中元素的含量是生产和使用中的关键问题。实验基于样品加热结合空间约束的飞秒激光诱导击穿光谱方法(Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy,fs-LIBS)对铝合金元素进行了定量分析,探讨了样品加热结合空间约束条件下等离子体辐射光谱增强、稳定性提高的物理原因。实验结果发现,利用样品加热空间约束方法,等离子体辐射光谱增强,随着靶材温度的升高,等离子体辐射存在时间也明显延长;通过对铝合金系列中的Mn元素进行分析,比较了无约束、空间约束和样品加热结合空间约束实验条件下fs-LIBS的检出限、相对标准偏差和拟合度值,相比于无约束fs-LIBS,通过样品加热空间约束,在样品温度为150℃时,检出限和相对标准偏差值分别大约降低到原来的1/5和1/4,同时拟合度达到0.99以上。因此,利用样品加热结合空间约束方法,可以提高LIBS技术对于合金元素定量分析的探测灵敏度和分析精度。