激光诱导击穿光谱技术在太空探测中的应用

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新型的元素分析技术,具有灵敏度高、快速、可多元素同时测量并可非接触遥测等优点,非常适合针对空间其他星球的空间遥测。搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,并通过配置特定样品,开展了一系列LIBS探测实验。根据含有不同浓度的同种元素样品的LIBS实验结果,获得元素浓度与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。对中南民族大学附近的土壤进行了LIBS实验,发现土壤中含有Mg、Ca、Na等18种元素,对河南云台山茱萸峰岩石的LIBS实验结果仅获得Fe、Mg、Ca3种金属元素。比较这两种实际样品的LIBS实验结果表明,检测样品的物理结构对LIBS的实验结果有一定影响。     

基于激光诱导击穿光谱技术的生铁中硅锰钛偏析的同步分析

到目前为止,尚没有适用于大型金属材料试样元素偏析定量检测的有效方法。该研究将新兴的激光诱导击穿光谱（LIBS）技术应用于生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的同步检测,选取Si（288.16 nm）、Mn（293.31 nm）和Ti（334.94 nm）作为三种元素的定量分析谱线,同时选取Fe（263.58 nm,441.51 nm,370.79 nm）分别作为三种元素的内标谱线,使用内标法降低基体效应的影响。定标拟合系数R2分别为0.991 7、0.990 3和0.991 2,因此证明LIBS适用于对生铁中Si、Mn、Ti元素的准确同步定量检测。随后将取自高炉的铁样切割为两个圆形的铁块,用空间分辨的LIBS装置对样品表面进行面扫描分析并得出元素分布图,基于元素分布图识别出Si、Mn、Ti元素的偏析区域并计算最大正偏析度和负偏析度。该研究证明了LIBS用于同步检测生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的可行性,同时也揭示了生铁中合金元素的偏析规律,有利于加深对凝固过程元素迁移和分布的理解和认识。     

准东煤化学处理后碱金属含量的激光测量研究

为了评价水洗、醋酸铵洗和盐酸洗等化学处理方法去除准东煤中碱金属的能力,分析激光诱导击穿光谱（LIBS）技术快速测量煤中碱金属含量的可行性和准确性,采用去离子水、醋酸铵溶液和稀盐酸溶液依次对准东煤进行化学处理,并利用LIBS技术对各样本中的Na,K元素进行测量,同时与电感耦合等离子光谱（ICP）检测结果进行对比,得到了验证LIBS技术测量准东煤中碱金属含量可靠性的实验数据。结果表明,水洗等化学处理可高效地去除准东煤中的碱金属,而LIBS技术对不同样本中的Na,K元素测量重复性较好,并且具有较高的灵敏度和较低的检测极限,LIBS检测结果与ICP的相对误差不超过7%。该结果说明LIBS可作为在线测量煤样中碱金属含量的一种有效手段。     

激光诱导击穿光谱结合标准加入法定量检测土壤中Cr

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合标准加入法对土壤中的Cr进行定量检测。以Cr 425.435nm谱线为特征谱线,以Fe为内标元素,建立了土壤中Cr的定标曲线,确定在Cr质量分数低于250×10-6时,其特征谱线强度与其质量分数成线性关系,并由此求出土壤中Cr检测限为9.69×10-6,确定了标准加入法的检测范围。研究了5个外推点和单外推点的标准加入法,五点标准加入法对土壤中Cr的检测结果相对误差小于7%,单点标准加入法检测结果相对误差小于10%。基于单点标准加入法对同一土样进行5次检测,所得Cr质量分数的相对标准偏差(RSD)为4.66%,稳定性较好。实验结果证明LIBS结合标准加入法可以对土壤中的Cr进行较好的定量检测。     

基于背景扣除法消除土壤基底中Al元素干扰的LIBS实验研究

土壤中重金属的污染严重影响了农业和食品安全，因此，对重金属污染的高效、准确的检测是目前亟需解决的问题。采用激光诱导击穿光谱技术（Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）对土壤中Ni元素进行定量分析时发现，土壤中波长为373.68 nm的Ni元素的特征峰会受到Al元素在373.39 nm处谱线的影响，因此，将纯铝基底土壤光谱与压片土壤光谱进行了对比测量。提出了以纯Al作为基底，采用纯Al基底谱线扣除土壤背景中Al元素谱线的方法，来消除土壤背景中Al元素对Ni元素干扰，该方法被称为背景扣除法。实验确定了两种土壤样品的最佳延迟时间均为1.0 μs，透镜到样品的距离（Lens to sample distance，LTSD）分别为97 mm和96 mm。采用内标法对两种土壤样品中的Ni进行了定量分析，得到纯Al基底土壤样品中Ni元素的定标曲线拟合效果较好，相关系数R2为0.997，最大标准偏差（Relative standard deviation，RSD）为4.34%，采用基底背景扣除法后的纯铝基底土壤样品中Ni元素检测的相对误差降低到4%。实验结果表明:采用LIBS技术对土壤中重金属元素含量测量时，在元素特征谱线有限的情况下，为避免谱线干扰，提高检测精度，采用背景扣除的方法能够有效消除元素间的谱线的干扰。     

基于偏振分辨LIBS技术的土壤重金属检测研究

为提高土壤重金属激光诱导击穿光谱(LIBS)特征谱线的信背比(SBR)和稳定性,并降低元素检测限,研究了土壤LIBS连续背景辐射以及Fe、Pb、Ca、Mg等4种元素特征分立谱线的偏振特性,对比分析了有、无偏振条件下元素特征谱线的相对标准偏差(RSD)、SBR与检测限。结果表明:4种元素的特征谱线FeⅠ:404.581nm、PbⅠ:405.780nm、CaⅠ:422.670nm和MgⅠ:518.361nm及其相应连续背景辐射的偏振度分别为0.27、0.17、0.25、0.23和0.70、0.64、0.69、0.67。偏振分辨LIBS(PRLIBS)技术使得4条特征谱线FeⅠ:404.581nm、PbⅠ:405.780nm、CaⅠ:422.670nm和MgⅠ:518.361nm的RSD分别降低了3.28%、2.2%、3.24%和1.34%。PRLIBS技术有效抑制了连续背景辐射,4种元素特征谱线的SBR分别提高了5.59、5.67、5.30、7.35倍。在有、无偏振条件下,Pb元素的检测限分别为17.4×10~(-6)和39.4×10~(-6),偏振条件下的检测限为无偏振条件下的44%。以上研究结果为进一步提升土壤重金属的LIBS定量分析能力提供了数据支撑。     

激光诱导击穿谱土壤重金属污染检测方法研究

设计并建立了一套用于土壤中重金属污染元素检测的激光诱导击穿光谱(LIBS)检测系统。利用该系统对含多种重金属元素的样品以及土壤样品进行了实验与分析,检测出了Cd,Cu,Pb,Cr,Zn,Ni等重金属元素的主要分析谱线。对配制的含微量Cu、Cr元素的土壤样品进行了实验分析,检测结果达到国家土壤环境质量标准规定的三级土壤中Cu、Cr的含量要求,表明该系统可以进行土壤重金属污染的快速检测。     

LIBS用于气溶胶分析的研究与应用进展

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）技术作为一种多元素实时检测技术,已被众多研究者用于气溶胶成分的原位在线分析。对近年来LIBS技术应用于大气气溶胶的研究概况和进展进行了简要综述: 简述了LIBS技术的原理与特点,分析了LIBS用于气溶胶检测的影响因素,总结了LIBS用于气溶胶分析的研究概况,并介绍了LIBS在大气环境及工业过程中的应用实例。     

微孔喷射辅助水溶液样品激光诱导击穿光谱在线分析方法研究

受到水溶液内部复杂基质效应的影响,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在水溶液样品的连续在线检测分析应用中受到很大制约。提出了一种微孔喷射辅助LIBS的新技术,用以实现水溶液中金属元素的连续在线分析。该方法通过微米量级的小孔矩阵和压电陶瓷振荡片将流动液体在线转化成密集的小液滴并连续喷出来,辅助LIBS系统进行检测。依据此思路,设计实现了一套由微孔喷射装置和传统LIBS装置组成的微孔喷射辅助LIBS检测系统。利用该系统,以水溶液中的Ca元素为目标元素展开实验,研究该方法的最优化实验参数、等离子体物理特性和检测能力等。结果表明,该方法对Ca元素的在线检测限能够达到0.96 mg/L,且在0~1124 mg/L范围内谱峰强度和浓度之间具有较好的线性关系。     

基于激光诱导击穿光谱的果木炭燃烧对空气成分影响的研究

果木炭是一种常见的燃料,其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康,因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测,同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定,发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大,生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似,均含有C、 Fe、 Mg、 Ca、 Sr、 K、 Na和Ba等元素,果木炭光谱中C、H元素谱线强度均高于灰烬。此外,结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分,选取C、CN分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析(PCA)结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分,证明LIBS结合PCA技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用LIBS结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分,发现区分效果良好,为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。     

煤中激光诱导击穿光谱的碳元素定量分析

在定量分析煤样品中碳元素含量时, 为了克服受基体效应影响较大且预测精度低的问题, 在最优实验条件下, 获得14个标准煤样品经激光诱导击穿光谱(LIBS)试验后的光谱数据, 并选取独立性好、不受相邻谱线干扰的C Ⅰ 193.09nm波长, 将积分强度作为输入变量, 采用基本曲线定标法以及神经网络定标法, 对煤样品进行定量分析。结果表明, 当采用基本定标曲线法时, 受噪声干扰以及基体效应的影响较大, 平均相对误差为15.39%;当采用神经网络定标法时, 验证样品的相对误差平均降低了7.54%;采用神经网络定标法能有效减小定量分析误差, 提高LIBS对煤中碳元素含量的预测能力。该研究可为定量分析煤中碳元素含量提供指导。     

不同煤种煤粉颗粒流的等离子体特性研究

将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于煤粉颗粒流 的检测。选用无烟煤、烟煤和褐煤3种燃用特性差异较大的 煤样为研究对象,具体分析了不同煤种煤粉颗粒流的等离子体特性。在 大气环境下,使用1064nm脉冲激光击穿煤粉颗 粒流,并用光谱仪收集等离子信号。通过对等离子体信号 的分析,得出煤样颗粒流的Si、Al相对强度、等离子体温度以及电子密度与煤种的关系。 实验研究表明, 煤粉颗粒流的Si、Al相对强度随灰分含量的增大而增大;各煤种的煤粉颗粒流的等离子体温 度和电子密度从大到小排列依次为无烟煤>烟煤>褐煤。     

激光诱导击穿光谱的飞灰碳含量定量分析方法

燃煤飞灰碳含量是影响锅炉工作效率的重要特性指标之一,文中开展激光诱导击穿光谱技术（LIBS）实现飞灰未燃碳的定量分析方法研究,为LIBS应用于飞灰含碳量的快速/在线检测奠定基础。根据所探测的LIBS特征光谱,将线性和非线性化学计量学方法,包括多元线性回归（MLR）和偏最小二乘回归（PLSR）线性分析分析方法,以及非线性的极限学习机（ELM）和支持向量机回归（SVR）模型应用于飞灰未燃碳的预测分析中,结合交叉验证法对模型进行验证。对比线性和非线性模型的结果可以看出,非线性模型的预测结果明显优于线性模型,其中采用基于K-CV参数优化的非线性SVR模型具有比较理想的分析结果,有助于提高飞灰碳含量分析的精确度和准确度,采用三折叠交叉验证法对模型进行验证,得到模型的决定系数R2均为0.99,相对偏差的平均值ARD分别为1.54%、3.45%、3.51%,相对标准误差RSD的平均值分别为7.53%、2.89%、7.18%。     

基于LIBS技术和EDS技术检测熔覆层元素分布状态

为了研究Ni35+TiC熔覆层的微观结构和提高熔覆层的质量。引入目前在激光熔覆研究中尚未充分利用的LIBS技术对熔覆层进行研究。利用LIBS和EDS技术分析Ni35+TiC复合熔覆层中主要成分(Ni,Fe,C)。同时测量、分析熔覆层不同区域的差异。观察到EDS和LIBS数据之间具有较好的相关性,而LIBS可以测量到轻元素(C元素)分布的情况。LIBS和EDS技术结果表明元素沿熔覆层深度方向的分布是不均匀,此外还分析了光谱信息与硬度的关系、元素的谱线强度比与硬度之间的关系。结果表明,LIBS技术可以对熔覆层样品元素含量不均匀分布情况进行定性分析,且具备分析速度快,无需真空环境及样品制备等优势,从而为工业应用中熔覆层的特性评定提供参考。     

基于激光诱导击穿光谱的燃煤热值定量分析

煤的热值是影响燃煤锅炉运行最重要的煤质特性之一。燃煤热值在线分析能够为实时优化调整锅炉运行提供重要依据。采用激光诱导击穿光谱技术对烟煤样品热值进行了定量分析。实验用Nd:YAG固体激光器1 064 nm激光脉冲在空气环境下烧蚀烟煤样品表面而形成等离子体。采用偏最小二乘法和基于主导因素的偏最小二乘法提高煤热值定量分析的准确性。对于基于主导因素的偏最小二乘法,利用碳双原子分子（C2）和碳氮双原子分子（CN）的谱线强度建立主导因素模型。采用偏最小二乘法建立的定标曲线拟合优度和预测均方根误差分别为0.94和1.46 MJ/kg;采用基于主导因素的偏最小二乘法建立的定标曲线拟合优度和预测均方根误差分别为0.99和1.18 MJ/kg。结果表明:激光诱导击穿光谱技术对燃煤热值在线分析具有很大的应用潜力。     

煤灰成分和煤灰熔融性的关系

系统地研定了中国煤的灰熔融性软化温度ST和流动温度FT与煤灰中SiO_2、Al_2O_3、Fe_2O_3、CaO等主要成分间的关系。并推导出了利用煤灰成分计算煤灰熔融性ST和FT的一组多元回归式。这些回归式的精度达到较高的水平,具有广泛的实用价值和推广价值。     

磁场约束提高LIBS定量分析精度研究

对磁约束下激光诱导击穿光谱技术定量分析精度及检出限进行了专门研究。本文将磁场约束应用于LIBS技术中,选择Ni II 221.648 nm为镍元素分析线,Fe II 258.588 nm为内标元素谱线,利用标准不锈钢光谱样品303,304,316,321,347结合内标法进行不锈钢中Ni元素定标曲线拟合,用310样品光谱进行定标曲线精度分析及检出限分析。实验结果表明,磁场约束可以有效增强等离子体光谱强度,磁约束下内标法得到的定标曲线拟合系数更高,且310样品检测浓度较LIBS技术更为准确,Ni元素的探测下限降低了1.7倍。     

煤样高度对激光测量煤灰分准确度影响的研究

激光诱导击穿光谱是一种新型的物质元素分析技术,有无需样品预处理以及可同时测量多种组分等特点,是未来实时煤质检测的重要方法之一,其中关键的一个重要参数是煤灰分准确度。透镜到样品表面距离可以通过控制煤样高度来实现,煤样高度影响的信噪比以及稳定性需要深入的研究,对测量的煤灰分准确度有很大影响。本文搭建了一套激光测量煤灰分的实验平台,选取代表不同产地的三种国标煤样为对象,采用相同压力下压饼机制成的不同高度片状煤样在同样光路结构下进行实验。通过谱线强度和相对标准偏差比较煤样高度对激光测量煤灰分准确度的影响。我们以0.1 mm为间隔,比较不同位置的光谱强度以及相对标准偏差,实验结果表明:虽然煤样高度为6 mm时,激光恰好聚焦在煤样表面,但是当聚焦位置在样品表面以下0.1 mm,煤样高度为6.1 mm时,光谱强度适中,稳定性更好。综合考虑稳定性和信噪比,煤样高度的研究为进一步产品化奠定了基础。     

基于激光诱导击穿光谱技术的金属基体辅助测量研究

为了降低土壤中基体效应对激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)定量分析的影响,采用了 Cu、Al、Zn三种金属作为基体辅助LIBS检测土壤中的重金属元素.以Cd I 288.08 nm为特征谱线进行定量分析,得到了三种金属基体的原子谱线图,计算出等离子...