水下金属元素的激光诱导击穿光谱特性研究
现有海水中金属含量的分析方法主要有原子吸收分光光度法、电感耦合等离子光谱法及一些传统的化学分析方法。虽然测量精度很高，但都需要对海水进行采样，并对样品进行预先的处理，分析时间较长，不具备快速、实时、在线分析的能力，难以满足海洋原位探测的需要。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)作为一种原位、实时、连续、无接触检测技术，常用于一些异常环境下的化学成分检测，其检测对象主要是金属元素。目前，LIBS技术已被广泛地应用于矿业、冶金业、环境分析等多个领域。然而在液体环境中，受液体压力、吸收等因素的影响，光谱探测难度增加，使得LIBS技术应用到水下探测面临着极大的挑战。因此，作为LIBS海洋原位探测技术研究的实验室预演，本课题瞄准LIBS技术在水下应用的技术关键进行实验探索，以期为基于LIBS的海洋原位探测系统原理样机的开发提供有价值的技术参数与方案。
论文首先介绍了选题的背景和意义，然后从LIBS技术的基础原理、现状及发展趋势、仪器等方面介绍了本论文的理论依据和实验方法。作者的主要工作包括：①搭建气-液界面LIBS实验系统，对气-液界面激光诱导等离子的光谱特性进行了分析；②搭建水下LIBS实验系统，对水下激光诱导等离子的光谱特性进行了分析；③搭建LIBS&Raman光谱联合探测系统，对将两种光谱技术结合的可行性进行了探讨。
运用气-液界面LIBS实验系统，对竖直流动的CuSO4和Pb(NO3)2水溶液样品表面的LIBS光谱特性进行了观测分析。通过对Cu元素的LIBS信号随时间及能量演化的研究，确定了该系统脉冲激光在气-液界面的击穿阈值约为10mJ，诱导的等离子体寿命约为1400ns；检测Cu元素时的最佳延时为700ns，最佳脉冲能量为40mJ。在进一步优化系统的其它工作参数后，对信号随浓度的演化进行了探测，初步确立了系统对Cu元素的检测限为31ppm。在对Cu元素检测的基础上，对溶液中的Pb元素进行了探测，结果表明两者有着几乎相同的时间及能量演化趋势；为了减少空气击穿时氧信号对Pb元素信号的影响，实验在探测Pb元素时，将击穿点从液柱的前表面移到了后表面，优化工作条件后，系统对Pb的检测限由在前表面击穿时的200ppm降到了50ppm，得到了很大的改善。运用水下LIBS实验系统，对激光在CaCl2溶液中诱导的等离子体特性进行了研究。通过对Ca Ⅰ422.7nm、CaⅡ393.4/396.8nm特征谱线强度随时间演化的研究，得到了532nm和1064nm脉冲各自在溶液中诱导的等离子体寿命分别约为600ns及1200ns，确定了有利于信噪比改善的探测延时。通过对Ca的特征信号随能量演化的研究发现，在脉冲能量高于击穿阈值时，激光诱导等离子体的寿命趋于恒定，并且增加脉冲能量会使等离子体辐射的连续背景大大增强，影响元素特征辐射的探测，选择较低的单脉冲能量激发将使信号得到改善。开展上述工作之后，对实验条件进行了优化，初步确定了在采用532nm及1064nm脉冲激发时，所搭建的LIBS系统对溶液中Ca元素的最低检测浓度分别为50ppm和25ppm。
通过对水下LIBS实验系统的改进，引入Raman光谱的探测，对LIBS与Raman光谱技术的结合进行了初步的探讨。实验通过两种工作方式同时获得了Na元素的LIBS信号及SO42-的Raman信号，肯定了将LIBS和Raman技术结合的可行性，但所探测到信号的信噪比都较差，有待对激光器及探测器等方面进行改善。
在总结所做工作的基础上，论文最后对开发一种基于LIBS的海洋原位探测系统，应用于海洋中金属通量监测的可行性进行了分析；对今后的工作开展进行了展望：并浅谈了进一步的努力方向。
水下金属元素;海洋原位探测;激光诱导击穿光谱技术;光谱探测
中国海洋大学
硕士
光学工程
郑荣儿
2008
中文
O657.38
90
2008-12-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）