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基于自由定标的激光诱导击穿光谱技术的研究

作　者: 陈巧玲
导　师: 周卫东
学　校: 浙江师范大学
专　业: 光学
关键词: 激光诱导击穿光谱自由定标局部热平衡智能数据处理
分类号: O433
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

激光诱导击穿光谱技术作为一种有效的物质成分分析技术,在很多领域都体现了应用潜力,如环境污染检测、工业工程监测、生物研究、安检、太空探索和艺术品古董检测等。而采用定标方法进行测量时,由于基体效应的影响容易造成测量误差,因此1999年A.CIUCCI提出了一种基于自由定标的激光诱导击穿光谱技术(CF-LIBS),这种方法不仅能够避免基体效应并且无需标准样品进行定标。到目前为止这种方法在很多领域都有相应的应用研究,但是由于这项技术的复杂性,还存在很多问题值得研究。CF-LIBS的主要优点是无需标准样品进行定标并且能够避免基体效应的影响,但对等离子体的探测条件要求比较高,需要选择合适的光谱采集窗口才能得到准确的测量结果。另外由于CF-LIBS是基于全谱的分析技术,所以对光谱的数据处理要求非常高。基于以上考虑,本文的主要研究内容包括：为了实现快速测量,编写了一个能够实现自动检峰、自动光谱干扰校正、自动元素归属确定和自由定标定量分析等功能的智能化分析程序,另外根据测量到的激光诱导等离子体的温度、电子密度的时间演化特性,研究了激光诱导等离子体的局部热平衡条件以及影响CF-LIBS测量结果的因素。第一章介绍了激光诱导击穿光谱技术的发展现状,激光诱导等离子体的基本概念和理论,包括等离子体的基本性质、诊断等离子体电子密度和电子温度的常用手段、等离子体发射光谱的加宽机制。第二章首先简要介绍了CF-LIBS的发展现状,然后详细的介绍了自由定标方法的原理和影响因素。第三章介绍了本文所用的LIBS实验装置,主要包括激光器,光谱测量系统。构建了自动、实用有效的LIBS光谱数据处理模型。通过协方差法和二阶求导法实现了光谱峰位的自动检测；针对谱线重叠干扰问题,采用谱线拟合法结合遗传算法对重叠干扰峰进行了有效的分解；最后对特征光谱所对应的元素标定原理与准则进行了归纳总结。第四章首先构建了等离子体电子密度和电子温度的计算模型,利用Stark展宽计算等离子体的电子密度,采用saha-boltzmann平面法获取等离子体的温度。通过时间分辨光谱研究了激光诱导等离子体的电子密度和电子温度的时间演化特性,在此基础上明确了等离子体局部热平衡条件,结果表明在500ns-1500ns的演化时间内土壤等离子体是满足局部热平衡条件的；构建了基于自由定标的定量分析系统,对国家标准物质(土壤GBW7429)中的Ca和Mg元素进行定量检测并探讨了在不同的延迟时间下的测量准确度,结果显示当延迟时间为500ns-1000ns时准确度最高,这与局部热平衡条件相符合；另外初步研究了光谱采集窗口和自吸收效应对测量结果的影响。最后,总结全文,并对进一步的研究工作提出了一些建议。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 激光诱导击穿光谱技术的研究背景与研究现状  9-10
  1.2 激光诱导等离子体概述  10-15
    1.2.1 等离子体的形成机制  10-11
    1.2.2 等离子体的辐射机制  11-12
    1.2.3 辐射光谱的展宽机制  12-15
  1.3 激光诱导击穿光谱技术简述  15-17
    1.3.1 基本原理  16
    1.3.2 常用定量分析方法  16-17
  1.4 激光诱导等离子体的基本性质和参数测量方法  17-20
    1.4.1 激光诱导等离子体的基本性质  18
    1.4.2 激光诱导等离子体的电子密度的测量方法  18-19
    1.4.3 激光诱导等离子体温度的测量方法  19-20
  1.5 本章小结  20-21
2 CF-LIBS的基本理论  21-27
  2.1 CF-LIBS的研究背景与研究现状  21-22
  2.2 CF-LIBS的基本原理  22-24
  2.3 主要影响因素  24-26
    2.3.1 局部热平衡条件  25
    2.3.2 光谱信号强度的校正  25-26
    2.3.3 其他因素的影响  26
  2.4 本章小结  26-27
3 系统装置和光谱数据处理系统  27-37
  3.1 系统装置  27-29
    3.1.1 激光光源和传输系统  27-28
    3.1.2 光谱信号收集装置  28-29
  3.2 自动化光谱数据分析软件的设计  29-36
    3.2.1 光谱自动寻峰  29-31
    3.2.2 光谱重叠干扰校正  31-34
    3.2.3 光谱谱线归属确定  34-36
  3.3 本章小结  36-37
4 土壤中CF-LIBS方法的研究  37-52
  4.1 实验条件  37-39
    4.1.1 实验装置  37-38
    4.1.2 实验样品  38
    4.1.3 实验过程  38-39
  4.2 激光等离子体电子密度的演化特性研究  39-44
    4.2.1 电子密度的计算方法  39-42
    4.2.2 土壤等离子体电子密度的演化特性  42-44
  4.3 激光诱导等离子体的温度演化特性研究  44-47
  4.4 土壤的CF-LIBS定量分析研究  47-51
    4.4.1 自由定标方法的计算流程  47-48
    4.4.2 土壤的定量分析结果  48-51
  4.5 结果与讨论  51-52
5 总结与展望  52-54
  5.1 全文工作总结  52-53
  5.2 进一步工作建议  53-54
参考文献  54-61
本人在硕士研究生阶段研究成果  61
参与科学研究项目  61-62
致谢  62-64

基于自由定标的激光诱导击穿光谱技术的研究

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