[发明专利]基于谱线自吸收量化的激光诱导等离子体参数表征方法

说明书

本发明公开了一种基于谱线自吸收量化的激光诱导等离子体参数表征方法，通过测量元素谱线的线宽来量化该谱线的自吸收程度，并由此求得等离子体参数如电子温度、元素含量比、粒子绝对数密度等。由于本方法的计算过程不需要用到谱线强度，因此不仅避免了传统基于谱线强度计算等离子体参数时自吸收效应的不良影响，而且无需校正探测器的光谱效率，从而能有效延长LIBS检测设备的校准周期，直接精确地表征等离子体参数。

技术领域

本发明属于激光光谱分析与检测方法技术领域，具体涉及一种基于谱线自吸收量化的激光诱导等离子体参数表征方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术通过分析高能脉冲激光轰击样品产生的等离子体辐射，获得样品的元素组成和相对丰度信息，在工业分析、环境监测、生物医学等领域有着广泛的应用价值。然而，LIBS定量分析中存在的自吸收效应，不仅会降低元素发射谱线的强度、增加谱线线宽，而且也会对定量分析结果产生非线性影响，降低检测准确度。因此，如何消除自吸收的影响是提高LIBS分析精度的关键技术瓶颈。

为了减小自吸收效应对LIBS定量分析的影响，目前普遍采用的校正方法有：1)建立适用于自由定标LIBS的光学厚等离子体模型来校正谱线自吸收(Bulajic等，Spectrochim.Acta B，2002，57：339-353)；2)通过计算自吸收系数来校正元素谱线强度(Sherbini等，Spectrochim.Acta B，2005，60：1573-1579)；3)通过激光辅助吸收装置来减小自吸收对特定分析谱线的影响(Jiaming L等，Opt.Letters，2015，40：5224-5226)。然而，以上现有方法依赖于理想假设或近似模型来校正自吸收谱线强度，或者增加装置来减少特定谱线的自吸收效应，而激光与物质相互作用的复杂性以及等离子体演化的瞬时性无疑大大降低了这些假设或模型对LIBS定量分析的实用性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术提出的问题，而提出的一种基于谱线自吸收量化的激光诱导等离子体参数表征方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于谱线自吸收量化的激光诱导等离子体参数表征方法，包括：选取自吸收程度较大的待分析元素谱线，通过对比该谱线与氢线的线宽，计算其自吸收系数；通过量化该元素谱线的自吸收，计算相应的光学深度；通过光学深度，计算等离子体中元素粒子在下能级的面密度；通过元素粒子下能级的面密度，使用修正的萨哈-玻尔兹曼平面法，计算等离子体的电子温度；利用玻尔兹曼分布定律，计算元素粒子的总面密度；通过对元素的原子和离子的面密度进行求和，计算该元素的总面密度，同时结合元素的原子量，计算不同元素的含量比；通过测定等离子体尺寸，计算元素粒子的绝对数密度。

其中，利用元素谱线的线宽计算其自吸收系数SA的公式为：

其中，为等离子体光学薄条件下待测谱线的线宽，为待测谱线的实际线宽，w_s为待测谱线的Stark展宽参数，n_e(cm^-3)为利用H_α线的Stark展宽求得的电子密度，(氢元素)，为H_α线的线宽，w_H为H_α线的Stark展宽参数。

其中，计算元素谱线的光学深度k(λ₀)l的计算公式为：

其中，k(λ₀)(cm^-1)为吸收系数，l(cm)为等离子体的吸收路径长度。

其中，计算等离子体中元素粒子在下能级i的面密度n_il的计算公式为：