[发明专利]免定标的远程定量激光诱导击穿光谱分析方法

摘要

本发明公开了一种免定标的定量远程激光诱导击穿光谱分析方法，该方法首先测定反映LIBS光谱探测器数字电压输出与目标受激光诱导等离子体发射系数关系的光谱基准函数，然后建立LIBS发射与接收光学系统的几何关系模型，并将两者融入到CF‑LIBS的定量计算当中，以实现定量化LIBS检测。本发明的优点在于将光谱基准函数与LIBS发射与接收光学系统的几何关系融入CF‑LIBS的定量计算当中，提供了一种免定标且具有较高精度的远程LIBS定量化分析方法。

主权项

一种免定标的定量远程激光诱导击穿光谱分析方法，其特征在于包括以下步骤：1).光谱基准函数测定将已知辐射光谱强度分布Es(λ)的标准光源安放至探测距离R，即望远镜组件焦距处，此时脉冲激光器组件处于关闭状态，LIBS光谱仪处于开启状态，远程LIBS探测系统通过望远镜组件收集标准光源的辐射信号，并传送至LIBS光谱仪进行光电转换及后续处理；设CCD阵列探测器曝光时间，即探测积分时间为Δt，记录其输出电压Us(λ)，按下式计算光谱基准函数β(λ)：β(λ)=Es(λ)Us(λ);---(1)]]>2).远程LIBS探测远程LIBS探测系统对位于探测距离R处的目标进行物质成份探测，此时LIBS光谱仪处于开启状态，启动脉冲激光器组件使其发出强脉冲激光，经望远镜组件聚焦于目标上，聚焦点的瞬间高温使该处的物质气化产生等离子体态，并向外辐射LIBS信号；远程LIBS探测系统通过望远镜组件收集目标的LIBS信号，并传送至LIBS光谱仪进行光电转换及后续处理；探测参数与步骤1)相同，记录CCD阵列探测器输出电压U(λ)；3).免定标远程LIBS定量化分析位于探测距离R处的目标，由脉冲激光激发后聚集点处产生等离子体态，该等离子体可认为处于局域热平衡态，此时，原子按能量的分布规律遵循麦克斯韦‑玻尔兹曼分布；在步骤2)记录的U(λ)中任取一条特征谱线，即U(λ)曲线中的某一特征峰进行分析，设其对应的波长为λ，可根据原子或离子发射谱线表查出其对应是何种元素的原子或离子及其对应的激发态与基态，设其对应的元素粒子为Atom_1；建立以下定量分析方程U(λ)=hc4πλβ(λ)nA21g2e-hc/λkTZ(T)---(2)]]>式中，h为普朗克常数；c为真空中的光速；A21是Atom_1由激发态跃迁至基态的爱因斯坦系数；k是玻尔兹曼常数；g2是Atom_1激发态的简并度；n是Atom_1的粒子数密度；T是等离子体温度；Z(T)是Atom_1的配分函数；对上述定量分析方程两边取对数并整理后可得ln4πλβ(λ)U(λ)hcA21g2=lnnZ(T)-hcλkT---(3)]]>在(3)式中，令y=ln4πλβ(λ)U(λ)hcA21g2,x=hckλ,p=-1T,q=lnnZ(T)]]>其中，x与y可通过计算得到，为已知量，即获得了xy平面上的一个坐标点(x1,y1)；则有：y＝px+q                                         (4)4).元素含量计算类似地，在步骤2)记录的U(λ)中取第二条特征谱线进行分析，设其对应的元素粒子为Atom_2，重复步骤3)；确定xy平面上的第二个坐标点(x2,y2)，再取第三条特征谱线进行分析，得到坐标点(x3,y3)，直至所有特征谱线分析完毕；整个LIBS探测过程获得的数据组为xy平面上的若干点，其中的某些点是属于同一种元素粒子的，把这些点拟合成一条直线，其斜率为p，截距为q；不同元素粒子拟合出来的曲线相互平行，分别对应不同截距q；根据直线的斜率可求得等离子体的温度T；计算出对应T的配分函数Z(T)；然后根据截距可得到激发区域的元素粒子数密度n；算出所有的元素粒子数密度总和后，根据不同元素的原子量，可得到每种元素的质量和百分比含量，也就实现了目标的组成元素的定量分析。