激光诱导等离子体光谱技术应用于月球探测的可行性研究

阐述了激光诱导等离子体光谱技术的物理机制,分析了气压影响激光诱导等离子体光谱探测的机制和规律,建立了低气压环境下进行激光诱导等离子体光谱探测的试验装置,开展了不同等级低气压环境下的试验研究,通过试验数据具体量化了气压对激光诱导等离子体光谱探测的影响,进而论证了激光诱导等离子体光谱技术应用于月球探测的可行性.     

基于光栅光谱仪的激光诱导等离子体光谱探测技术研究

本文利用光栅光谱仪对铝样品和二氧化硅样品的激光诱导等离子体光谱进行了探测。获取了有效的实验数据．实验结果证明了利用光栅光谱仪和非增强型CCD能够实现被测样品的激光诱导离解光谱探测，对LIBS探测技术在国内的相关实用化研究具有一定的借鉴意义。     

基于激光诱导离解光谱的物质成分分析技术

阐述了激光诱导离解光谱分析技术的工作机理.基于Nd:YAG激光器和CCD器件多通道光栅光谱仪,建立了一套激光诱导离解光谱探测实验装置,针对激光脉冲能量,延迟探测时间,周围气体压强对LIBS探测性能的影响开展了相应的实验研究,实验结果证明:在较低脉冲能量下也可以获得原子光谱信号;适当调节延迟探测时间可以获得最佳的探测信噪比,某些样品几乎不辐射出强的背景连续谱,可以省去延迟探测;在5×10-5 Pa的低压条件下仍然可以获得信噪比较高的原子光谱信号,但信号的强度与大气气压相比明显变小;通过对低压样品室中高纯度样品的探测分析获取标准原子谱线,与未知样品的原子谱线比较以消除系统识别误差,从而准确识别出未知样品中的组成元素.     

基于激光诱导离解光谱技术的元素识别方法

阐述了激光诱导离解光谱技术的工作原理,论述了激光诱导离解光谱技术的元素识别过程,分析了元素识别误差存在的原因,有针对性地提出了基于标准样品原子谱线的元素识别方法,建立了一套激光诱导离解光谱探测试验系统,对标准样品和待测样品进行了相关试验,试验结果证明了基于标准样品的元素识别方法的可行性和识别优势.     

基于LIBS技术结合AFSA-SVM算法对岩石类别的识别

激光诱导击穿光谱（LIBS）具备遥感、原位探测的特性，是深空探测识别物质元素组成及含量的重要技术。探测火星表面元素组成及其矿物分布特征是研究火星地质演化和成因的前提。在天问一号任务发射前，基于火星表面成分分析仪（MarSCoDe）开展了15个类别矿物样品的火星模拟探测实验，获取了1920条光谱数据。为验证仪器的探测性能，本文采用人工鱼群算法（AFSA）优化支持向量机（SVM）的高效分类模型（AFSA-SVM），对包括火成岩、沉积岩和金属矿物在内的32种矿物进行分类。首先，采用主成分分析（PCA）算法将原始光谱数据降维，送入AFSA-SVM训练。其次，通过AFSA来优化SVM的参数，实现了99.56%的矿物识别准确率。最后，对比AFSA-SVM模型与其他算法的识别准确率，其中随机森林（RF）算法、反向传播人工神经网络（BPANN）和K近邻（KNN）算法的准确率分别为95.60%、95.80%和90.17%，结果表明AFSA-SVM算法在辅助LIBS识别矿物种类中具有优势。     

月球表面原位光谱探测技术研究与应用（特约）

探测月球与行星表面物质化学成分是了解其起源及演化历史的关键，而光谱探测技术则是物质成分识别与定量反演研究的重要手段。原位（In-Situ）光谱探测有别于空间探测中的环绕器遥感及采样返回探测，是指在目标现场进行的近距离光谱探测。我国“嫦娥三号”任务科学研究与资源勘查，需要开展月球表面原位光谱探测技术研究，突破凝视型时序扫描的新型声光光谱探测关键技术，研发适应表面恶劣环境的高性能、轻小型、高可靠仪器，在国际上率先实现月球表面光谱原位探测及分析。论文结合以“嫦娥三号、四号”为典型应用的红外成像光谱仪，介绍据此发展起来的月球表面原位光谱探测技术，包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用；最后，也简要介绍了即将应用的“嫦娥五号”月球矿物光谱分析仪。     

AICl3水溶液的激光诱导击穿光谱研究

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术已成功地对固体样品和气相样品中的重金属痕量元素进行了定性或半定量分析。为对液体基质的重金属元素进行痕量分析，使用实验中容易实现的单脉冲激光诱导击穿光谱技术，测定了AlCl3水溶液的激光诱导击穿光谱。系统地研究了溶液中Al原子激光诱导击穿光谱信号的时间演化特性、激光能量对激光诱导击穿光谱信号的影响和激光诱导击穿光谱用于液体中AlCl3痕量分析的检测限。实验结果表明，此方法所适用的激光能量比前人所做实验的激光能量小，只需50mj左右，这使得实验条件更容易得到满足，同时得到了一个较高的液体样品的激光诱导击穿光谱信号检测限。实验还表明，液体激光诱导击穿光谱信号存在特有的时间演化特性，其激光诱导击穿光谱信号的寿命相对于固体样品激光诱导击穿光谱信号来说比较短，只有30ns左右，同时激光诱导击穿光谱信号强度上升和衰减也比较迅速。     

液体射流激光击穿光谱检测重金属研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、激光能量等)对金属LIBS谱线强度的影响。实验获取了K2Cr2O7、Pb(NO3)2和CdBr2水溶液样品在532nm激光激发下的等离子体发射光谱,标识了Cr、Pb和Cd等重金属元素的特征谱线,获得Cr、Pb、Cd的探测限约为0.32、15.6、57.6mg/L,展示了液体射流LIBS用于水体中重金属快速检测的能力。     

AlCl3水溶液的激光诱导击穿光谱研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术已成功地对固体样品和气相样品中的重金属痕量元素进行了定性或半定量分析。为对液体基质的重金属元素进行痕量分析,使用实验中容易实现的单脉冲激光诱导击穿光谱技术,测定了AlCl3水溶液的激光诱导击穿光谱。系统地研究了溶液中Al原子激光诱导击穿光谱信号的时间演化特性、激光能量对激光诱导击穿光谱信号的影响和激光诱导击穿光谱用于液体中AlCl3痕量分析的检测限。实验结果表明,此方法所适用的激光能量比前人所做实验的激光能量小,只需50 mJ左右,这使得实验条件更容易得到满足,同时得到了一个较高的液体样品的激光诱导击穿光谱信号检测限。实验还表明,液体激光诱导击穿光谱信号存在特有的时间演化特性,其激光诱导击穿光谱信号的寿命相对于固体样品激光诱导击穿光谱信号来说比较短,只有30 ns左右,同时激光诱导击穿光谱信号强度上升和衰减也比较迅速。     

高压Ar气对激光诱导等离子体辐射的增强效应

为了提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了高压(0.0-0.5 MPa)Ar环境气体对钢样晶发射光谱的增强效应.利用高能量钕玻璃脉冲激光(约6 J)烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD光谱采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线强度计算了等离子体电子温度.实验结果表明,当...     

基于主成分回归的土壤重金属LIBS定量分析方法研究

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结 合主成分分析(PCA )和基于PCA的偏最小二乘回归法(PLSR ),对8种土壤样品进 行分类及Cr元素含量的分析研究。对比分析了不同土壤样品基体元素的特征光谱,利用PCA 对8种土壤样品进行分类,并采用PLSR定量分析不同土壤中Cr元素的含量。研究结果表 明,不同土壤样品中的基体元素特征光谱出现较大差异,8种土壤样品经PCA分析后大致 分为3类;利用PLSR训练模型得到的定标曲线将拟合相关系数提高至0.986,对同一类的 土壤样品Cr的含量预测相对误差小于7.5%,对非同一类土壤样品Cr的预测相对 误差较大。这说明,对待测样品定量分析前,采用PCA对土壤样品分类可以提高对待测样品 重金属元素定量检测的精确度,对建立定量分析模型提供指导。     

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。     

利用激光击穿光谱检测烟气中的重金属成分

搭建了一套激光击穿光谱(LIBS)实验系统, 采用Nd∶YAG脉冲激光器作为光源击穿烟气形成等离子体, 其发射光谱由中阶梯光栅光谱仪分光, 并由增强型电荷耦合器件（ICCD）进行光电探测。以煤燃烧产生的烟气和烟花爆竹燃烧产生的烟气等为对象, 获得了烟气多种重金属元素的激光击穿光谱。光谱图表明, 该技术能够同时检测烟气中的多种金属成分。以Pb元素为对象, 配置含Pb不同浓度的固体样品进行了定标实验, 结果表明, Pb谱线强度与其元素浓度成线性关系。     

复合肥中磷元素的激光诱导击穿光谱定量分析

为了在复合肥生产中对其成分进行快速检测, 达到指导生产的目的, 采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)与支持向量机(SVM)方法结合对复合肥中磷(P)元素进行定量分析。实验中选取磷元素的P Ⅰ 213.5nm, P Ⅰ 214.9nm和P Ⅰ 215.4nm 3条特征谱线对58个复合肥样品进行分析。采用随机选择法将58个样品划分为训练集(43个样本)和测试集(15个样本), 用网格搜索法对复合肥中P元素的定量分析模型进行参量寻优, 构建了SVM分析模型。结果表明, 所建立的训练集定标模型的相关系数R2=0.981, 说明训练集的参考值和预测值的相关性较高; 测试集中验证样本P元素的参考值与预测值的相关系数R2=0.992, 均方误差为4.95×10-5, 说明所构建的SVM模型的适用性较强; 训练集的平均绝对误差和相对误差分别为5.9×10-4和3.99×10-3; 测试集的平均绝对误差和相对误差分别为5.6×10-4和3.28×10-3。将SVM算法与LIBS技术结合可实现复合肥中磷元素的快速检测, 这为复合肥中元素含量快速检测提供了参考。     

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。     

铀酰溶液中铀含量的激光诱导击穿光谱测量

为了快速定量地分析待测样品中铀元素含量信息, 采用激光诱导击穿光谱技术结合内标法, 通过脉宽为7ns、输出能量为20mJ的纳秒激光脉冲诱导涂有硝酸双氧铀的石墨片产生等离子体光谱, 测量了波长范围为300nm~800nm的光谱数据, 对涂有不同浓度的铀样品进行了定量分析以及理论分析和实验验证, 取得了UⅡ 409.01nm和UⅡ 367.01nm谱线和CⅠ 373.72nm, CⅡ 383.57nm, CⅢ 378.94nm谱线数据。结果表明, 样品浓度低于5.0×10-3mol/m2(本文中研究的是面密度)时, 铀归一化强度与铀浓度存在较好的线性关系, 激光诱导击穿光谱技术与内标法结合可以用于快速定量分析待测样品中铀元素含量信息。该研究为核污染和铀矿中微量铀元素的快速检测分析提供了参考。     

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。