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LIBS 激光引诱剖析光谱体系

LIBS 激光引诱剖析光谱体系

激光引诱击穿光谱,“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”,是基于脉冲激光手艺、时候分辩高分辩全谱直读手艺的一种元素阐发体例,普遍利用于物资阐发、成分检测、净化及无害物阐发、物资判定、激光加工进程阐发等范畴。

一、道理

1.1 LIBS 在实质上是一种原子发射光谱手艺。

任何元素的原子,可被外界能量激起到激起态,从激起态跃迁回到基态或中心态时会辐射出光子;这类发射光的波长散布称为原子发射光谱。

原子发射光谱有两大特点:1)凡是而言,原子发射光谱为系列线谱;2)谱线的地位、绝对强度仅跟原子序数及所处的电离态有关,与别的身分有关(不斟酌同位素发射谱之间的邃密差别),差别元素的发射谱不不异。今朝所知的元素,其发射光谱均有详实的数据,是以,原子发射光谱是*经常利用的元素阐发的东西。


作为原子发射光谱的一种,LIBS凡是接纳纳秒脉宽、1064nm的高功率Nd:YAG脉冲激光器,对样品停止离化、加热;接纳时候分辩的高分辩率全谱直读光谱仪停止探测。

是以,LIBS是一种接纳激光作为离化、加热装配的新型时候分辩原子发射光谱手艺。
 

1.2 LIBS的详细进程
 
短脉冲激光(数十mJ,<10ns)被聚焦到1GW/cm^2量级,入射到样品上(可为固体、液体乃至气体);
样品离化成为等离子体;
激光加热等离子体,局部*高电子温度可达十万K;
激光脉冲中断,等离子体热均衡,均衡温度约为一万K摆布;
均衡后离子取得充足能量并起头收缩,等离子体进一步降温;此时代辐射首要是黑体辐射和轫致辐射,其表现为紫外~可见~近红外持续谱,并随时候逐步红移;
约10微秒时候今后,等离子体温度下降,此时辐射以离子与电子复合辐射为主,表现为紫外~可见的分立线谱;此即须要探测的元素发射光谱。
 
1.3 LIBS对仪器装备的请求
 
一台能量充足的、携同步表里触发的纳秒脉冲激光器;
延时脉冲产生器;
分辩率到达0.1nm及以下,并能全谱直读的光谱仪*;
带延时及门控(最少微秒量级)的探测器。
对分辩率和笼盖规模的请求,都来自于元素分辩的须要。原子发射光谱很是庞杂,要辨别差别的元素的附近谱线,须要相称好的分辩率和精确性;同时,经由进程比对多条谱线(统一元素的差别价态的谱系)来肯定一个元素是*精确的体例,是以,光谱笼盖规模请求到达紫外 ~ 可见。
 
二、LIBS手艺上风
 
2.1与别的范例的原子发射光谱手艺比拟,LIBS具有以下上风:
 
无损或微损检测。LIBS丈量中,激光仅仅感化于微米量级的地区,对样品根基无损;
根基无需样品制备,防止了样品在制备中的净化;
可经由进程反复丈量一个点,对样品表层以下做成分阐发,或防止外表净化的影响;
能够经由进程机器布局对样品外表停止扫描,做Mapping阐发;
合用于几近任何形状的样品:固体;液体;气体。合用于各类体系的元素阐发:化合物、溶液、悬浊与悬浮夹杂物、合金等;
绝对别的原子发射光谱手艺,LIBS尝试很是疾速便利,凡是几秒钟就能够出成果;
LIBS纯光学手艺,这象征着尝试装配和样品间只要光学打仗,体系能够很便利的跟别的光学装配(千里镜、显微镜、光纤),完成微区丈量、长途丈量乃至遥测;
LIBS体系可仪器化、全固化、小型化及全体化,绝对大型尝试室阐发装备,有极强的挪动性和矫捷性,可很便利的用于现场丈量;
仪器对供电等配套请求很是简略(不必大功率供电产生射频电磁场),有极强的情况顺应才能(不必氧气及氧化剂,对无害气体不敏感,全固化体系可防震、冻、热、尘),是以可合用在极度场所;作为一个典范案例,由于便携式XRF被证实在灰尘情况中不合用,是以美国已用LIBS体系取代XRF体系用于火星外表成分探测;
 
2.2与别的元素阐发体例(XRF)比拟,LIBS具有以下上风:
 
对轻元素(如氮等)的辨别才能远远跨越XRF;理论中的XRF只能丈量纳及更重的元素;
丈量进程中不利用高能射线,不会穿透样品,对人体无害。
 
三、利用
 
作为一种元素阐发手艺,LIBS的首要利用包含:
1)化学、资料范畴,尝试室用成分阐发;
2)冶金财产范畴,合金成分阐发,杂质成分阐发;
3)激光加工(脉冲激光切钻焊、脉冲激光打击强化)科研级利用中,中心进程阐发;
4)动力及矿产范畴:煤油、煤炭等成分阐发;
5)机器动力范畴科研级利用:如航空光滑油金属微粒阐发;
6)地质探矿,地质考古;
7)文物古籍判定(古铜、铁、瓷、玉判定,字画油墨判定);
8)国防和宁静:管束物品(如火药)检测;生化兵器监控;
9)修建:修建资料(石、砖、瓷、玻璃等)阐发;
10)刑侦和判定:牙齿骨骼头发元素阐发;宝石、贵金属元素阐发;
11)情况阐发:RoHS检测:财产及民用产物中无害元素检测;水中净化物监测:重金属离子及总氮(TN)、总磷(TP)含量检测;烟尘及气体排放中无害元素检测;泥土重金属净化检测及总氮检 测;
12)农林业:农作物、木料无害成分检测


 
泥土和蕃茄叶片的残留无害元素含量检测
 
四、 仪器构成
典范的LIBS装配应当由以下局部构成:
 

 
LIBS体系简图
 
1、激光:普通用纳秒量级,数十毫焦能量以上的固体激光,1064nm或532nm;
2、延时脉冲产生器:在精度在微秒及以下的延时脉冲产生器;
3、光汇集装配:透镜+光纤;
4、光谱仪和探测器:分辩率在0.1nm及更好的光谱仪;门控在微秒及以下的多通道探测器。
 
五、相干产物
 
前锋科技可供给高端研讨级LIBS体系的全套装备:
 
1)法国Quantel公司 Brilliant、CFR、Ultra系列激光器,也可选配OPO激光器;1064nm能量从50mJ ~ 850mJ/pulse;
Brilliant系列激光器为松散型固体Nd:YAG激光器,模块化布局,便利组配多个波长。即插即用型激光器,不必调试,很是合适尝试室利用,也可挪动利用;
CFR/Ultra激光器为根据美国军标出产的松散型激光器;其抗震、耐温、耐卑劣情况的特点,及玲珑的激秃顶与电源的体积,使得该范例激光器很是合适挪动利用

2)美国DG535/DG645脉冲产生器
四通道数字脉冲延时产生器;
0-999秒延时可控;
5ps延时候辩率,<50ps发抖,<1.5ns 延时精度

3)英国Andor公司Mechelle中门路光栅光谱仪
独一的商品化中门路光栅光谱仪
全谱直读:200nm ~ 975nm光谱笼盖规模,可探测一切元素的原子发射光谱;
高分辩率:光谱分辩才能(l/Dl)= 5000(0.1nm @ 500nm);
专利设想的分光布局,光学穿插搅扰<10-2;
主动温度弥补,有用坚持波长精确性;
 
丰硕的配件(倡议选配)
 
1.光搜集器,用于搜集LIBS旌旗灯号并经由进程光纤传导到光谱仪;
2.用于波长校准的汞氩灯规范光源
3.用于强度校准的复合光源(定量阐发用)
Andor-Solis软件,包含一切的元素谱线地位,主动阐发样品成分

4)英国Andor公司iStar ICCD探测器
180nm ~ 850nm呼应,笼盖全数元素光谱
 2ns门宽,带来邃密的时候分辩才能和低占空比旌旗灯号检出才能;
ICCD具有103量级的光增益,体系活络度大为进步,很是有益于检出微量、痕量元素组分

5)选配组件基于前锋科技壮大的体系整合才能,可为用户供给尝试所需的光学调剂架、光学平台、透镜等光学元件,及局部尝试所需的样品室、电控及手动平移台等等产物,供给完全的LIBS尝试平台。