激光诱导等离子体光谱技术中等离子体局部平衡状态的研究

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1、多享京交烈万方数据硕士学位论文激光诱导等离子体光谱中等离子体局部平衡状态的研究StudyoftheLocalThermodynamicEquilibriumStateofthePlasmainLaserInducedBreakdownSpectrum(LIBS)作者：刘志海导师：汪家升副教授北京交通大学2014年6月万方数据学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部

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3、学学科专业：光学工程学号：11121827职称：副教授学位级别：硕士研究方向：原子发射光谱分析北京交通大学2014年6月万方数据致谢本论文的工作是在我的导师汪家升副教授的悉心指导下完成的，汪家升老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在课题完成的过程中，每一次进步都是离不开汪家升副教授的指导。在此衷心感谢三年来汪家升副教授对我的关心和指导。在实验室工作及撰写论文期间，李林青、韩旭光、李光宇、王仲宵等同学对我论文中的部分问题的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时谢谢家人对我生活和学业上无微不至的关心和支持，正是他们的支持与理解我才能安

4、心地完成我的学业。万方数据北京交通大学硕±学位论文摘要激光诱导等离子体技术可以追溯到上世纪六十年代激光器的发明，随着人们对激光诱导等离子体形成过程理解的深入，激光诱导等离子体光谱(LIBS)技术的应用已经越来越广泛，它不仅可以检测金属还可以检测非金属。相比于其他元素检测方法而言，例如光电直读光谱法，X一射线荧光光谱法，电感耦合等离子体原子发射光谱法等，LIBS检测技术具有实时性、在线性、快速性等优点。目前，已经有相关研究将LIBS检测技术成功地应用到许多方面如；合金中各种金属成分的检测，土壤中重金属成分的检测，煤矿成分的检测，火星矿石成分的检测等。LIBS检测技术的原理

5、是通过检测由高能激光脉冲照射在被测物表面时所形成的等离子体光谱，从而对被检物进行定性和定量的元素检测。对于LIBS检测技术而言，判断被检物是否包含某种元素是非常简单的，只需根据LIBS检测光谱图中是否包含该种元素的特征谱线就可以判断，如果包含则说明被测物中含有该种元素。然而，在实际的LIBS检测过程中对被检物中某一种元素进行准确的定量检测并不是一件很容易的事情。这主要是由于激光诱导等离子体过程的复杂性和等离子体的基体效应。一般来说激光诱导形成等离子体需要一定的外部条件，并且整个过程可以大致地分为三个阶段；击穿阶段，膨胀阶段和限制阶段。只有当等离子体处于限制阶段并且达到局

6、部平衡(LTE)时，光谱仪采集的光谱信号才能够有效的确定被检物中元素的含量。所以，在光谱采集的时间段里确保等离子体体系处于LTE状态对于LIBS检测来说是非常重要的，只有满足这一条件才能保证LIBS检测结果是有意义的。目前大家通常采用的标准是McWhirter标准，但近几年的相关研宄表明它只是一个必要条件，为保证等离子体处于LTE条件的成立就必须补上另一个条件才行。为了加深对等离子体LTE状态演变过程的理解，就必须对等离子体各种理化反应的机制进行深入的理解。一般来说，准确地确定被测元素的含量是所有的等离子体光谱检测技术都要面对的问题，为了减小LIBS检测当中的基体效应通

7、常采用的方法包括内标法、外标法和自由定标法。然而只有自由定标法才能适应实时多变的检测环境，并且大量的实验表明该种方法能够准确有效地确定被测物中各元素的含量。但是，在对一些所含元素成分较复杂的被测物进行LIBS检测时，单靠检测某种元素的单一谱线是不可能确定被检物的种类。为了确定被检物的种类就必须有效地利用光谱检测中的大量数据，目前大家普遍采取的是偏最小二乘法(PLS)，并且在矿石、生化细菌等方面已经有成熟的应用。关键词：激光诱导等离子体光谱技术(LIBS)；局部平衡状态(LTE)；自由定标法(CF—Method)万方数据ABSTRACTTh