激光诱导Ca等离子体温度的实验研究

　　激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)[1-4]是一种新型的物质元素分析技术,具有高灵敏度和多元素同时、快速测量等优点。在利用激光诱导击穿光谱进行测量时,等离子体温度是与等离子体特性以及其发射谱线强度密切相关的重要因素,国内外很多学者对此进行了深入的研究。Milan等[5]对在大气环境下的硅样品进行了研究,并计算出了等离子体温度随延迟时间的变化规律。Stavropoulos等[6]分别用ns和ps量级的Nd:YAG激光器对金属样品中的Al,Mg,Fe及Si等元素进行了研究,得出了等离子体温度与激光能量、延迟时间的关系,并进行了比较。满宝元等[7]对Ti原子进行研究,分析了等离子体温度随时间的变化关系。唐晓闩等[8]对激光诱导Al等离子体的温度的演化特性进行了研究,并分析了采用不同的背景气体的影响。

　　根据LIBS光谱定量分析理论公式,发射谱线强度与元素质量分数、等离子体温度有关,而等离子体温度是否与元素质量分数有关,对定量分析是否存在影响,值得进行研究。本文利用激光诱导击穿Ca产生的等离子体发射光谱,根据Boltzmann斜线法计算了等离子体温度,主要研究了等离子体温度与元素质量分数的关系。

　　1　实验介绍

　　1.1　实验装置

　　激光诱导击穿光谱实验系统如图1所示,包括激光器、光谱仪、增强型电荷耦合器件(ICCD)、DG535数字延迟/脉冲信号发生器、衰减片、反射镜、聚焦透镜、样品池、旋转平台、收光器、光纤、计算机等。激发光源为Nd:YAG脉冲激光器,工作波长为1 064 nm,脉宽为10 ns,频率10 Hz。激光光束先经过衰减片衰减到13 mJ,由反射镜反射后经透镜(焦距195 mm)聚焦在样品表面上,样品聚焦点处功率密度约1010W/cm2量级。样品固定在电动旋转平台上并随其一起转动,避免激光作用在样品的同一点上。激光与样品作用后产生等离子体,其发射光谱信号经收光器收集后,由光纤传导进入中阶梯光栅光谱仪。光谱仪的光谱范围为200~900 nm,分辨率λ/Δλ= 4 000。光谱仪的出口安装ICCD探测器,其光谱范围185~850 nm,像素1 024pixel×1 024 pixel。实验前先利用标准汞灯的发射谱线对光谱仪进行波长定标,然后采用氘灯和卤素灯对其进行光强定标。ICCD的参数设置为曝光时间20 s、增益100(范围0~255),单次采集且采用芯片积分(In-tegrate on chip)功能。ICCD出口信号由数据线传输到计算机中记录存储,然后利用软件进行处理分析。采用数字延迟/脉冲信号发生器DG535同步控制信号采集。

　　1.2.样品简介

　　样品基底为石墨,向其中加入化学试剂CaCO3,以配成含不同质量分数Ca元素的样品,见表1。每个混合物经过碾磨和摇匀之后,由压片机在10 t压力进行压片,时间为3 min。片状样品直径13 mm,厚度2 mm。