便携式远程激光诱导击穿光谱系统及其定量分析性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210547

摘要/Abstract

摘要：

因高温、辐射等极端环境限制，核领域亟需具备在线快速检测特性的分析仪器。基于小型风冷脉冲激光器与小型光纤光谱仪实现了远程激光诱导击穿光谱技术（LIBS）装置的小型化，对该便携式远程LIBS系统的定量分析性能进行了研究，实现了5 m外样品的元素遥测。在单脉冲激光能量100 mJ，脉冲延时1.0 μs的分析条件下，实现了白水晶、陶瓷及铝合金样品中Mn、Si、Al、Na、Ba、Ca及Cr元素的激发，验证了LIBS技术对材料组分和物料成分的远程探测能力，对铝合金样品的定量分析结果显示，该远程遥测系统对铝合金样品定量测量结果的最大相对平均偏差为12%，具备执行核领域快速分析场景下的半定量检测能力。

关键词: 激光诱导击穿光谱, 远程, 便携式, 元素测量

Abstract:

A portable remote Laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） system with an air-cooled pulsed laser and a plane grating optical spectrometer is developed to analyze radioactive waste processing materials for the assessment of radionuclide contamination， and the miniaturization of the remote LIBS system is successfully realized. The chemical composition of different types of materials can be obtained from 5 meters away by the system， and the accuracy of the quantitative analysis of the remote LIBS system is verified. The excited spectra of Mn， Si， Al， Na， Ba， Ca and Cr elements in white crystal， ceramic and aluminum alloy samples are recorded by the LIBS system with thhe pulse laser energy of 100 mJ and pulse delay time of 1.0 μs， respectively. The detection ability of LIBS on material components and composition is verified. The quantitative analysis results of aluminum alloy samples shows that the maximumrelative average deviation by the remote system is 12%. The LIBS system can perform semi-quantitative detection in the nuclear field.

Key words: Laser-induced breakdown spectroscopy, Remote, Portable, Quantitative analysis

中图分类号:

O657.3

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图/表 8

图1 远程LIBS实验装置图：（A）远程LIBS原理图；（B）远程LIBS装置设计图

Fig.1 Experimental setup of the remote LIBS：（A） Schematic of remote LIBS；（B） Remote LIBS design drawing

表 1 铝合金标准物质元素标准值（%）

Table 1 The chemical composition of the aluminum alloy（%）

编号 No.	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Ni	Zn	Ti
E421c	0.541	0.206	0.004	0.864	1.17	0.085	0.059	0.297	0.114
E422d	1.01	0.363	0.228	0.522	0.693	0.161	0.043	0.226	0.055
E423c	1.24	0.428	0.487	0.233	0.933	0.354	0.027	0.094	0.026
E424c	0.235	0.697	0.705	1.18	0.411	0.218	0.089	0.166	0.066
E425c	1.58	0.848	0.078	1.48	0.068	0.288	0.115	0.041	0.0083
E426c	0.052	0.074	0.927	0.042	1.46	0.039	0.013	0.361	0.160

图2 LIBS远程测量系统对白水晶样品的分析光谱图a.200～320 nm； b.320～410 nm； c.410～950 nm

Fig.2 Spectra of quartz from remote LIBS system

图3 LIBS远程测量系统对陶瓷样品的分析光谱图a.210～320 nm； b.320～410 nm； c.400～950 nm

Fig.3 Spectra of ceramics from remote LIBS system

图4 远程LIBS系统对铝合金标准样品E421c的谱线响应a.195～270 nm； b.270～320 nm； c.320～400 nm

Fig.4 Spectra of aluminum alloy from E421c remote LIBS system

图5 100发内Cr（Ⅱ） 283.56nm和Mg（Ⅱ） 279.55 nm两条谱线强度变化

Fig.5 Intensity variation of Cr（Ⅱ） 283.56 nm and Mg（Ⅱ） 279.55 nm within 100 shots

图6 远程LIBS系统对铝合金标准样品中元素Cr 元素（A）和Mg 元素（B）的定标曲线

Fig.6 Calibration curves of the Cr element （A） and Mg element （B） in aluminum alloy standard samples by remote LIBS system

表2 远程LIBS系统定量分析准确度验证

Table 2 Accuracy of the quantitative analysis of the remote LIBS system

元素

Elements

样品

Samples

实际值

Real value/%

测量值

Found value/%

相对平均偏差

Relative average deviation/%

E424c

0.218

0.223

2.5

E425c

0.288

0.322

E421c

1.17

1.05

9.9

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