激光诱导Cu等离子体光谱时间演化特性研究

作者:唐慧娟;郝晓剑;胡晓涛;董智源; 刊名:激光与红外 上传者:林海清

【摘要】针对激光诱导Cu等离子体时间演化问题,使用Nd:YAG脉冲激光器对Cu样品进行烧蚀产生等离子体,采集延迟时间为0.5~10μs时等离子体时间分辨光谱并对整体谱线进行分析。激光能量调节为142mJ,在热力学平衡状态下,利用Boltzmann斜率法测得等离子体电子温度。选择独立较好、不受相邻谱线影响的CuI 521. 8 nm作为特征谱线测量其半波宽度,并采用Stark展宽法计算等离子体的电子密度。实验表明:随着延时时间的增加,等离子体内能因不断向外扩展转化为动能而骤减,电子温度整体呈下降趋势,且在延时时间为2μs时达到最大,延时时间13μs后下降趋缓。随着延迟时间的增加,等离子体的电子密度降低,电子与发射粒子之间的碰撞程度也相应降低,谱线展宽随之减小。

全文阅读

1引言激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Break-down Spectroscopy,LIBS)通过激光烧蚀物质表面形成等离子体,采集原子发射光谱来检测物质的化学成分与含量。激光诱导击穿光谱技术拥有快速、对样品几乎无损、可以同时进行多元素分析等优点,已被应用于各种类型样品的成分分析[1-5]。这使得激光诱导击穿光谱技术被应用到许多领域,如地质[6]、煤炭[7]、冶金[8]、水质[9]等不同领域。基于LIBS的检测方法,必须在等离子体达到热力学平衡或者局部热力学平衡形态(LTE)的情况下,光谱仪所测得的光谱信息才能作为测量参考,而等离子体必须要经历一段时才可能处于LTE状态。因此,随时间变化的两个用来表征等离子体特性的参数,电子温度和电子密度变化规律的研究及测量是激光诱导等离子体的一个重要方面。Cu元素的原子发射光谱在整个波段内比较简单,有多条分立的谱线可供选择,所以关于激光诱导等离子体已经做了大量研究,王慧丽等人建立了激光诱导击穿光谱系统,采用标准加入法定量分析了水泥中的铜元素的含量[10],李百慧研究了磁空混合约束下的激光诱导铜等离子体的特性[11],Guiller-min M等人选取4条谱线分析了铜等离子体处于LTE的具体延迟时间段[12]。目前关于激光诱导铜等离子体电子温度、电子密度随延时时间演变的研究没有进行深入开展。针对激光诱导Cu等离子体时间演化问题,本文对铜进行激光诱导,分析等离子体的光谱,选取6条等离子发射谱线Cu I 510. 1 nm,Cu I 515. 4 nm,Cu I 521. 7 nm,Cu I 528. 7 nm,Cu I 570. 6 nm,Cu I578. 1 nm,利用Boltzmann直线法测得等离子体电子温度,Stark展宽法计算等离子体的电子密度,分析了随延时时间的变化趋势,并对演变原因做了讨论。2实验与理论2. 1实验系统实验采用一体化设计,集成激光器、光谱仪和样品仓于一体的美国TSI公司ChemReveal台式激光诱导击穿光谱仪(Laser Induced Breakdown Spectros-copy,LIBS),对铜进行等离子体激发和等离子体光谱接收。试验时,在LIBS仪器的样品台上放入铜片,为避免空气击穿,将靶面置于离聚焦平面前约2 mm处,每改变一次延迟时间则更改样品位置,以避免激光打在靶面同一个位置造成坑洞效应。设置波长为1064 nm的Nd∶YAG激光器脉冲能量为142 m J,重复频率为10 Hz,对样品进行烧蚀。激光光斑直径为200μm,通过聚焦透镜将激光束聚焦到样品表面使铜样品产生等离子体。光谱经聚焦透镜传送至光谱仪,光谱仪中的CCD阵列按预设的积分时间、扫描次数、延迟时间对光谱进行探测,所得光谱数据在上位机软件中进行显示,存盘,读数。图1测试系统图Fig. 1 Test system2. 2热力学平衡条件利用光谱信息研究激光等离子的性质需要等离子体满足LTE条件[13]:Ne≥1. 6×1012T1/2(ΔE)3其中,Ne是电子密度; T是电子温度;ΔE是跃迁能级之间的能级。3结果与讨论3. 1 Cu等离子体时间分辨光谱激光能量为142 m J时,测量了波长400~600 nm范围内铜等离子体的发射谱线。图2为相同坐标下延迟时间为0. 5μs,1μs,3μs,5μs,7μs,10μs时的光谱图。从图2中可以看出,当激光脉冲烧蚀样品表面时,连续谱与特征谱线并存,其中在400~500 nm波段有强烈的连续辐射产生。一般认为,连续谱是由热电子的韧致辐射加上电子和原子的复

参考文献

引证文献

问答

我要提问