论文部分内容阅读
激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一种原子发射光谱技术,可以用来快速测量样品中各种元素的含量或组成,具有高速、高适应性、无需对样品预处理、样品需求量少、可以远程操控等诸多优点,已广泛应用于各个领域。本文使用532 nm波长,脉宽10 ns,束斑直径100μm,单脉冲能量30 mJ的脉冲激光对美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)地质标准样品进行剥蚀,得到了它们的LIBS等离子光谱,首先通过选择五个元素(Na、Ca、Fe、Al、Mg)的光谱数据,分析了这些地质标样的基体效应差异,发现了GSD-1G和GSE-1G这两个标样的基体效应与其他三个标样差异较大。且USGS系列标样的基体效应对Na和Ca元素的影响,要小于其他三个元素(Fe、Al、Mg)。这些基体效应的差异会导致含量测量结果的一些误差。随后结合人工神经网络算法得到了不同地质样品中铁和钛元素的含量,测量结果显示,BCR-2G,BHVO-2G,BIR-1G,GSD-1G和GSE-1G中铁元素与标准含量的相对误差分别为1.86%,5.73%,0.27%,3.86%,和2.63%;钛元素分别为1.92%,3%,2.78%,和2.47%(除去GSE-1G),这表明LIBS技术结合BP人工神经网络方法可以有效地测定USGS地质标准样品的铁含量,降低基体效应带来的影响。此外,在LIBS剥蚀样品的同时,利用高时间分辨泵浦-探测阴影成像术精确记录了激光剥蚀过程,捕捉到了BHVO-2G标样由于空气和样品击穿,产生了三次冲击波。通过测量冲击波在不同时刻的半径,模拟了冲击波的传播特征曲线,对冲击波的速度、压强、温度、压缩空气密度等参数进行了模拟。最后,通过超景深显微镜对激光剥蚀后留下的剥蚀坑进行了分析,通过测量剥蚀坑的直径,计算得到BCR-2G,BHVO-2G,BIR-1G,GSD-1G和GSE-1G标样的剥蚀阈值分别为6.882J/cm~2,7.013J/cm~2,6.921J/cm~2,7.293J/cm~2,3.501J/cm~2。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术是微区原位分析中最有效的分析手段之一,它具有高灵敏度,低检出限,可同时测量多个元素等优点,是地球分析领域最常用的元素定量分析手段。但元素分馏效应也是一直制约该技术分析精度的问题。本文使用飞秒LA-ICP-MS系统对USGS系列GSE-1G标样和不锈钢标样GBW01395分别进行剥蚀,获得了它们在不同激光能量下的元素信号强度数据,并通过扫描电镜记录了GSE-1G在不同激光能量下剥蚀坑的形貌。通过以Fe作为内标,对采集到的信号强度进行归一化处理,得到四个元素(P,Si,Mn和Cr)的分馏因子,并与纳秒激光剥蚀进行对比,发现飞秒激光可以有效减少传输过程和ICP电离过程的分馏效应。此外,也发现了激光能量的不同也会引起激光剥蚀过程中的分馏效应,由于该现象,当使用外标结合内标法(GBW01395作为外标基体)计算GSE-1G中四种元素的含量时,在高激光能量下,P的含量测定更准确,相对误差为+6.76%;由于在4.15 J/cm~2能量时Si元素仍未完全剥蚀,导致此时相对误差为-8.56%,但仍然大于低激光能量的计算结果;而在任意激光能量下,Mn和Cr的测量结果都较为精确,均在12%以下。最后,计算了当剥蚀GBW01395的激光能量固定为3.07 J/cm~2时,不同激光能量下GSE-1G的元素含量,发现当选择元素信号强度比值的斜率相近时,可以减小测量的相对误差,此时Mn和Cr的含量的相对误差分别降低至+3.46%和+4.24%,说明了改变剥蚀速率可以一定程度增加LA-ICP-MS的测量精度。