程军杰, 曹智, 杨灿然, 李连顺, 王健, 林庆宇

应用化学 2022, 39 (9): 1447-1452. DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.210547

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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。

实验所用便携式远程LIBS系统结构示意如图1所示。远程LIBS实验系统主要包括激光器、反射式望远镜系统、快速光电管、光谱仪、控制系统（脉冲延时控制器及计算机）。激光器采用小型风冷灯泵激光器，工作波长为基频1064 nm，单脉冲能量100 mJ，脉冲宽度10 ns，工作频率1～5 Hz，激光器电源直流24 V供电，可直接采用锂电池供电形式，为便携式系统开发提供了极大便利。本实验过程中采用固定5 m探测距离进行实验研究，望远物镜口径130 mm，反射望远镜为铝制二氧化硅镀膜，主镜焦距650 mm，放大倍率50倍。光谱仪采用平面光栅小型光谱仪，多通道覆盖光谱范围200～950 nm，光谱中心波长最大分辨率为0.15 nm。采用脉冲延时控制器控制时序为激光器及光谱仪提供触发信号。脉冲延时控制器外触发信号由光路中所设置的快速光电管提供。系统工作时，激光器发射的脉冲激光，通过扩束镜、镀膜反射镜和聚焦镜将激光聚焦至样品表面，烧蚀样品产生等离子体，等离子体光谱通过镀铝反射镜接收，经反射汇聚至光纤探头，通过石英光纤（芯径 400 μm，NA值0.22）耦合进入光谱仪，进而获取元素的谱线信息。