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便携式远程激光诱导击穿光谱系统及其定量分析性能

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

摘要（420）

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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。

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

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表 1 铝合金标准物质元素标准值（%）

正文中引用本图/表的段落

激光诱导击穿光谱技术（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）利用激光汇聚于样品表面并产生等离子体，通过分析等离子体中的光谱信号，获取样品的元素组成，是一种极具特点的光谱分析技术。同现有常规光谱分析技术相比，LIBS技术具有很多独特且鲜明的特点，如分析速度快，无需复杂样品前处理，可直接对固体及气溶胶样品进行多元素同时分析，其中远程遥测元素分析能力是其最显著的优势［1］。目前，LIBS技术被广泛应用于土壤分析［2-3］、环境监测［4-5］、冶金过程分析［6］等诸多领域。而远程LIBS系统及其应用也一直是研究人员广泛关注的重要方向，尤其是在某些特定领域及极端场景下远程LIBS技术已逐步有研究报道，如化工领域的高温高压环境［7］、核同位素分析［8］、放射性物质测试环境［9-10］及深空探测［11-12］。但是，实现远程LIBS仪器的便携式小型化依然是一项十分挑战的工作。

为考察该远程装置的定量分析性能，以含有多元素的606系列铝合金标准样品为分析对象。定量分析条件为：测试距离5 m，激光能量100 mJ，延时时间1.0 μs。铝合金标样中的元素含量如表1所示。铝合金样品进行LIBS分析之前进行表面打磨光滑，分析时将样品放置在夹具上，在最佳条件下执行远程LIBS分析。每个样品重复采集3组光谱数据，取元素特征峰强度的平均值进行统计分析，测量结果与标准样品的实际含量数值进行对比，计算3次测量结果的相对平均偏差。元素特征谱线峰位置的识别以NIST数据库中元素标准发射波长为依据。

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