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采用输出波长1064 nm的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源,激光能量最大300 mJ,脉冲宽度小于7 ns,脉冲重复频率设置为1 Hz。激光光束经由1064 nm全反镜反射,通过焦距为50 mm的透镜会聚后作用在黄铜样品表面(样品置于空气环境中),高功率密度的脉冲激光在黄铜表面激发出等离子体,等离子体信号经光学收集系统耦合到光纤,光谱信号通过光纤传输至光谱仪完成光谱的分光和探测,样品置于2维平台上以避免重复打点。实验系统原理图如图 1所示。
实验中所用样品为黄铜(H62、H80和H90),3种黄铜样品中铜和锌元素质量分数如表 1所示。
element sample H62 H80 H90 Cu 60.5~63.5 79~81 88~91 Zn 36.5~39.5 19~21 9~12 Table 1. Mass fraction of Cu and Zn in brass/%
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在局部热平衡条件下,粒子从高能级i跃迁到低能级j的发射光谱强度为:
式中: F为常数; T是发射粒子的温度; Iλ是波长λ处的光谱强度; Cs是样品中被测粒子的浓度; Aij是i和j能级间自发跃迁机率; gi是能级i的简并度; kB是玻尔兹曼常数; Ei是上能级能量; Us(T)是粒子的配分函数。Us(T)可由下式表示:
对式(1)进行变换可得:
式中: m=-1/(kBT); qs=ln[FCs/Us(T)]; x=Ei; y=ln[Iλ/(giAij)]。
绘制Boltzmann平面图,qs为直线截距,m为斜率。根据m可以计算温度T,并得到各个元素的配分函数Us(T),然后归一化求得F的值,最后可得各粒子的浓度,即:
CF-LIBS中元素的质量分数计算过程可以由图 2表示。
1.1. 实验装置及样品
1.2. CF-LIBS方法简介
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CF-LIBS中元素质量分数的计算结果与选择的分析谱线密切相关,黄铜样品中Cu的原子发射谱线众多,从LIBS特征谱线上能级能量的分布以及谱线灵敏度综合考虑,选择Cu分布在240 nm~460 nm波长范围内的Cu Ⅰ 249.215 nm、Cu Ⅰ 261.837 nm、Cu Ⅰ 282.437 nm、Cu Ⅰ 296.117 nm、Cu Ⅰ 427.511 nm以及Cu Ⅰ 458.697 nm等6条特征谱线以及Zn分布在330 nm~480 nm波长范围内的Zn Ⅰ 330.258 nm、Zn Ⅰ 334.501 nm、Zn Ⅰ 468.014 nm以及Zn Ⅰ 472.216 nm等4条特征谱线为分析对象。黄铜样品中铜和锌元素的LIBS光谱如图 3所示。
图 3表明, 所选择铜和锌元素的特征谱线清晰且不受周边其它谱线干扰。Cu和Zn的相关参数如表 2所示[21]。
λ/nm Ei/eV gi giAij/108 s-1 Cu Ⅰ 249.215 4.9735 4 0.112 Cu Ⅰ 261.837 6.1227 4 1.23 Cu Ⅰ 282.437 5.7775 6 0.47 Cu Ⅰ 296.117 5.5747 8 0.301 Cu Ⅰ 427.511 7.7370 8 2.76 Cu Ⅰ 458.697 7.8046 6 1.92 Zn Ⅰ 330.258 7.7827 5 6 Zn Ⅰ 334.501 7.7834 7 11.9 Zn Ⅰ 468.014 6.6545 3 0.47 Zn Ⅰ 472.216 6.6545 3 1.37 Table 2. The related parameters of Cu and Zn
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由于激光能量越高,特征谱线出现自吸收效应的可能性相应就越大,为了尽量降低特征谱线自吸收效应对计算结果的影响,将激光能量设置到较低水平。激光能量设置为83 mJ,光谱采集延时和门宽分别为2 μs和30 μs。在单次脉冲和10次脉冲平均两种光谱采集方式下,分别测量10组数据,对比分析铜、锌元素的光谱稳定性。Cu的6条特征谱线以及Zn的4条特征谱线光谱强度RSD对比结果如图 4所示。
图 4表明, 单次脉冲条件下,铜元素6条特征谱线和锌元素4条特征谱线的RSD平均值分别为16.5%和26.5%;10次脉冲平均条件下,铜元素6条特征谱线和锌元素4条特征谱线的RSD平均值分别为7.7%和14.2%。与单次脉冲相比,10次脉冲平均使铜和锌元素的光谱RSD平均值分别下降8.8%和12.3%。
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每幅LIBS光谱由10次激光脉冲平均,每个黄铜样品测量10组数据,最终的光谱强度为10次测量的平均值。对3种黄铜中Cu和Zn分别建立Boltzmann平面图,具体结果如图 5~图 7所示。
以黄铜H62为例,由图 5a~图 5b的结果可以得到Cu和Zn对应的斜率和截距分别为:mCu=- 0.871,qs, Cu=-4.273;mZn=-1.062,qs, Zn=-1.478;分别求得铜和锌的温度为:TCu=12100 K,TZn=10900 K; 分别求出铜和锌相应的配分函数为:Us, Cu(T)=0.1895, Us, Zn(T)=0.0082。
通过归一化条件确定F=0.00451,最终计算得到Cu和Zn的质量分数。经过上述计算可知, 黄铜H62中Cu的质量分数为58.5%,Zn的质量分数为41.5%。
CF-LIBS方法是基于等离子体局部热平衡假设,即等离子体内部粒子之间要达到热平衡条件。对黄铜样品中铜和锌元素等离子体温度进行分析,结果如图 8所示。
图 8表明, 3种黄铜样品中等离子体温度平均值分别为11500 K、8820 K和8085 K,铜和锌元素各自的温度与等离子体温度平均值之间的相对误差分别为5.2%、0.9%和7.1%,这说明3种样品中铜和锌元素等离子体温度均较为接近,符合等离子体局部热平衡假设的基本要求。
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将3种样品的质量分数计算值与标准值进行误差分析,3种黄铜样品中铜和锌元素的质量分数计算值和质量分数标准值如表 3所示。
samples standard value calculated value Cu Zn Cu Zn H62 62.0 38.0 58.5 41.5 H80 80.0 20.0 80.4 19.6 H90 89.5 10.5 88.1 11.9 Table 3. Standard and calculated values of copper and zinc mass fraction in three samples/%
表 3中质量分数标准值取表 1中元素质量分数范围的中间值,3种样品中铜和锌元素质量分数的相对误差如图 9所示。
图 9表明,H62、H80和H90 3种样品中铜元素质量分数的相对误差分别为5.6%、0.5%和1.6%;锌元素质量分数的相对误差分别为9.2%、2.0%和13.3%。3种样品中铜和锌元素质量分数的平均相对误差分别为2.6%和8.2%。CF-LIBS方法中元素质量分数的计算误差与选择分析的每条特征谱线密切相关,特征谱线的光谱强度、上能级能量、简并度以及跃迁几率等参数会影响玻尔兹曼图的拟合结果,从而影响等离子体温度和配分函数,最终对元素质量分数的计算结果产生影响。