基体温度对激光烧蚀等离子体光谱信号的影响

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激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是一种能够远程原位、实时在线、无需样品预处理、全元素分析的元素检测技术,已被应用于众多领域。相关研究表明提高基体温度可以增强LIBS光谱强度,但基体温度对LIBS的影响机制尚不明确。LIBS技术在一些极端、复杂的环境下具有无可比拟的优势,多用于进行在线监测和远程分析,如在合金冶炼,增材制造等变温服役环境下,LIBS技术可以在线监测元素偏析与杂质分布的现象,研究基体温度对LIBS的影响亦对LIBS在线应用有着重要的意义。本论文在空气环境下,氩气环境下和真空环境下分别研究了钨钼合金基体温度对LIBS光谱信号,等离子体温度和电子密度的影响,对合金表面烧蚀坑进行了形貌表征,以评估基体温度对LIBS的影响,并对其影响机制进行了探讨。具体内容如下:1.空气环境下基体温度范围在20℃410℃内,实验结果表明:钨钼合金LIBS光谱强度I随着基体温度的升高有所增强,基体温度为410℃时的谱线强度约为室温下谱线强度的6倍。所以在空气环境下,提高基体温度对提高LIBS分析的灵敏度是有利的。激光等离子体温度0(8)和电子密度9)0)随着基体温度的升高而增加。烧蚀坑形貌的变化规律:在基体温度为410℃时获得了比室温下烧蚀直径更大但烧蚀坑深度更浅的烧蚀坑,这对LIBS的纵向深度分析是有利的,且在基体温度高的情况下烧蚀坑体积大于室温下烧蚀坑体积。空气环境下基体温度升高会发生氧化作用,亦是影响烧蚀坑形貌的一个重要因素,从而对钨钼合金LIBS光谱产生影响。2.氩气环境下基体温度范围在20℃400℃内,实验结果表明:钨钼合金LIBS光谱强度I随着基体温度的升高有所增强,基体温度为400℃时谱线强度约为室温下谱线强度的13倍。所以在氩气环境下,提高基体温度对LIBS分析的灵敏度是有利的。激光等离子体温度0(8)和电子密度9)0)随着基体温度的升高而增加。烧蚀坑形貌的变化规律:在基体温度高的情况下获得了比室温下烧蚀直径更大但烧蚀坑深度更浅的烧蚀坑,这对LIBS的纵向深度分析是有利的,但是与空气环境下不同的是在基体温度高的情况下获得的烧蚀坑体积都小于室温下的烧蚀坑体积。3.真空环境下探索实验在温度范围20℃606℃内进行,钨钼合金LIBS光谱强度I随基体温度变化较小,激光等离子体温度0(8)和电子密度9)0)在误差范围内随基体温度不发生改变。不同环境下基体温度对LIBS分析影响结果有所不同,这些变化规律对未来发展复杂环境下原位在线诊断系统提供了必要的实验基础,对推动LIBS技术高精度定量化发展有一定促进作用。
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