[發(fā)明專利]元素光譜分析方法及采用該方法的激光元素勘探設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210038157.4
• 申請日: 2012-02-20
• 公開（公告）號: CN102590157A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡志裕;張雷;趙剛;尹王保;馬維光;董磊;賈鎖堂
• 申請（專利權(quán)）人: 山西大學(xué)
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光譜分析與檢測領(lǐng)域，具體涉及一種元素光譜分析方法及采用該方法的激光元素勘探設(shè)備。

背景技術(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中常常要對相關(guān)材料及礦物的化學(xué)元素進(jìn)行定性、定量的檢測分析。傳統(tǒng)的材料、礦石檢測和分析法主要有化學(xué)化驗(yàn)法、原子吸收法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法。其中，化學(xué)分析法和原子吸收法需要從野外采集樣品，需要較長的分析時(shí)間和繁瑣的操作程序，而且易形成二次污染，所以僅限于實(shí)驗(yàn)室分析；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法靈敏度高，可對多種元素同時(shí)測量，但需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，試劑用量也較大，而且等離子體炬管容易被沾污。目前國內(nèi)外在現(xiàn)場勘探行業(yè)中占主導(dǎo)地位的方法為X射線熒光光譜法（XRF），采用X熒光能量色散或波長色散原理，測量精確，不需要取樣及破壞待測樣品，可現(xiàn)場對礦石成分進(jìn)行直接檢測分析，但其在空氣環(huán)境中對輕元素(如Mg，Al，Si，P，S等)?鑒別能力弱，對原子量為23以下的元素測量則需要選配充氦裝置，而且測量時(shí)須與被測樣品直接接觸，不可以實(shí)現(xiàn)遙測，另外X射線有輻射危害，長期使用容易引起各類疾病，以上均限制了該方法的進(jìn)一步推廣。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜法（laser?induced?breakdown?spectroscopy）簡稱LIBS，是一種激光燒蝕光譜分析技術(shù)，具有無需樣品預(yù)處理、測量速度快、靈敏度高、對樣品破壞性小、可多元素同時(shí)分析、對輕元素(如Mg，Al，Si，P，S等)?鑒別能力強(qiáng)、安全無輻射、可遙測等優(yōu)點(diǎn)。激光誘導(dǎo)擊穿光譜法是基于脈沖激光技術(shù)，將一束高能量的激光聚焦到待分析的物質(zhì)的表面，將聚焦處部分物質(zhì)燒蝕后產(chǎn)生高溫等離子體，等離子體溫度上升至幾千度，產(chǎn)生更多的帶電離子。等離子體中各元素的電離線形成連續(xù)背景譜線，該過程需要幾百納秒；之后形成等離子體中各元素的原子發(fā)射譜線，原子發(fā)射譜線包含了各元素的特征信息，不同的元素對應(yīng)各自的原子發(fā)射譜線，譜線強(qiáng)度與元素濃度近似成正比，該過程持續(xù)幾微秒，是進(jìn)行元素定性分析特別是定量分析的重要環(huán)節(jié)。分析原子發(fā)射譜線可判斷出樣品中所含元素的種類；通過分析各譜線之間的強(qiáng)度之比即可定量分析出樣品中各元素的相對含量。對元素進(jìn)行定量分析時(shí)采用本行業(yè)所熟知的自由定標(biāo)法，即直接根據(jù)得到的原子發(fā)射譜線的相對強(qiáng)度，歸一化計(jì)算出各組分的濃度，這樣可以避免不同種類的礦石基底變化帶來的干擾。計(jì)算譜線的相對強(qiáng)度時(shí)，采用譜線峰高作為譜線相對強(qiáng)度。

所述定量分析法利用自由定標(biāo)法分析元素濃度時(shí)，通過提高相關(guān)中間計(jì)算參數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確性（等離子溫度，電子密度，譜線強(qiáng)度等）來提高自由定標(biāo)法的測量精度。計(jì)算等離子體溫度時(shí)，利用Saha-Boltzmann多線圖方法代替常用的Boltzmann斜線法，用同一元素的一價(jià)離子譜和中性原子譜通過Saha方程變化，做斜線來確定溫度。因?yàn)檫x用來自不同電離態(tài)的發(fā)射譜線，而它們的上能級具有更大的能級差，所以對溫度的計(jì)算有更高的準(zhǔn)確性。進(jìn)行Saha變換需要測量等離子體的電子密度，這里通過分析發(fā)射譜線的Stark展寬來計(jì)算電子密度。譜線Stark加寬主要線型為Lorentzian型，采用Lorentzian輪廓線型擬合對譜線線型進(jìn)行修正，可避免譜線有重疊造成的干擾，提高譜峰半高寬的計(jì)算精度，間接提高測量精度。

目前對元素的定性分析還需要用肉眼觀察法尋找原子發(fā)射譜峰，再通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National?Institute?of?Standards?and?Technology）簡稱NIST的原子光譜數(shù)據(jù)庫查找和比對；由于對峰所在位置的判斷常常不夠準(zhǔn)確，使得無法實(shí)現(xiàn)對未知礦物樣品的準(zhǔn)確的定性分析；定量分析中采用光譜峰高表示原子發(fā)射譜線的相對強(qiáng)度，導(dǎo)致分析結(jié)果不夠可靠；目前使用的LIBS檢測系統(tǒng)存在激光強(qiáng)度不夠穩(wěn)定，發(fā)射出的激光在對樣品進(jìn)行燒蝕時(shí)，導(dǎo)致樣品所產(chǎn)生的等離子體輻射出的原子發(fā)射譜線強(qiáng)度同樣不穩(wěn)定，影響了定量分析的精確性；目前成型的LIBS檢測系統(tǒng)一般由氙燈泵浦的調(diào)Q式Nd：YAG激光器、光譜儀、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)等組成，體積較大，并且需要220V市電供電，限制了其移動(dòng)性，不便于野外作業(yè)或現(xiàn)場勘查時(shí)隨身攜帶。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決目前對于元素的原子發(fā)射光譜分析方法存在缺陷導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，以及目前所用激光元素勘探設(shè)備上的激光光源強(qiáng)度不夠穩(wěn)定及攜帶不夠方便的技術(shù)問題，提供一種元素光譜分析方法及采用該方法的激光元素勘探設(shè)備。