1 中国矿业大学安全工程学院, 江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学职业健康研究院, 江苏 徐州 221116
电火花诱导击穿光谱(SIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的物质浓度与成分的定性、 定量分析技术。 与传统的实验室分析技术如电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、 原子吸收光谱(AAS)、 质谱(MS)等相比具有实时、 实地、 在线快速检测、 高灵敏度以及低成本、 小体积、 维护简单等优点。 目前对该技术已有的研究集中在气溶胶成分分析、 土壤成分分析、 金属颗粒物浓度检测、 水泥成分分析等方向, 在环境监测、 工业卫生、 食品安全、 生物医疗等领域都有广泛且良好的应用前景。 从SIBS技术的基本原理入手, 综述了其光谱分析的原理, 即利用高压脉冲电源产生的电火花激发被测物体表面, 使被测物体在电源正负极间产生等离子体, 利用光谱仪光纤探头收集等离子体冷却过程中通过跃迁放出的光子与特征辐射谱线, 由于不同元素具有独特的特征谱线, 进而可以根据特征谱线对被测物质进行成分与浓度的定性和定量分析; 接着分析了影响SIBS技术光谱图像和光谱分析的相关因素如脉冲电源参数、 电极材料与入射角度和等离子体本身特性等, 并定量地指出了部分因素与光谱信号强弱的关系; 综述了该技术在发展过程中的一些技术革新和应用创新如激光+电火花诱导(LA-SIBS)、 高重复频率激光烧蚀电火花诱导击穿(HRR-LA-SIBS)、 超声波雾化+电火花诱导(UN-SIBS)、 粒子流电火花诱导击穿(PF-SIBS)等, 并简要说明了SIBS技术目前应用的一些领域、 应用特点以及对该技术未来发展方向的启示; 根据电火花诱导击穿光谱技术的原理缺陷以及在应用中暴露出来的一些问题, 列出了该技术目前面临的挑战如设备技术成本、 电火花能量、 环境噪声、 样品污染等; 最后, 对电火花诱导击穿光谱技术未来的研究方向和发展趋势进行了展望。
电火花诱导击穿光谱技术 等离子体特性 低成本 定量分析 SIBS Plasma characteristics Low cost Quantitative analysis
Author Affiliations
Abstract
1 School of Resources and Environment, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
2 Shanghai Institute of Space Propulsion, Shanghai Engineering Research Center of Space Engine, Shanghai 201112, China
In this paper, a new optical analysis method for plasma characterization is proposed. Plasma characteristics are obtained directly by measuring the plasma luminous color, rather than the complex spectral diagnosis method, which is difficult to obtain at high speed. By using the light transmittance curve of the human cornea, the RGB coordinates are calculated from the measured plasma spectrum data. Plasma characteristics are diagnosed using the Boltzmann plot method and the Stark broadening method. The corresponding relationship of the electron temperature, electron density data points, and luminous color is established and analyzed. Our research results indicate that this optical analysis method is feasible and promising for fast plasma characterization.
optical analysis method plasma characteristics spectral diagnosis high-speed miniaturized actuator Chinese Optics Letters
2022, 20(7): 073001
厦门大学化学化工学院, 谱学分析与仪器教育部重点实验室, 福建 厦门 ３６１００５
利用大气压脉冲微放电剥蚀源对铝合金进行光谱分析。 该针板结构微放电装置具有价格低廉、 操作便捷、 分析快速等特点。 脉冲放电能瞬间注入极大的放电能量, 不致使样品融化, 进而保证放电的稳定性。 在几微秒的时间内, 对钨针电极施加近-4 000 V的高压, 电极间迅速形成放电通道, 针尖和样品之间形成高达20 A的电流, 造成对样品的剥蚀, 并对被剥蚀的粒子进行激发。 单次放电脉冲注入能量约为85 mJ, 能量以电流的形式传递于放电电极。 剥蚀形貌图表明放电微等离子体局域在电极间隙, 针尖轴向上的能量传递和电流密度远高于离轴区域。 为了深入研究剥蚀机制和物理性质, 对等离子体源的电学特性进行了讨论。 通过精确的时序拍摄技术观测了等离子体的演化过程, 从ICCD相机的快速成像结果可以看到等离子体源寿命与脉冲高压放电源的脉宽相当, 发光强度与放电电流变化趋势相吻合。 与光谱分析装置相连接, 脉冲微放电剥蚀源可有效激发合金样品中的铝、 镁、 锰、 铜等元素原子谱线。 对放电过程等离子体光谱特性进行考察, 利用玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算等离子体电子温度和电子数密度, 分别得到过程中等离子体电子激发温度约6 700 K, 等离子体电子数密度约1017 cm-3量级, 并验证了放电处于局域热平衡状态。 探究其定量分析性能, 结果表明该脉冲微放电等离子体直接作为一种光谱分析源可实现对铝合金样品快速定量分析。
脉冲微放电等离子体 光谱分析 等离子体特性 元素分析 Pulsed micro-discharge plasma Spectral analysis Plasma characteristics Elemental analysis 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1661
湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南 长沙410082
为了研究辅助侧吹氩气对光纤激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮等离子体的影响, 利用高速摄像机拍摄不同侧吹工艺参数下等离子体空间膨胀形态, 结果表明: 氩气降低了等离子体的膨胀高度, 随着压力增加, 等离子体的膨胀距离减小, 等离子抑制作用增强。 利用光谱仪研究了等离子体发射光谱在砂轮径向上的最大值随氩气压力的变化情况, 并根据Boltzmann斜线法和Stark展宽法, 计算不同氩气压力下等离子体在砂轮径向上电子温度和电子数密度的最大值, 结果表明: 气体压力增大, 等离子体光谱线强度先增大后减小, 等离子体光谱线强度在0.2 MPa时达到峰值, 较大的氩气压力明显降低等离子体电子温度和电子数密度, 从而减小对砂轮表面形貌的影响。 利用超景深三维扫描仪观测添加侧吹气体前后砂轮表面形貌, 结果表明: 0.5 MPa侧吹氩气后, 砂轮表面形貌质量明显优于未添加侧吹气体时。
光谱学 激光修锐 侧吹气体 等离子体 电子温度 电子数密度 Spectroscopy Laser dressing Side blowing Plasma characteristics Electron temperature Electron number density 光谱学与光谱分析
2014, 34(5): 1153
为深入了解激光诱导击穿光谱技术应用于钢液成分的检测机制，对45#钢样品分别为高温熔融液态和冷却凝固后的固态样品的激光诱导击穿光谱特性进行了对比分析。实验表明，相比固体样品，在相同实验条件下对钢液进行直接测量的稳定性相对较差。各波段的光谱强度液态钢的要明显强于固态钢，两者的等离子体特性存在较大差别。采用Fe的五条原子谱线用于估算两种形态样品的等离子体温度，Si的一条原子谱线 390.55 nm用于计算电子密度。结果表明，高温液态钢的等离子体温度和电子密度均高于常温固态钢，样品本身温度和形态的差异是导致两种形态样品等离子体特性和光谱特性存在差异的重要原因。
光谱学 激光诱导击穿光谱 光谱特性 等离子体特性 固态钢 液态钢
