光谱学与光谱分析

无机爆炸物及其主要成分的激光诱导击穿光谱实验研究
赵 华，王茜? ，刘 凯，葛聪慧
北京理工大学光电学院，北京 １ ０ ０ ０ ８ １
摘 要 以一种常见的无机爆炸物— — —黑火药及其主要成分硝酸钾作为研究对象，硝酸钠样品作为参照物， 使用１０ 空气和氩气） 中三种样品的击穿 ６ ４ｎ ｍ 调 Ｑ 激光器作为光源，进行实验研究。获得了不同环境气体（ 诱导等离子体光谱，在不同延迟条件下获得了三种样品的时间分辨谱，并分析了三种样品的 Ｏ ／ Ｎ 谱线强度 比值随延时的变化，得出在延时５ ／ ９ ６ｎ ｓ时， Ｏ Ｎ 比值达到最大值。 关键词 激光诱导击穿光谱；时间分辨；黑火药；氩气 中图分类号： ： ／ （ ） Ｏ ６ ５ ７ ． ３ Ａ 犇 犗 犐 １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ２ ０ １ ２ ０ ３ ０ ５ ７ ７ ０ ５ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ０ ５ ９ ３ 文献标识码： ｊ ｃ ｍ 的凸透镜聚焦于样品表面。探测系统采用 Ｏ Ｒ Ｉ Ｅ Ｌ 公司 · Ｍ Ｓ ２ ５ ７型 光 谱 仪，入 射 狭 缝 宽 度 ２ ｍ ｍ，光 栅 １２ ０ ０ｌ ｍ ｍ－１，可探测光谱约１ ４ ０ｎ ｍ 宽，为了研究氧、氮和氢原子 的特征谱线，选择探测 ６ ４ ０ ８ ２ｎ ｍ 的光谱。另使用 Ａ ｎ ｄ ｏ ｒ ～７ 公司 Ｅ 。用脉冲延时 Ｅ Ｖ ０ ２ ０ ６型制冷Ｉ Ｃ Ｃ Ｄ，探测门宽１ ０ ０ｎ ｓ 器 控制激光束激发等离子体和探测器开始探测之间 Ｄ Ｇ ５ ３ ５
］ ６ ９ 。 果［ ］ １ ０ 激光诱导等离子体形成过程是一个相当复杂的过程［ 。
犉 犻 １ 狓 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犱 犻 犪 狉 犪 犿犳 狅 狉 狋 犺 犲犔 犐 犅 犛 犈 犵 狆 犵
激光束经过透镜聚焦到样品上，物质吸收能量烧蚀为气态并 电离形成等离子体，同时附近的环境气体也会吸收能量成为 等离子体，而影响等离子体光谱测量结果。使用氩气取代样 品周围空气，可以隔离空气参与到等离子体形成的过程中，
元素 Ｈ Ｏ Ｎ 实验谱线波长 ／ ｎ ｍ ６ ５ ６ ． ８ ３ ７ ７ ７ ． ８ ０ ７ ４ ２ ． ８ ７ ７ ４ ４ ． ７ ０ ７ ４ ６ ． ５ ４ Ｋ ７ ６ ６ ． ３ １ 标准谱线波长 ／ ｎ ｍ ６ ５ ６ ． ２ ８ ７ ７ ７ ． １ ９ ７ ４ ２ ． ３ ６ ７ ４ ４ ． ２ ３ ７ ４ ６ ． ８ ３ ７ ６ ６ ． ４ ９
］ １ １ １ ４ 减小空气对等离子体的影响［ 。
１ Ｉ Ｂ Ｓ实验部分 Ｌ
１ １ 装置 实验装置如图 １ 所 示。激 光 光 源 采 用 调 Ｑ 脉 冲 Ｎ ｄ∶ ，～ ） ，激光经过焦距１ Ｙ Ａ Ｇ 激光器（ １０ ６ ４ｎ ｍ， １ ６ｎ ｓ １ ３ ０ｍ Ｊ ４
，修订日期： ２ ０ １ １ ０ ５ ２ ３ ２ ０ １ １ １ ０ １ ０ 收稿日期： ） 资助 ６ ０ ９ ７ ８ ０ ３ ５ 基金项目：国家自然科学基金项目（ ： １ ９ ８ ２年生，北京理工大学光电学院硕士研究生 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ｈ ｈ ｕ ａ １ ２ ２ ４ ｓ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ 作者简介：赵 华，女， ＠ ： ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ｗ ａ ｎ 通讯联系人 ＠ｂ ｑ ｑ ｇ
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分辨谱如图８所示，本实验延时 ９ ，每隔 １ ６～２０ ９ ６ｎ ｓ ０ ０ｎ ｓ 采集一次数据， ２０ ９ ６ ０１ ９ ６ｎ ｓ每隔 １０ ０ ０ｎ ｓ采集一次数 ～１ 据。延时较短时由于逆韧致辐射的原因，光谱中可以看到很 强的连续背景，连续背景比特征谱线衰减得快，谱峰逐渐显 现出来。与空气中相同的是随着延时的增加，光谱强度逐渐 延迟５ 特征谱与背景才达到一致的水平， 减小。 ０ ９ ６ｎ ｓ之后， 这也是由于氩气作为环境气体，提高了探测的能力。
的延时。系统中电信号在传输线以及器件内部延时数值约 ，脉冲延时器设置的延时减去 １ ，才是真正的延 １ ２ ４ｎ ｓ ２ ４ｎ ｓ 迟时间。探测样品在氩气中的 Ｌ 光谱时 ， 将样品放入密 Ｉ Ｂ Ｓ 如图２所示） ，充满氩气排出空气。 闭铝制样品盒中（ １ ２ 样品 使用黑火药及其主要成分硝酸钾为研究对象，同时选用 硝酸钠作为参照物与硝酸钾样品进行对比。黑火药是黑色、 无烟、粉末状的一种低能量爆炸物，主要成分是硝酸钾、木 炭和硫磺等，硝酸钾和硝酸钠都是白色结晶状粉末。实验中 将待测粉末样品放置在三维样品台上，样品厚度约２ｍ ｍ。
２ 结果及分析
Ｉ Ｂ Ｓ 光谱，分析它 实验中获得了三种样品在空气中的 Ｌ 们的时间分辨特性，又研究了三种样品在氩气环境中 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 光谱的时间分辨特性，最后研究了氧原子和氮原子特征谱线 峰值比例随延迟时间的变化。 使用光谱仪探测到６ ４ ０ ７ ８ ２ｎ ｍ 范围内的积分五次的光 ～ 谱，将实验获得光谱波长数据与 Ｎ Ｉ Ｓ Ｔ 原子光谱数据库中数 。 据进行对比，见表１ 犜 犪 犫 犾 犲 １ 犲 犪 犽 犻 犱 犲 狀 狋 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 犲 犾 犲 犿 犲 狀 狋犎， 犗， 犖犪 狀 犱犓 犘 犻 狀犔 犐 犅 犛 狊 狊 狋 犲 犿犪 狀 犱 犻 狀犖 犐 犛 犜犱 犪 狋 犪 犫 犪 狊 犲 狔
犉 犻 ２ 犛 犽 犲 狋 犮 犺犿 犪 犳 狋 犺 犲 狊 犪 犿 犾 犲犫 狅 狓狌 狊 犲 犱 犳 狅 狉犃 狉 犪 狊 犵 狆狅 狆 犵
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光谱学与光谱分析 第３ ２卷 火药、硝酸钾和硝酸钠样品的氧原子谱线信背比都达到最大 值（ 图３ ） ，所以选择延时５ ９ ６ｎ ｓ时的光谱进行对比。 ２ ． １ ． １ Ｉ Ｂ Ｓ光谱 黑火药样品在空气和氩气环境中的 Ｌ 在延时５ ９ ６ｎ ｓ时，空气和氩气环境中黑火药样品的光谱 如图４所示，氩气中氧、氮、氢原子谱线已经比空气中降低 了许多，尤其是氢在氩气中几乎观察不到，这与黑火药成分 中不包含氢元素的事实相符合。氮、氧原子谱线降低是因为 氩气排除了空气中氧、氮对等离子体的影响。激光激励黑火 药的同时，附近的氩气也被激发，所以图４ （ ） 中氩原子谱线 ａ 十分明显。
引 言
ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ 激光诱导击穿光谱 （ ｐ ， ） 技术是通过将高能量激光聚焦到被测样品上，在 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ ｐ ｙ 焦点处产生等离子体，探测等离子体的光谱，来研究样品定 性或定量特性的一种技术。 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ是一种原子发射光谱，与其 如Ｉ ， ） 相比，有很大 他原子发射谱分析方法（ Ｃ Ｐ Ｄ Ｃ Ｐ和 Ｍ Ｉ Ｐ
２ １ 不同环境气体中、相同延迟时间下，光谱数据分析 由于焦点附近的环境气体也同样会吸收激光能量形成等 离子体并发光。光谱仪接收到的等离子体发光也包含着环境 气体的信息，所以在此对比同种样品在不同气体中的光谱 图。经过分析获得的光谱数据，在空气中延时５ ９ ６ｎ ｓ时，黑
／ ，犖 犉 犻 ３ 犺 犲犛 犅狅 犳犗犲 犾 犲 犿 犲 狀 狋狅 犳犫 犾 犪 犮 犽狆 狅 狑 犱 犲 狉 犪 犖 犗 狀 犱 犜 ３犪 犵 犓 犖 犗 狋 狋 犻 犿 犲犱 犲 犾 犪 ２ ９ ６ １１ ９ ６狀 狊 犻 狀犪 犻 狉 ～ ３犪 狔
］ １ 的优势［ ：能多组分、远距离地进行实时测量分析；简单快
速，一次性完成物质烧蚀和激励等。 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技术迅速发展成为 一种探测物质成分的新兴有效的方法，目前 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ 技术已经
］ ２ ５ ，美国陆军实验室的研究人 在各个领域内获得广泛应用［
员对 Ｌ Ｉ Ｂ Ｓ技术在爆炸物鉴别方面的研究获得了初步成
犉 犻 ８ 犐 犅 犛 狊 犲 犮 狋 狉 狌 犿狅 犳 犫 犾 犪 犮 犽狆 狅 狑 犱 犲 狉 犻 狀犃 狉 犪 狊 犔 犵 狆 犵 犪 狋 犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狋 犻 犿 犲犱 犲 犾 犪 ９ ６ １ ０１ ９ ６狀 狊 ～ 狔 ２ ３ 氧原子、氮原子谱线强度比的讨论 大多数爆炸物的共性是含有较多的氮和氧元素，可以通 过测量氧和氮原子的谱线强度比 （ ／ 来进行爆炸物识别。 Ｏ Ｎ） 因此本实验研究 Ｏ ／ 在氩气和空气中随延时变化 ，选择 Ｏ Ｎ （ ） 与 Ｎ（ ） 来计算。 ７ ７ ７ ． ８ ０ ７ ４ ６ ． ５ ４ ／ ２ ． ３ ． １ Ｎ 比值随延时时间的变化 黑火药样品 Ｏ 图９是黑火药样品延时２ ／ ９ ６ １１ ９ ６ｎ ｓ时 Ｏ Ｎ 比值的变 ～ 化，在空气中 Ｏ ／ ／ Ｎ 逐渐降低，而在氩气中 Ｏ Ｎ 变化不大， 这与氩气排除空气的影响有关。随着延时增加等离子体逐渐 膨胀，产生的冲击波将周围的空气推挤到外围，使得空气对 等离子体的影响逐渐变小，所以 Ｏ ／ ／ Ｎ 比变低。而氩气中 Ｏ Ｎ 比值只受黑火药中的氧、氮元素影响，所以变化不大。经 过计算 Ｏ ／ ，而 氩 气 中 为 ０ Ｎ 比平均值空 气 中 为 ２ ． ５ １ ３ ． ８ ６ ５
第３ 第３期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２卷 ， ２０１２ 年 ３ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２， Ｎ ｏ ． ３， ５ ７ ７ ５ ８ １ ｐ ｐ ， Ｍ ａ ｒ ｃ ｈ ２ ０ １ ２
） ） 犉 犻 ５ 犐 犅 犛 狊 犲 犮 狋 狉 犪狅 犳犓 犖 犗 犪 犪 狀 犱犖 犪 犖 犗 犫 犻 狀 狋 狑 狅 犔 ３（ ３（ 犵 狆 狊 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犪 狊 犲 狊 犪 狋 狋 犻 犿 犲犱 犲 犾 犪 ５ ９ ６狀 狊 犵 犵 狔
第３期 光谱学与光谱分析 ２ ． １ ． ２ Ｉ Ｂ Ｓ光谱 硝酸钠和硝酸钾在空气和氩气环境中的 Ｌ 延时５ ９ ６ｎ ｓ条件下，硝酸钠和硝酸钾在不同环境气体中 的光谱如图５所示。硝酸钾光谱中有明显的 Ｋ 原子谱线，而 由于光谱探测范围是６ ４ ０ ７ ８ ２ｎ ｍ， Ｎ Ｉ Ｓ Ｔ 数据库中 Ｎ ａ原子 ～ 谱线５ ８ ９ ． ５ ９ ２ｎ ｍ，所以硝酸钠光谱中没有钠原子谱线。在氩 气环境中，硝酸钠中氮、氧谱线强度比空气中降低了许多， 硝酸钾样品在氩气中谱线强度比较大，是由于实验时 Ｉ Ｃ Ｃ Ｄ 的接收增益调大的原因。 ２ ２ 样品在不同环境气体中随延迟时间变化的时间分辨谱 ２ ． ２ ． １ 空气环境下的黑火药时间分辨谱 空气环境中获得的黑火药样品延时９ ６ ２０ ９ ６ｎ ｓ的时间 ～ 分辨谱如图６所示，本实验中延时从 ９ ６ｎ ｓ开始每隔 １ ０ ０ｎ ｓ 采集一次光谱数据，从图中 ６ 可以看出，在 ９ ６ｎ ｓ时黑火药 成分中的氢 （ ） 、 氮 （ ） 和氧原子 （ ） 的特征谱线已经可以 Ｈ Ｎ Ｏ 明显地观察到。随着延时的增加，三种原子的特征光谱和非 特征光谱都逐渐降低，到２０ ９ ６ｎ ｓ时，三种原子的特征光谱 基本已经观察不到了。从图７中可以更明显看出黑火药中的 氢、氧原子谱线强度逐渐降低。这是由于随着延时增加，激 光激发的等离子体逐渐膨胀，等离子体渐渐冷却，等离子体 发射光也逐渐衰减。在本实验中延时超过 １３ ９ ６ｎ ｓ之后，特 征谱线强度基本衰弱到与背景几乎一致的水平。 ２ ． ２ ． ２ 氩气环境下的黑火药时间分辨光谱 氩气环境中获得延时９ ６ １ ０１ ９ ６ｎ ｓ黑火药样品的时间 ～