激光诱导击穿光谱技术在铜矿石元素分析中的应用

激光诱导击穿光谱技术在铜矿石元素分

析中的应用

摘要:文章通过对激光诱导击穿光谱技术在铜矿石元素分析中的应用，得出

矿石中钙、镁、铜、铁、碳、钠、硅、铝等元素含量。同时结合运用玻尔兹曼法，基于原子谱线计算得到矿石等离子体的电子温度及等离子体的离子温度。基于实

验结果，该方法可以满足实验要求，如普及运用的话，还需做专业论证。

关键词: 激光诱导击穿光谱技术；等离子体，铜矿石

laser-induced breakdown spectroscopy in elemental analysis of copper ore

Lei Bo Li Qing-cui Jing Miao

Shaanxi Institute of Geology and Mineral Resources Co.Ltd,xi’an

city shaanxi 710000

Abstract:The content of calcium, magnesium,

copper,iron,carbon,sodium,silicon and aluminum in copper ore was obtained through the application of laser-induced breakdown spectroscopy in elemental analysis of copper ore.At the same

time,boltzmann method is used to calculate the electron temperature

and ion temperature of plasma based on atomic spectra.Based on the experimental results,this method can meet the experimental requirements.If it is widely used,professional demonstration is needed.

Key words:laser-induced breakdown spectroscopy;Plasma,copper ore

1引言

获取矿石元素的组成成分对于了解地质演变及成矿是很重要的。常见获取物

质成分的方法包括x射线荧光光谱法元素分析技术的检测、电感耦合等离子体原

子发射光谱法、质谱和原子吸收光谱。以上方法均是先采用收集样本，然后返回

实验室再进行分析，不但费时而且效率较低。而20世纪后期发展起来的激光诱

导击穿光谱技术是一种全新的物质元素分析方法，其基本原理是:脉冲激光器输

出的激光脉冲聚焦到被测物体表面，产生的激光功率密度超过1GW/cm2，在如此

高的功率密度作用下，被测材料表面就会有几微克的物质被喷射出来，产生短寿

命高亮度的等离子体。在激光脉冲结束后，由于膨胀等离子体迅速冷却下来，处

于激发态的原子或离子从高能态跃迁到低能态，发射出具有特定波长的光辐射。

用高灵敏度的光谱仪对这些辐射进行探测和分析，就可以得到被测材料的元素信息。和其它分析手段相比，激光诱导击穿光谱技术具有如下特点:能够分析任何

物理状态的材料；具有多元素和远程分析能力；样品无需预处理；测量速度快；

既可以表面涂层分析也可以逐层深度轮廓分析等。因此该技术被广泛地应用在物

质的痕量分析，环境保护，钢铁冶炼，金属薄膜加工，甚至未来空间探测等领域。

激光与物质相互作用是一个非常复杂的非线性过程，用来描述激光诱导等离

子体的特征参数不仅依赖于被测物质的物理化学特性，而且也依赖于所用激光器

的参数，影响测试结果，因此目前还没有一个统一模型来描述激光与等离子体的

过程，其作用机理还需要进一步研究。

目前的研究工作，用激光诱导击穿光谱技术研究某铜矿石的元素成分及其特

征参数。铜矿石采集于内蒙古巫山铜钼矿，其实物照片如照片1所示。据我们所知，用激光诱导击穿光谱技术进行某铜矿石的研究文献没有类似报道。

照片1 铜矿石实物图。

2实验装置

实验的光源系统采用北京镭宝公司的SGR系列调QNd:YAG激光器；等离子体辐射信号的采集和探测采用爱万提斯公司的快触发型五通道光谱仪AvanSpec-2048FT-5；等离子体信号的数据处理和原子光谱的证认采用软件AvaSoft-激光诱导击穿光谱和AvaSoft-Specline-A。实验在室温下进行，实验的主要参数如下:输出波长:1064nm；会聚透镜的焦距:150mm；脉冲宽度:19.7ns；重复频率:1Hz；激光脉冲能量:135mJ；延迟时间:5μs；积分时间:2ms；信号采集方位:光纤垂直于激光入射方向。

3结果和讨论

3.1 激光诱导某铜矿石等离子体光谱的描述

图1 激光诱导铜矿石等离子体发射光谱的部分图

图1是铜矿石等离子体的光谱。根据NIST数据库和我们的光谱分析软件，在等离子体光谱中证认出钙元素、铁元素、碳元素、钠元素、硅元素、铝元素、铜元素和镁元素。这些元素的特征谱线分别如下，Ca:422.67nm；Fe:279.55nm；C:243.49nm；Na:251.55nm；Si:288.16nm；Mg:285.21nm；Al:308.22nm；

Cu:324.75nm。

3.2铜矿石等离子的电子温度和离子温度

电子温度是描述等离子体特性的一个重要的物理量。电子作为等离子体内能的主要载体，通过它的变化，可以间接了解等离子体内能的变化。而且，等离子的其他特性，如:能级上原子或离子的布居分布以及各粒子的速度分布等都需要借助电子温度来描述。在局域热动力学平衡条件下，不考虑等离子体的自吸收效应，能级上原子数的布居满足Boltzmann分布规律。