20131224 - 激光诱导击穿光谱及其应用研究进展

激光诱导击穿光谱及其应用研究进展

钢铁研究总院测试所

贾云海

激光诱导击穿光谱原理

激光诱导击穿光谱法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy 或Laser Induced Plasma Spectroscopy）简称为LIBS 或LIPS，由美国 Los Alamos 国家实验室的 David Cremers 研究小组1962 年提出和实现。该技术是目前国际非常流行，极具价值，非常有前景的分析工具激光经透镜聚焦在样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体，称作激光诱导等离子体。用光谱仪直接收集样品表等离子体产生的发射谱线信号，根据发射光谱的强度进行定量分析。

激光诱导等离子体发射谱线的形成过程

（a）多光子电离形成等离子体

(b) 轫致辐射及电子自由跃迁形成的宽带发射，主要为等离子体中各元素的电离线形成的连续背景谱线，该过程需几百纳秒。 (c)能级跃迁形成的谱线发射，谱线强度与元素浓度成正比。该过程通常持续几微秒，是

进行元素定量分析的重要环节

激光诱导击穿光谱技术的优势

■分析简便、快速，无须烦琐的样品前处理过程；

■对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格，可分析不规则样品；可分析导体、非导体材料，以及难熔材料；可测定固态样品，还可以测定液态、气态样品；

■LIBS 具有高灵敏度与高空间分辨率，可进行原位微区分析；

■可进行样品痕量分析，现场分析以及高温、恶劣环境下的远程分析

激光诱导击穿光谱在环境领域中的应用激光感生击穿光谱的应用研究进行得最早、最深入的是环境领域，libs 主要用于探测水、土、空气中重金属，监控水、土、空气的污染状况。以土壤分析为例：

□传统的化学检测方法需要在实验室里进行并耗费大量的时间用来进行制备、溶解、离子交换等工序

□Libs 可实现实时快速分析土壤中的Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和Zn 等7 种重金属元素，与用ICP-AES 的测量方法比较,误差都不超过6%

激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用

激光诱导击穿光谱可应用于炼钢工艺流程中各个环节：

1 高炉炉气分析

2 炉渣分析

3 液钢分析

4 钢材缺陷分析

5 成品钢材料筛选激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应

用 - 炉气分析不影响冶金工艺流程的情况下，通过对炉气的探测监控冶炼过程中

的传热传质过程高炉炉顶条件:

■平均温度；180℃

■气体流速；10～20m/s

■平均气压：2.3 bar.

氮气作为一种吹扫气体，炉顶气体中氮氩比室检测取样系统故障的标志，而且对于计算铁水冶炼过程中的物质平衡也非常重要，采用双脉冲技术，可实现对氮气的探测。其他测量元素包括：Na, K, Zn, Pb, C, O, H, Ca Fe. 测量含量范围：2.46 x 10-3 ～ 1.84 x 10 -2 g/m3 ，相对标准偏差：2.3% to 7%.

激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用-钢液的直接分析

■传统离线分析法：钢液取样，样品凝固，升降台送样，样品预处理后用火花光谱仪对炉前样品进行分析。

■激光诱导击穿光谱：对高温钢液在线直接分析，使及时调整熔体成分成为可能，降低了冶炼成本，提高生产效率。

1 激光器

2 聚焦镜

3激光电源计算机

4反射镜

5聚焦镜

6感应炉

7坩锅高温下

钢液谱图

高温钢液的谱图比常温下复杂很多，且高温下光谱信号也极不稳定，通过增加激发的次数，多点平均平滑处理获得了良好的效果。

钢液的分析结果

LDR ：线性动态范围

R2: 相关系数

LOD: 检测限 RSD：五次测量的

相对标准偏差 SD: 五次测量的

标准偏差

激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用-钢材缺陷分析

缺陷检测的传统方法-电子探针微分析(EPMA)

•样品制备耗时多

•操作需要特殊技术

很难满足大量样本的快速检测

LIBS 和 EPMA 分析结果对照

LIBS 可以迅速判断缺陷类型

LIBS 和 EPMA 分析过程比较

激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用-材料筛选由于可靠耐用、对环境耐受性强、响应快、自动化、易于现场操作，LIBS 技术已被成功地用于工业生产过程控制与材料筛选。全自动化激光诱导击穿光谱系统用于自动钢产品筛选，以下过程都由软件控制完成。

■机器人：样品取放

■激光激发控制

■数据处理

■样品取放到位的探测

■标样的曲线标定激光

诱导击穿光谱分析不锈钢的性能

Fe: 25.721~96.465 Cu: 0.019~208 Mn: 0.18~13.794

Cr: 1.155~28.34 Mo: 0.01~3.105

Ni: .1~39.745 Ti: 0.004~0.476

■自动筛选条件：

Fe≤0.7%; Cr≤0.25%

Ni≤0.25% C u≤0.03%

Mo≤0.03% T i≤0.05%

■分析结果

样品数：134

➢耗时：80min

➢平均每个样品分析时间（包括预处理时间）为：36s

➢检验准确率：100％

过去采用X 荧光分析,每个样品分析耗时至少15 分钟，激光诱导光谱法用于现场的钢产品筛选，可大大提高了生产效率，

激光诱导击穿光谱在深空探测领域中的应用

LIBS 在深空探测的优势：

•遥感探测，LIBS 可以对登陆车无法到达的区域进行探测

•表面清洁能力—利用重复脉冲除去目标表面的尘土和风华层，使得探测结果更加真实有效

•与阿尔法质子X 射线谱仪数小时的积分时间相比，LIBS 可以实现几分钟的快速探测，极大的增加了登陆车在有限的工作时间内的有效数据。

90 年代初期开始，美国投入了巨大的精力研究LIBS 技术在深空探测领域的可行性，并计划在2009 年的MSL 火星车上装载LIBS 探测仪器。图为轻型LIB S 探测火星土壤的化学成分。

激光诱导击穿光谱在其他领域中的应用

由于LIBS 不用预处理，局部分析区域小、空间分辨率高、不破坏分析对象，可应用在艺术、玻璃、眼镜、医学等行业。典型应用举例：

□定量分析古陶器的釉中的Fe,Ca,Mg,Al 和Si 等。

□联合了喇曼显微技术分析，鉴定古代的油画和壁画、插画等

□定量分析古代玻璃，测定硅酸盐材料中的硼等其他轻元素，而且测定微量元素精度在ppm 水平

□分析眼镜中的Pb 含量，辨别不同种类的眼镜

□利用LIBS 研究牙齿，腿骨中痕量元素含量，研究钙化物的形成与自然环境、生理和医学的关系

激光诱导击穿光谱应用前景展望

■LIBS 的优越性在于无须制样、直接快速、样品损失少、灵敏度高、用途广泛。它不仅可以提供微观的物质结构、化学成分及其变化信息，而且适合于各种形态、尺寸的样品，是目前极为活跃也很有发展前景的研究领域