等离子体光谱测试

关键词：

等离子体光谱测试（精选七篇）

等离子体光谱测试 篇1

1 实验部分

1.1 试剂

1.1.1 氩气:纯度不低于99.999%;

HNO3:分析纯;

H2SO4:分析纯;

铑标准溶液(GSB):Rh含量为1000ug/m L

1.2 仪器

等离子原子发射光谱仪(Perkin-Elmer Optima 2000),

1.3 样品的制备

1.3.1 样品溶解方法的探讨

作者曾经发表过合成醋酸反应液中的三碘化铑的测定方法,使用王水溶解反应液来制备试样,时间快、溶解彻底,效果良好,最初我们也用王水处理正丁醇反应液,结果非常不好:反应液加入王水后虽然暂时溶解,呈现透明状态,但加水稀释后油状物马上析出,油粒非常明显,说明试样没有完全溶解,有部分有机物存在。为什么会出现这种状况?对这两种反应液组分进行对比,发现醋酸反应液无机物比例大,适用王水等强酸溶解;而正丁醇反应液中醛类、苯类物质较多,有机物含量较高,在60%~73%之间,且分子量较大,一般的强酸无法溶解有机物,所以造成溶解试样失败。表1是从车间抽取的1~4月份反应液的组份数据。

有机试样的处理有灰化法、碳化酸溶法、微波消解法等。因条件限制我们试验了灰化法和碳化酸溶法,因为反应液的燃点较低,灼烧试验数次都因为试样爆燃导致灰化失败,针对丁醇反应液的现状,我们最终选择碳化酸溶法消解反应液中的有机物:用硝酸或浓硫酸来消解试样中易消解的部分,然后在260℃左右下,使有机化合物裂解、碳化,破坏原来稳定的化学结构,形成小分子化合物,完全消解成为透明溶液。

1.3.2 样品的制备过程

称取0.3~0.4g左右样品,准确至0.0001g,置于小烧杯中,加入10ml硝酸,盖上表面皿,在电热板上缓慢加热,除去样品中各种易挥发、易分解的化合物,样品加热至近干时,加入5ml浓硫酸,保持加热温度260℃大约半小时后试液呈现黄色透明状态,停止加热,冷却至室温,加入50ml水溶解,观察试样:如果试液没有变浑浊或颜色发黑,依然是黄色透明状(铑含量高时呈红棕色),证明样品中有机物消解彻底,如有上述变化说明碳化不完全,需补充硫酸继续加热消解。用蒸馏水冲洗烧杯及表面皿,将溶解后的试样移入250ml容量瓶中,稀释至刻度。随同溶解样品配制空白溶液。

1.4 标准溶液的配制

A标液:铑标准溶液(GSB):Rh含量为1000ug/mL

B标液:分别吸取1ml、2ml、3ml、4ml、5ml标准溶液与5个100ml容量瓶中,加水溶解至刻度线,此标准液中铑含量分别为10ug/ml、20ug/ml、30ug/ml、40ug/ml、50ug/ml。

1.5 样品测试

1.5.1 仪器工作条件的选择

1.5.2 分析谱线的选择

由于样品中各分析元素在高频等离子的激发下,产生成千上万条谱线,因而要分析铑元素,首先选择铑元素的第一灵敏线,选用背景浓度小,激发能级低的谱线。根据这一原则,本实验选用的分析谱线波长段选为343.489nm。

1.5.3 测试过程

1.5.3. 1 开启原子发射光谱仪,打开分析界面,选择上述试验条件,以加入10ml HNO3(1+3)溶液的试液做空白,消除试剂误差。通入B标准试液系列,测得标准值,然后建立标准曲线。

1.5.3. 2 通入样品试液,测得样品中铑含量为C(ug/ml)。

1.5.4 结果计算:

反应液中三苯基膦铑含量以Rh计

R(hppm)=C×250/m

C----测得样品铑含量,ug/ml

m-----样品的质量,g

2 结果与讨论

2.1 对分析方法精密度的验证结果

我们依据上述分析方法和仪器条件下对反应液进行测定,试验数据结果如下:

我们的测试结果按照为质量百分比计算,相对平均偏差%为1.04×10-3。

2.2 加标回收试验对分析方法准确度的验证

向3份反应液样品中分别加入20ug、30ug、40ug的铑元素标准溶液,按照上述方法和仪器条件进行测试,根据测试结果计算回收率。

由表中数据可看出,此方法测定铑含量平均回收率为98.67%,准确度比较高。

3 结语

试验结果表明,碳化酸熔消解法结合等离子发射光谱仪测试丙烯合成正丁醇反应过程中三苯基膦铑含量,准确度高、精密度好。对于指导生产,监控和调节反应过程中催化剂的量有极大的帮助,对以后生产过程中有机物的测定有借鉴作用。

摘要：是我公司2013年10月建成投产丙烯合成正丁醇装置,2014年已经开始满负荷运行,目前各项工艺运行指标稳定,用于工艺监控的各种分析方法经过不断改进、探讨、试验,最终确定下来应用于各种工艺需求的检验项目,本文对合成反应过程中催化剂三苯基膦铑的测定方法经过反复试验,采用碳化酸熔消解,然后使用等离子发射光谱仪进行测定三苯基膦铑的含量,此方法准确度高,对工艺监控提供了有力支持。

熔体的等离子体光谱分析 篇2

炼钢过程是复杂的高温物理化学反应过程, 目的就是将含有较多杂质的铁水与吹入的氧气发生反应, 去除杂质, 从而获得要求的钢水成分和温度。随着炼钢技术的发展与冶炼工艺的改进, 加快了冶炼速度, 冶炼现场也迫切希望检验周期尽量缩短, 同时还要满足冶炼产品质量要求, 对钢水成分的控制要求也不断提高[1]。

炼钢控制的关键是准确预报温度和元素含量。现代化的冶炼过程要求能够及时进行成分分析, 快速地反映出冶炼过程的变化, 以便能更准确地判断冶炼的终点, 以提高所冶炼钢种的命中率。

随着冶金工艺的不断更新, 冶金生产过程在线分析已经成为冶金分析研究的重点, 而全流程控制、实时性是未来冶金在线分析的主要特点。利用光谱分析技术, 能够适应恶劣环境, 可以直接对成分进行分析, 分析的结果更可靠;而且可以实现对整个吹炼过程中各元素及温度的实时定量分析, 提供吹炼过程中的全部信息。

1 工艺流程

炼钢是一种不需外加热源, 主要以液态生铁为原料的炼钢方法。炼钢的热量来源是液态铁的物理热和化学热。物理热与铁水温度有关, 化学热是铁水中各元素氧化后释放的热量, 与铁水的化学成分有关。靠液态生铁的物理热和生铁内各组分 (如碳、锰、硅、磷等) 与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量, 使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料 (如石灰、石英、萤石等) , 为调整温度, 可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。

对吹炼过程的控制实质上就是指终点控制, 炼钢终点控制就是控制炼钢过程的进行时间, 保证钢水温度和成分在吹炼结束时符合要求。

随着炼钢工艺的进步, 炼钢控制技术大致经历静态、动态和闭环控制三个发展阶段。静态控制是以碳含量控制、温度控制为主, 实现终点的基本命中;动态控制是在吹炼后期检查熔体碳含量、温度, 对静态模型进行动态校正, 实现终点的精确命中;闭环控制是在静态、动态控制的基础上, 实施在线检测和控制喷溅, 全面预报终点C、S、P, 实现全自动控制。

发达国家目前已进入全自动吹炼控制阶段, 其基本方法主要为副枪法、炉气分析法或副枪与炉气分析结合法。

2 光谱分析的理论基础

当物体从外界获得能量后, 一部分多余的能量以光或热的形式释放出来。如果能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来, 就称为发光。光的发射, 总是伴随着物质从高能态向低能态的跃迁。原子或分子从高能级向较低能级跃迁时产生辐射, 辐射的强度按频率 (v) 或波长 (λ) 分布的集合就是发射光谱。发射光谱的特征和规律与原子或分子的能级结构、运动状态以及原子和分子同电磁场或粒子相互作用的性质有关。每一种元素都有其特定的发射光谱。反过来, 发射光谱可以反映一种元素的存在和含量。

当电子在能量不同的轨道之间跃迁时, 原子才会吸收或放出能量。当电子从高能级的轨道 (E2) 跃迁到低能级的轨道 (E1) 时, 原子以光子的形式释放出能量[2]。释放出光的频率与轨道能量的关系为:

其中，c为光速，

在一定条件下原子或离子受激发后, 可以外层电子而发射的特征光谱来研究物质化学组成, 叫做原子发射光谱法。原子发射光谱法对分析试样不需经过化学处理可以直接测定, 分析速度快, 可以同时检测多种元素, 可以广泛应用于各种成分分析的研究, 且检出限低, 准确度高。

3 光谱分析

3.1 工作原理

激光由光纤传输, 经透镜聚焦在样品上, 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, 这些等离子体中包括激发态的自由电子, 中性原子和离子, 称作激光诱导等离子体。这种等离子体局部能量密度很高, 可以实现待测元素的原子化、激发及离子化, 发射出线性光谱, 用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射谱线信号, 从理论上可以根据发射光谱的强度进行定量分析。

在检测装置上设置一个检测专用的喷枪, 通过喷枪向金属液表面吹惰性气体, 作为将要激发出的等离子体的环境气体, 以便下一步进行检测。在吹入气体的作用下, 在对应位置处会产生一个球状凹穴。利用传输光纤, 将激光器发出的激光沿着喷枪的冷却装置传导入, 并利用聚焦透镜将激光束在金属液表面凹穴处聚焦。在高温和惰性气氛中, 金属液在聚焦点附近的很小区域内被充分蒸发、原子化、激发和电离, 产生等离子体, 这些被激发的等离子体会发出线状的特征光谱, 这些特征光谱反应了金属液的成分。由光栅分光系统将各种组分原子发射的多种波长的光分解成光谱, 并由检测装置接收。根据特征谱线的存在与否, 鉴别样品中是否含有某种元素。运用光谱的定量分析方法, 根据这些谱线的强度可以计算出相应各种元素的含量。利用光纤将光谱传导到光谱检测系统, 将各谱线的强度转换成电信号, 检测系统再将电信号发送到计算机, 计算机对信号进行分析处理, 利用相应的软件对电信号进行评价, 确定成分, 计算含量。

为了保护光纤和聚焦透镜, 使其能够在恶劣的条件下良好的工作, 系统还设置了冷却装置和保护罩。

3.2 原子谱线强度的计算

在热力学平衡下, 分配在各激发态的原子数和基态的原子数由Boltzmann分布决定:

gi、g0为激发态与基态的统计权重;Ei:为激发能;k为玻耳兹曼常数;T为激发绝对温度 (K) 。

由此可以算出, 在一般光源温度下, (5000K) , 大多数元素某一激发态原子的密度与基态原子密度的比值在10-4数量级, 可见光源等离子体中激发态原子密度很小, 基态原子的密度N0与气态原子的总密度NM几乎相等所以上式可写为:

其等离子体中不仅存在气态原子NM, 还存在因高温而电离的气态离子NM+和未离解的气态分子NMX, 其离解度β和电离度x分别为:

等离子体中被测元素的总原子数应为三者的总和, 即:

由此可得：

所以：

当蒸发过程达到平衡时, 等离子体中被测元素的总原子数Nl与样品中分析物的浓度c有如下关系

式中, α为分析物蒸发的速度常数, 与其分析物的沸点、蒸发温度、蒸发时的物理化学过程有关;τ是气态分析物在等离子体中的平均停留时间, 其值与光源性质、温度及离子质量有关;q是与分析物蒸发时发生的化学反应有关的常数, 如果蒸发时没有化学反应发生, 则q等于1, 此时, 上式可写成:

所以

从公式中可以看出, 谱线的强度不仅与分析物的浓度c有关, 而且与原子和离子的固有性质有关, 如跃迁几率Ail、辐射频率hvil、激发电位Ei、激发态与基态统计权重gi、g0有关。此外, 温度T以及蒸发速率α、停留时间τ、离解常数β和电离常数x都对谱线强度产生影响, 对于一定的分析物质, 当温度恒定时, 除了浓度项以外, 其余项均可视为常数, 用A表示:

3.3 谱线强度的影响因素

激光诱导等离子体在很大程度上受激光脉冲延迟时间和激光脉冲能量的影响[3]。只有在一定的激光能量下才能产生等离子体, 对不同的材料, 这一阈值不同。而且激光能量不同, 会直接影响产生的等离子体的性质。所以, 激光诱导等离子体对激光能量比较敏感。

在激光诱导产生等离子体时, 环境气体对所产生的等离子体也具有很强的影响。在惰性气体Ar气中, 环境气体的约束作用会使特征谱线强度增加[4~6]。

激光诱导形成的等离子体羽和背景气体的相互作用, 比等离子体在真空中的膨胀要复杂的多, 涉及到等离子体的减速、衰减及能量交换等过程, 从而会影响出射谱 (连续谱、原子谱、离子谱) 的时空行为。不同的环境气体与压强对等离子体寿命及光谱强度的影响很大[7], 背景气体的气压对激光诱导等离子体辐射特征的影响, 主要有以下几个方面:

热库效应:对等离子体来说, 背景气体具有热容器 (热库) 作用。等离子体在演化过程中, 可以从这个热库中继续吸收能量, 使激发跃迁持续几到几十微秒。背景气体的密度直接决定热库效应的强弱, 当气压很小时, 气体密度非常小, 热库效应几乎消失, 特征谱衰减很快;当气压升高时, 气体密度变大, 热库效应增强, 特征谱衰减变慢, 等离子体寿命延长。

约束效应:激光诱导金属等离子体在膨胀过程中, 与环境气体分子发生碰撞, 使等离子体的膨胀受到阻碍和约束。气体密度直接决定着这种约束效应的强弱。当环境气压很小时, 约束效应很弱, 相应特征谱也很弱;气压升高时, 气体密度增大, 约束效应增强, 特征谱强度增强。

阴影效应:激光要经过环境气体才到达待测样品表面。经过气体时, 气体受到激光的作用而分解, 气体分解吸收激光能量, 于是环境气体像阴影一样遮在样品表面上, 使到达表面的能量减少, 所以称为阴影效应。这种效应与气压密切相关。

根据以上分析, 结合实际情况, 可以找出最佳出射谱的环境气体参数。

4 结论

使用中频炉熔解铁水, 用脉冲激光器激发产生等离子体, 利用光谱设备对铁水表面等离子体发射的光谱进行分析, 通过大量实验数据, 建立与铁水各参数变化相对应的光谱特征谱库。根据光谱辐射理论, 铁水的发射光谱与铁水各成分的参数之间存在着内在关系, 实验结果显示在多次实验中光谱存在着显著的变化规律。

参考文献

[1]崔隽, 梁建伟, 郭芳, 李小杰, 沈克.火花光谱自动分析技术在炼钢现场的应用[J].冶金分析, 2008, 28 (9) :20-24

[2]柯以侃, 董慧茹.分析化学手册 (第二版) 第三分册光谱分析[M].北京:化学工业出版社, 2004:19

[3]宋一中, 李亮, 朱瑞富, 激光脉冲能量对激光诱导Al等离子体辐射特征的影响[J].原子与分子物理学报.2000, 17 (4) :589-594

[4]KJGrant, GLPaul.Electrontemperature anddensityprofilesofexcimerlaser-induced plasmas[J].ApplSpectrosc.1990, 44:1349.

[5]MOwens, VMajidi.EffectsofHigh-pressurebuffergasesonemissionfromlaser-induceldplasmas[J].ApplSpectrosc.1991, 45:1463.

[6]MKuzuya, HMatsumoto, HTakechietal..Effectoflaserenergyandatmosphereonthe emissioncharacteristicsoflaser-induced plasmas[J].ApplSpectrosc.1993, 47:1659

激光诱导Al等离子体发射光谱分析 篇3

强脉冲激光冲击固体材料,引起材料烧蚀、诱导产生等离子体,从表面溅射出大量的电子、原子、分子以及它们的正负离子等,因此激光诱导等离子体是很复杂的过程[4,5,6]。金属Al是很常见也很重要的金属材料,因此对于Al元素等离子体光谱的研究,不仅在AIN薄膜材料制备、等离子体本身特征的研究、同位素分离等领域有重要的应用价值,还对谱线测温中原子发射光谱的研究有重大意义。针对激光能量这一影响因素,测试并分析了不同激光能量下Al样品的等离子体光谱,并以Al样品为例对所含元素进行判断分析。

1 激光诱导过程及机制

应用激光的强脉冲光源对固体、液体、气体样品进行照射,样品因吸收高能光子而熔化、气化,产生大量的自由电子。只要激光的能量足够强,作用时间足够,自由电子在激光的作用下去轰击其他的原子,使原子发生电离,形成雪崩效应,最终在样品表面形成粒子团(等离子体)[7,8],如图1所示。

激光诱导击穿光谱的形成大致有三个过程:一是激光等离子体的形成,高能量的激光加热并蒸发少量的样品,形成一个等离子体状态的高温区;二是连续光谱的形成,在等离子体冷却过程中,韧致辐射和复合辐射形成的连续光谱,其中主要是等离子体中各元素电离线形成的连续背景谱线,该过程持续时间一般为几百纳秒;第三个过程是原子或离子线状光谱的形成,电子在分立的束缚能级之间的跃迁而形成的线状光谱。

原子受电或热等的激发,外层电子获得能量,由E1低能级激发到E2高能级,此时原子处于激发态,但是激发态不稳定,在高能级上的电子会直接跃迁回到原来的能级并发射一定波长的光,即一条谱线,其波长为

式中,c为光速;h为普朗克常数;E2为高能级能量;E1为低能级能量。

当处于激发态的原子中的电子经过中间能级跃迁回到原来的能级时,就会产生不同波长的光,在光谱中形成几条谱线。等离子体中可能产生的跃迁光谱有四种:分立谱、韧致辐射、自由-束缚跃迁、自由-准连续态跃迁,后三者为连续谱,因此在等离子体的发射光谱中会伴随着大量的连续谱。

2 实验部分

实验装置中采用的激光器为脉冲Nd:YAG(Neo-dymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,掺钕钇铝石榴石)激光器,是一种固体激光器,可产生脉冲或连续式的激光,发射的激光波长为1 064 nm。Nd:YAG激光器具有量子效率高、热效应小、增益高、阈值低、机械性能良好等优点,广泛应用于激光诱导击穿光谱 技术中。 实验采用 的光谱仪 是荷兰Avantes公司的Ava Spec-2048FT光谱仪 ,该光谱仪基于USB平台,可接收外来触发信号,同时可向外输出TTL信号触发激光器等仪器,具有多个通道,光谱范围为200~1 000 nm,光谱分辨率小于0.1 nm,如图2所示。

如图3所示,激光器发射一定强度的激光,经过反射镜、分光镜和聚焦透镜后,聚焦到样品表面产生等离子体,光谱仪通过聚焦系统采集等离子体光谱,并将数据存储在计算机中。其中,分光镜将光束传到焦耳计,用以计算激光能量。信号发生器产生固定频率的方波信号,光谱仪接收信号发生器的上升沿信号,并产生一个相同频率的窄脉冲信号来触发激光器。等离子体辐射包括连续背景辐射、离子谱线辐射和原子谱线辐射,但是其衰减速度[9]是不同的,原子光谱辐射的增长速度和衰减速度比连续背景辐射和离子辐射慢,故一段时间延迟后,原子谱线辐射将占主导地位。因此,为了获得较好的信噪比,需要对光谱仪设置适当的延迟时间。实验中设置光谱仪的延迟时间为200 ns,积分时间为20 ms。

3 实验结果及分析

实验中,对样品进行连续的激光诱导激发,每次实验采集100组数据。为保证每次激发情况相同,产生稳定的等离子体,样品置于步进转台上,步进转台的转速为10 Hz。实验所用光谱仪为三通道光谱仪,每通道采集2 048个数据,通过USB接口传到计算机中,构成226.59~816.90 nm的光谱波段,并用Origin软件绘制出光谱图。本实验主要针对Al金属样品,利用得到的谱线图和NIST(national institute for standards andtechnology)元素谱线库,可判断样品所含的元素,并比较不同的激光能量产生的谱线强度变化。

利用Al样品进行激光诱导等离子体实验,对Al进行多次激发,激发后的样品如图4a所示。可见样品消耗量小,只有很小的凹坑,与传统的光谱分析手段相比有很大优势。对于Cu、Al等金属样品,可直接采用金属薄片,对于粉末状的样品,为保证每次激发的情况相同,通常将粉末状样品压成饼状,有利于产生稳定的等离子体,图4b所示为石灰粉压成的饼状样品。

考虑到光谱仪的分辨率为0.1 nm,谱线范围设置为中心波长的±0.05 nm范围内,结合NIST(nation-al institute for standards and technology)元素谱线库,对图5中强度较大的几条谱线进行了查找。由图5中可以看到383.2 nm、383.8 nm的两条谱线,对照NIST,其为Mg的两条原子谱线。一般来说,光谱图中含有某种元素的两条谱线,即可认为含有该种元素。只考虑光谱仪第一通道的数据,故可以认定实验所用Al样品中,含有Fe、Mg元素。

图6为Al不同激光能量下的光谱图。虚线表示高激光能量,实线为低激光能量。从图6中可以明显看出,激光能量大小对谱线强度有明显的影响。随着激光能量的增大,谱线强度也明显增大,谱线的半高宽也随激光能量的增加有所增大,但谱线峰值处的波长是不变的。

4 结 论

等离子体光谱测试 篇4

相对于传统形式的声源,以电容储能高压脉冲放电方式的水下等离子体声源具有脉冲宽度可调、声源级高、对环境无污染等优点,它在水下远距离目标探测,海底地声剖面测量,蛙人目标处置[1]等方面逐步得到了广泛应用。近年来,不少学者围绕强声波的产生和传播做了大量研究工作[2,3],而一直以来,作为声的伴生产物⎯放电发光却缺乏研究[4]。针对上述情况,本文通过实验测量了等离子体声源水下脉冲放电产生的光谱,考察了不同放电参数对光谱的影响,并对其光谱特征进行了分析。

上世纪50年代,前苏联科学家Yutkin发现了水的“液电效应”—在水中进行高压脉冲放电可以产生高强度的压力波。利用这一原理,德国科学家在上世纪80年代研制出了冲击波碎石机(lithotripter)并成功的用于体内结石的治疗[5,6]。本世纪初国内学者卢新培等提出了等离子体声源的设计思想[7,8],利用高压脉冲放电在两电极之间生成等离子体通道,通道迅速向外膨胀挤压周围的液体而形成首次压力波,通道内热效应产生的气泡脉动形成二次压力波,在产生压力波的同时可以观察到剧烈的发光现象。

该声源系统主要由电源、传输线和放电电极组成。电源是等离子体声源最重要的组成部分,主要包括充电电路、放电电路和控制电路三个部分,如图1所示。

传输线选用多芯同轴电缆,放电电极为直插式单电极(电极间隙距离可调、电极材料易于更换),放电方式为电弧放电,结合凹面反射器可以实现强声波脉冲能量的定向聚束或聚焦。

2 实验材料和方法

水下等离子声源脉冲放电光信号的测量采用海洋光学公司的HR4000CG-UV-NIR光谱仪,其测量范围为200∼1 100 nm,分辨率为0.025 nm,光谱仪PC端采用SpectraSuite配套测量软件。实验过程中,光纤探头与水箱的透光窗口平行,距离窗口20 cm,实验设置如图2所示。

光谱仪采用外部触发模式(External Triggering Mode),即在声源放电发光的同时给光谱仪RS232串口的第10针(外部触发针)一个5 V的直流上升沿触发信号。为此,我们专门精心设计了带电磁屏蔽盒的外部触发装置。在测量之前,我们用标准钨带灯对实验系统进行了标定。

为便于电与声光的能量转换分析,我们在光谱测量的同时,测量了加载到等离子体声源电极上的电流、电压以及放电所产生的声压。电流和电压的测量是从分压电阻(封装去离子水,分压比为2 200:1)的采样端用带屏蔽的同轴电缆引出两路信号到NI采集卡的1#通道和2#通道。其中,电流信号线与采样端串联,电压信号线与采样端并联。声压的测量用NI-PCB压力传感器(出厂后校准,标定电压为5 V/6.8 Mpa),压力传感器探头与电极间隙的中心点位于同一条线上,距离电极间隙的中心点15 cm,强声波压力信号线接入NI采集卡的3#通道。NI测量仪采集到电流、电压和声压信号后,在PC端用Labview软件对测量结果进行实时显示和处理。

3 测量结果与分析

利用前面所述的水下等离子体声源放电发光光谱测量系统(图2),我们将水箱中充满自来水,当放电电极之间的电压为15.4 kV,电极间隙距离为2 mm,电极的阳极材料为钢时,得到了如下的测量结果:

图3所示为随机选取的两组测量的结果,分别表示为“Test1”和“Test2”(在这组参数下总共测量了9组数据,我们发现光能量的谱分布基本一致,仅在特定谱段上的强度幅值略有不同)。实验结果表明,等离子体声源脉冲放电光谱为连续谱,能量主要分布在近紫外光段和可见光段(350∼700 nm之间)。光强度在400nm和500 nm附近各出现了一个谱峰,后者的强度明显高于前者,这说明等离子体声源脉冲放电发光的能量主要集中在500 nm左右的蓝绿光段上。

图4所示为500 nm谱段上9次测量的归一化光强度幅值和声波压力峰值的比较。我们发现当电极放电产生的声波压力峰值高时,相应谱段上的光强度低(500 nm)。这是符合能量守恒定律的,在放电释放总能量一定的前提下,声和光的能量分配具有此消彼长的关系。

为了考察放电参数对等离子体声源发光光谱的影响,我们改变放电电压和间隙距离,得到了如下结果:

图5和图6分别为不同放电电压(14 kV和15.4 kV)和电极间隙(2 mm和3 mm)下,等离子体声源放电发光光谱的平均测量结果(15次测量的平均值)。实验结果表明,增大放电电压或减小电极间隙距离可以提高相应谱段的光强度和半峰值谱宽度,降低放电电压或增大电极间隙距离的结果与此相反。同时,注意到放电电压的改变不会引起光能量谱分布的变化,而增大电极间隙距离,可以使得放电发光的能量向远紫外光区移动。我们认为,增大放电电压或缩短电极间隙距离相当于提高了电弧击穿时的场强,有利于流光的产生,这反映在实验结果上就是测得的光更强;相反,如果降低放电电压或增大电极间隙距离,将会使得电弧击穿时的场强降低,另一方面,电极间隙距离增大,会增大先导击穿的难度并使得“流柱”的发展距离缩短[9],从而改变了光辐射的特性。

我们把放电电极的阳极材料由钢更换为铜,结果如图7所示(15次测量值取平均)。实验结果表明,电极材料的改变对光能量谱分布和强度的变化具有非常明显的影响。当电极的阳极材料为钢时,光能量的谱分布范围较宽(从紫外光区到可见光区),并且光能量主要集中于可见光区的蓝绿光段;而当电极材料更换为铜时,光的强度明显下降,谱的分布范围也减小(没有出现紫外光区和红光光区的辐射),但蓝绿光波段的能量依然占主要地位。

另一方面,从电能和声光转换的角度来看,铜电极材料的声能转换效率高于钢电极,这对等离子体声源的声波辐射是有利的,相应的声压测量结果证实了我们的推断。

4 结论

本文通过实验测量了水下等离子体声源脉冲放电的光谱,发现其光辐射为连续谱,能量主要集中在500nm附近的谱段。在相同的放电参数下,放电产生的光能量和声能量相互竞争,此消彼长。改变脉冲放电的参数会改变声源的光辐射特征:提高放电电压,会使得光辐射强度提高;增大电极间隙距离,会使得光辐射强度降低,并且使光的能量向远紫外光区移动;将声源的放电电极的阳极材料由钢换为铜时,光辐射的强度减小,谱的分布范围也变小。本文的测量结果为研究等离子体声源的能量转换和为声源开辟新的应用途径具有一定的参考价值。

参考文献

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等离子体光谱测试 篇5

关键词：等离子,光谱,聚集

等离子体发射光谱法物质成分分析装置是高敏感度和高精度的能够分析液态、固态及气态中不同物质成分的装置。该装置可实地确定所有门捷列夫周期表中的元素, 所研究物质不受伴随物质基质及处于何种聚集状态的影响, 这是以等离子发射光谱分析为基础而研制成功的装置。

装置包括光源, 频率为44千赫的交流电发电机, 送样机构, 摄像仪PGS-2, 信息处理扫描仪, 如图1所示。摄影记录PGS-2摄像仪具有扁平的衍射光栅, 651pl/mm (离散差7.4 A/mm) 。扫描仪UMAX Power Look 3000 分辨率为3048点/英寸。

光源——位于可水冷铜制电极之间, 在氩气流中或在氩-氦混合气体中放电, 如图2所示。其中, 一个电极是可水冷铜制圆柱状电极, 带有轴心孔;另一个是可水冷铜圈, 可使带有放电电流的同相电流通过。放电电源的频率电流为66或44千赫。放电具有最低腐蚀值—10-12 г/К, 并以等离子涡流束的形式燃烧, 这就排除管线自旋转的影响。根据份量聚集情况, 不同化学物质的检出值范围为10-5%～10-7%;等离子体气流量为1.5～2l/s。

研究表明, 主要的等离子参数是不恒定的, 即电极间间隔长度不恒定, 距离电极中心端面的最大距离值为3mm。从氩气中拍摄到的空白光谱中, 具有以下指标:T=7700K, Ne=3.4·1016cm-3。

1-空白谱;2-苯光谱;3-带有硼的富勒烯合成物质图谱

在分析液态试样时, 试样量为1～10ml, 按苯中的碳界线计算, 波长为2478Å时, 标准偏差为4.98%;该设备中, 粉末试样送样机构采用吹扫方法将试样送入装置中, 它可以提高试样利用率、分析精度及结果重现性。被分析的试样的数量可以从10毫克到几百克, 按碳界线计算得到的标准偏差为1.6%。

通过对该装置及光谱处理方法的研究, 用于分析硼-铁的富勒烯衍生物是有一定可能性的, 因为富勒烯和它的衍生物溶解在非极性的溶质中, 在液态下可分析它的苯溶液。

图3的硼波段范围内波长与黑度关系曲线图, 在富勒烯衍生物中元素含量设定为:B-0.01%, Fe-0.03%。

综上所示, 该装置可高效再现试验结果, 分析精度高, 试样损耗量小, 试样量大, 可是毫克级的、也可以是克数级的;而且光谱范围在200～800HM时, 物质中高碳含量下装置仍具有工作的可能性。

参考文献

[1]#12

[2]#12

[3]#12

等离子体光谱测试 篇6

目前,电感耦合等离子体原子发射光谱法( ICP-AES) 应用广泛,涉及地质、冶金、环境、化工、食品、医药等多个领域［8－11］,该法因具有分析速度快,准确度高,精密度好,检出限低,基体干扰小、线性范围广等特点并具有多元素同时检测的能力而得以广泛应用［12－15］。至今,采用ICP-AES测试红丹中金属杂质仍少见报道,因此本文采用ICP-AES一次称样、溶样,同时测定红丹中铁和铜的含量。此方法溶样完全,操作简便、快速准确,为各相关行业的测试工作提供参考。

1实验部分

1. 1仪器及主要试剂

XL3100型ICP-AES,美国Perkin公司。

铁、铜、钪标准储备溶液,国家有色金属及电子材料分析测试中心( 均为1000 μg/m L) 。使用时根据需要逐级稀释成标准工作溶液。

分解液: 于1 L烧杯中加入约500 m L水,加入200 m L浓硝酸混合后,再加入30 g酒石酸,溶解后转入1 L容量瓶中, 加水定容至刻度,摇匀。

浓硝酸,30% 双氧水,酒石酸,试剂均为分析纯,水为蒸馏水。

载气: 氩气,纯度不低于99. 995% 。

1. 2仪器测量条件及分析谱线

积分时间: 短波段10 s,长波段10 s; 辅助气流量0. 5 L/min;射频功率1300 W; 冲洗泵速1. 5 m L/min; 分析泵速1. 5 m L/min; 氩气压力0. 7 MPa。

从ICP光谱仪线谱库中查看铁、铜的谱线干扰和谱线强度信息,选择强度较大的谱线进行试验,同时避开干扰谱线。因此选择Fe 238. 024 nm、Cu 324. 752 nm作为铁与铜的分析谱线。

1. 3实验方法

1. 3. 1配制混合标准溶液

分别于5个100 m L容量瓶中加入50 m L分解液和3 m L 30% 双氧水,再依次加入铁、铜标准,加入量分别为0 μg、 10 μg、20 μg、50 μg、100 μg,同时于每个容量瓶中加入0. 1 m L 1000 μg / m L Sc标准储备溶液,加水至刻度,摇匀。

将配制的混合标准溶液在ICP-AES光谱仪上做光谱测定, 仪器自动作出工作曲线并计算出相关系数,相关系数必须大于0. 999方可测试样。

1. 3. 2样品处理

称取2. 0000 g红丹试样于250 m L烧杯中,加入50 m L分解液,加入少量水冲洗杯壁。低温加热溶解,慢慢加入3 m L 30% 双氧水,待样品溶解完全后,冷却,转入100 m L容量瓶。 加入0. 1 m L 1000 μg/m L Sc标准储备溶液,用水稀释至刻度并混匀。在仪器最佳测量条件下测定3次。

2结果与讨论

2. 1选择样品的溶解酸

考虑到样品基体为铅,盐酸会与铅生产氯化铅,硫酸或磷酸因粘滞效应会影响测定灵敏度,在一般的ICP-AES分析中尽量避免采用这两种酸做溶剂,而用硝酸溶解速度快且彻底,所以溶解酸选择硝酸。

2. 2酒石酸的影响

红丹采用硝酸分解,在分解时加入酒石酸或柠檬酸防止金属元素水解,本法选用酒石酸。配制相同浓度的分析元素标准溶液,加入不同量的酒石酸,在选定条件下用ICP-AES法测量酒石酸的影响,结果见图1。

从图1可以看出,溶液中酒石酸在20 g/L以内时,对分析元素的测定影响不大,酒石酸浓度在30 g/L时对分析元素强度有抑制作用。本文选择在样品溶液中加入酒石酸质量浓度为15 g / L。

2. 3铅基体的影响

在硝酸和酒石酸存在的条件下,采用20 mg/m L的纯铅溶液,铁、铜元素含量均为10 μg/ml单标溶液及含有铅基的混合标准溶液。在分析铁、铜时发现,铅对铁、铜并无影响,分析元素间相互无干扰。

2. 4线性方程和相关系数

按仪器条件对混合标准溶液进行测定,不同浓度与其相应的发射强度呈线性关系,应用所建立的工作曲线,将空白溶液测10次,空白的标准偏差的3倍为检出限,为确保分析精度, 以检出限的10倍为该方法的测定下限,其结果见表1,铁、铜的检出限分别为0. 0001和0. 001。

2. 5精密度和回收率试验

按试样方法测定红丹样品10次,试验结果见表2。

由表2可知,红丹样品铁、铜元素的加标回收率分别为96. 4% 和98. 1% ,10次测定的相对标准偏差均在±5% 以内。

3结论

等离子体光谱测试 篇7

测定水中50ppb以下的铅也具有准确度高, 干扰小, 结果相对准确等优点。

1 实验部分

1.1实验原理

电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES) 是发射光谱的1 种。根据原子和离子激发后又回到基态后, 发射的特征光谱及其强度的变化可以对金属元素进行定性定量分析, 而且谱线的强度与该元素在溶液中的浓度成正比。通过测量谱线的强度就可以获得溶液中各元素的含量。

1.2仪器与试剂

1.2.1仪器Optima 8000 ( 美国, PE) , 十字交叉进样器。

1.2.2试剂:2mg/L铅标准使用溶液。将标准储溶液100mg/L稀释50 倍, 溶液浓度为2mg/L的标准使用液。

浓硝酸, 优级纯。

2 次蒸馏水。液氩。

2 实验步骤:

校准曲线溶液配制。

取2mg/L铅标准使用液0、0.25、0.5、1、2、2.5ml, 分别置于6 支100 m L容量瓶中, 加入2 m L浓硝酸, 用水稀释至刻度线, 摇匀。

放置30min测定, 绘制铅校准曲线。此校准曲线浓度分别含0、5、10、20、40、50ug/L。

仪器条件

分析线波长:Pb 220.353

入射频率:1.3Kw

氩冷却气量:12L/min

氩辅助气量:0.2L/min

载气量:0.55L/min

观测高度:12mm

样品测定

结果与讨论

2.1结果计算及表示

铅 (Pb, mg/L) =K×D

K:标准曲线斜率

D: 强度值

2.2方法检出限、测定下限

本方法的最低检测限采用下述方法得出:取8 个空白溶液进行平行测定, 计算出标准偏差 (S) , 则方法检测限为t倍的标准偏差 (t值为2.998) , 即MDL (ug/L) =2.998S。以4 倍方法检出限作为测定下限。方法检出限和测定下限见表1。

2.3方法精密度

在所选定的操作条件下, 对不同浓度铜、铅、镉空白加标水样平行测定6 次, 铜、铅、镉的相对标准偏差结果见下表。从表2 的测定结果看, 本方法的RSD在4%以内。

2.4方法准确度

按照样品分析的全部步骤, 对某一实际水样进行测试6 次并做加标回收率试验。实验结果见表3。

2.5国家标准方法实验结果对比

取实际水样, 采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES) 进行测试, 对比国家标准方法 (GB7475-1987) 。并对以上两种方法所测定的数据结果进行t检验。试验结果见表4。

3 结论

采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-OES) 测试水质中低浓度的铅含量, 测试结果与国家标准方法相比较无明显偏差, 满足铅于水质监测分析方法中的要求。

摘要：本文阐述了用电感耦合等离子体发射光谱仪测定水中浓度低于50ppb铅的方法研究。结果表明:在150ppb范围内, 该方法具有较高的精密度和准确度, 结果相对准确可靠等优点, 可应用于水质中低浓度铅的测定。

关键词：低浓度铅,测定,ICP-OES,水

参考文献

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