学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

铅的激光烧蚀坑模拟及单脉冲激光诱导击穿光谱检测

作　者: 陆茵非
导　师: 张贵忠
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: 单脉冲激光诱导击穿光谱学分子动力学模拟激光烧蚀热传导方程 EAM势定性定量分析
分类号: TN247
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 120次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着激光技术的不断发展,特别是脉冲激光的出现,单脉冲激光诱导击穿光谱技术(Single-Shot Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)已经成为物质检测领域的一个引人注目的分支。本文从分子动力学模拟以及对元素的定性定量实验两个方面入手,对单脉冲LIBS技术进行了研究,主要内容包括:在理论方面,本论文建立了崭新的激光烧蚀模拟模型。利用非稳态热传导方法和EAM势相结合的算法,编写了激光烧蚀铅样品的二维分子动力学模拟程序,对激光表面烧蚀坑随时间的变化进行了模拟。在模拟中,本文的模型先利用非稳态热传导方程,得出加载激光后粒子的初速度情况;再利用EAM势及其推导出的作用力,得出在具有初速度和金属键逐渐被破坏的情况下,粒子之间的相互作用及运动情况。通过对烧蚀坑及其喷射粒子进行的研究,统计了烧蚀坑外粒子的速度分布情况,计算了对铅的405.8nm特征发射光谱有贡献的那一部分粒子占喷出总粒子数的百分比,找出了这个百分比随时间的变化情况,并进行了讨论。在实验方面,本文主要使用脉冲宽度为10ns的Nd: YAG调Q激光器,利用单脉冲LIBS技术,对铅进行了定性和定量检测。本文讨论了单脉冲LIBS技术在元素检测上的意义及优缺点,并对单脉冲信号的可重复性和数据处理方法进行了分析。此外,本文还深入研究了铅的各类发射光谱,并对选择405.8nm的发射光谱线作为检验铅元素存在依据的原因进行了解释。在定性分析中,本文利用单脉冲LIBS技术,得出了纯铅、含铅玻璃、焊丝、Pb Sn合金中的激光诱导发射光谱,并验证了使用405.8nm光谱线作为检验依据的正确性。在定量分析中,本文讨论了脉冲能量分别为107mJ、139.2mJ、171.5mJ,波长分别为1064nm、532nm、1064/532nm的激光作用下,纯铅样品发射光谱的定量变化情况;比较了相同波长、不同能量的单脉冲激光对铅定量分析的影响,不同波长、相同能量的单脉冲激光对铅定量分析的影响,以及不同能量,相同波长的双光束脉冲激光对铅定量分析的影响。本工作在铅检测方面有潜在的应用价值。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-25
  1.1 LIBS技术概述  9-12
  1.2 LIBS技术在不同材料检测上的特点  12-13
    1.2.1 LIBS技术在固体及熔融物质检测上的特点  12
    1.2.2 LIBS在液体检测上的特点  12
    1.2.3 LIBS在气体检测上的特点  12-13
  1.3 LIBS技术历史回顾  13-14
  1.4 单脉冲LIBS在不同应用领域的研究进展  14-24
    1.4.1 单脉冲LIBS技术在文物鉴定方面的应用  14-16
    1.4.2 单脉冲LIBS技术在爆炸物检测和军事方面的应用  16-17
    1.4.3 单脉冲LIBS技术在金属和金属合金方面的应用  17-19
    1.4.4 单脉冲LIBS技术在材料科学方面的应用  19
    1.4.5 单脉冲LIBS技术在生物医学方面的应用  19-21
    1.4.6 单脉冲LIBS技术在环境方面的应用  21-22
    1.4.7 单脉冲LIBS技术在燃烧和触媒转化器方面的应用  22-23
    1.4.8 单脉冲LIBS技术在法医学方面的应用  23-24
  1.5 本课题小组的前期研究和本课题的主要研究内容  24-25
第二章 LIBS技术基本介绍  25-44
  2.1 LIBS中的激光器  25-27
    2.1.1 激光脉冲的能量特性  25
    2.1.2 激光的方向性  25-26
    2.1.3 激光的相干性  26
    2.1.4 激光的单色性  26-27
    2.1.5 激光器的种类  27
  2.2 激光沉积  27-32
    2.2.1 激光沉积过程介绍  28-29
    2.2.2 纳秒脉冲激光下等离子体形成过程  29-30
    2.2.3 等离子体膨胀过程  30-32
  2.3 激光诱导等离子体光谱  32-34
    2.3.1 LIBS中的连续谱  32-33
    2.3.2 LIBS中的线状谱  33
    2.3.3 发射光谱的时间和空间解  33-34
  2.4 LIBS中的探测器简介  34-35
    2.4.1 CCD探测器  34-35
    2.4.2 ICCD探测器  35
  2.5 LIBS中的定性检测技术  35-39
    2.5.1 元素种类的识别  35-36
    2.5.2 物质种类的识别  36-37
    2.5.3 单脉冲LIBS技术在定性检测上的应用  37-39
  2.6 LIBS中的定量检测技术  39-43
    2.6.1 取样过程中几何光路结构对LIBS定量分析的影响  39-41
    2.6.2 取样过程中影响LIBS定量分析结果的其他因素  41-43
  2.7 本章小结  43-44
第三章 LIBS下激光烧蚀坑形貌的分子动力学模拟算法  44-62
  3.1 激光烧蚀坑形貌模拟的研究意义  44-45
  3.2 烧蚀坑形貌模拟的算法概述  45-47
  3.3 激光烧蚀的热传导过程  47-53
    3.3.1 非稳态热传导过程[103]  47-49
    3.3.2 热传导边界条件  49
    3.3.3 热传导的二维数值模拟[105]  49-53
  3.4 对金属晶体体系的描述——嵌入原子势（EAM）  53-59
    3.4.1 分子动力学模拟——EAM势的提出  53-56
    3.4.2 嵌入原子势（EAM）简介  56
    3.4.3 EAM的基础表达式及其物理意义  56-58
    3.4.4 EAM方程具体表达式  58-59
    3.4.5 由EAM推导出的粒子间作用力表达式  59
  3.5 周期性边界条件  59-61
  3.6 本章小结  61-62
第四章金属铅激光烧蚀坑的数值模拟结果与讨论  62-75
  4.1 金属铅晶体模型概述  62-63
  4.2 激光的热效应对粒子初始速度的影响  63-66
  4.3 金属铅粒子运动的描述——EAM势  66-67
  4.4 激光烧蚀坑的数值模拟结果及讨论  67-72
    4.4.1 激光烧蚀坑的数值模拟的研究意义  67-68
    4.4.2 激光烧蚀坑的数值模拟结果  68-72
  4.5 LIBS数值模拟中等离子的形成与发射光谱的关系  72-74
  4.6 本章小结  74-75
第五章单脉冲LIBS技术在铅检测方面的应用  75-97
  5.1 铅检测的研究意义  75-76
  5.2 本组单脉冲LIBS实验装备介绍  76-81
    5.2.1 激光器的选择——Q-S Nd:YAG激光器  77-79
    5.2.2 光栅光谱仪  79-81
  5.3 样品的选择及注意事项  81-82
  5.4 单脉冲LIBS在定性铅检测方面的应用  82-91
    5.4.1 铅元素的基本性质及其发射光谱的特点  83-85
    5.4.2 单脉冲LIBS对于铅元素定性检测可行性分析  85-87
    5.4.3 单脉冲LIBS实验中的定标谱线  87
    5.4.4 单脉冲LIBS在铅元素定性检测上的应用  87-91
  5.5 单脉冲LIBS在定量铅检测方面的应用  91-96
    5.5.1 相同波长、不同能量的单脉冲激光对铅定量分析的影响  92-93
    5.5.2 不同波长、相同能量的单脉冲激光对铅定量分析的影响  93-95
    5.5.3 不同能量、相同波长的双光束脉冲激光对铅定量分析的影响  95-96
  5.6 本章小结  96-97
参考文献  97-106
发表论文和参加科研情况说明  106-107
致谢  107

相似论文

热传导方程的一种自适应有限元算法,O241.82
烟草和烟用香精中致香成分检测方法研究,TS47
非傅里叶热传导方程及热应力的数值解,O343.6
热传导方程反问题的参数确定,O551.3
矿井隐蔽火源位置的正反演研究,TD752
B2型NiAl合金原子间势构建及简单应用,O562.4
激光烧蚀制备活泼金属纳米粒子的研究,TB383.1
飞秒激光烧蚀制备银纳米粒子的实验研究,TB383.1
一维非经典热传导及热应力,O343.6
一类抛物型方程的数值解法研究与应用,O241.82
一类非线性热传导方程的数值算法及最优L~2和H~1误差估计,O241.81
无限长条形区域上热传导方程的有限元方法分析,O241.82
激光烧蚀制备纳米Si薄膜的动力学特征参量研究,O484.2
两类抛物型方程的有限差分法,O241.82
一类热传导方程的直接反演模型,O241.82
几类偏微分方程的高阶差分方法,O241.82
三元乙丙内绝热材料及其性能研究,TB34
XRD全谱拟合精修对贵州煤中矿物质的定量研究,TQ533.1
基于DCT的鲁棒性数字水印算法,TP309.7
脉冲激光诱导Tm~（3+），Yb~（3+）：Y_2O_3微结构及其上转换发光性质的研究,O482.31