[发明专利]元素光谱分析方法及采用该方法的激光元素勘探设备

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析与检测领域，具体涉及一种元素光谱分析方法及采用该方法的激光元素勘探设备。

背景技术

在工业生产、科学研究中常常要对相关材料及矿物的化学元素进行定性、定量的检测分析。传统的材料、矿石检测和分析法主要有化学化验法、原子吸收法和电感耦合等离子体发射光谱法。其中，化学分析法和原子吸收法需要从野外采集样品，需要较长的分析时间和繁琐的操作程序，而且易形成二次污染，所以仅限于实验室分析；电感耦合等离子体发射光谱法灵敏度高，可对多种元素同时测量，但需要对样品进行复杂的预处理，试剂用量也较大，而且等离子体炬管容易被沾污。目前国内外在现场勘探行业中占主导地位的方法为X射线荧光光谱法（XRF），采用X荧光能量色散或波长色散原理，测量精确，不需要取样及破坏待测样品，可现场对矿石成分进行直接检测分析，但其在空气环境中对轻元素(如Mg，Al，Si，P，S等) 鉴别能力弱，对原子量为23以下的元素测量则需要选配充氦装置，而且测量时须与被测样品直接接触，不可以实现遥测，另外X射线有辐射危害，长期使用容易引起各类疾病，以上均限制了该方法的进一步推广。

激光诱导击穿光谱法（laser induced breakdown spectroscopy）简称LIBS，是一种激光烧蚀光谱分析技术，具有无需样品预处理、测量速度快、灵敏度高、对样品破坏性小、可多元素同时分析、对轻元素(如Mg，Al，Si，P，S等) 鉴别能力强、安全无辐射、可遥测等优点。激光诱导击穿光谱法是基于脉冲激光技术，将一束高能量的激光聚焦到待分析的物质的表面，将聚焦处部分物质烧蚀后产生高温等离子体，等离子体温度上升至几千度，产生更多的带电离子。等离子体中各元素的电离线形成连续背景谱线，该过程需要几百纳秒；之后形成等离子体中各元素的原子发射谱线，原子发射谱线包含了各元素的特征信息，不同的元素对应各自的原子发射谱线，谱线强度与元素浓度近似成正比，该过程持续几微秒，是进行元素定性分析特别是定量分析的重要环节。分析原子发射谱线可判断出样品中所含元素的种类；通过分析各谱线之间的强度之比即可定量分析出样品中各元素的相对含量。对元素进行定量分析时采用本行业所熟知的自由定标法，即直接根据得到的原子发射谱线的相对强度，归一化计算出各组分的浓度，这样可以避免不同种类的矿石基底变化带来的干扰。计算谱线的相对强度时，采用谱线峰高作为谱线相对强度。

所述定量分析法利用自由定标法分析元素浓度时，通过提高相关中间计算参数的计算准确性（等离子温度，电子密度，谱线强度等）来提高自由定标法的测量精度。计算等离子体温度时，利用Saha-Boltzmann多线图方法代替常用的Boltzmann斜线法，用同一元素的一价离子谱和中性原子谱通过Saha方程变化，做斜线来确定温度。因为选用来自不同电离态的发射谱线，而它们的上能级具有更大的能级差，所以对温度的计算有更高的准确性。进行Saha变换需要测量等离子体的电子密度，这里通过分析发射谱线的Stark展宽来计算电子密度。谱线Stark加宽主要线型为Lorentzian型，采用Lorentzian轮廓线型拟合对谱线线型进行修正，可避免谱线有重叠造成的干扰，提高谱峰半高宽的计算精度，间接提高测量精度。

目前对元素的定性分析还需要用肉眼观察法寻找原子发射谱峰，再通过美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）简称NIST的原子光谱数据库查找和比对；由于对峰所在位置的判断常常不够准确，使得无法实现对未知矿物样品的准确的定性分析；定量分析中采用光谱峰高表示原子发射谱线的相对强度，导致分析结果不够可靠；目前使用的LIBS检测系统存在激光强度不够稳定，发射出的激光在对样品进行烧蚀时，导致样品所产生的等离子体辐射出的原子发射谱线强度同样不稳定，影响了定量分析的精确性；目前成型的LIBS检测系统一般由氙灯泵浦的调Q式Nd：YAG激光器、光谱仪、信号发生器、数据采集与信号处理系统等组成，体积较大，并且需要220V市电供电，限制了其移动性，不便于野外作业或现场勘查时随身携带。

发明内容

本发明是为了解决目前对于元素的原子发射光谱分析方法存在缺陷导致分析结果不准确，以及目前所用激光元素勘探设备上的激光光源强度不够稳定及携带不够方便的技术问题，提供一种元素光谱分析方法及采用该方法的激光元素勘探设备。