激光探針高精度分析方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、激光探針技術(shù)，即激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，具有制樣簡單、微損、快速、多元素同時分析和遠(yuǎn)程檢測等優(yōu)點，特別適合實時、在線、原位檢測，因而成為眾多領(lǐng)域生產(chǎn)和質(zhì)量檢測極具潛力的分析技術(shù)。然而，由于受光譜干擾、基體效應(yīng)、自吸收效應(yīng)和儀器漂移等因素的影響，激光探針在分析靈敏度、精確度和準(zhǔn)確度上亟待進(jìn)一步提高?；诖?，本文以鋼鐵和鐵礦石為研究對象，研究了幾種提高激光探針定量分析靈敏度、精確度和準(zhǔn)確度的新方法，并基于自主研發(fā)的激光探針成分分析儀為平臺解決

2、了儀器分析中建立穩(wěn)健定標(biāo)模型和儀器漂移校準(zhǔn)的兩個關(guān)鍵問題。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出采用可移動式空間約束技術(shù)用于激光等離子體光譜增強，克服了固定式空間約束技術(shù)的深坑效應(yīng)，實現(xiàn)了對鋼鐵成分定量分析精密度和準(zhǔn)確度的提高。結(jié)果表明，空間約束光譜增強效果主要受激光波長、激光能量和腔體尺寸的影響，即波長越短增強效果越好，通過優(yōu)化激光能量和腔體尺寸獲得了最大增強因子為5.22。進(jìn)一步研究結(jié)果表明，可移動式空間約束技術(shù)可使分析精密度最大提

3、高一倍，使得定量分析準(zhǔn)確度提升1~5％。其原因在于空間約束通過反射沖擊波壓縮等離子體，造成等離子體溫度和電子數(shù)密度的增加，使得等離子體更容易達(dá)到局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，從而可改善光譜精密度和定量分析準(zhǔn)確度。⑵采用環(huán)形磁鐵約束激光誘導(dǎo)等離子體，實現(xiàn)了對等離子體空間約束與磁約束的雙重作用，并將其用于鋼鐵的定量分析。采用最大磁場強度為4090 G的環(huán)形磁鐵，獲得譜線強度的最大增強因子為3.1，信噪比的最大增強因子為2.9，使鋼鐵中 V、Mn、Cr

4、、Ti等痕量元素定標(biāo)曲線的決定系數(shù)較無約束時均提升至0.99以上，檢測極靈敏度提高了2~4倍。⑶提出一種改進(jìn)的偏最小二乘回歸（PLSR）算法建立了鐵礦石激光探針檢測的多元回歸模型，實現(xiàn)了對鐵礦石粉末中8種氧化物、品味和酸堿度的精確定量分析。研究了一種適合于激光探針檢測的粉末壓片制樣的方法，解決了直接壓片難退模、易破碎和開裂的問題。為解決鐵礦石定量分析的基體效應(yīng)、自吸收效應(yīng)和主量元素分析難的問題，只采用10~20 nm一段包含多條元素特征

5、譜線的光譜數(shù)據(jù)建立PLSR多元回歸模型，實現(xiàn)了鐵礦石粉末中 CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO、TiO2、Na2O、K2O等8種氧化物的精確定量分析，平均相對誤差在2.9~15.46%之間；鐵礦石品位的預(yù)測均方根誤差（RMSE）和平均相對誤差（ARE）分別達(dá)到0.5134 wt.%和0.69%（低于1%的行業(yè)允許誤差）；在此基礎(chǔ)上計算的鐵礦石酸堿度RMSE和ARE分別達(dá)到0.0048和3.65%。⑷采用自主研發(fā)的JGTZ-2型

6、激光探針成分分析儀對儀器的高精度檢測方法進(jìn)行了研究，主要解決了激光探針儀器分析中建立穩(wěn)健定標(biāo)模型和儀器漂移校準(zhǔn)兩個關(guān)鍵問題?；诜治鲎V線和內(nèi)標(biāo)線選擇、異常值剔除、分段定標(biāo)、高階多項式擬合等方法建立了JGTZ-2對低合金鋼9種成分的定標(biāo)曲線，提出采用高低標(biāo)校準(zhǔn)對儀器漂移進(jìn)行修正的方法，可有效改善 JGTZ-2檢測的可重復(fù)性。結(jié)果表明，JGTZ-2對低合金鋼中Mn、Cr、Ni、Cu、Si、Mo、Ti、V、Al等元素的分析誤差均達(dá)到或優(yōu)于國家