LIBS技術(shù)解析炭的元素組成
實(shí)驗(yàn)背景
炭作為常見燃料，其元素組成直接影響燃燒效率與環(huán)保性能。本實(shí)驗(yàn)使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)，對市面上的炭樣品進(jìn)行元素分析。LIBS技術(shù)無需樣品預(yù)處理，可微損檢測樣品成分，為優(yōu)化燃燒工藝提供科學(xué)依據(jù)。 本實(shí)驗(yàn)旨在利用LIBS技術(shù)檢測炭的元素組成。我們選取了三個樣品（圖1），未進(jìn)行樣品預(yù)處理。預(yù)期檢測到的元素包括碳、氫、氧、氮、硫等。
圖 1：實(shí)驗(yàn)用炭樣品從左至右：樣品1、樣品2、樣品3
PART01 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示： 1. 光譜儀：AvaSpec-NXS4096CL - 波長范圍：190-1100nm - 探測器：4096像素CMOS陣列 - 支持通信協(xié)議：USB2.0/RS232/SPI 2. 光源：Nd:YAG脈沖激光器 - 波長：1574nm（人眼安全波段） - 單脈沖能量：4.5mJ - 同步控制：Quantel激光器控制箱，實(shí)現(xiàn)激光與光譜儀硬件聯(lián)動 3. 附件 - 200μm芯徑光纖：采集等離子體信號 - 支架：固定光纖，與激光焦點(diǎn)對準(zhǔn) 圖2：LIBS測量實(shí)驗(yàn)裝置光譜儀固定于激光器正上方通過光纖采集等離子體信號 實(shí)驗(yàn)方法 1. 數(shù)據(jù)采集 - 軟件：AvaSoft軟件中的扣除暗背景（Sd）模式，此模式在基礎(chǔ)模式上扣除了背景噪聲 - 積分時(shí)間設(shè)置：1ms - 平均次數(shù)：1 2. 測量方法 - 單脈沖激光激發(fā)等離子體，同步觸發(fā)光譜儀 - 樣品多點(diǎn)測量，選取顯著光譜峰分析
PART02 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 除了碳的光譜峰以外，觀察三個樣品的LIBS光譜圖（圖3-5），發(fā)現(xiàn)樣品在280nm、316nm、318nm、393nm、396nm、423nm、430nm、443nm、445nm、616nm、766nm和770nm附近都有顯著的峰，這些峰表明存在鎂、鈉、鈣、鐵、錳、氧和鉀等元素。 再對比三個樣品的LIBS光譜圖（圖6）可以發(fā)現(xiàn)：它們的光譜峰位置相似，但強(qiáng)度不同，這表明每個樣品中的元素組成和百分比不同。 為了辨別樣品的成分差異，我們選取了三個樣品中都存在且強(qiáng)度相似的三個峰作為基準(zhǔn)峰，以它們作為標(biāo)準(zhǔn)來分析三個樣品中的元素組成，這三個峰分別是393nm、396nm和423nm。 圖3：樣品1的LIBS光譜 樣品1（圖3）：280nm、285nm處的鎂（Mg）峰顯著。 圖4：樣品2的LIBS光譜 樣品2（圖4）：316nm、318nm處的鈣（Ca）峰突出；另外，在370nm附近檢出鐵（Fe）元素峰。 圖5：樣品3的LIBS光譜 樣品3（圖5）：766 nm、769 nm處的鉀（K）峰強(qiáng)度較高。 圖6：三個樣品的LIBS光譜圖 觀察三個樣品的LIBS光譜圖（圖6）可以發(fā)現(xiàn)： 1. 碳（C）元素信號強(qiáng)度低于預(yù)期（理論含量75-80%），推測因鈣、鎂等重金屬強(qiáng)元素峰掩蓋所致。 2. 三個樣品存在元素差異，可能與原料來源或加工工藝有關(guān)。 PART03 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 LIBS技術(shù)可有效檢測炭中鎂、鈣、鉀等元素，適用于工業(yè)現(xiàn)場快速篩查。 AvaSpec-NXS4096CL迷你光譜儀尺寸小巧，適合集成，與激光器聯(lián)用可以為微損檢測提供可靠解決方案。
3. 若需定量分析，需對光譜儀進(jìn)行輻照度校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)歸一化處理（與金屬回收分選應(yīng)用相似）。