飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对合金的定量分析

作     者：何亚雄 王一钦 韩晶阳 许淼 陈楠 谭金宝 温起帆 柯川 高亮 才来中 赵栋烨 HE Yaxiong;WANG Yiqin;HAN Jingyang;XU Miao;CHEN Nan;TAN Jinbao;WEN Qifan;KE Chuan;GAO Liang;CAI Laizhong;ZHAO Dongye

作者机构：核工业西南物理研究院成都610225 西南交通大学电气工程学院成都611731 哈尔滨工业大学物理学院哈尔滨150006 

出 版 物：《中国无机分析化学》 (Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry)

年 卷 期：2024年第14卷第2期

页      面：214-222页

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家磁约束核聚变能发展研究专项资助项目(2022YFE03200200 2019YFE03080300) 

主　　题：托卡马克 激光诱导击穿光谱 飞秒-纳秒双脉冲 定量分析 合金 

摘      要：激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术几乎不受聚变环境中的强磁场影响,是一种最有希望实现托卡马克装置中面向等离子体材料(Plasma facing materials,PFMs)原位在线诊断的技术,已被用于多个托卡马克PFMs壁诊断。然而,LIBS技术对PFMs表面元素的探测限、定量分析以及PFMs的服役状态判定依旧面临很大挑战。采用同轴飞秒-纳秒激光协同技术,建立了飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(fs-ns-DP-LIBS)技术,通过高峰值功率、低激光能量的飞秒激光诱导等离子体,再用纳秒激光增强常规单脉冲LIBS技术信号发射强度,进而提升常规单脉冲LIBS的探测灵敏度,同时结合6种合金标准样品,采用fs-ns-DP-LIBS技术对样品中的主要元素进行了定量分析,并进一步结合机器学习方法对6种合金进行种类判别。结果显示:在纳秒单脉冲和飞秒单脉冲LIBS检测中,Ni、Fe和Mo在400~800 nm波段没有观察到明显特征峰,仅观察到Cr的特征峰;在飞秒-纳秒脉冲间2μs延时,NiⅠ498.02 nm、FeⅠ517.16 nm、FeⅠ523.85 nm、MoⅠ588.83 nm和MoⅠ603.07 nm均被激发,且Cr的特征峰强度增强明显;并且相比对纳秒单脉冲LIBS技术,Cr的信号强度提高约7倍。定量分析结果显示,fs-ns-DP-LIBS技术绘制的定标曲线拟合度(R ^(2))更高,且Cr的探测限提高约3.5倍。进一步采用决策树、最近邻、线性判别和支持向量机等算法对6种合金进行了分类研究,线性判别和支持向量机的分类预测准确率大于99%。研究有望为原位LIBS技术诊断PFMs壁表面元素、定量分析及其服役状态判定提供检测方法。