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專注光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)
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水泥樣品LIBS測試分析
1.LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜
元素是物質(zhì)的基本組成成分，元素種類及其含量極大地影響著物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì).LIBS（激光誘導(dǎo)擊穿光譜）是一種用于化學(xué)多元素定性和定量分析的原子發(fā)射光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單、快速的多元素同時檢測技術(shù)。LIBS技術(shù)被譽為“未來化學(xué)分析之星”，因為它不需要樣品制備，幾乎無損、快速、安全的多元素分析，特別適用于碳、鋰、硅等輕質(zhì)元素的檢測。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜示意圖
2.LIBS工作原理
LIBS是將一束高能脈沖激光聚焦在樣品表面，當(dāng)激光輻照度超過樣品的擊穿閾值時，少量材料將被燒蝕和激發(fā)以產(chǎn)生等離子體。在激光脈沖結(jié)束時，等離子體迅速擴散并冷卻。激光誘導(dǎo)等離子體內(nèi)包含了電子、離子、原子、分子和微粒等，整體呈電中性。
LIBS光譜的動力學(xué)過程
此期間，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)遷移回低能態(tài)，并發(fā)出具有特定波長的特征光輻射。用靈敏的光譜儀對等離子體發(fā)射光譜中的譜峰位置、峰強等信息進(jìn)行分析，識別樣品中的元素的種類和相應(yīng)的含量，可以進(jìn)行材料的識別、分類、定性以及定量分析。
能級躍遷示意圖
當(dāng)激光脈沖結(jié)束后，等離子體中被激發(fā)的粒子會從高能級向低能級躍遷，并發(fā)射特征譜線，波長λ可以表示為：
其中c為光速，h為普朗克常量，Ek為高能級的能量，Ei為低能級的能量。用光譜儀采集等離子體發(fā)射的特征譜線就會得到類似于下圖所示的LIBS光譜圖。通常我們認(rèn)為等離子體中各種元素的比例與燒蝕樣品的元素比例一致。通過分析特征譜線的強度，可以定量分析出樣品中各種元素的含量。
3.實驗
3.1應(yīng)用背景
通過LIBS檢驗出在水泥中含有的Cl成分，氯離子的侵入是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的最主要因素，混凝土內(nèi)部原本呈堿性，鋼筋在堿性環(huán)境中表面可以生成“鈍化膜”防止鋼筋的腐蝕，但是氯離子的存在，使其內(nèi)部堿性降低，破壞了“鈍化膜”，從而鋼筋受到腐蝕。氯離子對鋼筋混凝土的腐蝕是混凝土建筑面臨最嚴(yán)重的問題之一。因此，混凝土中氯離子含量的研究，以及對混凝土中氯元素的分布情況的研究，可以有效了解混凝土的腐蝕情況，從而提前預(yù)測是否需要維修提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，并準(zhǔn)確預(yù)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壽命有著重要的意義。
3.2實驗?zāi)康?/strong>
樣品為方糖大小的灰白色或黑灰色的棱臺狀水泥，采用LIBS系統(tǒng)對樣品進(jìn)行測試獲取LIBS光譜信息，并根據(jù)所獲數(shù)據(jù)對樣品中所含元素進(jìn)行定性分析。驗證LIBS系統(tǒng)測量Cl元素的特征波長是否匹配。
3.3實驗儀器列表
3.4實驗內(nèi)容
圖1 樣品圖片
圖2 光路實驗示意圖
圖3 測量實驗設(shè)備圖
3.4實驗結(jié)果
1064nm納秒激光 100mj、延時5us、空氣環(huán)境（無真空與稀有氣體環(huán)境）、大氣壓強；
2% 4% 6% 8%都能測試837.594nm的特征譜線，剩余1% 基樣 3%難以探測到特征譜線。
根據(jù)譜圖中的特征峰值進(jìn)行元素定性分析：
