基于激光诱导等离子体发射光谱标准化的元素测量方法

摘要

基于激光诱导等离子体发射光谱标准化的元素测量方法，用于元素浓度检测。该方法首先将特征谱线强度折合到标准等离子体温度和待测元素离子原子数密度比；然后，折合到标准等离子体温度和标准的待测元素的离子原子数密度比的待测元素的原子和离子特征谱线强度和，被用来补偿由于烧蚀质量变化造成的等离子体中总粒子数密度波动；最后建立待测元素浓度与折合后的特征谱线强度以及特征谱线强度和三者之间的方程。对于未知成分的样品进行测量时，经过光谱标准化，根据定标模型可得到待测元素浓度。该定标模型考虑了烧蚀质量，等离子体温度和离子原子数密度比对测量信号影响，补偿了由于等离子物理参数的波动造成的光谱强度波动，测量精度得到很大提高。

主权项

1.基于激光诱导等离子体发射光谱标准化的元素测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1）对于各元素浓度已知的一个定标样品，在保护气体氛围中利用激光诱导等离子体测量系统对样品表面的不同位置进行检测，每个位置得到一幅包含各个元素原子和离子特征谱线的光谱，并分别求取定标样品中的待测元素的原子特征谱线强度、离子特征谱线强度、等离子体温度、电子密度以及待测元素离子数与原子数之比；2）对于一组待测元素含量不同的定标样品，重复步骤1）；3）求取一组定标样品的所有次测量的等离子体温度的平均值，以及待测元素离子数与原子数之比的平均值，并把等离子体温度的平均值作为标准的等离子体温度，把定标样品中的待测元素离子数与原子数之比的平均值作为待测元素的标准的离子数与原子数之比；4）将一组定标样品的所有次测量的待测元素的原子特征谱线强度，折合到步骤3）所述的标准的等离子体温度和待测元素的标准的离子数与原子数之比；将一组定标样品的所有次测量的待测元素的离子特征谱线强度，折合到步骤3）所述的标准的等离子体温度和待测元素的标准的离子数与原子数之比；a.把待测元素的原子特征谱线强度利用公式（I）折合到步骤3）所述的标准等离子体温度和待测元素的标准的离子数与原子数之比，$I_{\mathrm{ij}}^I(T_0,r_0)=I_{\mathrm{ij}}^I\frac{r+1}{r_0+1}\frac{U^I\left(T\right)\exp (-E_i/k{T}_0)}{U^I\left(T_0\right)\exp (-E_i/\mathrm{kT})}---\left(I\right)$上标I代表所测元素S的原子，下标i和j分别表示上能级和下能级；I为的特征谱线的强度，r是待测元素离子原子粒子数密度比，U(T)是配分函数，E、T和k分别代表元素激发态能量、等离子体的温度和玻尔兹曼常数；T₀为标准等离子体温度，r₀为待测元素的标准的离子数与原子数之比r₀；b.对于待测元素的离子特征谱线，利用公式（II）折合到步骤3）所述的标准等离子体温度和待测元素的标准的离子数与原子数之比，$I_{\mathrm{mn}}^{\mathrm{II}}(T_0,r_0)=I_{\mathrm{mn}}^{\mathrm{II}}\frac{r_0(r+1)}{r(r_0+1)}\frac{U^{\mathrm{II}}\left(T\right)\exp (-E_m/k{T}_0)}{U^{\mathrm{II}}\left(T_0\right)\exp (-E_m/\mathrm{kT})}---\left(\mathrm{II}\right)$其中：下标m和n分别表示上能级和下能级；上标II代表所测元素S的离子；T₀为标准等离子体温度，r₀为待测元素的标准的离子数与原子数之比r₀；5）求取折合到步骤3）所述的标准等离子体温度T₀和待测元素的标准离子数与原子数之比r₀的待测元素的原子特征谱线强度和离子特征谱线强度之和，即I_T(T₀,r₀)；6）利用待测元素原子特征谱线或离子特征谱线建立待测元素的定标曲线方程；a.对于待测元素原子特征谱线，以待测元素浓度C为因变量，以折合到标准等离子体温度和待量元素的标准的离子数与原子数比的待测元素的原子特征谱线强度以及待测元素的原子和离子特征谱线强度和I_T(T₀,r₀)为自变量，进行多元线性回归分析，得到定标曲线方程:$C=a_I{I}_{\mathrm{ij}}^I(T_0,r_0)+a_2{I}_T(T_0,r_0)+a_3---\left(\mathrm{III}\right)$其中a₁,a₂,a₃为回归系数；b.对于待测元素的离子特征谱线，以待测元素浓度C为目标，以折合到标准等离子体的温度和待测元素的标准的离子原子数密度比的离子特征谱线强度以及待测元素原子和离子特征谱线强度和I_T(T₀,r₀)为变量，进行多元线性回归分析，得到定标曲线方程:$C=b_1{I}_{\mathrm{mn}}^{\mathrm{II}}(T_0,r_0)+b_2{I}_T(T_0,r_0)+b_3---\left(\mathrm{IV}\right)$其中b₁,b₂,b₃为回归系数；7）待测样品中的待测元素浓度预测；对于各元素浓度未知的一个待测样品，按照步骤1）的方法进行检测，分别求取待测样品中的待测元素的原子特征谱线强度、离子特征谱线强度、等离子体温度、电子密度以及待测元素离子数与原子数之比；按照步骤4）对待测样品中的待测元素的原子特征谱线强度和离子特征谱线强度进行标准化处理，分别得到标准化后的原子特征谱线强度和标准化后的离子特征谱线强度按照步骤5）求取折合到标准等离子体温度T₀和待测元素的标准离子数与原子数之比r₀的待测元素的原子特征谱线强度和离子特征谱线强度之和I_T(T₀,r₀)；然后利用定标曲线方程（III）或（IV）求得待测元素的浓度。8）对于步骤7）中的待测样品，在不同的位置进行多次测量并分别求得待测元素的浓度。