在選礦工業(yè)中,浮選是一種非常重要且廣泛使用的精礦石提取方法,而浮選過(guò)程中,礦漿的品位決定著精礦的產(chǎn)出。因此,對(duì)礦漿品位的快速在線檢測(cè)研究及應(yīng)用具有重要意義。激光探針,又稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS),是一種新興的元素檢測(cè)分析技術(shù),具有快速、實(shí)時(shí)、原位等檢測(cè)優(yōu)點(diǎn),能夠滿足在線檢測(cè)的需求。然而,由于LIBS直接應(yīng)用于礦漿檢測(cè)存在液體干擾和固體顆粒沉淀問(wèn)題,導(dǎo)致光譜強(qiáng)度差、檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定,如何解決上述問(wèn)題是LIBS應(yīng)用于礦漿檢測(cè)的關(guān)鍵。為此,本文通過(guò)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套礦漿樣品循環(huán)系統(tǒng),以此為基礎(chǔ)搭建LIBS礦漿檢測(cè)平臺(tái),以克服液體干擾和固體顆粒沉淀問(wèn)題,從而有效提高了光譜信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。具體研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下:(1)針對(duì)液體干擾和固體顆粒沉淀干擾,本文自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套礦漿樣品循環(huán)系統(tǒng),并搭建了激光探針礦漿檢測(cè)系統(tǒng)。為獲得最佳的檢測(cè)結(jié)果,本文對(duì)礦漿檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在最優(yōu)的檢測(cè)參數(shù)條件下,利用該系統(tǒng)檢測(cè)鐵礦漿所得到的Fe元素檢測(cè)極限為0.075wt.%,且擬合得到的定標(biāo)曲線的線性度可以達(dá)到0.982。通過(guò)去一交叉驗(yàn)證對(duì)該定標(biāo)曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)檢驗(yàn)可得,平均預(yù)測(cè)相對(duì)誤差為0.218 wt.%,預(yù)測(cè)均方根誤差為6.96%,檢測(cè)結(jié)果可信度高。(2)為進(jìn)一步提高檢測(cè)光譜的光譜強(qiáng)度和穩(wěn)定性,本文在原單脈沖LIBS的基礎(chǔ)上引入高頻脈沖光纖激光器,自主設(shè)計(jì)并搭建了光纖激光器輔助增強(qiáng)激光探針礦漿檢測(cè)系統(tǒng)。分別從等離子體的產(chǎn)生條件和等離子體的演化過(guò)程兩個(gè)方面,對(duì)光纖激光器輔助增強(qiáng)的機(jī)理進(jìn)行了探討和研究。結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)兩方面,結(jié)果表明光纖激光器的引入能夠快速蒸發(fā)樣品檢測(cè)點(diǎn)的水分,為等離子體的產(chǎn)生提供一個(gè)穩(wěn)定的熱環(huán)境,且改進(jìn)后的系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體與原系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體相比,有著更高的溫度和較低的密度,為高溫低密度等離子體。(3)本文通過(guò)對(duì)比原系統(tǒng)和改進(jìn)后系統(tǒng)采集到的元素光譜,討論了光纖激光器對(duì)光譜信號(hào)的改善效果。結(jié)果表明,鐵元素和鈣元素的譜線強(qiáng)度均得到提高,且其特征光譜的穩(wěn)定性也有所改善。鐵元素和鈣元素的光譜強(qiáng)度最大可提高3.71和8.05倍,光譜穩(wěn)定性最大可改善11.72%和9.83%。在原單脈沖LIBS系統(tǒng)鐵元素檢測(cè)極限為0.113wt.%的參數(shù)條件下,改進(jìn)后系統(tǒng)的鐵元素檢測(cè)極限獲得改善,可達(dá)到0.083wt.%。綜上所述,本文自主研制的激光探針檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地降低液體干擾和固體顆粒沉淀的影響,可對(duì)鐵礦漿進(jìn)行在線檢測(cè),相關(guān)成果為激光探針光譜技術(shù)在礦漿的檢測(cè)研究提供了一種新的檢測(cè)方法。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN249
【部分圖文】：

LIBS 技術(shù)通過(guò)將高能激光聚焦于待測(cè)樣品表面，燒蝕待測(cè)樣品并激發(fā)產(chǎn)生等離子體，然后利用光譜收集裝置采集等離子體的發(fā)射光譜，再對(duì)采集到的等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行處理和分析，從而得出樣品中所含元素信息[8-10]。最基本的 LIBS 系統(tǒng)組成如圖 1-1 所示，其工作過(guò)程如下：激發(fā)能量源提供激發(fā)等離子體所需的能量，LIBS 系統(tǒng)所使用的激發(fā)源為高能脈沖激光器（1），其輸出的激光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)（2）；光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、聚焦鏡、采集頭等光學(xué)器件，反射鏡的作用是改變激光的方向，引導(dǎo)激光至樣品表面，聚焦鏡的作用是將激光聚焦到待測(cè)樣品表面，提高激光在樣品表面的功率密度，采集頭是一個(gè)完整的耦合光學(xué)系統(tǒng)，用于采集等離子體發(fā)射光譜并將光譜信號(hào)耦合進(jìn)傳導(dǎo)光纖，傳輸至光譜探測(cè)系統(tǒng)（3）；光譜探測(cè)系統(tǒng)可分為光譜儀和探測(cè)器，光譜儀的主要功能是按照不同的波長(zhǎng)將等離子體發(fā)射的復(fù)合光譜分開(kāi)，而探測(cè)器則將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳輸給顯示分析系統(tǒng)（4）；顯示分析系統(tǒng)將接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理，繪制成光譜圖呈現(xiàn)出來(lái)。至此，檢測(cè)人員就可以通過(guò)LIBS系統(tǒng)導(dǎo)出的等離子體的光譜，對(duì)檢測(cè)的樣品進(jìn)行相應(yīng)的分析[11,12]。

在 LIBS 系統(tǒng)工作過(guò)程中，其核心在于激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生等離子體。等離子體的產(chǎn)生及演化過(guò)程大致可以分為六個(gè)階段：樣品的加熱階段，樣品的燒蝕階段，等離子體的產(chǎn)生階段，等離子體的膨脹階段，等離子體的冷卻階段和物質(zhì)顆粒的凝結(jié)階段[13,14]。整個(gè)過(guò)程圖如圖 1-2 所示。首先，當(dāng)激光脈沖剛剛接觸樣品表面時(shí)，待測(cè)樣品將反射和吸收入射激光，被吸收的激光將樣品加熱。然后，當(dāng)樣品吸收的激光功率密度逐漸增大，超過(guò)樣品的燒蝕閾值時(shí)，樣品將被燒蝕，并在樣品上方產(chǎn)生物質(zhì)蒸汽團(tuán)。隨后，激光功率密度進(jìn)一步增大，超過(guò)等離子體的擊穿閾值時(shí)，將誘導(dǎo)擊穿物質(zhì)蒸汽團(tuán)，產(chǎn)生等離子體，開(kāi)始放出輻射光。等離子體自產(chǎn)生后迅速膨脹，放出大量輻射光，并伴隨以沖擊波，等離子體溫度和電子數(shù)密度下降。隨著等離子體溫度的下降，等離子體輻射逐漸漸弱，等離子體逐漸冷卻。最后，等離子體逐漸湮滅，樣品燒蝕產(chǎn)生的物質(zhì)顆粒沉降和積累在燒蝕坑周圍。LIBS 技術(shù)的檢測(cè)原理決定了該技術(shù)有著其他技術(shù)難以代替的優(yōu)點(diǎn)：（1）該技術(shù)

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文能夠快速甚至實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，基本無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理；（2）該技術(shù)適用范圍廣，能夠檢測(cè)分析所有形態(tài)（固體、液體、氣體）的物質(zhì)；（3）該技術(shù)檢測(cè)范圍廣，近乎可以對(duì)所有元素進(jìn)行檢測(cè)分析；（4）該技術(shù)可以同時(shí)檢測(cè)多種元素，并在短時(shí)間內(nèi)給出檢測(cè)分析結(jié)果；（5）該技術(shù)基本不破壞樣品，可以做到微損甚至無(wú)損檢測(cè)；（6）該技術(shù)還具備遠(yuǎn)程探測(cè)能力。由于 LIBS 技術(shù)擁有諸多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其已經(jīng)初步應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，如圖 1-3 所示，包括工業(yè)應(yīng)用[15-17]，環(huán)境監(jiān)測(cè)[18-20]，礦物勘探[21-23]，生物檢測(cè)[24-26]，食品安全[27-29]，太空探索[30-32]等。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2859039