铁合金等离子体的时空特性研究

发布时间：2017-09-30 02:19

  本文关键词：铁合金等离子体的时空特性研究

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【摘要】：在钢铁合金冶炼过程中,实时监测各个环节合金成分变化尤其是非金属C含量的变化,对调控冶炼过程提高生产效率和产品质量有重要意义。激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced Breakdown Spectroscopy:LIBS)是一种利用激光诱导激发并产生等离子体并发射光谱技术,根据等离子体中不同元素发射特定波长的光谱信号进行化学组成的分析技术。应用的过程能无需对样品进行处理,样本的物理状态并不影响LIBS的应用,并且可以做到无损检测快速分析,近年在来冶金行业试探性的工程应用。但是LIBS现在存在测量稳定性弱,重复性差的缺点,尤其在铁合金冶炼过程中,C元素含量的测量存在很大困难。以往主要从改变测量条件,提高检测设备精度等方面来寻求解决问题。这个过程中忽略了光谱信息是由等离子体辐射产生,而等离子体是一个复杂的非线性过程,除了与激光、缓冲气体的诸多性质有关外,还与样品的物理化学特性密切相关。本文首先通过研究激光与铁合金的相互作用的过程、等离子体产生演变过程,发现等离子体存在时间空间的不均性;并从等离子体结构出发分析了等离子体产生到消亡的整个过程及谱线产生的物理机制,提出了等离子体诊断的方法,并且给出了等离子体密度与等离子温度的计算和优化方法。其次研究了激光诱导固态与熔融态铁合金的时空特性,致力于如何提高激光诱导击穿光谱对铁合金等离子体的分析能力。通过实验测量诱导铁合金产生的等离子体时间与空间分辨光谱,并对铁合金等离子体中C元素的特征谱线的信噪比的时空特性进行了分析,铁合金等离子体的电子密度与电子温度的时空分布进行了研究。同时分析比较了固态铁合金与熔融态铁合金等离子体的电子密度与温度,并对差异进行分析,为冶金在线监测提供指导。最后还对影响光谱测定的自吸收效应进行分析。研究了等离子时空分布自吸收效应演化特性从而对LIBS铁合金中非金属C元素的测量提供实验指导。得到了实验测量的最佳观测时间和观测位置以及影响因素,最终为工程应用提供了指导。最后总结工作并提出了在此基础上的展望。
【关键词】：铁合金 激光诱导等离子体 光谱 电子密度 等离子体温度 自吸收效应
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF63;TN249
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 铁合金等离子体时空特性研究的背景及意义8-9
• 1.2 等离子体在LIBS测量中局限性分析9-10
• 1.3 国内外发展现状10-11
• 1.4 本文的研究内容11-12
• 1.5 本章小结12-13
• 第二章 激光诱导铁合金等离子体时空不均匀性研究13-29
• 2.1 激光烧蚀铁合金等离子体产生机理13-14
• 2.2 激光诱导铁合金等离子体时空不均匀性分析14-16
• 2.2.1 铁合金等离子体的时间演变14-15
• 2.2.2 铁合金等离子体的空间分布15-16
• 2.3 铁合金等离子体物理参数不均匀性诊断16-25
• 2.3.1 等离子体谱线辐射16-17
• 2.3.2 等离子体电子密度17-19
• 2.3.3 等离子体温度19-22
• 2.3.4 激光诱导等离子体的局部热平衡分析22-23
• 2.3.5 局部热平衡等离子体对碳元素谱线影响23-25
• 2.4 铁合金中LIBS定量分析25-28
• 2.4.1 存在标样情况下的LIBS分析25-26
• 2.4.2 无标样LIBS算法26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 激光诱导等离子体的时空分辨特性研究29-46
• 3.1 实验装置29-30
• 3.2 等离子体光谱的时空分辨发射光谱的测定30-34
• 3.2.1 等离子体光谱的时间分辨发射光谱30-31
• 3.2.2 等离子体光谱的空间分辨发射光谱31-32
• 3.2.3 特征谱线的信噪比随时间演化32-34
• 3.3 激光诱导铁合金等离子体温度与电子密度的时空演化特性34-40
• 3.3.1 等离子体电子密度的时空演化特性34-37
• 3.3.2 等离子体电子温度的时空演化特性37-39
• 3.3.3 无标样LIBS分析结果39-40
• 3.4 激光诱导铁合金熔液等离子体光谱分析40-42
• 3.5 熔融态铁合金等离子体特性研究42-45
• 3.5.1 熔融铁合金等离子体温度特性42
• 3.5.2 固态与熔融铁合金等离子体电子密度42-44
• 3.5.3 无标样LIBS分析结果44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 等离子体时空特性对C自吸收的影响46-53
• 4.1 等离子体自吸收效应评价方式46-48
• 4.2 C元素自吸收随时空的演化48-50
• 4.3 脉冲激光能量对自吸收的影响50-51
• 4.4 定量分析51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 总结与展望53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-62
• 作者简介62
• 攻读硕士学位期间研究成果62

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本文编号：945588