激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張瑩瑩， 海 然， 張家良， 魏 來(lái)， 王曉娜

（大連理工大學(xué)物理學(xué)院三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023）

0 引 言

聚變核能是公認(rèn)的可替代傳統(tǒng)化石能源（煤炭、石油、天然氣等）的一項(xiàng)人類偉大科技成就。由包括中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯等7方共同組織參與的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目，是當(dāng)今世界規(guī)模最大的國(guó)際科技合作計(jì)劃之一。隨后，世界首臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）由我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造完成，該裝置屬于目前世界上最先進(jìn)的磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置之一。與此同時(shí)，多項(xiàng)國(guó)家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目相繼展開。我校作為ITER項(xiàng)目和EAST裝置的主要參與者之一，在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方面都做出了重要貢獻(xiàn)［1-2］。然而，如何將國(guó)家重大研究計(jì)劃和相關(guān)的科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拉近國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和重大科學(xué)前沿與本科生所學(xué)理論知識(shí)的距離，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)精神，并激發(fā)學(xué)生奉獻(xiàn)祖國(guó)科研事業(yè)的決心和信心，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革需要關(guān)注的問(wèn)題之一［3-4］。

在托卡馬克國(guó)家大實(shí)驗(yàn)裝置中，如何在極端環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、精準(zhǔn)地檢測(cè)裝置壁材料表面成分的細(xì)微變化，屬于磁約束聚變研究的瓶頸問(wèn)題。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）［6-7］，具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：使用簡(jiǎn)便、原位分析、在線檢測(cè)等，同時(shí)被廣泛應(yīng)用于礦業(yè)探測(cè)、軍事爆炸物檢測(cè)、太空檢測(cè)等多種環(huán)境下的諸多領(lǐng)域［8-10］。

在物理學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，基于國(guó)家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目，將有關(guān)LIBS技術(shù)的成熟科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過(guò)自主設(shè)計(jì)組裝實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具可行性，內(nèi)容更具科學(xué)性和前沿性，不但可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科學(xué)精神，更能結(jié)合高校的課程思政建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷，增強(qiáng)民族自信。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

LIBS技術(shù)是一類光譜分析技術(shù)，其基本依據(jù)在于原子和分子光譜具備一定的指紋特征，即不同原子或分子的特有能級(jí)決定了其發(fā)出不同的光譜譜線，通過(guò)譜線波長(zhǎng)的識(shí)別和關(guān)聯(lián)分析，從而實(shí)現(xiàn)樣品成分的定性和定量檢測(cè)［11］。

要使樣品的原子或分子成分發(fā)生光譜過(guò)程，必須對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，產(chǎn)生原子或分子的諸多激發(fā)態(tài)。傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)中，火焰燃燒、感性耦合等離子體炬、微波等離子體炬等［12-14］為常用的激發(fā)手段。隨著激光器技術(shù)的高速發(fā)展，利用高功率脈沖激光加熱樣品，可以實(shí)現(xiàn)樣品的快速高溫激發(fā)，形成高溫高密度的瞬態(tài)等離子體，同時(shí)產(chǎn)生大量處于激發(fā)態(tài)的離子。這些激發(fā)態(tài)的離子極其不穩(wěn)定，躍遷的同時(shí)發(fā)射出具有特定波長(zhǎng)的光。光輻射分為兩個(gè)階段進(jìn)行：①形成等離子體的初始階段，主要發(fā)射連續(xù)譜輻射；②等離子體冷卻和空間膨脹階段，連續(xù)輻射迅速減弱，發(fā)射特征譜線的輻射，即特征輻射［15］。連續(xù)輻射和特征輻射經(jīng)透鏡收集后由光纖導(dǎo)入高靈敏度的光譜儀，光譜儀將光譜強(qiáng)度分布經(jīng)光電轉(zhuǎn)化形成電信號(hào)并記錄。由于光譜輻射分階段進(jìn)行，為了得到原子分子的特征輻射，需要引入時(shí)序控制系統(tǒng)，控制光譜儀快門時(shí)間與激光器觸發(fā)脈沖之間的相對(duì)延遲，提高譜線信噪比。最后，對(duì)照原子分子光譜標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)光譜儀記錄的譜線進(jìn)行識(shí)別和分析，得出被測(cè)樣品的成分、含量等信息。

總結(jié)以上原理，LIBS技術(shù)包括3個(gè)過(guò)程：①樣品激發(fā)過(guò)程——脈沖激光燒蝕樣品，在其表面瞬間產(chǎn)生高溫高密度等離子體，同時(shí)輻射發(fā)光；②光譜記錄過(guò)程——經(jīng)光纖和光譜儀完成光輻射的數(shù)據(jù)采集與記錄；③元素識(shí)別過(guò)程——比照原子分子光譜標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)樣品元素進(jìn)行定性分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置包括脈沖激光器、激光導(dǎo)光臂、光纖、光譜儀、計(jì)算機(jī)和時(shí)序控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 LIBS實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

（1）脈沖激光器。采用調(diào)Q方式的Nd：YAG（釔鋁石榴石晶體）納秒脈沖激光器（TINY-H800型），1 064 nm的輸出波長(zhǎng)，單脈沖能量100～800 mJ連續(xù)可調(diào)，頻率1～10 Hz，脈寬小于10 ns。

（2）導(dǎo)光臂。經(jīng)多組反射鏡引導(dǎo)激光光束，最后經(jīng)平凸透鏡聚焦到樣品表面，如圖2所示。

圖2 光束傳輸系統(tǒng)示意圖

（3）光纖。由三條光纖拼接，組合采集的光譜范圍為200～950 nm。光纖探頭由收集透鏡組成，保證全部光譜波段被收集并聚焦耦合到光纖內(nèi)。

（4）光譜儀。利用分光元件將等離子體發(fā)出的“復(fù)合光”分開為“單色光”。本實(shí)驗(yàn)采用的光譜儀為美國(guó)海洋光學(xué)公司LIBS2500-3型。

（5）時(shí)序控制系統(tǒng)。采用單脈沖外觸發(fā)方式，激光器的觸發(fā)脈沖作為主脈沖，光譜儀接受此脈沖后，延遲一定時(shí)間產(chǎn)生快門脈沖。通過(guò)改變延遲時(shí)間改變兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的相對(duì)延遲。

2 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐

托卡馬克裝置中的壁材料問(wèn)題屬于磁約束聚變的瓶頸問(wèn)題。要滿足聚變反應(yīng)中腔室內(nèi)2.5×108℃的極端高溫環(huán)境，并能承受高能離子的轟擊，科學(xué)工作者對(duì)大量材料展開了研究，先后更換了摻雜石墨、鈦鋯鉬合金、全鎢材料等。2017年7月，我國(guó)EAST裝置成功獲得電子溫度高達(dá)5×107℃、目前放電時(shí)間最長(zhǎng)的等離子體，再次創(chuàng)造了磁約束核聚變領(lǐng)域新的世界紀(jì)錄。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，首先結(jié)合“人造太陽(yáng)”大科學(xué)工程背景［16］，將思政教育有機(jī)融合進(jìn)來(lái)，向?qū)W生介紹我國(guó)在聚變核能研究領(lǐng)域內(nèi)的重大成果和地位，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和科研興趣。其次，針對(duì)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，展開分析討論，提出本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)手段。最后，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圍繞7種材料進(jìn)行LIBS技術(shù)檢測(cè)，根據(jù)材料導(dǎo)電性能由優(yōu)到差，依次為：銅（Cu）、鎢（W）、鋁（Al）、石墨、摻雜硅、剛玉陶瓷（Al2O3）、聚四氟乙烯，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品材料經(jīng)能量為200 mJ（閃光燈電壓為700 V）的脈沖激光燒蝕，延遲時(shí)間為4.6μs的情況下，得到的各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的LIBS光譜分析數(shù)據(jù)如圖4所示，其中譜線強(qiáng)度單位為原子單位（1 a.u.＝1 Hartree＝2.6 MJ/mol）。對(duì)照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)（www.nist.gov），分析得出每種材料的原子（分子）譜線。以Cu材料為例，如圖4中黑線所示，學(xué)生通過(guò)仔細(xì)觀察圖形并查閱數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)324 nm和326 nm附近，有兩個(gè)明顯的峰值，對(duì)應(yīng)Cu原子的特征輻射。另外，由于實(shí)驗(yàn)是在大氣中進(jìn)行，因此還得到了碳、氫、氧、氮等元素的原子譜線，學(xué)生可依次標(biāo)出。540～700 nm之間還出現(xiàn)了較復(fù)雜的連續(xù)譜輻射，由激光產(chǎn)生等離子體時(shí)的高能電子引發(fā)，學(xué)生對(duì)此可做簡(jiǎn)單了解。對(duì)照NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)生可標(biāo)出所有7種樣品材料中主要的原子（分子）輻射譜線。通過(guò)觀察分析譜線，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性能好的金屬，和聚四氟乙烯之間存在明顯差別：金屬材料很容易激發(fā)產(chǎn)生特征輻射，而聚四氟乙烯則性能較穩(wěn)定，成分也較復(fù)雜。因此，聚四氟乙烯常用來(lái)作為實(shí)驗(yàn)中的絕緣材料，但缺點(diǎn)是不耐高溫。需要說(shuō)明的是，學(xué)生從圖4中W的輻射譜線，發(fā)現(xiàn)W材料被激發(fā)后的產(chǎn)生率（即濺射率）相對(duì)較低?？赡苁怯捎谑褂玫墓庾V儀受條件限制未采集到，也可能是W材料本身具有的優(yōu)點(diǎn)：較高的熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)等，因此在托卡馬克裝置中的極端環(huán)境條件下，純鎢材料是重要的壁材料之一。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品光譜

3 教學(xué)效果與反思

近年來(lái)，在國(guó)家重大研究項(xiàng)目的支持下，高校取得了令人矚目的科研成果，而這些科研成果成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)寶貴的潛在資源。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目基于托卡馬克裝置中壁材料的在線分析診斷技術(shù)——LIBS技術(shù)，在應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)了4學(xué)年的實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。該項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

（1）國(guó)家重大研究計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。國(guó)家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和重大科學(xué)前沿，其科研成果為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供重要保障。而這些重大研究計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)，往往是高深莫測(cè)、難以企及的。將相關(guān)的成熟科研成果引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拉近國(guó)家重大研究計(jì)劃和本科生所學(xué)理論知識(shí)的距離，不僅加深了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用能力，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)精神，促進(jìn)高校的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

（2）課程思政建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。課程思政建設(shè)是高校在構(gòu)建“三全育人”大格局過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。我校應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)很強(qiáng)科學(xué)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用物理研究型人才為目標(biāo)。結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)人才培養(yǎng)特點(diǎn)，將我國(guó)在國(guó)際重大科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的地位和貢獻(xiàn)有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，培養(yǎng)學(xué)生奉獻(xiàn)祖國(guó)科研事業(yè)的決心和信心，并形成實(shí)驗(yàn)教學(xué)和思想政治教學(xué)同向同行的育人格局。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)國(guó)家重大研究計(jì)劃——磁約束核聚變研究項(xiàng)目，探索了將相關(guān)的成熟科研成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拉近了國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和重大科學(xué)前沿與本科生所學(xué)理論知識(shí)的距離，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和繼續(xù)鉆研的興趣。通過(guò)自主搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，采用聚變裝置中托卡馬克壁材料在線分析診斷技術(shù)——LIBS技術(shù)，學(xué)生分別對(duì)7種不同的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行脈沖激光燒蝕、光譜采集與分析。結(jié)果表明，不同材料之間的特征譜線存在明顯差異。其中鎢材料由于具有較多優(yōu)點(diǎn)，成為托卡馬克裝置中重要的壁材料。該教學(xué)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)4學(xué)年的實(shí)踐證明，將國(guó)家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目相關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)將我國(guó)在國(guó)際重大科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的地位和貢獻(xiàn)融入教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，不但能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和探索研究能力，更能培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷，增強(qiáng)民族自信。