一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法技术

一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，包括以下步骤：1)采集光谱数据，形成光谱数据集合；2)进行数据预处理，获取目标元素特征谱线波长与峰强度值；3)建立目标元素特征谱线专门数据库；4)将元素特征谱线波长与数据库进行匹配计算，确认特征谱线的元素归属信息；5)建立元素定标模型；6)将特征峰强度值作为输入集应用于元素定标模型，实现目标元素浓度快速定标与实时输出本发明专利技术区别于多变量统计回归技术手段，将分段平均平滑光谱滤噪与求导寻峰两个优势技术联合应用，可在最大程度保留原始光谱特征变量信息的同时实现光谱背景的充分校正，能够快速计算获取元素特征峰的波长与净峰高强度值。特征峰的波长与净峰高强度值。特征峰的波长与净峰高强度值。

【技术实现步骤摘要】
一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法


[0001]本专利技术涉及原子发射光谱分析
，具体是一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法。

技术介绍

[0002]电解水制氢是新能源开发利用中的重要制氢途径。作为燃料发动机和燃料电池的主要燃料，氢气纯度对于燃料发动机的工况性能、燃料电池效率、以及电极活性的持久保持等至关重要。储存的氢气使用前会被来自空气泄露或在制氢过程中引入的如N2,O2和Ar等微量杂质组分污染。及时准确监测储存罐和输送管道中氢气的纯度是保证氢能源高效利用的必要前提。
[0003]在清洁能源核能的开发利用中，气体组分的实时快速监测也是十分重要。核电厂运行时以放射性废气等形式产生的放射性废物包含有来自裂变、中子辐照、及释热元件烧焙产生的放射性微粒或核素，如惰性气体同位素、卤素和气溶胶等，并向环境释放。虽然这些常规释放过程中放射性核素的累积排放总量大，但由于核电厂产生的气载放射性核素浓度通常较低，使得环境介质中的放射性活度都低于仪器监测的探测限，仅通过环境监测无法计算辐照剂量。因此在核电厂的安全管理中，流出物中放射性惰性气体的排放量目前主要是通过来源于各核电厂流出物监测的探测下限进行统计，即根据核电厂流出物监测数据，再采用适当的环境模型来获取核电厂释放的放射性物质的量，最终形成核电厂辐射环境影响评价的基础数据，确立对环境质量以及公众所受剂量进行评估的依据。然而，由于用低于探测限数据进行实际统计的放射性惰性气体的排放量几乎与气态流出物的总排放量相等，使得在利用实验分析数据对低于探测限的目标监测量进行估算时遇到困难。尤其在没有明确规定核电厂流出物的放射性核素及其中关键核素测量探测限的情况下，不同测量机构之间由于取样方式不同、使用监测仪器与监测方法及监测条件差异的影响，低浓度水平放射性惰性气体的监测能力以及探测限产生了较大差别，导致对排放量的统计相差巨大，因此来自不同渠道的监测数据和流出物排放评价缺少了可比性，测量结果评估的可靠性变差，最终影响到核电厂排出物排放评价的科学性。目前针对放射性惰性气体如Xe和Kr的同位素以及He、Ar
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等主要监测指标的监测方法多为放射性活度检测法，如β测量方法以及运用高纯锗谱仪等测量法，它们更倾向于离线检测特征，惰性气体的取样量通常在几升，测量时间也在十分钟到几小时，且由于缺少成熟的浓集气体取样方法，使得放射性惰性气体各核素监测结果经常小于仪器探测限。鉴于此，为适应核电厂放射性惰性气体监测的要求，需要提高核电厂正常运行期间放射性核素监测的技术灵敏度和分析方法的有效性，才能确保放射性惰性气体排放的统计结果在一个较大范围内具有可比性。及时开发新的技术与方法，提高流出物过程监测的探测能力快速获取目标元素的浓度信息，成为放射性惰性气体排放客观评价的重要技术前提。
[0004]面向未来聚变能源时，聚变反应堆中的重氢与超重氢作为燃料使用，运行的堆心
等离子体与壁材料相互作用，生成的杂质随未“燃烧”的燃料一同排气。精细处理这些燃烧过的核燃料，除去其中的杂质气体、快速回收重氢和超重氢后再注入聚变堆，即可实现核燃料的高效循环与利用。因此快速准确地监测聚变反应堆燃料循环排出气体中的杂质，对于降低聚变能燃料利用成本意义重大。目前国内外在等离子体废气一体化净化处理系统的设计中，激光拉曼光谱、质谱、气相色谱以及量热法和电离室监测等技术，依据其各自优缺点已被用于“废气”样品的分析。但对于如He和Ar等，由于其拉曼效应不敏感，不能用激光拉曼光谱进行很好地监测，其本身作为载气时也不能用气相色谱法进行检测，在利用质谱分析时也会由于受气体种类、裂解产物等的重叠干扰而变得非常困难。基于上述技术与应用特征开发新的高效技术手段，成为应对聚变装置燃料循环排灰气组份快速监测需求的新途径。
[0005]激光诱导击穿光谱(LIBS)作为著名的分析工具，具有实时在线以及无需样品制备等技术优势。其仅利用光学部件组成光路系统即可将脉冲激光引入待测样品，因此先天具备非侵入性和很好的远程监测性能，且系统装配灵活、体积小，应用环境适应性强，借助高能量密度脉冲激光直接作用于样品即可实现对样品的原子化激发，因此分析速度非常快，特别适合极端环境包括放射环境下目标元素信息的在线瞬时获取。
[0006]然而目前LIBS技术的应用更多集中在针对固体样品的分析。受固体样品基质特征等因素的影响，利用LIBS技术的元素定标主要是基于多变量统计回归技术的综合运用，因此需要的数据量大，计算成本高，一定程度降低了其即时分析特性。考虑气体样品的基质组成特征以及元素激发特性，开发合适的LIBS定标分析技术，建立可应用于多环境条件下微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，无论是针对电解水制氢纯度的快速准确监测，还是对不同类型核设施中具有特定辐射指示特征及测量灵敏度典型核素含量的探测均具备重要的技术与应用价值。而且在聚变能源领域，充分发挥LIBS技术的远程、快速、非侵入以及高灵敏度等技术优势，在线定量获取超重氢回收系统排灰气、燃料储存、以及燃料输送过程中微量杂质组分的有效信息，对提高聚变能源利用的经济性以及可持续发展同样具有重要的技术价值与技术创新性。鉴于此，本专利技术提出了一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，包括以下步骤：
[0010]1)采集光谱数据，形成光谱数据集合；
[0011]2)进行数据预处理，获取目标元素特征谱线波长与峰强度值；
[0012]3)建立目标元素特征谱线专门数据库；
[0013]4)将元素特征谱线波长与数据库进行匹配计算，确认特征谱线的元素归属信息；
[0014]5)建立元素定标模型；
[0015]6)将特征峰强度值作为输入集应用于元素定标模型，实现目标元素浓度快速定标与实时输出。
[0016]作为本专利技术的进一步方案：所述步骤1)具体包括以下步骤:
[0017]1.1)在优化工作条件下，利用激光诱导击穿光谱分析系统对输送管道中的流动气体进行脉冲激光连续激发，采集气体组分等离子体光谱累积脉冲数据；
[0018]1.2)将采集的气体组分光谱数据随机平分成三组，一组用作训练集，另一组用作验证集，第三组为测试集。
[0019]作为本专利技术的进一步方案：所述步骤2)包括以下具体步骤：
[0020]2.1)对训练集、验证集和测试集光谱数据分别进行滤噪预处理，获得对应的滤噪后光谱数据；
[0021]2.2)滤噪预处理采用分段平均平滑算法计算，公式(1)为BOX_ave函数；
[0022]2.3)进一步对滤噪后数据采用一次和二次求导方法进行预处理；
[0023]2.4)求导方法采用一次求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采集光谱数据，形成光谱数据集合；2)进行数据预处理，获取目标元素特征谱线波长与峰强度值；3)建立目标元素特征谱线专门数据库；4)将元素特征谱线波长与数据库进行匹配计算，确认特征谱线的元素归属信息；5)建立元素定标模型；6)将特征峰强度值作为输入集应用于元素定标模型，实现目标元素浓度快速定标与实时输出。2.根据权利要求1所述的微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下步骤:1.1)在优化工作条件下，利用激光诱导击穿光谱分析系统对输送管道中的流动气体进行脉冲激光连续激发，采集气体组分等离子体光谱累积脉冲数据；1.2)将采集的气体组分光谱数据随机平分成三组，一组用作训练集，另一组用作验证集，第三组为测试集。3.根据权利要求1或2所述的微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下具体步骤：2.1)对训练集、验证集和测试集光谱数据分别进行滤噪预处理，获得对应的滤噪后光谱数据；2.2)滤噪预处理采用分段平均平滑算法计算，公式(1)为BOX_ave函数；2.3)进一步对滤噪后数据采用一次和二次求导方法进行预处理；2.4)求导方法采用一次求导和二次求导算法，公式(2)为dev函数；2.5)经过步骤2.4)中的求导算法计算，通过斜率的正负变化，获得谱线波长W
λ
；得到元素谱线的峰高强度值H
λ
；2.7)步骤2.5)中的H
λ
与所述步骤2.4)公式(2)中的XX系数相关。由于求导计算同时实现了光谱的背景校正，因此H
λ
为净峰高强度值，其值以谱线的峰高强度计数表示。4.根据权利要求3所述的微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：3.1)所述建立目标元素特征谱线专门数据库，是依据工作条件采集的气体组分元素的光谱数据特征，应包括有目标元素特征谱线的光谱参数信息；3.2)所述3.1)中目标元素特征谱线的光谱参数信息，至少应包含特征谱线波长λ
ij
、特征谱线对应的元素种类(i)以及特征谱线对应的粒子激发态类型(s)；3.3)所述3.2)中的特征谱线波长λ
ij
，其中：i为数据库中元素的种类次序；j为同一元素的不同特征谱线次序，其序数值为1，2，
…
。5.根据权利要求4所述的微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤：4.1)将所述步骤2.5)中的谱线波长W
λ
作为输入数据，与所述步骤3.2)中特征谱线波长λ
ij
进行匹配计算；4.2)所述步骤4.1)中的匹配计算依据公式(3)进行：
D
k
＝|W
λ
‑
λ
ij
|
……
(3)其中：k为序数值为1，2，
…
4.3)经过步骤4.2)，对计算值进行排序，以D
k
最小值作为谱线W
λ
元素归属的判识依据，获取元素特征谱线在所述步骤3.1)元素特征谱线专门数据库中对应的光谱参数信息，实现元素的特征谱线识别与元素归属确认。6.根据权利要求5所述的微量气体杂质在线监测的激光诱导击穿光谱浓度提取方法，其特征在于，所述步骤5)包括以下具体步骤：5.1)针对训练集数据，以所述步骤2.5)和步骤4.3)元素特征谱线识别与元素归属确认的结果为依据，以所述步骤2.6)中特征谱线W
λ
的峰高强度值H
λ
为二维数据输入端，以该特征谱线所归属元素i在气体中的参考浓度(x
i
)为二维数据另一输入端，建立单线定标模型，其方程具体表示为公式(4
‑
1)：y
i
＝k
i
·
x
i
+b
i
…
(4
‑
1)其中：y
i
和x
i
分别是特征谱线W
λ
的峰高强度值H
λ
和其所归属元素i在气体中的浓度；系数k
i
和b
i
分别是单线定标模型的斜率与截距；5.2)对于同一个元素i，可选取多个特...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯川，赵勇，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：