激光等离子计量分析术的研究

　　激光辐射就其高度的空间相干性和高的峰值功率来看，可获得高光通量密度。将强的脉冲激光聚焦到凝聚态物质上可瞬时产生高温。其固体表面温度可由下式估算^（1）

         ^.

　　　　式中K为热传导率(W/cm·℃·s);D为热扩散系数(cm²/s);F为功率密度(W/cmZ);r为试样的反射率。

　　我们研究中用聚焦红宝石脉冲激光在10⁶w/cmZ光强的辐照下可产生10⁴K以上高温。足以使岩样中的有机母质及钢中氢充分离化为元素等离子体。据一次电离的沙哈方程　　式中a为电离度;P为压强(kPa)，T为温度

(K);W₁为电离能(J);k为玻耳兹曼常数(J/k)

       由此，可以推算出岩样中蒸发出的有机物及从金属中蒸发出的氢均可充分离化为碳、氢、……等离子体。本文就含化学过程的等离子体计量分析术及纯物理过程的等离子计量分析术给出理论分析及其应用。

　　含化学过程的等离子计量分析术

　　油田岩样中的芳香丰度是油田综合勘探中的一个重要指标，我们对全国十三个陆相油田岩样进行了激光等离子计量分析以确定其芳香丰度^[2.3〕，其理论分析如下。

       有机物质在激光裂解过程中，有两种不同的裂解机理。在强聚焦脉冲激光作用下，中心区瞬时会形成几万度的高温等离子雾羽，而后温度急剧下降，在3500K左右有一个等温的化学过程，反应后的产物碎片最后淬熄为一系列低分子量产物。其过程为

　　与此同时在激光作用中心区的边缘上，以强度较低的热分解形式出现高分子量碎片。但主要是激光束中心区的等离子体淬熄产物

　　对于这种过程，若在3500K条件下，仅从生成各类冷凝物的自由能上来看则碳氢化合物的主要产物似应为C₂H₄ 且三种产物的相对丰度的差别也不很悬殊。但这里没有考虑等离子体的多化学反应过程，若将此反应过程考虑进去^(2.3),可以应用Lagrange待定系数法在理论上进行计算分析其计算方程如下:　

　　式中A_K为等离子体中K元素的总摩尔数;Aik是组分i分子中K元素的原子数;入K是Lagrange待定系数;P为压强;T为绝对温度。

       由Lagrange待定系数法可知，对于芳香烃分子来说，生成C₂H₄产物是明显缺氢，而生成CH₄就更为缺氢，最有可能生成的产物为CH再从物料平衡方程(4)来看，有机分子中氢原子数与碳原子数的比值决定了裂解产物的分布。在碳、氢原子数之比为1时，裂解产物的主要成分为C₂H₂，如为脂肪族化合物其碳氢比近似为2，则其C₂H₂产物的丰度就占较大优势。因而样品从含较低芳香烃逐渐改变为含较高脂肪族时，它们的裂解产物就从高丰度的C₂H₂转变为较高丰度的C₂H₄。由此可见，只要对激光裂解产物三组分的成分进行定量。就能得出样品所含芳香烃的比分。我们用自行研制的微型玻璃裂解室在样品接受高强度脉冲聚焦激光照射后的激光裂解产物立即由载气直接输入色i普柱中由气相色谱仪适时分析出三组分的含量。对上百件样品作数千次分析对我国中新生代陆相油田所作激光裂解等离子淬熄产物的三角图如下所示⁽⁴⁾