一种低成本高灵敏激光探针元素分析仪制造技术

本实用新型专利技术公开了一种低成本高灵敏激光探针元素分析仪，包括脉冲激光器，分束镜，激光能量计探头、数字延迟脉冲发生器、数据采集卡、激光能量计、计算机、第一会聚透镜和光电倍增管，第一会聚透镜位于分束镜的反射光路上，等离子体信号采集光学系统用于在被测对象的一侧、从水平方向对激光等离子体信号进行采集，采集光学系统包括依次排列的第二会聚透镜、可调狭缝、第三会聚透镜、窄带滤光片和第四会聚透镜，可调狭缝宽度能在0～10mm范围连续调节，可调狭缝用于对等离子体发射光信号进行空间选择。本实用新型专利技术特别适用于物质成分的在线检测，具有成本低，检测灵敏度高，检测速度快的特点，具有广泛的应用前景和市场。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高灵敏激光探针元素分析仪
本技术涉及光谱分析和分析化学领域，具体涉及一种低成本高灵敏激光探针元素分析仪，该技术特别适用于物质成分的在线检测，具有成本低，检测灵敏度高，检测速度快的特点，具有广泛的应用前景和市场。
技术介绍
随着科技进步和经济发展，人们生活水平得到了不断改善，但是也出现了一些突出的社会问题。比如，近年来不断曝光的食品安全问题和环境污染问题，已经严重威胁到人们的生命健康，当前迫切需要准确可靠的检测方法，对环境和食品质量进行有效的监测，从而确保人民的生命安全。另外，在材料领域里，材料的生产和加工都离不开有效的分析和检测手段，检测方法的准确性直接影响材料的性能，检测的速度也是材料加工部门十分关注的指标。此外，对于一些大型的工业过程，比如炼钢和采矿工业，需要准确快速的在线检测分析手段。甚至还有一些强辐射、高温、高压的特殊场合，需要对生产对象进行实时在线分析，而目前的常规检测手段无法满足要求，急需新型可靠的分析方法。激光探针技术，又称激光诱导击穿光谱技术(Laser-inducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)，是最近兴起的一种新型物质成分检测方法。激光探针技术是将高能量密度的激光脉冲聚焦于物体表面，对其进行烧蚀并激发产生高温、高密度的激光等离子体，然后借助光谱仪和探测器等精密光学探测设备对收集到等离子体的光信号进行分析，最终得到物质的元素组成和含量的一种原子发射光谱分析方法。激光探针技术之所以成为国内外分析化学领域的研究热点，是因为该技术与传统成分分析方法相比具有众多优点，比如该检测方法的应用对象非常广泛，可以对气态、固态、液态和气溶胶等物质形态进行检测。检测过程属于微损检测，单脉冲激发消耗的样品的体积在μm3量级，并且不需要对检测对象进行复杂预处理，极大地缩短了检测周期。由于激光探针技术是基于原子发射光谱的检测技术，所以可以实现对多种元素的同时检测。更重要的是激光探针技术可以适应高温、强辐射和高压的恶劣环境，通过专门的设计可以实现对远程对象进行在线监测。正是因为这些优点，科研人员正在尝试将此技术广泛用于环境监测、材料分析、生物医疗、食品安全、农林业和深空探测等领域。虽然激光探针技术在物质成分分析方面具有众多优势，但是当前该技术并没有得到较好的推广和普及，其中一个非常重要的原因在于这种分析仪的生产和制造成本过高，在实现相同检测效果条件下，该分析仪比其他主流分析仪器成本高出许多，这在一定程度上制约了激光探针分析技术的应用和推广。因此，可以预见在今后相当长的一段时间里，降低激光探针元素分析仪的成本将成为研究重点之一。
技术实现思路
本技术提供了一种低成本激光探针元素分析仪，其目的在于降低激光探针元素分析仪的设计和生产成本，减小仪器的体积，提高仪器使用的便利性，同时提高激光探针的检测灵敏度，为激光探针分析技术的成功推广和广泛应用创造有利条件。为了达到上述目标，本技术主要通过以下技术方案来实现：一种激光探针元素分析仪，包括脉冲激光器，分束镜，激光能量计探头、数字延迟脉冲发生器、数据采集卡、激光能量计和计算机；分束镜位于脉冲激光器的出光光路上，激光能量计探头位于分束镜的透射光路上，激光能量计与激光能量计探头连接；其特征在于，它还包括第一会聚透镜和光电倍增管，第一会聚透镜位于分束镜的反射光路上，所述等离子体信号采集光学系统用于在被测对象的一侧、从水平方向对激光等离子体信号进行采集，所述激光等离子体由位于第一会聚透镜焦点处的待测样品产生；所述等离子体信号采集系包括依次排列的第二会聚透镜、可调狭缝、第三会聚透镜、窄带滤光片和第四会聚透镜，其中可调狭缝的宽度能够在0～10mm范围连续调节，可调狭缝用于对等离子体的发射光信号进行空间选择；光电倍增管的入光口位于第四会聚透镜的焦点处，用于对等离子体的光信号进行有效探测和光电转换；所述光电倍增管的出口端分别与数字延迟脉冲发生器和数据采集卡相连，数字延迟脉冲发生器还与脉冲激光器和计算机相连，数据采集卡与计算机连接，数据采集卡用于采集所转化的电信号并传输到计算机进行显示和分析。所述激光探针元素分析仪与常规激光探针元素分析仪相比，不仅保持了激光探针检测速度快，检测结果准确，样品不需要预处理，可以实时在线分析的优点，还具有成本低，检测灵敏度高的特点。具体来说，本技术具有以下技术特点：(1)本技术最突出的技术特点是用窄带滤光片来替代价格昂贵的光谱仪，使用过程中针对目标元素，选择对该元素最强原子发射谱线透射的窄带滤光片，并滤除其他波段的光信号，对不同元素进行检测时，通过更换不同参数的窄带滤光片来实现，采用这种方式不仅达到了对光谱信号分离的效果，而且降低了激光探针元素分析仪的成本。由于本技术采用窄带滤光片对等离子体光信号进行筛选，与传统的激光探针元素分析仪相比，省去了校准光谱仪的工作，提高检测分析的效率。(2)采用光电倍增管替代ICCD，不仅可以对微弱的光谱信号进行探测，而且还极大地降低了分析仪器的成本。光电倍增管特别适合对微弱光信号进行探测，具有较高的探测灵敏度，可以有效地降低激光探针元素分析仪的检测极限。(3)本技术所述激光探针元素分析仪，由于采用了体积较小的窄带滤光片和光电倍增管，减小了分析仪的体积，提高了分析仪器灵活性和便携性，有利于仪器的集成化和小型化，促进其实际推广及应用。(4)传统的光信号采集装置是通过传输光纤将信号传输至光谱仪和探测器，由于受到光纤端口的限制，激光等离子体的光信号只有部分被传递到探测器进行探测。而本技术专门设计了激光等离子体的信号收集的光路系统，不同于传统的光信号收集方式，该光路系统将等离子体整体的信号有效地耦合到光电倍增管中，提高了检测结果的准确度。(5)采用可调狭缝来选择等离子体光信号，通过调节狭缝宽度和狭缝的位置可以对等离子体中不同部位的信号进行采集和分析。附图说明图1为本技术所述一种低成本的激光探针元素分析仪的结构示意图，其中1为脉冲激光器，2为分束镜，3为激光能量计探头，4为第一会聚透镜，5为激光等离子体，6为第二会聚透镜，7为可调狭缝，8为第三会聚透镜，9为窄带滤光片，10为第四会聚透镜，11为光电倍增管，12为数字延迟脉冲发生器，13为数据采集卡，14为激光能量计，15为计算机。图2为本技术所述激光探针元素分析仪的等离子体信号采集光学系统结构示意图。图3是固定和更换滤光片的滤光片轮装置的结构示意图，其中，16为滤光片轮，17为旋转轴，18为连接杆，19为固定底座。具体实施方式针对激光探针元素分析仪成本过高的问题，本技术设计了一种低成本、高检测灵敏度的激光探针元素分析仪，通过滤光片来替代光谱仪对有效光信号进行提取，另外采用光电倍增管来替代电荷耦合器(ChargeCoupledDevice,CCD)，不仅可以及大地降低成本，而且还可以提高元素的检测灵敏度。通过这些改进可以缩小激光探针分析的体积，降低仪器生产和制造成本，提高元素的检测灵敏度，有助于激光探针技术的推广和普及。下面结合附图对本技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本技术，但并不构成对本技术的限定。此外，下面所描述的本技术各个实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本高灵敏激光探针元素分析仪，包括脉冲激光器(1)，分束镜(2)，激光能量计探头(3)、数字延迟脉冲发生器(12)、数据采集卡(13)、激光能量计(14)和计算机(15)；分束镜(2)位于脉冲激光器(1)的出光光路上，激光能量计探头(3)位于分束镜(2)的透射光路上，激光能量计(14)与激光能量计探头(3)连接；其特征在于，它还包括第一会聚透镜(4)和光电倍增管(11)，第一会聚透镜(4)位于分束镜(2)的反射光路上，等离子体信号采集光学系统用于在被测对象的一侧、从水平方向对激光等离子体(5)信号进行采集，所述激光等离子体(5)由位于第一会聚透镜(4)焦点处的待测样品产生；所述等离子体信号采集系包括依次排列的第二会聚透镜(6)、可调狭缝(7)、第三会聚透镜(8)、窄带滤光片(9)和第四会聚透镜(10)，其中可调狭缝(7)的宽度能够在0～10mm范围连续调节，可调狭缝(7)用于对等离子体的发射光信号进行空间选择；光电倍增管(11)的入光口位于第四会聚透镜(10)的焦点处，用于对等离子体的光信号进行有效探测和光电转换；所述光电倍增管(11)的出口端分别与数字延迟脉冲发生器(12)和数据采集卡(13)相连，数字延迟脉冲发生器(12)还与脉冲激光器(1)和计算机(15)相连，数据采集卡(13)与计算机(15)连接，数据采集卡(13)用于采集所转化的电信号并传输到计算机(15)进行显示和分析。...

【技术特征摘要】
1.一种低成本高灵敏激光探针元素分析仪，包括脉冲激光器(1)，分束镜(2)，激光能量计探头(3)、数字延迟脉冲发生器(12)、数据采集卡(13)、激光能量计(14)和计算机(15)；分束镜(2)位于脉冲激光器(1)的出光光路上，激光能量计探头(3)位于分束镜(2)的透射光路上，激光能量计(14)与激光能量计探头(3)连接；其特征在于，它还包括第一会聚透镜(4)和光电倍增管(11)，第一会聚透镜(4)位于分束镜(2)的反射光路上，等离子体信号采集光学系统用于在被测对象的一侧、从水平方向对激光等离子体(5)信号进行采集，所述激光等离子体(5)由位于第一会聚透镜(4)焦点处的待测样品产生；所述等离子体信号采集系包括依次排列的第二会聚透镜(6)、可调狭缝(7)、第三会聚透镜(8)、窄带滤光片(9)和第四会聚透镜(10)，其中可调狭缝(7)的宽度能够在0～10mm范围连续调节，可调狭缝(7)用于对等离子体的发射光信号进行空间选择；光电倍增管(11)的入光口位于第四会聚透镜(10)的焦点处，用于对等离子体的光信号进行有效探测和光电转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭连波，唐云，刘红弟，李祥友，李嘉铭，杨平，曾晓雁，陆永枫，段军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42