用于测量元素浓度的手持式分析仪和方法技术

所公开的元素浓度测量的方法和手持式分析仪基于对激光产生的脉冲所产生的高温高电离等离子体的光谱分析。由于高脉冲能量和短脉冲持续时间，除了中性原子线之外，还激发高强度单电荷和多电荷离子线。所公开的分析仪的脉冲激光源被配置为以0.1至50kHz的脉冲重复率、0.01至1.5ns的脉冲持续时间、介于100和1000uJ之间的脉冲能量、1.5‑1.6信号波长输出信号光脉冲序列，并且在样品表面上具有1至60μm的束斑。上述参数提供足以诱导高温高电离的等离子体(等离子体)的至少20GW/cm

Handheld Analyser and Method for Measuring Element Concentration

The disclosed method of element concentration measurement and the hand-held analyzer are based on spectral analysis of high temperature and high ionization plasma generated by laser pulses. Because of the high pulse energy and short pulse duration, in addition to neutral atomic lines, high intensity single charge and multi-charge ionic lines are also excited. The pulsed laser source of the disclosed analyzer is configured to output a signal pulse sequence at a pulse repetition rate of 0.1 to 50 kHz, a pulse duration of 0.01 to 1.5 ns, a pulse energy between 100 and 1000 uJ, a signal wavelength of 1.5 to 1.6, and a beam spot of 1 to 60 microns on the sample surface. These parameters provide at least 20GW/cm of plasma (plasma) sufficient to induce high temperature and high ionization.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量元素浓度的手持式分析仪和方法
本专利技术涉及激光诱导击穿光谱学。更具体地，本专利技术涉及一种用手持设备进行的基于高温高电离等离子体的激光诱导击穿光谱学的元素浓度测量的方法。
技术介绍
化学元素组成的手持式分析仪是非常受欢迎的工具，这是因为它们能够提供材料的现场快速定量分析。目前，在大多数商用手持设备中使用两种备选技术：X射线荧光(XRF)和激光击穿光谱学(LIBS)。XRF方法基于对keV(千电子伏特)的x射线辐射所激发的x射线区中的特征荧光光谱的检测。尽管XRF技术具有更高的成熟度且更常用，但它有两个主要缺点：它无法检测Z在12以下的元素，并且它使用危险的电离辐射。LIBS方法利用被聚焦到样品表面的高能激光脉冲产生等离子体羽流，所述等离子体羽流辐射紫外、可见和近红外光谱区中的特征原子和离子光谱。测量和分析这些光谱，从而提供关于样品的元素组成的定量信息。LIBS方法可用于测量从氢(H)到铀(U)的元素浓度。可以以低检测限(低至10ppm)确定大多数元素的浓度。然而，存在诸如碳(C)之类的元素，其在铁(Fe)合金内难以进行测量，这是因为C发射线被Fe基质和非碳杂质相关的信号掩蔽。目前，世界上制造的大多数Fe合金都是碳钢，其中，碳浓度是材料属性的关键参数。因此，检测限优于0.05％的C浓度测量对于许多工业应用是非常重要的。对能够测量钢中C浓度的手持式分析仪的需求很大。基于XRF和LIBS的可商用手持式分析仪无法检测C，也无法针对Fe合金提供相当高的检测限，因此它们不能用于该任务。传统LIBS方法采用10smJ能量1-10纳秒(ns)脉冲用于等离子体产生。然而，这种方法并非没有某些缺点。首先，mJ级激光器通常具有1-20Hz的低重复率。这种低重复率限制了每次测量的平均次数，这又限制了对信噪比的改善。另一缺点是mJ脉冲产生相当大量的等离子体，这与一些发射线(特别是离子线)的重吸收以及这些线的检测强度的显著降低有关。传统LIBS的又一缺点源于以下事实：等离子体产生的方式伴随着来自电子连续(continuum)的强信号，该强信号掩蔽了元素发射线。为了解决掩蔽问题，必须使用频闪或门控检测，这有助于降低连续贡献。遗憾的是，频闪或门控检测还降低了检测到的发射光的可用量。可以通过增加脉冲能量和脉冲形状操纵(例如，通过具有双脉冲激发)来提高检测灵敏度。使用100mJ双脉冲激光器证明了1ppm的碳检测限，但其整体尺寸远远超过手持设备的所有合理尺寸。最近在手持式分析仪中实现的最大脉冲能量为6mJ，其中，脉冲持续时间为1ns，重复频率为10-50Hz(SciAps公司的LIBS手持式分析仪的Z线)。据报道，Z-500分析仪可以通过分析DUV193或175nmCI原子线来测量C浓度。由于在200nm以下的波长下空气的强DUV光吸收，使用惰性气体，例如氩(Ar)。在若干商用手持式LIBS元素分析仪中使用的另一种方法包括使用以1-5kHz重复率发射并传递10至30μJ能量的1-2纳秒脉冲。在这种情况下，使用非常强的聚焦。这些参数通常导致较低的等离子体温度，这使得一些离子发射线不存在于光谱中。除了可靠地测量材料中元素浓度的能力之外，基于LIBS的手持式分析仪还应具有以下特征：它们应该足够的轻巧紧凑，以用单手进行操作；使用的激光辐射优选在人眼安全的波长范围内；激光器应属于I类；分析仪应低维护且易于使用，优选不使用吹扫气体。
技术实现思路
所公开的基于对激光脉冲所产生的高温高电离等离子体的光谱分析的元素浓度测量方法和手持式分析仪克服了已知方法和设备的某些缺点。所公开的手持式分析仪包括脉冲激光源，所述脉冲激光源被配置为除了中性原子线之外还激发高强度单电荷和多电荷离子线。该分析仪专门配置有允许高信噪比的系统参数组，这显著降低了检测限，并提供了元素浓度测量的高精度。所公开的手持式分析仪的使用允许提供固态材料中从氢(H)到铀(U)的元素的定量分析，所述固态材料包括塑料、电介质和透明样品。手持式分析仪最吸引人的调整之一是其结构，该结构提供低至甚至低于0.01％的碳钢的现场浓度分析和钢等级确定。根据本公开的一个方面，手持式分析仪包括高能脉冲激光源，所述高能脉冲激光源发射具有高斯(TEMoo)强度分布的信号光波长在1.5-1.6nm范围内变化的激光束。脉冲传递的能量足够高，以在待分析材料的表面上产生等离子体。所公开的分析仪还包括：扫描仪，所述扫描仪用激光束扫掠材料的期望区域；至少一个光谱仪；以及用于处理检测到的数据的系统。所公开的第一方面的手持式分析仪的另一方面涉及产生等离子体的系统参数的优化，这导致单电荷和多电荷离子线的检测强度增加。系统参数包括脉冲能量、脉冲持续时间、聚焦腰直径、聚焦位置扫描方式、激光脉冲重复率和光谱仪分辨率。手持式分析仪的优化结构显著降低了检测限，并提高了手持设备的元素浓度测量精度根据这个方面，脉冲激光源被配置为以0.1-50kHz的重复率输出0.01-1.5ns波长范围的脉冲。每个脉冲的特征在于脉冲能量在50和1000μJ之间变化。聚焦激光束在待处理材料的照射表面上具有1至60μm的束腰直径。在本公开的另一方面，任何以上公开方面的激光源的脉冲能量如此之高以至于强信噪比消除了对复杂门控系统的需要。手持式分析仪的光谱仪可操作用于在170-800nm光谱范围内保持1至200皮米(pm)的分辨率范围。任何上述方面的手持式分析仪在被配置为以2-5kHz的重复率、100uJ的脉冲能量来输出0.3-0.4ns脉冲时在优化等离子体产生方面特别有用。如此配置的分析仪在样品表面上输出具有50μm束腰直径的高斯光束，并且在200-400nm的范围内具有0.1nm的光谱分辨率。200-400nm光谱范围特别适用于通常存在于碳钢中的元素的非门控检测。在本公开的另一方面，上述任一方面的手持式分析仪被配置有扫描仪，该扫描仪操纵激光束，使得在照射样品的期望区域时，该光束仅有一次入射在区域内的同一位置处。换句话说，脉冲永远不会重叠在样品的表面上。任何上述公开方面的扫描仪被配置有多个电动机，每个电动机具有其上安装有偏心轮的轴。电机耦合到诸如望远镜之类的扩束器，以便以防止两次照射样品上的相同位置的方式将摆动运动施加到望远镜的输出透镜。在另一方面，任何以上公开方面的手持式分析仪可操作用于检测碳钢中的碳浓度，该碳浓度通过采用具有低至和低于0.01％的检测限的双电荷离子线CIII229.687测量。本公开还涉及借助于在上述每个方面及其任何可能组合中公开的手持式分析仪来测量元素浓度的方法。附图说明下面结合附图在具体实施方式中进一步对本公开进行详细说明，在附图中：图1是所公开的手持式元素分析仪的视图；图2是图1的手持式元素分析仪的方框图；图3是图1的手持式分析仪在部分地移除了壳体情况下的视图。图4是图1的手持式分析仪的激光源的光学示意图。图5是图1的手持式元素分析仪的扫描仪单元的视图。图6是图4的扫描仪的实施例之一的图解视图。图7是在减去Fe基质背景之后具有0.45％C的碳钢样品的发射光谱。图8是4个碳钢认证的标准样品的CIII229.687nm线强度相对于碳浓度(C与Fe质量的比率)。图9是由所公开的手持式元素分析仪发射的脉冲的计算机生成图像。具体实施方式现在详细参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过利用手持式分析仪测量元素浓度的方法，包括：激励脉冲激光，从而以0.1至50kHz的脉冲重复率输出脉冲序列，每个脉冲具有0.01至1.5ns的持续时间以及在50和1000μJ之间的脉冲能量；将激光束聚焦到待分析的样品上，从而产生在所需波长范围内辐射特征光谱的高温、高电离的等离子体；用经聚焦的激光束扫描所述样品的区域，以便通过单个脉冲在所述区域内的每个位置产生所述等离子体，从而连续地将所述激光束聚焦在所述样品上；以及在光谱仪中收集等离子体辐射，从而产生信号输出；以及处理所述信号输出，从而测量存在于样品中的元素的浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.11 US 62/320,9971.一种通过利用手持式分析仪测量元素浓度的方法，包括：激励脉冲激光，从而以0.1至50kHz的脉冲重复率输出脉冲序列，每个脉冲具有0.01至1.5ns的持续时间以及在50和1000μJ之间的脉冲能量；将激光束聚焦到待分析的样品上，从而产生在所需波长范围内辐射特征光谱的高温、高电离的等离子体；用经聚焦的激光束扫描所述样品的区域，以便通过单个脉冲在所述区域内的每个位置产生所述等离子体，从而连续地将所述激光束聚焦在所述样品上；以及在光谱仪中收集等离子体辐射，从而产生信号输出；以及处理所述信号输出，从而测量存在于样品中的元素的浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，经聚焦的激光束基本上是衍射受限的，在1.5-1.6nm波长范围发射的，并且在所述样品的表面上具有在5至60μm范围内的束斑。3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述至少一个光谱仪具有在1至200皮米范围内的分辨率以及在170和800nm之间的期望波长范围。4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，采用双电荷离子线CIII以约0.01％的检测限来测量碳钢中的碳浓度，而以在0.01％以下的检测限来测量典型存在于所述碳钢中的其他元素的浓度，所述其他元素包括Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Ti、V、Cu和Al。根据前述任一项权利要求所述的方法，还包括确定钢等级。5.根据前述任一项权利要求所述的方法，还包括显示元素浓度的测量结果。6.根据前述任一项权利要求所述的方法，还包括在扫描时对经聚焦的激光束进行自动聚焦。7.一种元素浓度测量的手持式分析仪，包括：脉冲激光源，被配置为以0.1至50kHz的脉冲重复率输出具有信号波长的信号光脉冲的序列，其中，所述光信号脉冲均具有0.01至1.5ns的持续时间以及在50至1000uJ之间的脉冲能量；聚焦透镜(或透镜组合)，每个脉冲入射到所述聚焦透镜(或透镜组合)上，并且所述聚焦透镜(或透镜组合)可沿着传播路径可控制地移位，以将信号光脉冲聚焦成样品处的焦斑，从而激光诱导辐射特征光谱的高温高电离等离子体(等离子体)，其中，所述焦斑在5到60μm范围内变化；扫描仪，被配置为用经聚焦光束扫掠所述样品的表面，以便通过单个脉冲在每个照射的表面位置处产生所述等离子体；至少一个光谱仪，被配置为从所述等离子体接收光，产生描述光...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·盖庞特瑟夫，伊万·库拉特夫，罗曼·比约科夫，叶卡捷琳娜·范迪雅娜，谢尔盖·帕什科，奥列格·莫拉瓦特斯基，安德烈·莱斯尼科夫，娜杰日达·科雅珍科，德米特里·奥利诺夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，激光出口有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US