激光诱导光谱分析方法及其装置制造方法及图纸

利用激光发射光谱分析含卤族、尤其是含氯非金属或最多是部分金属材料的方法，其中一束脉冲激光（Ｐ）照射于材料（Ｔ）产生等离子体（ＰＡ），由等离子体发出的光在扩展方向被光学聚焦成锥形，然后将其引入光谱仪（ＳＰ），在激光束（Ｐ）触发并经预设时间延迟后进行分析，其所用脉冲激光束（Ｐ）的能量密度约在１０↑［８］和１０↑［１２］Ｗ／ｃｍ↑［２］之间，其特征在于，对等离子体（ＰＡ）的密度梯度范围和温度梯度范围，从时间和空间上进行平均，以获取分析用的稳定可重复的和光强的谱线信息，其中，至少对扩束锥体中发出的一盘形容积（Ｖ）的汇聚光强度进行汇总和平均。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含卤族、尤其是含氯非金属或最多是部分金属材料的激光发射光谱的分析方法及其装置。其中照射于材料的一束脉冲激光产生等离子体，由等离子体发出的光在扩展方向被光学聚焦成锥形，然后将其引入光谱仪，在激光束触发并经预设时间延迟后进行分析，其所用脉冲激光束的能量密度约在108和1012W/cm2之间。与其类似的方法和装置例如可见于利用光谱来分析钢材的专利EP-B-176 625，其中由准点状等离子体区发出的光经一层光学膜，由光二极管或是光倍增管一维收集进行分析估算。这种方法需要引入惰性气体来改善分析结果的精度。此种方法及其装置不宜用于卤族元素的光谱分析。原理上，光谱分析是基于这样的事实，谱线强度正比于材料在i态时发射的原子密度ni和玻尔慈曼因子e-Ei/KT，其中Ei为激活能，T为温度。因此在恒定密度和温度的气态或等离子态中，可利用该式进行定量分析。在脉冲激光束产生的等离子体中，情况要复杂一些，该等离子体的密度和温度在时间和空间上都具有大的梯度，是不均匀的，其梯度大小不仅取决于激发条件而且取决于相应的材料。本专利技术以改善上述背景下的激光诱导光谱分析方法及其装置为目的，分析对象是含卤族尤其是含氯的非金属或至多是部分金属的材料。该目标可利用开头提及的方法来实现，即在一段时间和空间内取等离子体密度和温度梯度的平均。为了要获取分析用的稳定可重复的谱线信息，需要汇总和平均取自于扩束锥体中至少一盘容积的光强度。由于这一过程发生在预设的很短时间内，期间稀释等离子体的温度仍相当高，因此可以利用大等离子体内发有氯发射的所有特殊谱线进行定量谱线分析。能可靠、可重复、简捷灵活地检验混合材料中的卤族元素尤其是氯元素是本方法及其装置所具有的特殊优点。激光诱导谱线分析氯元素，时至今日还不顺利的主要原因在于，卤族原子的激发态具有很高的能量，约10eV。相应地，也只有在强激发条件下，温度达约105K的高聚焦等离子体内，玻尔慈曼因子才起作用。但在这一区域，等离子体中的电子密度十分高，因此谱线发射会被具有相同波长的高密度电子的剧烈韧致辐射所覆盖，使分析受到制约。由于氯元素共振跃迁波长范围的典型值位于100nm处，只有用昂贵的VUV光谱仪才能检测得到。(VUV代表真空超紫外区λ＜250nm)本方法的优点在于，通过一次激光发射所获盘容积信息就令人惊奇的足够用于光谱分析了。在进一步的拓展中，通过光谱仪入射端的裂缝可将盘容积信息记录下来并将光谱区分开。盘容积信息光谱可利用矩阵形式的摄象系统进行二维成象。其另一优点是，具有至少10行象素块的CCD照相机就可作为矩阵摄象机使用。因此，可以尽可能多地利用来自摄象机行或列以及对应于CCD象素中各波长的光强度信息。由此带来下述优点，a).与普通的最高行式存储(例如行式照相机)对比，本方法获得的增益与汇总行或列数n对应的强度相关，以及b)。同时也能根据n1/2(n的平方根)获得有关统计值的改善。还可缩短分析时间。如果n=500，统计方面可改善约22倍，如n=2000，就可改善44倍，为前者2倍之多。实际上，用一个500行的CCD标准照相机就足够了。已经表明，使用扩束锥体内有限而足够大的盘容积来进行分析是十分有益的。这有可能对其中所有的非均匀等离子体密度区和温度区在空间和时间上进行平均。因此，该分析方法对于等离子体发射中总存在的密度分布和温度分布的起落，例如在切换不同的材料和/或研究不同的附加谱区时，条件会相当宽松。盘容积因而可以将其纵向(即光谱仪裂缝的纵向)置于膨胀方向或最好使其与膨胀方向垂直。与由利用行照相机在小区域内分析所得平均结果相比，此种情况下的增益约为其两个数量级(典型情况为光谱仪裂缝的高/宽比=5mm/0.01mm=500)。分析氯时，在被分析物与盘容积之间，平均焦距大约是3到6mm。系列了解多种等离子体的强度值亦可通过接连不断的激光发射，用多级盘容积来实现。其它要提高的方面是应该使脉冲激光束具有高斯分布。高斯分布束只能由处于TEM00模的激光器来产生。这种激光器的能量和束形特别稳定，因此，每次发射都能在聚焦区以及等离子区获得高重复性。在所及的焦距情况下对氯进行分析时，预设时间延迟应取4μs为宜。因为在等离子体产生时不再有韧致辐射的干扰了，同时，重要的氯分析谱线的发射强度在838nm处会有最大值。在预设时间后至少100ns的时间窗口内对光强度进行分析是适宜的。在对成像系统(具有放大-时间控制功能的记录仪)的时间窗口进行优化时，需利用电子控制装置将图像放大器与一个在10ns时区内分析谱线的解调器相连接。优化取决于激光器-分析对象-综合因素(激光器类型，要分析的材料)，取决于各特征谱线的位置及与研究物体的焦距。在实际应用时可以用一个至少有10行象素的CCD照相机作为矩阵式摄像机。较好而且价格适宜的有标准照相机(有约500到600行或列)，当然，使用具有行数特别是列数达2000的特殊照相机来进行测试就更好了。如果作数字存储逻辑和分析逻辑控制的矩阵式摄像系统具有至少4比特的存储深度和至少约15×15的存储位是适宜的。亦希望具有较高的存储深度，从约8到12比特并具有与存储位数目相应的图像处理系统。进一步改进本方法是有益的，可将由附加放电激发形成的特别等离子体及其发射光引入光谱仪，见说明。因此，对卤族尤其是氯的分析可提高灵敏度10倍。例如，在这种设置下，氯的分析极限可达1％以下，甚至可达约0.5％。本方法的简明图像是，氯分析谱线区可从480nm拉到约550nm或837.594nm或858.597nm.这样作的优点是能利用强谱线，其谱区至少位于光学玻璃成份覆盖的范围，约300nm至3000nm，或特别地，位于可见光或近红外区而不会被材料中的其它元素(例如非金属材料中的H、O、N、C)的强谱线所掩没。发现在近红外区(IR)的谱线837.594nm(约838nm)最好，在其它谱线区，从480到550nm和858.597nm(约859nm)都可得到较好的分析结果。根据专利解释的上述专利技术方法具有优选的专利技术装置，其特征如下。装置包含一个工作在TEM00模式的脉冲激光器，其射向非金属或部分金属材料的激光束能量密度(强度)约从108到1012W/cm2；包含一个光学聚焦装置，它控制并使等离子体发射光聚焦于光谱仪的裂缝；包含一矩阵式摄像仪，可通过其谱仪裂缝摄下强度。发射光的盘体积通过谱仪通道进行光谱分析，并利用图像存储器和分析仪在时间和空间上对其进行汇总。装置还包含一在激光器、光谱仪、图像存储器和分析仪之间的控制器，对发射光谱信号实施分段存储和分析。图像存储器和分析仪包含数字逻辑元件并且控制着摄像机。优选装置包含一个特别合适的脉冲激光类型，例如，一个质控开关或模式锁定Nd-YAG激光器；包含一个简单的光学聚焦仪和一个控时器。在激光脉冲触发之后，控时器控制各次预设分析时间的延迟，控制摄像机、图像存储器和分析系统的时间窗口，由此可在下一个脉冲触发前，控制谱信号记录，控制数字消存和分析，使分析设施在时间上得到优化利用。在实施过程中，矩形图像存储器是一个CCD照相机，至少有10行，特殊的有约500至600行(水平和垂直传感位)。设计时间窗口时要将图像放大器置于图形存储器之前，光谱仪包含校准元件(平场单元)是有益的。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：K·罗尔，J·艾希尔，N·米勒，
申请(专利权)人：埃姆特克磁化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：