分析固体样品的方法和设备技术

一种分析固体样品的方法，包括：产生一种具有频率至少为１００Ｈｚ和半宽等于或小于１μｓ的脉冲激光束；确定激光的辐射区域；在惰性气体气流中辐射脉冲激光束使固体样品部分气化产生细小颗粒；将细小颗粒送到一探测器中；和在探测器中进行成分分析。设备包括：含有一个半导体激光器的激光振荡装置；聚焦激光束的聚焦装置，辐射聚焦的激光束以产生细小颗粒的辐射装置；进行元素分析的分析仪；及将细小颗粒传送到上述分析仪的传送装置。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分析固体样品的方法和设备。具体地说，本专利技术涉及的方法和设备是用激光束辐射到固体样品的表面上，收集细小颗粒并将其送到分析器中进行元素分析。在传统的激光气化分析中，一个聚焦的激光束脉冲辐射到惰性气体流中的一个固体母体样品，例如金属或陶瓷的表面上，使部分母体样品气化，冷却气化样品得到的细小颗粒由惰性气流携带，传送到一个分析器中进行元素分析，母体样品中所含元素由细小颗粒样品的分析结果确定。激光气化分析技术的一个典型例子已公布，例如未审查的日本No.7-72047专利发布中涉及激光辐射条件，局部气化率(细小颗粒中与母体样品中的元素浓度之比)的范围由细小颗粒的产额来确定，辐射的激光速脉冲的能量密度从100KW/mm2到500MW/mm2，频率是100Hz或更高一点，脉冲的半宽度是50到400毫微秒。然而用这样的激光辐照条件进行分析会产生5％的相对标准偏差。因为实际的火花发射光谱法的相对标准偏差小于2％，所以激光气化分析需要与火花发射光谱法有同样的精度。本专利技术的目的在于提供一种分析固体样品的方法和设备，使分析的精度提高及设备的尺寸和重量减小。为了实现这个目的，本专利技术提供的分析固体样品的方法包括的步骤有(a)准备一脉冲激光束；(b)确定激光辐射的范围；(c)发射这个脉冲激光束以产生细小颗粒；(d)重复步骤(c)，以产生更多的细小颗粒；(e)将细小颗粒传送到一个探测器中；及(f)在探测器中进行元素分析。在步骤(a)中，这个脉冲激光束的频率至少100Hz，半宽1微秒或小一点。在步骤(b)中，激光辐射范围的确定要使能量密度满足以下方程Q＞t1/2×α/r式中Q代表能量密度(J/cm2)，t代表脉冲的半宽度，α代表分析的样品的固有参数，r代表激光束的吸收系数。在步骤(c)中，细小颗粒是由脉冲激光束辐射到惰性气体中的固体样品表面的辐照区上使样品部分气化形成的。在步骤(d)中，重复辐射步骤(c)中脉冲激光束辐照的同一表面，产生一更多的细小颗粒。在步骤(c)和(d)中，激光是从包括一个半导体激光器的激光振荡装置里辐射出的。此外，本专利技术提供了一个分析固体样品的设备，包括带有一个半导体激光器的激光振荡装置；将激光振荡装置发出的激光束聚焦的聚焦装置；辐射聚焦的激光束到固体样品表面上使一部分样品被气化产生出细小颗粒的细小颗粒形成装置；一个对细小颗粒样品进行元素分析的分析器；和将细小颗粒送进分析器的传送装置。激光振荡装置可以包括半导体激光器，一个激光棒，和一个光缆。半导体激光器产生激光束，激光棒接收来自半导体激光器的激光束，而光缆把半导体激光器和激光棒联接起来。激光振荡装置可以包括半导体激光器，激光棒，和位于激光棒两端的谐振器。激光振荡装置可以包括一个作为激光光源的半导体激光器，一个连续振荡Q开关的激光束的固体激光介质，和一个Q开关元件。聚焦装置可以包括一个把激光振荡装置产生的激光束聚焦到样品表面的聚光镜，和一个使激光束焦点在样品表面以预置的幅度摆动的焦点摆动装置。传送装置可以包括一个通过紧靠着样品把细小颗粒样品送进分析器的传送室。焦点摆动装置由一个在垂直于辐射的激光束平面的垂直和水平方向上以预置的幅度摆动聚光镜的透镜摆动装置构成。另外，焦点摆动装置也可以包括轴互相垂直的两个扫描镜，使扫描镜以预置的角度作往复运动的超声马达，和一个聚光镜；这里借助扫描镜往复转动使激光束的轴实现垂直和水平摆动。此外，焦点摆动装置也可以由一个偏转激光束的轴使其画出一个平面的声光偏转器构成。此外，本专利技术提供一种分析固体样品的方法，包括向固体样品表面辐射一脉冲激光束以产生细小颗粒；及测定细小颗粒的成分，其特征在于以预置的速度连续移动所分析的位置；在很短时间内测出细小颗粒成分的瞬时值；及分析瞬时值，确定被测样品中均匀和非均匀溶解部分成分的含量。附图说明图1是一个激光气化分析方法的设备结构示意图，它是按照本专利技术的一个实施例；图2A和2B绘出在局部气化率m＜1时，辐射循环次数与细小颗粒浓度的关系，和母体样品深度与浓度的关系；图3A和3B绘出当局部气化率m＞1时，辐射循环次数与细小颗粒浓度的关系，和母体样品深度与浓度的关系；图4绘出一个金属样品中细小颗粒局部气化率与各元素沸点的关系；图5是按照本专利技术的用于激光气化分析器的一个激光振荡部分的实施例结构示意图；图6是按照本专利技术的一个实施例的激光气化分析器总结构的示意图；图7是按照本专利技术的装置的实施例示意图；图8是一个透镜摆动机构的正视图；图9-13是按照本专利技术的其它实施例的装置示意图14是瞬时值曲线说明例；图15是分析区域的分割区示意图，作为一个波形分析的实施例；图16是非均匀沉淀部分在不同测量时间中的瞬时值的示意图；图17是一个用来说明分析中位置移动的激光气化设备的示意图；图18是一个激光ICP(感应耦合的等离子体)分析器的平面示意图；图19是一个传统发射光谱技术的分析时间与激光ICP分析法的比较图表；图20A和20B是比较采用传统发射光谱技术和激光ICP分析方法的转炉运行的示意图；图21是一个便携式激光ICP光谱仪的透视图；图22是一个执行本专利技术的实施例的平面图；图23是另一个执行本专利技术的实施例的平面图；图24A，24B和24C是连铸碳钢中心偏析的点分析结果的图示说明；图25是采用一个便携式激光ICP光谱仪分析粗轧材料中心偏析的一个实施例的平面图；图26是按照本专利技术的一个实施例的装置的正视图；及图27是按照本专利技术的另一个实施例的装置的示意图。按照本专利技术，一个具有100Hz或再高一点频率和1微秒或更短一点半宽的脉冲激光束以在全部辐射表面上进行二维扫描的方式照射在样品的辐照表面上，其辐射能量密度要满足一个由分析样品的热和光的吸收率特性所决定的阈值，这样，借助(激光束)重复的辐射循环，使同一辐射表面被刻蚀以形成细小颗粒。例如，样品表面辐射点的直径设定为10μm或更大一点，激光辐射条件和光学系统的设定要使平均能量密度满足如下公式(1)，激光束在全部辐照表面上进行二维扫描，而且相同的辐射表面被重复辐射从而产生细小颗粒Q＞t1/2×α/r(J/cm2) …(1)其中t代表激光脉冲的半宽，α代表分析样品的固有参数，r代表激光束的吸收系数。吸收系数r按如下公式确定r＝Qa/Qt。式中，Qa是样品的吸收热而Qt是全部辐射热。辐射功率为P(W)的激光束照射在样品上t秒钟，及在样品没用Q开关从而没有发生气化的条件下测量出样品的吸收热Qa。全部的辐射热Qt按如下公式计算Qt＝W×t/4.2(卡)。参数α确定如下。在纯物质如纯金属中，不同能量密度的激光束辐射在具有已知吸收系数r的样品上。能量密度阈值由采样点的物理特性所决定。在阈值处，样品被气化而使采样点成为凹形。参数α由能量密度和吸收系数r确定。在包含有多种元素的样品中，求得纯元素的各个α值然后选择其中的最大α值。在另一种方法中，α值可以从成分比和能量密度的关系求得。成分比是具有最大α值的元素与含量最多的元素之比。α值可以从具有高成分比的稳定的能量密度和吸收系数r获得。对于可靠性高的激光化分析，形成的细小颗粒必须具有如下特征(1)细小颗粒与母体样品的成分非常相似；即局部气化率接近1；(2)细小颗粒的尺寸是单分散分布的，以易于在分析器内分析时的气化。局部气化率远本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分析固体样品的方法，包括步骤：（ａ）准备具有频率至少为１００Ｈｚ和半宽等于或小于１微秒的一脉冲激光束；（ｂ）确定激光辐射范围，使能量密度满足以下公式：Ｑ＞ｔ↑［１／２］×α／ｒ式中Ｑ代表能量密度（Ｊ／ｃｍ↑［２］）。 ｔ代表脉冲的半宽，α代表固体样品的固有参数，和ｒ代表激光束的吸收率；（ｃ）将具有所述辐射范围的脉冲激光束辐射到惰性气流中的固体样品的表面，使固体样品部分气化产生细小颗粒；（ｄ）对已在（ｃ）步骤中被脉冲激光束辐射的表面重复 步骤（ｃ），以产生更多的细小颗粒；（ｅ）将步骤（ｃ）和（ｄ）中形成的所述的细小颗粒传送到一个探测器；和（ｆ）在探测器中进行元素分析。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：秋吉孝则，坂下明子，石桥耀一，望月正，佐藤重臣，前川俊哉，
申请(专利权)人：日本钢管株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]