一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于环境污染监测技术领域，涉及一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法。所述装置包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；所述气溶胶进样模块用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，并输送至检测腔室；所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，并分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；所述三通道光纤光谱仪用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机用于将电信号解析为光谱，并进行存储和分析。利用本发明专利技术的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，能够更快速、灵敏地实时监测气溶胶的元素成分。敏地实时监测气溶胶的元素成分。敏地实时监测气溶胶的元素成分。

A real-time monitoring device and method for aerosol element composition by laser-induced breakdown spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法


[0001]本专利技术属于环境污染监测
，更具体地，涉及一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法。

技术介绍

[0002]气溶胶是由微小的液滴或固体颗粒分散在气态介质中所组成的胶体。按照颗粒物的来源可以分为自然气溶胶和人工气溶胶，前者可来源于自然风扬起的灰尘、海水蒸发后的盐结晶和火山爆发等，后者可来源于交通运输、火力发电与工业生产尾气排放的烟尘等。气溶胶的化学成分非常复杂并随时空变化而剧烈变化，对生态环境与人类健康影响甚大。因而对气溶胶的成分的实时监测是治理气溶胶污染的迫切需要。
[0003]传统的气溶胶成分分析方法主要有电感耦合等离子体质谱法(ICP
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MS)、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP
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OES)、原子吸收光谱法(AAS)等，这些方法均存在气溶胶采样时间长、需要样品前处理、耗时长的缺点，不适合用于气溶胶成分的实时监测。激光诱导击穿光谱(laser
‑
induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)技术，是一种能够进行实现元素快速检测的新技术，其通过高能激光在样品表面激发等离子体，采集和分析等离子体发射光谱，从而获取物质中各元素的种类和含量信息。LIBS技术具有快速、实时、原位、全元素同时检测的优点，因此该检测技术被广泛用于多个

[0004]然而在利用LIBS技术对气溶胶进行原位在线分析时，由于气溶胶颗粒尺寸微小，激光烧蚀后来源于待测物质的发光粒子数量较少，导致待测物质LIBS光谱较微弱，因此LIBS光谱的高效收集对于气溶胶成分的高灵敏度、精确分析至关重要。典型的LIBS光谱波长范围通常为200到900nm，覆盖紫外
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可见光
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近红外波段，常规的双平凸透镜采集方式对如此宽波段的光谱存在较大色差，导致光纤耦合效率低，大量有效光谱信号损失，难以进行后续的元素成分分析。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法，利用本专利技术所述高效光谱收集模块，对LIBS紫外、可见光、近红外三个波段的光谱进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道采集波段分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，实现气溶胶的LIBS高灵敏度在线监测。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；
[0007]所述气溶胶进样模块包括气溶胶收集器、检测腔室和抽气泵，用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，在检测腔室内形成气溶胶柱；所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模
块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，再分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；所述三通道光纤光谱仪为包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道的光纤光谱仪，用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机用于将电信号解析为光谱，并进行存储和分析。
[0008]进一步地，所述激光激发模块，包括脉冲激光器和激光聚焦透镜，激光聚焦镜镶嵌于检测腔室壁上，其中心与脉冲激光器所产生的激光束中心轴重合，其镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，用于将激光束会聚于检测腔室内的气溶胶柱上，对气溶胶柱进行烧蚀并形成等离子体。
[0009]进一步地，所述高效光谱收集模块包括准直透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一消色差透镜、第二消色差透镜、第三消色差透镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器以及光纤；准直透镜镶嵌于检测腔室壁上，其与激光聚焦镜位于气溶胶柱的对侧，其中心与脉冲激光器所产生的激光束中心轴重合，其镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，其焦点与等离子体中心重合，用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射准直为平行光束；第一二向色镜位于准直透镜所准直的等离子体平行光束的传输方向上，其镜面与平行光束传输方向夹角为45
°
，用于使紫外辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，可见光和近红外辐射光束可直接透过第一二向色镜；第一消色差透镜位于紫外辐射光束的反射光路上，其中心轴与紫外辐射光束的中心轴重合，用于将紫外辐射光束会聚于第一光纤耦合器上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光谱仪的紫外波段通道中；第二二向色镜位于透过第一二向色镜的可见光和近红外辐射光束的传输方向上，镜面与光束传输方向夹角为45
°
，用于使可见光辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，近红外辐射光束可直接透过第二二向色镜；第二消色差透镜位于可见光辐射光束的反射光路上，其中心轴与可见光辐射光束的中心轴重合，用于将可见光辐射光束会聚于第二光纤耦合器上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光谱仪的可见光波段通道中；第三消色差透镜位于透过第二二向色镜的近红外辐射光束的传输光路上，其中心轴与近红外辐射光束的中心轴重合，用于将近红外辐射光束会聚于第三光纤耦合器上，并通过光纤将近红外辐射传输于三通道光谱仪的近红外波段通道中。
[0010]利用本专利技术所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置进行检测前，需先检查激光聚焦镜、准直透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一消色差透镜、第二消色差透镜、第三消色差透镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器是否无损伤，脉冲激光器、三通道光纤光谱仪以及计算机是否能正常工作；气溶胶进样模块是否无破损无堵塞。
[0011]实时监测方法为：首先，启动气溶胶进样模块，实时从大气环境中采集气溶胶，在检测腔室内形成气溶胶柱；然后通过计算机设置三通道光纤光谱仪采集参数，包括采集延时时间和积分时间；紧接着打开脉冲激光器，脉冲激光器产生激光束经过激光聚焦透镜会聚后烧蚀气溶胶柱，产生等离子体，等离子体光辐射经过高效光谱收集模块后被分离成紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射；同时脉冲激光器向三通道光纤光谱仪发送高电平信号，光谱仪接收到高电平信号后开始采集，三个通道分别采集高效光谱收集模块分光后的紫外、可见光、近红外三个波段光辐射，并将光信号转化为电信号，传输至计算机；计算机将光谱仪传输来的电信号解析为光谱并进行存储和分析，最终获得气溶胶中各元素的种类与
含量信息。
[0012]本专利技术所提供的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，通过所述高效光谱收集模块对LIBS紫外、可见光、近红外三个波段的光辐射进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，有效提高LIBS气溶胶成分分析的灵敏度。此外所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其特征在于：该实时监测装置包括气溶胶进样模块(4)、激光激发模块(1)、高效光谱收集模块(13)、三通道光纤光谱仪(18)和计算机(3)；所述气溶胶进样模块(4)用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集并形成气溶胶柱；所述激光激发模块(1)用于发射高能量脉冲激光束，对气溶胶进样模块(4)中形成的气溶胶柱进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模块(13)用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，再分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪(18)；所述三通道光纤光谱仪(18)为包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道的光纤光谱仪，用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机(3)与三通道光纤光谱仪(18)连接，用于调整三通道光纤光谱仪(18)的采集参数，控制三通道光纤光谱仪(18)启停，将传输来的电信号解析为光谱并进行存储和分析。2.根据权利要求1所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其特征在于：所述气溶胶进样模块(4)包括气溶胶收集器(8)、检测腔室(5)和抽气泵(7)，通过抽气泵(7)将大气环境中的气溶胶收集经过气溶胶收集器(8)后在检测腔室(5)内形成气溶胶柱。3.根据权利要求2所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其特征在于：气溶胶收集器(8)与检测腔室(5)之间通过管路连接，检测腔室(5)与抽气泵(7)之间通过管路连接。4.根据权利要求2或3所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其特征在于：所述激光激发模块(1)包括脉冲激光器(2)和激光聚焦透镜(6)，激光聚焦透镜(6)镶嵌于检测腔室(5)的侧壁上，激光聚焦透镜(6)的中心与脉冲激光器(2)所产生的激光束中心轴重合，激光聚焦透镜(6)的镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，用于将激光束会聚于检测腔室(5)内的气溶胶柱上，对气溶胶柱进行烧蚀并形成等离子体。5.根据权利要求4所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其特征在于：脉冲激光器(2)与三通道光纤光谱仪(18)相电连接，脉冲激光器(2)在发生激光束的同时向三通道光纤光谱仪(18)发送高电平信号，用于触发三通道光纤光谱仪(18)开始采集。6.根据权利要求4所述的一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，其特征在于：所述高效光谱收集模块(13)包括准直透镜(9)、第一二向色镜(10)、第二二向色镜(14)、第一消色差透镜(11)、第二消色差透镜(15)、第三消色差透镜(17)、第一光纤耦合器(12)、第二光纤耦合器(16)、第三光纤耦合器(19)；准直透镜(9)镶嵌于检测腔室(5)的侧壁上，准直透镜(9)与激光聚焦镜(6)位于气溶胶柱的两侧，准直透镜(9)的中心与脉冲激光器(2)所产生的激光束中心轴重合，准直透镜(9)
的镜面与激光束传输方向夹角为90
°
，准直透镜(9)的焦点与等离子体中心重合，用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射准直为平行光束；第一二向色镜(10)位于准直透镜(9)所准直的等离子体平行光束的传输方向上，第一二向色镜(10)的镜面与平行光束传输方向夹角为45
°
，用于使紫外辐射光束的前进方向发生90
°
的偏转，可见光和近红外辐射光束可直接透过第一二向色镜(10)；第一消色差透镜(11)位于紫外辐射光束的反射光路上，第一消色差透镜(11)的中心轴与紫外辐射光束的中心轴重合，用于将紫外辐射光束会聚于第一光纤耦合器(12)上，并通过光纤将紫外辐射传输于三通道光纤光谱仪(18)的紫外波段通道中；第二二向色镜(14)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文慧，郭连波，周冬生，胡桢麟，张登，胡凌飞，吕蒙，汪威良，李胜林，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：