一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法技术

本发明专利技术公开了一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法，该方法包括仪器初始化、LIBS初步元素分析、SLRI激光波长选择、SLRI二次电离、离子传输初聚焦、W形TOF质量分析等六个步骤。本发明专利技术的有益效果是，LIBS一次电离时，可实现元素的组成和含量初步分析；基于第一次LIBS得出的元素同位素原子能级先验知识，在二次共振电离时，可优先选择共振波长。四路SLRI的光路配置，实现紫外至红外的可调谐激光输出，离子聚焦镜和反射镜的应用可实现时空同步聚焦高分辨质量传感。聚焦高分辨质量传感。聚焦高分辨质量传感。

【技术实现步骤摘要】
一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法


[0001]本专利技术涉及一种质谱分析方法，尤其涉及一种基于LIBS(激光诱导击穿光谱，Laser
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induced breakdown spectroscopy)与二次激光共振电离SLRI的TOF同位素质谱分析方法，属于光电检测领域。

技术介绍

[0002]同位素质谱要求区别元素的同位素，需要极高的分辨率，是质谱领域的热点和至高点，属高端质谱领域。同位素质谱是伴随着核科学与核工业的发展而兴起的。至今，已出现了稳定同位素质谱、同位素比例质谱、加速器质谱、静态分析质谱、热电离质谱、二次离子质谱等同位素质谱分析手段。值得注意的是，激光技术的发展使得品种得到极大丰富，性能得到快速提升。合适的激光源是一种性能优异的质谱离子化源。将激光作为质谱解析及离子化手段的技术日益丰富，出现了基质辅助激光解析电离(Matrix assisted laser desorption ionization)质谱、激光微探针(Laser microprobe)质谱、激光共振电离(Laser resonance ionization)质谱、激光剥离电感耦合等离子体质谱(LA
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ICP
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MS)等多种激光解析质谱技术。
[0003]激光电离多次反射飞行时间质谱作为质谱技术中的一个热点领域，在原子光谱实验中，由于原子能级受激跃迁的选择性，受激电离采用激光激发既提高了电离效率又可采用特定波长电离特定元素或同位素，在核工业化工地质行业显示出巨大的发展前景。如核物理研究方面，包括原子质量的精确测定，测定原子核的结合能和敛集曲线，测定放射性同位素的半衰期。同位素丰度和原子量的精确测量，发现天然反应堆，核反应机理，核反应生成的短寿命粒子与质量关系。核科学与核工业方面，超低丰度同位素杂质的分析，燃耗及核燃料纯度分析(B,Pb,Sm,Y,Eu,Th)。当前，核科学与防护对放射性元素及同位素检测提出了更深层次的要求。
[0004]针对以上需求，本专利技术提出一种利用LIBS激光一次剥蚀电离、超快多频段OPO调谐二次共振电离、W形TOF质谱分析的同位素质谱分析法，满足高精度同位素分析的需要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种二次选择性电离同位素质谱分析方法，实现对元素及其同位素的高效电离，并在电离的同时，利用LIBS光谱同步探测，初步获取待测物的元素构成和含量，然后进一步利用TOF质量分析器精确定量同位素。
[0006]本专利技术是这样来实现的：
[0007]本专利技术提出的二次选择性电离同位素质谱分析方法是基于一种激光同位素质谱仪实现的。所述同位素质谱仪由控制器、LIBS子系统、SLRI子系统、时序控制器、离子传输初聚焦模块、TOF质量分析器组成。
[0008]其中，LIBS子系统由LIBS激光器、光谱仪、光纤、LIBS聚焦镜、全反镜丙、光纤耦合镜组成，用以对样品进行初级电离激发的同量，初步获取样品的元素构成和含量。LIBS激光
器为半导体泵浦固体激光器，其发射的LIBS激光沿发射光轴行进，经全反镜丙反射后，转向至折反轴，经LIBS聚焦镜穿过上窗口聚焦至样品舱内的样品上，产生的高温烧蚀剥离气化样品，并产生初级电离气团。初级电离气团中的等离子体冷却跃迁至低等级，辐射光沿主光轴向上透过上窗口，经光纤耦合镜聚焦耦合进光纤面，然后传输进入光谱仪，转化为LIBS光谱信号。
[0009]SLRI子系统由第一路OPO、第一路超快泵浦激光器、第二路超快泵浦激光器、第二路OPO、固体激光器、比例分光片、孪生染料激光器甲、全反镜甲、孪生染料激光器乙、倍频模块、全反镜乙、双色片甲、双色片乙、双色片丙、SLRI聚集透镜组成；SLRI子系统采用多路激光将LIBS子系统电离样品得到的初级电离气团，进行选择性二次共振激发与电离。第一路超快泵浦激光器和第二路超快泵浦激光器为相同的固体激光器，它们发出的激光，分别沿第一电离光轴、第二电离光轴泵浦第一路OPO和第二路OPO。第一路OPO在受泵浦后，保留信号光部分，为第一路SLRI激光，经双色片丙反射后，沿主光轴向上行进；第二路OPO在受泵浦后，保留闲频光部分，为第二路SLRI激光，经双色片乙反射后，沿主光轴向上行进，再穿过双色片丙后，与第一路SLRI激光汇合。固体激光器发出的激光穿过比例分光片，沿第三电离光轴泵浦孪生染料激光器甲，产生波长可调谐的可见近红波段的激光，为第三路SLRI激光，经双色片甲反射后，沿主光轴向上行进，再穿过双色片乙与双色片丙后，与第一二路SLRI激光汇合；固体激光器发出的激光经比例分光片、全反镜甲反射后，沿第四电离光轴泵浦孪生染料激光器乙，产生的可调谐的可见近红外波段的激光经倍频模块倍频后，产生紫外段可调谐激光，为第四路SLRI激光，经全反镜乙反射后，沿主光轴向上行进，再穿过双色片甲、双色片乙与双色片丙后，与第一二三路SLRI激光汇合。四路SLRI的光路配置，实现紫外至红外的可调谐激光输出，可满足所有同位素位移和原子超精细结构的二次激光共振电离质谱测量。汇合后的四路SLRI激光经SLRI聚集透镜、下窗口后，聚焦于LIBS子系统电离样品得到的初级电离气团，进行选择性二次共振激发与电离。
[0010]离子传输初聚焦模块由样品舱、进样腔、离子漏斗腔、四极预杆腔、四极杆腔、八极杆腔、直流电源甲、直流电源乙、脉冲电场控制器、分子泵甲、分子泵乙、分子泵丙、分子泵丁、分子泵A组成。其中，分子泵甲用于将进样腔抽成真空；分子泵乙用于将离子漏斗腔抽成真空；分子泵丙用于将四极预杆腔抽成真空；分子泵丁用于将四极杆腔抽成真空；分子泵A用于将八极杆腔抽成真空。样品舱内有样品电极，在样品电极上装有样品。样品舱有下窗口和上窗口，方便LIBS子系统和SLRI子系统发射的电离激光进入，以及LIBS诱导等离子辐射光穿出。进样腔内有锥形电极甲、锥形电极乙、进样孔。样品电极与两锥形电极构成三电极系统。直流电源提供样品电与锥形电极甲之间的加速电场；直流电源乙提供锥形电极甲和锥形电极乙之间的加速电场。直流电源甲的正负极电压由脉冲电场控制施加。施加的时间为当激光连续电离的离子积累到一定浓度。离子经过三电极系统的电场加速后通过进样孔进入离子漏斗腔。离子漏斗腔内有阱形离子漏斗，用于对进入的离子进行预聚焦；四极预杆腔内有四极预杆，四极杆腔内有四极杆；八极杆腔内有八极杆；三者串联，对进入的离子进行进一步聚焦。
[0011]TOF质量分析器由分子泵B、离子聚焦镜甲、底部离子反射镜、底部电场控制器、飞行入孔、正交电场控制器、推斥极、顶部电场控制器顶部离子反射镜、离子聚焦镜丙、级联MCP、信号处理电路、离子聚焦镜丁、离子聚焦镜乙组成。其中，分子泵B用于将TOF质量分析
器抽成真空；从八极杆出来的离子经飞行入孔进入TOF质量分析器。正交电场控制器在推斥极施加一个垂直于入射离子的正交电场，离子进入TOF质量分析器后，在正交电场的作用下，改变飞行方向，沿飞行轴甲飞行，同时离子聚焦镜甲对离子的飞行的空间进行约束，使其进入底部离子反射镜；底部离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光二次选择性电离同位素质谱分析方法，它是基于一种激光同位素质谱仪实现的，所述同位素质谱仪由控制器(1)、LIBS子系统(34)、SLRI子系统(39)、时序控制器(4)、离子传输初聚焦模块(75)、TOF质量分析器(60)组成；其特征在于所述方法包括以下步骤：1)仪器初始化启动分子泵甲、分子泵乙、分子泵丙、分子泵丁、分子泵A、分子泵B，直至进样腔、离子漏斗腔、四极预杆腔、四极杆腔、八极杆腔、TOF质量分析器接近真空状态。开启脉冲电场控制器、直流电源乙、底部电场控制器、正交电场控制器、顶部电场控制器；2)LIBS初步元素分析控制器发出指令，启动时序控制器，时序控制器控制开启LIBS激光器，并在一定的延时后开启光谱仪光接收信号，LIBS激光器发射的LIBS激光聚焦至样品上，产生初级电离气团，同时产生LIBS辐射光，辐射光传输进入光谱仪，转化为LIBS光谱信号，为光谱仪所接收，光谱仪将LIBS光谱信号送至控制器，控制器根据该光谱信号分析样品的元素组成；3)SLRI激光波长选择控制器根据第一步得到样品的元素组成，根据同位素原子光谱参数计算这些元素的同位素所对应的最佳共振激发波长集，然后，控制器调谐四路SLRI输出波长，输出波长包括最佳激发...

【专利技术属性】
技术研发人员：万雄，贾建军，王泓鹏，辛英健，马焕臻，方沛沛，段明康，刘重飞，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：