一种水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块技术方案

一种水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块，包括：固体靶盘、固体基底靶材和水下步进电机。该模块中固体靶盘顶点处圆形孔与水下步进电机主轴同轴连接，由水下步进电机带动固体靶盘低速转动，在固体靶盘表面的弧形凹槽处粘贴固体基底靶材，固体基底靶材是粗糙度小于0.5nm，厚度为2mm的硅片，水下LIBS系统的激光焦点位于固体基底靶材表面下方0.5mm处，脉冲激光出射后在固体基底靶材表面击穿水体，产生海水LIBS信号。本实用新型专利技术采用固体基底靶材辅助增强水下LIBS信号的方法，可以有效提高原位探测海水LIBS信号的强度。位探测海水LIBS信号的强度。位探测海水LIBS信号的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块


[0001]本专利技术属于海洋探测领域，涉及一种水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块。

技术介绍

[0002]海洋中蕴含着丰富的矿产资源、油气资源。海底资源的勘探开发依赖于高效、精确、环境友好的海洋原位探测技术。激光诱导击穿光谱技术（Laser
‑
Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一种利用脉冲激光烧蚀样品产生瞬态等离子体，并通过分析等离子体的发射光谱实现元素成分的定性和定量探测技术。该技术采用一束脉冲激光同时完成采样和激发过程，具有无需样品预处理、多元素同时探测、速度快、成本低的特点。目前已成功应用于海洋环境检测、热液区探测等领域。
[0003]将LIBS技术应用于海洋原位探测时，通常将光路、激光器、光谱仪和控制电路等封装于密封舱内，舱体端盖上设置有激光聚焦和光谱采集的透镜窗口。在液体环境中，由于激光产生的等离子体受液体环境的无定形、耐压缩、高热传导率等性质的影响，使得水下等离子体体积小、密度大、且快速淬灭，导致水下LIBS光谱多为连续背景、特征谱线强度弱且展宽严重。
[0004]为了提高LIBS技术的信号强度和探测能力，常用的LIBS信号增强方法有：双脉冲增强、长脉冲增强、空间约束增强、磁场约束增强和基底辅助增强。其中基底辅助增强方法具有操作简单，成本低的优点，适用于LIBS原位海水探测场景。基底辅助增强方法原理是当脉冲激光与基底相互作用诱导其产生强烈高温的等离子体。高温等离子体会对待测物质进行二次加热使其汽化或电离，即待测物质得到二次击穿，最终形成具有较高的等离子体电子温度和电子密度的混合等离子体，产生谱线强度更高的光谱信号。
[0005]由于原位LIBS探测系统的焦距固定，且焦深较小，基底靶表面在数个脉冲后会被烧蚀破坏，导致基底靶对LIBS光谱信号的增强效果消失，因此在实际探测过程中需要变换基底靶位置，以达到对LIBS信号的稳定增强作用。
[0006]因此现在亟待提出一种能有效用于海洋原位探测场景中的LIBS信号辅助增强模块。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的问题，本技术提供了一种用于水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块。
[0008]为了达到上述目的，本技术采用如下技术方案：
[0009]一种水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块，包括：固体靶盘、固体基底靶材和水下步进电机。
[0010]所述固体靶盘为四分之一扇形盘，厚度为1.5cm，固体靶盘顶点处设置有直径为2cm圆形孔，固体靶盘表面设置有宽为4cm的四分之一弧形凹槽。
[0011]所述固体基底靶材即为基底辅助增强方法中的基底，固体基底靶材是与固体靶盘弧形凹槽大小匹配的厚度为2mm，表面粗糙度小于0.5nm的硅片，所述固体基底靶材用防水胶固定于固体靶盘上。
[0012]所述固体靶盘上粘有固体基底靶材的一面朝向水下LIBS系统激光窗口。水下LIBS系统的脉冲激光焦点位于固体基底靶材表面下方0.5mm处。
[0013]所述固体靶盘圆形孔与水下步进电机主轴同轴连接，水下步进电机主轴与水下LIBS系统脉冲激光窗口垂直设置，并用抱箍将水下步进电机与水下LIBS系统相互固定。
[0014]所述固体靶盘由水下步进电机带动绕水下步进电机主轴低速转动，转动范围为绕步进电机主轴逆时针90
°
至顺时针90
°
。
[0015]有益技术效果：
[0016]本技术对海水原位LIBS探测信号增强效果明显，对海水原位LIBS光谱中的Na、K元素谱线强度增强5至6倍，海水中Ca元素通过固体靶辅助增强方法能实现谱线强度从无到有。
[0017]本技术结构简单，操作方便，固体基底靶材可进行更换，适用于实际海水探测。
附图说明
[0018]图1为固体靶盘和固体基底靶材结构示意图。
[0019]图2为固体基底靶辅助信号增强模块装配在水下LIBS探测系统上的示意图。
[0020]其中，固体靶盘1，固体基底靶材2，水下步进电机3，水下LIBS系统4，水下LIBS系统激光窗口4
‑
1。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和实施例对本技术作进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不能用来限制本技术的范围。
[0022]本技术提供了一种用于水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块。本技术提供的固体基底靶辅助信号增强模块基于LIBS基底辅助信号增强方法，对其进行了结构优化，优化后使其能够有效运用于海水原位LIBS光谱探测中，使海水原位LIBS光谱中的Na、K元素谱线强度增强5至6倍，Ca元素通过固体基底靶辅助增强方法能实现谱线强度从无到有。
[0023]具体地，本技术所提供的一种用于水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块包括：固体靶盘1、固体基底靶材2和水下步进电机3。
[0024]所述固体靶盘1为四分之一扇形盘，厚度为1.5cm，固体靶盘1顶点处设置有直径为2cm圆形孔，固体靶盘1表面设置有宽为4cm的四分之一弧形凹槽。
[0025]所述固体基底靶材2为与固体靶盘1弧形凹槽大小匹配的厚度为2mm，表面粗糙度小于0.5nm的硅片，所述固体基底靶材2用防水胶固定于固体靶盘1上。
[0026]所述固体靶盘1上粘有固体基底靶材2的一面朝向水下LIBS系统激光窗口4
‑
1。水下LIBS系统4的脉冲激光焦点位于固体基底靶材2表面下方0.5mm处。
[0027]所述固体靶盘1圆形孔与水下步进电机3主轴同轴连接，水下步进电机3主轴与水
下LIBS系统激光窗口4
‑
1垂直设置，并用抱箍将水下步进电机3和水下LIBS系统4相互固定。
[0028]所述固体靶盘1由水下步进电机3带动绕水下步进电机3主轴低速转动，转动范围为绕水下步进电机3主轴逆时针90
°
至顺时针90
°
。
[0029]具体工作过程：
[0030]所述固体靶盘1粘有固体基底靶材2的一面朝向水下LIBS系统激光窗口4
‑
1，水下步进电机3的主轴与水下LIBS系统激光窗口4
‑
1垂直设置，水下LIBS系统4的脉冲激光焦点在固体基底靶材2表面下方0.5mm处。启动水下LIBS系统4的同时，水下步进电机3带动固体靶盘1开始低速转动。脉冲激光从水下LIBS系统激光窗口4
‑
1射出后在固体基底靶材2表面产生高温等离子体，高温等离子体对海水产生二次击穿，产生激光诱导击穿光谱，设置水下LIBS系统4的光谱采集延时为激光出射后400ns采集光谱。水下步进电机3带动固体靶盘1绕水下步进电机3主轴低速转动，以降低脉冲激光对固体基底靶材2表面单点的烧蚀。在固体靶盘1转动过程中保持固体基底靶材2与脉冲激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块，其特征是：该固体基底靶辅助信号增强模块由固体靶盘、固体基底靶材和水下步进电机组成；所述固体靶盘表面设置有弧形凹槽，固体靶盘顶点处设置有圆形孔，其中圆形孔用于和水下步进电机主轴同轴连接，在固体靶盘表面弧形凹槽处粘贴固体基底靶材；所述固体基底靶材大小与固体靶盘上弧形凹槽相同；所述水下步进电机用于固定和控制固体靶盘，水下步进电机主轴与水下LIBS系统的脉冲激光窗口垂直设置，并用抱箍将水下步进电机与水下LIBS系统相互固定。2.根据权利要求1所述的一种用于水下LIBS系统的固体基底靶辅助信号增强模块，其特征是，所述固体基底靶材选...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽迎，郭金家，隋明达，韩建文，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：新型
国别省市：