一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统技术方案

一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，属于激光诱导击穿光谱领域。特征在于在常规激光诱导击穿光谱系统的基础上增加了弧面电极放电装置。弧面电极放电装置由高压电源、电容、高压电缆、绝缘层和两个弧面电极组成。电极放电能够把大量电能注入激光诱导等离子体，使得光谱信号明显增强，同时电极的弧面和绝缘层形成的圆柱形空腔能够约束等离子体的空间形态并增加等离子体的温度和电子密度，使得光谱信号有更大的强度和更好的稳定性；该系统简单可靠、成本较低，有很好的实用性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，属于激光诱导击穿光谱领域。特征在于在常规激光诱导击穿光谱系统的基础上增加了弧面电极放电装置。弧面电极放电装置由高压电源、电容、高压电缆、绝缘层和两个弧面电极组成。电极放电能够把大量电能注入激光诱导等离子体，使得光谱信号明显增强，同时电极的弧面和绝缘层形成的圆柱形空腔能够约束等离子体的空间形态并增加等离子体的温度和电子密度，使得光谱信号有更大的强度和更好的稳定性；该系统简单可靠、成本较低，有很好的实用性。【专利说明】—种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统
本专利技术涉及激光诱导击穿光谱检测系统，特别涉及一种基于弧面电极放电的改善光谱信号质量的激光诱导击穿光谱检测系统，属于激光诱导击穿光谱
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技术介绍
激光诱导击穿光谱(laser-1nducedbreakdown spectroscopy, LIBS)是二十世纪后期发展起来的一种全新的物质元素分析技术，是一种典型的原子发射光谱测量技术。LIBS的工作原理是:强激光脉冲作用下，样品表面的物质被激发成为等离子体并迅速衰减，在衰减过程中辐射出特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度信息包含了分析对象的元素种类和浓度信息。LIBS技术运行成本低，测量速度快，具有高灵敏度、无需或者需要很少的样品预处理和实现多元素测量等优点，并且无辐射危害，在工业生产中具有极大的发展潜力。但在实际应用中，LIBS检测存在灵敏度较低、检测限不足和信号重复性较差的缺点，因而限制了该技术的广泛应用。为了推动LIBS技术的发展，增强信号强度、改善检测限、提高信号重复性是LIBS技术的重要研究方向。为了提高LIBS信号的强度，一些研究者提出了火花放电增强信号的方法(如申请号:201120391281.X专利文献；申请号:200910154015.2专利文献、申请号:201110311616.7专利文献、申请号:200920199159.5专利文献)。这些方法通过电弧把电能注入等离子体，能明显增加LIBS信号的强度，但由于放电产生的电弧很不稳定，且采用的球状电极有效放电面积很小，导致信号稳定性不足以及增强效应不充分，同时两个电极的相对位置需要分别固定，给实际操作带来了不便。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和缺陷，本专利技术提出一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，以进一步增强信号强度、改善检测限和提高信号重复性，从而使LIBS技术得到广泛应用。本专利技术的技术方案如下:—种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，该系统包括脉冲激光器、聚焦透镜、探头、光纤、光谱仪和计算机，其特征在于:所述系统还包括弧面电极放电装置，弧面电极放电装置放置在待测样品表面，所述的弧面电极放电装置包括高压直流电源、电容、高压电缆、绝缘层、弧面电极的正极和弧面电极的负极；高压直流电源与电容通过高压电缆并联，弧面电极的正极和弧面电极的负极分别通过高压电缆与高压直流电源的正极和负极连接，所述的绝缘层位于弧面电极的正极和弧面电极的负极之间；弧面电极的正极、弧面电极的负极和绝缘层之间形成一个圆柱形空腔；脉冲激光器发出的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后穿过圆柱形空腔的中心击打在待测样品的表面产生等离子体，等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机，得到待测样品的光谱信号。所述的弧面电极正极和弧面电极负极的材料为铈钨合金。所述的圆柱形空腔的深度为Imm?15mm,直径为Imm?15mm。本专利技术具有以下优点及突出性效果:弧面电极的有效放电面积远大于球状电极且能够在等离子体四周产生电弧，从而可以把电容中存储的电能充分地注入到等离子体中，光谱信号的增强效应更为明显，有利于改善LIBS测量的检测限；同时由于可对等离子体四周放电，产生的电弧更为稳定，有利于提高光谱信号的稳定性，而且等离子体产生过程中伴随的激波被圆柱形空腔的内壁反射后作用于等离子体，一方面激波携带的能量可进一步增强光谱信号，另一方面也对等离子体的空间形态和位置起到了约束作用，避免了等离子体空间形态和位置的波动对信号稳定性的影响，有利于改善光谱信号的稳定性。【专利附图】【附图说明】图1是基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱系统图。图2是弧面电极放电装置结构图。图中:1 一弧面电极的正极；2 —绝缘层；3 —圆柱形空腔；4一弧面电极的负极；5—高压直流电源；6—电容；7—高压电缆；8—脉冲激光器；9一聚焦透镜；10—等离子体；11—弧面电极放电装置；12—待测样品；13—探头；14一光纤；15—光谱仪；16—计算机。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1是基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱系统图，该系统包括脉冲激光器8、聚焦透镜9、弧面电极放电装置11、探头13、光纤14、光谱仪15和计算机16 ;所述弧面电极放电装置11放置在待测样品表面，该装置包括高压直流电源5、电容6、高压电缆7、绝缘层2、弧面电极的正极I和弧面电极的负极4;高压直流电源与电容通过高压电缆并联，弧面电极的正极和弧面电极的负极分别通过高压电缆与高压直流电源的正极和负极连接，所述的绝缘层2位于弧面电极的正极和弧面电极的负极之间；弧面电极的正极、弧面电极的负极和绝缘层之间形成一个圆柱形空腔3 (如图2所示)；脉冲激光器发出的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后穿过圆柱形空腔3的中心击打在待测样品12的表面产生等离子体10，等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机，得到待测样品的光谱信号。所述的弧面电极正极和弧面电极负极的材料采用铈钨合金；弧面电极的正极I和弧面电极的负极4之间的距离即绝缘层2的宽度为D，D的大小优选为Imm?15mm ;圆柱形空腔3的直径为Φ, Φ的大小优选为Imm?15mm ;圆柱形空腔的深度即弧面电极的厚度为H，H大小为Imm?15mm ;高压直流电源的电压一般为3kV_15kV，电容大小一般为 5nF-10yFo本专利技术的工作原理和过程如下:弧面电极的有效放电面积远大于球状电极且能够在等离子体四周产生电弧，从而可以把电容中存储的电能充分地注入到等离子体中，光谱信号的增强效应更为明显，有利于改善LIBS测量的信噪比和检测限，同时由于可对等离子体四周放电，产生的电弧更为稳定，有利于提高光谱信号的稳定性；而且等离子体产生过程中伴随的激波被圆柱形空腔的内壁反射后作用于等离子体，一方面激波携带的能量可进一步增强光谱信号，另一方面也对等离子体的空间形态和位置起到了约束作用，避免了等离子体空间形态和位置的波动对信号稳定性的影响，有利于改善光谱信号的稳定性。所述的弧面电极的放电过程是被动的，无需人为控制。激光脉冲未发出时，弧面电极和绝缘层形成的圆柱形空腔中间有空气隔绝，使得两个电极无法放电。当激光脉冲穿过圆柱形空腔的中心击打在样品表面后，样品表面产生等离子体，使得圆柱形空腔内的电阻大大减小，两个电极瞬间导通，产生电弧放电，从而把电容中储存电能注入等离子体。运用本专利技术所述的装置对待测样品进行检测的过程如下:脉冲激光器发出一束激光脉冲，激光脉冲经过聚焦透镜聚焦后穿过弧面电极和绝缘层形成的圆柱形空腔击打在待测样品表面，产生激光诱导等离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，该系统包括脉冲激光器（8）、聚焦透镜（9）、探头（13）、光纤（14）、光谱仪（15）和计算机（16），其特征在于：所述系统还包括弧面电极放电装置（11），弧面电极放电装置（11）放置在待测样品表面，所述的弧面电极放电装置包括高压直流电源（5）、电容（6）、高压电缆（7）、绝缘层（2）、弧面电极的正极（1）和弧面电极的负极（4）；高压直流电源与电容通过高压电缆并联，弧面电极的正极和弧面电极的负极分别通过高压电缆与高压直流电源的正极和负极连接，所述的绝缘层（2）位于弧面电极的正极和弧面电极的负极之间；弧面电极的正极、弧面电极的负极和绝缘层之间形成一个圆柱形空腔（3）；脉冲激光器发出的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后穿过圆柱形空腔（3）的中心击打在待测样品（12）的表面产生等离子体（10），等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机，得到待测样品的光谱信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王哲，侯宗余，袁廷璧，李政，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11