專利名稱：基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物質(zhì)元素含量的測(cè)量方法，具體來(lái)說(shuō)，本方法是采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(簡(jiǎn)稱LIBS)對(duì)元素含量進(jìn)行測(cè)量，屬于原子發(fā)射光譜測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
LIBS是二十世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的一種全新的物質(zhì)元素分析技術(shù)。LIBS的工作原理是強(qiáng)激光脈沖作用下，樣品表面的物質(zhì)被激發(fā)成為等離子體并迅速衰減，在衰減過(guò)程中輻射出特定頻率的光子，產(chǎn)生特征譜線，其頻率和強(qiáng)度信息包含了分析對(duì)象的元素種類和濃度信息。LIBS技術(shù)運(yùn)行成本低，測(cè)量速度快，具有高靈敏度、無(wú)需或者需要很少的樣品預(yù)處理和實(shí)現(xiàn)多元素測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，并且無(wú)輻射危害，在エ業(yè)生產(chǎn)中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。但是，由于LIBS的激光作用點(diǎn)很小，燒蝕物質(zhì)的量很少，對(duì)于不均勻，各向異性的·物質(zhì)基體效應(yīng)非常明顯；同時(shí)，激光能量的波動(dòng)，等離子體溫度、電子密度等物理參數(shù)的不同導(dǎo)致LIBS測(cè)量的重復(fù)精度較低；另外，環(huán)境參數(shù)的影響以及儀器內(nèi)部元器件本身的電子噪聲等都易對(duì)LIBS產(chǎn)生干擾；因此利用LIBS直接測(cè)量樣品的測(cè)量精度不能得到保證，限制了 LIBS在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。直接對(duì)粉末樣品進(jìn)行LIBS測(cè)量在重復(fù)性方面較差，這是因?yàn)橐环矫娣勰悠肥艿郊す饷}沖的作用后會(huì)發(fā)生飛濺，樣品表面不再平整，很難保證聚焦透鏡到樣品表面的距離恒定，這樣會(huì)對(duì)激光燒蝕造成較大的不確定度；另一方面，粉末樣品飛濺產(chǎn)生的氣溶膠會(huì)吸收后續(xù)的激光脈沖，影響激光能量到達(dá)樣品表面的比例，同樣會(huì)對(duì)測(cè)量的重復(fù)性造成影響。在已經(jīng)公開的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜測(cè)量技術(shù)的專利文獻(xiàn)(申請(qǐng)?zhí)?01110040537. 7 ；201110210361. 5)中，用粉末樣品壓制成型有效提高了 LIBS測(cè)量的精度。但是對(duì)粉末進(jìn)行壓制成型使得系統(tǒng)較為復(fù)雜，降低了測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行速度，難以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，成為制約LIBS技術(shù)進(jìn)ー步發(fā)展的瓶頸，因此對(duì)于粉末樣品直接進(jìn)行LIBS測(cè)量是ー個(gè)非常有潛力的應(yīng)用方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)方案是基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量測(cè)量方法，其特征是該方法包括了如下步驟I)將樣品中欲測(cè)量的元素定為目標(biāo)元素；以目標(biāo)元素質(zhì)量濃度已知的ー組粉末樣品作為定標(biāo)樣品，各定標(biāo)樣品的目標(biāo)兀素濃度分別記為Ci、C2、C3......;2)從步驟I)中的一組定標(biāo)樣品中任選ー種平鋪于透明的玻璃托盤上；3)利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)將脈沖激光器置于玻璃托盤的正下方，以脈沖激光器為激發(fā)光源，從激光器出射的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡聚焦后穿過(guò)玻璃托盤，調(diào)整聚焦透鏡的位置，使得聚焦后的激光在定標(biāo)樣品與玻璃托盤的接觸面處的定標(biāo)樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體；4)在玻璃托盤下部設(shè)置采集透鏡，等離子體產(chǎn)生的輻射光信號(hào)透過(guò)玻璃托盤被采集透鏡所收集，通過(guò)光纖導(dǎo)入光譜儀，經(jīng)過(guò)光譜儀后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)被計(jì)算機(jī)采集，得到步驟2)中所選定標(biāo)樣品的特征光譜圖，從該特征光譜圖中得到目標(biāo)元素的特征譜線強(qiáng)度I ;5)對(duì)每ー種定標(biāo)樣品重復(fù)步驟2)至步驟4)，依次得到各個(gè)定標(biāo)樣品對(duì)應(yīng)的目標(biāo)元素特征譜線強(qiáng)度L、I2、I3……；6)以目標(biāo)元素濃度C1' C2, C3……為自變量，特征譜線強(qiáng)度I” 12、I3……為因變量通過(guò)擬合方法建立定標(biāo)曲線，定標(biāo)曲線的方程為y = f (X)，其中，X為自變量，y為因變量；7)對(duì)目標(biāo)元素質(zhì)量濃度未知的待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先按照步驟I)至步驟4)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行處理，得到待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的譜線強(qiáng)度I。，然后在定標(biāo)曲線上查出I。所對(duì)應(yīng)的濃度值即為待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的濃度。
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本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明利用聚焦后的激光從玻璃托盤下方透過(guò)玻璃托盤擊打到粉末樣品，在粉末樣品與玻璃托盤的接觸面處的粉末樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，防止粉末受到激光脈沖作用后發(fā)生飛濺，不僅導(dǎo)致聚焦透鏡與樣品表面的距離發(fā)生變化，而且飛濺起來(lái)的粉末樣品會(huì)吸收下一次激光脈沖，導(dǎo)致到達(dá)樣品表面的能量減少，最終降低測(cè)量的不確定度。與已經(jīng)公開的其他基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的測(cè)量方法相比較，本發(fā)明不需要對(duì)粉末樣品進(jìn)行壓制成型的操作，使得該方法能夠更好地應(yīng)用于快速在線測(cè)量上。另外，在粉末樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，由于粉末樣品本身重力的影響，粉末層會(huì)對(duì)等離子體產(chǎn)生空間限制作用，這樣能夠在ー定程度上增強(qiáng)等離子體發(fā)射光譜的譜線強(qiáng)度，增加特征譜線的信噪比，降低目標(biāo)元素的檢測(cè)限。


圖I是本發(fā)明的激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中1一脈沖激光器；2—聚焦透鏡；3—玻璃托盤；4一樣品；5—等尚子體6—米集透鏡；7—光纖；8—光譜儀；9一計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的說(shuō)明?；诩す庹T導(dǎo)擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量測(cè)量方法，其特征是該方法包括了如下步驟I)將樣品中欲測(cè)量的元素定為目標(biāo)元素；以目標(biāo)元素質(zhì)量濃度已知的ー組粉末樣品作為定標(biāo)樣品，各定標(biāo)樣品的目標(biāo)兀素濃度分別記為Ci、C2、C3......;2)從步驟I)中的一組定標(biāo)樣品中任選ー種平鋪于透明的玻璃托盤3上；3)利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)將脈沖激光器I置于玻璃托盤的正下方，以脈沖激光器為激發(fā)光源，從激光器出射的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡2聚焦后穿過(guò)玻璃托盤3，調(diào)整聚焦透鏡的位置，使得聚焦后的激光在定標(biāo)樣品4與玻璃托盤的接觸面處的定標(biāo)樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體5 ；4)在玻璃托盤下部設(shè)置采集透鏡6，等離子體產(chǎn)生的輻射光信號(hào)透過(guò)玻璃托盤被采集透鏡6所收集，通過(guò)光纖7導(dǎo)入光譜儀8，經(jīng)過(guò)光譜儀后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)被計(jì)算機(jī)9采集，得到步驟2)中所選定標(biāo)樣品的特征光譜圖，從該特征光譜圖中選出目標(biāo)元素特征譜線，通過(guò)積分的方法得到譜線的峰面積，峰面積即為目標(biāo)元素的特征譜線強(qiáng)度I ;5)對(duì)每ー種定標(biāo)樣品重復(fù)步驟2)至步驟4)，依次得到各個(gè)定標(biāo)樣品對(duì)應(yīng)的目標(biāo)元素特征譜線強(qiáng)度L、I2、I3……；6)以目標(biāo)元素濃度C1. C2, C3……為自變量，特征譜線強(qiáng)度ら、12、I3……為因變量通過(guò)擬合方法建立定標(biāo)曲線，定標(biāo)曲線的方程為y = f (X)，其中，X為自變量，y為因變量；7)對(duì)目標(biāo)元素質(zhì)量濃度未知的待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先按照步驟I)至步驟4)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行處理，得到待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的譜線強(qiáng)度I。，然后在定標(biāo)曲線上查出I。所對(duì)應(yīng)的濃度值即為待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的濃度。實(shí)施例以利用LIBS測(cè)量煤中碳元素為例，對(duì)基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量測(cè)量方法進(jìn)行闡述。I)將煤炭樣品中欲測(cè)量的碳元素定為目標(biāo)元素，首先使用各元素質(zhì)量濃度已知的十種煤炭樣品作為定標(biāo)樣品，各煤炭樣品的主要元素的質(zhì)量濃度如表I所示；各定標(biāo)樣品的碳元素濃度依次記為CpCpC3……；表I.標(biāo)煤樣品成分
權(quán)利要求
1.基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量測(cè)量方法，其特征是該方法包括了如下步驟 1)將樣品中欲測(cè)量的元素定為目標(biāo)元素；以目標(biāo)元素質(zhì)量濃度已知的一組粉末樣品作為定標(biāo)樣品，各定標(biāo)樣品的目標(biāo)元素 濃度分別記為CpCyC3……； 2)從步驟I)中的一組定標(biāo)樣品中任選一種平鋪于透明的玻璃托盤(3)上； 3)利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)將脈沖激光器(I)置于玻璃托盤的正下方，以脈沖激光器為激發(fā)光源，從激光器出射的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡(2)聚焦后穿過(guò)玻璃托盤(3)，調(diào)整聚焦透鏡的位置，使得聚焦后的激光在定標(biāo)樣品(4)與玻璃托盤的接觸面處的定標(biāo)樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體(5)； 4)在玻璃托盤下部設(shè)置采集透鏡(6)，等離子體產(chǎn)生的輻射光信號(hào)透過(guò)玻璃托盤被采集透鏡(6 )所收集，通過(guò)光纖(7 )導(dǎo)入光譜儀(8 )，經(jīng)過(guò)光譜儀后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)被計(jì)算機(jī)(9 )采集，得到步驟2)中所選定標(biāo)樣品的特征光譜圖，從該特征光譜圖中得到目標(biāo)元素的特征譜線強(qiáng)度I ; 5)對(duì)每一種定標(biāo)樣品重復(fù)步驟2)至步驟4)，依次得到各個(gè)定標(biāo)樣品對(duì)應(yīng)的目標(biāo)元素特征譜線強(qiáng)度Ip 12、I3……； 6)以目標(biāo)元素濃度CpC2, C3……為自變量，特征譜線強(qiáng)度Ip 12、I3……為因變量通過(guò)擬合方法建立定標(biāo)曲線，定標(biāo)曲線的方程為y = f (X)，其中，X為自變量，y為因變量； 7)對(duì)目標(biāo)元素質(zhì)量濃度未知的待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先按照步驟I)至步驟4)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行處理，得到待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的譜線強(qiáng)度I。，然后在定標(biāo)曲線上查出I。所對(duì)應(yīng)的濃度值即為待測(cè)樣品中目標(biāo)元素的濃度。
全文摘要
基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量測(cè)量方法，屬于原子發(fā)射光譜領(lǐng)域。該方法通過(guò)將粉末樣品置于透明的玻璃托盤上，激光透過(guò)玻璃托盤聚焦在粉末底層并產(chǎn)生等離子體，等離子體發(fā)出的輻射光信號(hào)透過(guò)玻璃托盤，被玻璃托盤的下方的采集透鏡所收集，并通過(guò)光纖傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行分析。該方法對(duì)粉末樣品不需要壓制成型的處理，提高了在線檢測(cè)的速度。另外，該方法還克服了粉末層表面不平整導(dǎo)致的測(cè)量信號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象，提高了測(cè)量的重復(fù)性。
文檔編號(hào)G01N21/63GK102788771SQ201210244830
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者李希強(qiáng), 李政, 王哲, 袁廷璧 申請(qǐng)人:國(guó)電燃料有限公司, 清華大學(xué)