一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法，屬于原子發(fā)射光譜測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法首先在待測(cè)樣品表面上方制作坑洞或者腔體，然后利用雙脈沖激光對(duì)樣品進(jìn)行擊打。第一個(gè)脈沖在坑洞或者腔體內(nèi)部產(chǎn)生低壓環(huán)境，第二個(gè)脈沖則用于激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體。等離子體在擴(kuò)展的過(guò)程中受到空間限制作用，使得等離子體溫度和電子密度顯著提高，而且等離子體更加均勻，有利于增加測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信噪比，降低樣品中微量元素的檢出限。該方法具有定標(biāo)優(yōu)度好，預(yù)測(cè)精度高的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法，屬于原子發(fā)射光譜測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]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(xiàn)，其頻率和強(qiáng)度信息包含了分析對(duì)象的元素種類(lèi)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，在工業(yè)生產(chǎn)中具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]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。
[0004]LIBS測(cè)量的不確定度還來(lái)自于等離子體在演化過(guò)程中的不穩(wěn)定性，當(dāng)樣品表面有坑洞或者腔體存在時(shí)，激光擊打在坑洞或者腔體底部產(chǎn)生初級(jí)等離子體，在初級(jí)等離子體膨脹的過(guò)程中，由于空間限制作用，更容易產(chǎn)生激波，激波的絕熱壓縮作用使得原子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軓亩ぐl(fā)次級(jí)等離子體；產(chǎn)生的等離子體的電子密度要高于直接擊打在平面上產(chǎn)生的等離子體；然后，由于逆軔致輻射的作用，高電子密度對(duì)后續(xù)激光能量有更強(qiáng)的吸收效果，進(jìn)一步增加了等離子體內(nèi)的電子密度。電子密度的增加與坑洞或者腔體的尺寸有關(guān)；坑洞或者腔體的深徑比越大，電子密度越高，因此在同等激光能量下，有坑洞或者腔體存在時(shí)等離子體的發(fā)射光譜譜線(xiàn)強(qiáng)度更高，信噪比更大，有利于樣品中微量元素檢出限的降低。
[0005]常規(guī)的雙脈沖激光則是利用一束激光在樣品表面激發(fā)等離子體后，經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間間隔，采用另一束激光擊打在等離子體上對(duì)等離子體進(jìn)行加熱，因此可以進(jìn)一步提高等離子體中高能級(jí)粒子的數(shù)量，增加LIBS光譜的譜線(xiàn)強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法，以進(jìn)一步增強(qiáng)等離子體發(fā)射光譜的譜線(xiàn)強(qiáng)度和信噪比；降低LIBS光譜測(cè)量的不確定度和微量元素的檢出限，提高定標(biāo)曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法，其特征是該方法包括了如下步驟:
[0009]I)將樣品中欲測(cè)量的元素定為目標(biāo)元素；以一組目標(biāo)元素質(zhì)量濃度已知的樣品作為定標(biāo)樣品，首先利用壓片機(jī)將定標(biāo)樣品壓制成型，并且在定標(biāo)樣品的表面上方制作坑洞或者腔體；坑洞或者腔體與樣品表面的距離為I微米到I毫米；
[0010]2)利用激光誘導(dǎo)等離子光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè):使用兩個(gè)脈沖激光器做為激發(fā)光源，第一脈沖激光器I的位置與定標(biāo)樣品表面在同一平面，第二脈沖激光器2的位置與定標(biāo)樣品表面垂直；從第一脈沖激光器出射的激光沿平行于樣品表面的方向經(jīng)過(guò)聚焦透鏡3聚焦后作用于步驟I)所制作的坑洞或者腔體上方1-3_處的空氣中，在聚焦點(diǎn)擊穿空氣產(chǎn)生空氣等離子體，空氣等離子體擠壓坑洞中空氣形成低壓環(huán)境；經(jīng)過(guò)5-lOus的時(shí)間間隔后，由第二脈沖激光器出射的激光沿垂直于定標(biāo)樣品表面的方向擊打在坑洞或者腔體5的底部中心，聚焦在定標(biāo)樣品4表面以下3-5mm處，形成定標(biāo)樣品等離子體6，定標(biāo)樣品等離子體受到坑洞或者腔體的限制作用，定標(biāo)樣品等離子體產(chǎn)生的輻射光信號(hào)被采集透鏡7所收集，經(jīng)過(guò)光譜儀8處理后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)而被計(jì)算機(jī)9采集，得到定標(biāo)樣品的特征光譜圖，從特征光譜圖中得到目標(biāo)元素的特征譜線(xiàn)強(qiáng)度I。;
[0011]3)用目標(biāo)元素的質(zhì)量濃度C與該元素的特性譜線(xiàn)強(qiáng)度I。組成數(shù)據(jù)對(duì)(C，I。)，并針對(duì)多個(gè)樣品得到多組數(shù)據(jù)對(duì)，然后擬合出定標(biāo)曲線(xiàn)，定標(biāo)曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)是目標(biāo)元素質(zhì)量濃度C,縱坐標(biāo)是I。；
[0012]4)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)和步驟2)所述的方法對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行處理，得到目標(biāo)元素的譜線(xiàn)強(qiáng)度I’。，然后在定標(biāo)曲線(xiàn)上查出對(duì)應(yīng)點(diǎn)(C’，I’。)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)C’即為目標(biāo)元素的濃度C’。
[0013]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:
[0014]本發(fā)明根據(jù)低壓環(huán)境下LIBS信號(hào)質(zhì)量較好的原理，利用第一個(gè)激光脈沖在坑洞或者腔體內(nèi)制造低壓環(huán)境，當(dāng)?shù)诙€(gè)激光脈沖產(chǎn)生了等離子體后，又受到坑洞或者腔體的限制作用，增加了等離子體的電子密度和溫度，有效增強(qiáng)了等離子體發(fā)射光譜的譜線(xiàn)強(qiáng)度和信噪比；降低LIBS光譜測(cè)量的不確定度，能夠降低微量元素的檢出限，提高定標(biāo)曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的激光誘導(dǎo)等離子光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明方法的流程框圖。
[0017]圖中:1 一第一脈沖激光器；2—第二脈沖激光器；3—聚焦透鏡；4一定標(biāo)樣品；5—坑洞或腔體；6—定標(biāo)樣品等尚子體；7—米集透鏡；8—光譜儀；9一計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]圖1是本發(fā)明的激光誘導(dǎo)等離子光譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，該系統(tǒng)含有第一脈沖激光器1、第二脈沖激光器2、聚焦透鏡3、采集透鏡7、光譜儀8和計(jì)算機(jī)9。
[0020]圖2是本發(fā)明方法的流程框圖，該方法包括如下步驟:
[0021]I)將樣品中欲測(cè)量的元素定為目標(biāo)元素；以一組目標(biāo)元素質(zhì)量濃度已知的樣品作為定標(biāo)樣品，首先利用壓片機(jī)將定標(biāo)樣品壓制成型，并且在定標(biāo)樣品的表面上方制作坑洞或者腔體；坑洞或者腔體與樣品表面的距離為I微米到I毫米；
[0022]2)利用激光誘導(dǎo)等離子光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè):使用兩個(gè)脈沖激光器做為激發(fā)光源，第一脈沖激光器I的位置與定標(biāo)樣品表面在同一平面，第二脈沖激光器2的位置與定標(biāo)樣品表面垂直；從第一脈沖激光器出射的激光沿平行于樣品表面的方向經(jīng)過(guò)聚焦透鏡3聚焦后作用于步驟I)所制作的坑洞或者腔體上方1-3_處的空氣中，在聚焦點(diǎn)擊穿空氣產(chǎn)生空氣等離子體，空氣等離子體擠壓坑洞中空氣形成低壓環(huán)境；經(jīng)過(guò)5-lOus的時(shí)間間隔后，由第二脈沖激光器出射的激光沿垂直于定標(biāo)樣品表面的方向擊打在坑洞或者腔體5的底部中心，聚焦在定標(biāo)樣品4表面以下3-5mm處，形成定標(biāo)樣品等離子體6，定標(biāo)樣品等離子體受到坑洞或者腔體的限制作用，定標(biāo)樣品等離子體產(chǎn)生的輻射光信號(hào)被采集透鏡7所收集，經(jīng)過(guò)光譜儀8處理后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)而被計(jì)算機(jī)9采集，得到定標(biāo)樣品的特征光譜圖，從特征光譜圖中得到目標(biāo)元素的特征譜線(xiàn)強(qiáng)度I。;
[0023]3)用目標(biāo)元素的質(zhì)量濃度C與該元素的特性譜線(xiàn)強(qiáng)度I。組成數(shù)據(jù)對(duì)(C，I。)，并針對(duì)多個(gè)樣品得到多組數(shù)據(jù)對(duì)，然后擬合出定標(biāo)曲線(xiàn)，定標(biāo)曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)是目標(biāo)元素質(zhì)量濃度C,縱坐標(biāo)是I。；
[0024]4)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)和步驟2)所述的方法對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行處理，得到目標(biāo)元素的譜線(xiàn)強(qiáng)度I’。，然后在定標(biāo)曲線(xiàn)上查出對(duì)應(yīng)點(diǎn)(C’，I’。)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)C’即為目標(biāo)元素的濃度C’。
[0025]實(shí)施例:
[0026]以利用LIBS測(cè)量煤中碳元素為例，對(duì)利用等離子體空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法進(jìn)行闡述。
[0027]I)首先使用各元素質(zhì)量濃度已知的十種標(biāo)準(zhǔn)煤樣品進(jìn)行分析，各煤炭樣品的主要元素的質(zhì)量濃度如表1所示:
[0028]表1.標(biāo)煤樣品成分
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測(cè)量精度的方法，其特征是該方法包括如下步驟: 1)將樣品中欲測(cè)量的元素定為目標(biāo)元素；以一組目標(biāo)元素質(zhì)量濃度已知的樣品作為定標(biāo)樣品，首先利用壓片機(jī)將定標(biāo)樣品壓制成型，并且在定標(biāo)樣品的表面上方制作坑洞或者腔體；坑洞或者腔體與樣品表面的距離為I微米到I毫米； 2)利用激光誘導(dǎo)等離子光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè):使用兩個(gè)脈沖激光器做為激發(fā)光源，第一脈沖激光器(I)的位置與定標(biāo)樣品表面在同一平面，第二脈沖激光器(2)的位置與定標(biāo)樣品表面垂直；從第一脈沖激光器出射的激光沿平行于樣品表面的方向經(jīng)過(guò)聚焦透鏡(3)聚焦后作用于步驟I)所制作的坑洞或者腔體上方l_3mm處的空氣中，在聚焦點(diǎn)擊穿空氣產(chǎn)生空氣等離子體，空氣等離子體擠壓坑洞中空氣形成低壓環(huán)境；經(jīng)過(guò)5-lOus的時(shí)間間隔后，由第二脈沖激光器出射的激光沿垂直于定標(biāo)樣品表面的方向擊打在坑洞或者腔體(5)的底部中心，聚焦在定標(biāo)樣品(4)表面以下3-5mm處，形成定標(biāo)樣品等離子體(6)，定標(biāo)樣品等離子體受到坑洞或者腔體的限制作用，定標(biāo)樣品等離子體產(chǎn)生的輻射光信號(hào)被采集透鏡(7)所收集，經(jīng)過(guò)光譜儀(8)處理后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)而被計(jì)算機(jī)(9)采集，得到定標(biāo)樣品的特征光譜圖，從特征光譜圖中得到目標(biāo)元素的特征譜線(xiàn)強(qiáng)度I。； 3)用目標(biāo)元素的質(zhì)量濃度C與該元素的特性譜線(xiàn)強(qiáng)度I。組成數(shù)據(jù)對(duì)(C，I。)，并針對(duì)多個(gè)樣品得到多組數(shù)據(jù)對(duì)，然后擬合出定標(biāo)曲線(xiàn)，定標(biāo)曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)是目標(biāo)元素質(zhì)量濃度C，縱坐標(biāo)是I。； 4)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)和步驟2)所述的方法對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行處理，得到目標(biāo)元素的譜線(xiàn)強(qiáng)度I’。，然后在定標(biāo)曲線(xiàn)上查出對(duì)應(yīng)點(diǎn)(C，，I’。)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)C’即為目標(biāo)元素的濃度C’。
【文檔編號(hào)】G01N21/63GK103543131SQ201310487560
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】王哲, 袁廷璧, 李政 申請(qǐng)人:清華大學(xué)