[發(fā)明專利]用于測量元素濃度的手持式分析儀和方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201780023159.7
• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN109661570A
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 瓦倫丁·蓋龐特瑟夫;伊萬·庫拉特夫;羅曼·比約科夫;葉卡捷琳娜·范迪雅娜;謝爾蓋·帕什科;奧列格·莫拉瓦特斯基;安德烈·萊斯尼科夫;娜杰日達(dá)·科雅珍科;德米特里·奧利諾夫
• 申請（專利權(quán)）人: IPG光子公司;激光出口有限公司
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71;G01J3/443
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 趙偉

所公開的元素濃度測量的方法和手持式分析儀基于對激光產(chǎn)生的脈沖所產(chǎn)生的高溫高電離等離子體的光譜分析。由于高脈沖能量和短脈沖持續(xù)時(shí)間，除了中性原子線之外，還激發(fā)高強(qiáng)度單電荷和多電荷離子線。所公開的分析儀的脈沖激光源被配置為以0.1至50kHz的脈沖重復(fù)率、0.01至1.5ns的脈沖持續(xù)時(shí)間、介于100和1000uJ之間的脈沖能量、1.5?1.6信號波長輸出信號光脈沖序列，并且在樣品表面上具有1至60μm的束斑。上述參數(shù)提供足以誘導(dǎo)高溫高電離的等離子體(等離子體)的至少20GW/cm²的激光功率密度，該高溫高電離的等離子體允許通過采用雙電荷離子線CII[[I]]以低至0.01％的檢測限測量碳鋼中的碳濃度，并以低于0.01％的檢測限測量通常存在于碳鋼中的其他元素。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光誘導(dǎo)擊穿光譜學(xué)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用手持設(shè)備進(jìn)行的基于高溫高電離等離子體的激光誘導(dǎo)擊穿光譜學(xué)的元素濃度測量的方法。

背景技術(shù)

化學(xué)元素組成的手持式分析儀是非常受歡迎的工具，這是因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┎牧系默F(xiàn)場快速定量分析。目前，在大多數(shù)商用手持設(shè)備中使用兩種備選技術(shù)：X射線熒光(XRF)和激光擊穿光譜學(xué)(LIBS)。

XRF方法基于對keV(千電子伏特)的x射線輻射所激發(fā)的x射線區(qū)中的特征熒光光譜的檢測。盡管XRF技術(shù)具有更高的成熟度且更常用，但它有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：它無法檢測Z在12以下的元素，并且它使用危險(xiǎn)的電離輻射。

LIBS方法利用被聚焦到樣品表面的高能激光脈沖產(chǎn)生等離子體羽流，所述等離子體羽流輻射紫外、可見和近紅外光譜區(qū)中的特征原子和離子光譜。測量和分析這些光譜，從而提供關(guān)于樣品的元素組成的定量信息。LIBS方法可用于測量從氫(H)到鈾(U)的元素濃度。可以以低檢測限(低至10ppm)確定大多數(shù)元素的濃度。

然而，存在諸如碳(C)之類的元素，其在鐵(Fe)合金內(nèi)難以進(jìn)行測量，這是因?yàn)镃發(fā)射線被Fe基質(zhì)和非碳雜質(zhì)相關(guān)的信號掩蔽。目前，世界上制造的大多數(shù)Fe合金都是碳鋼，其中，碳濃度是材料屬性的關(guān)鍵參數(shù)。因此，檢測限優(yōu)于0.05％的C濃度測量對于許多工業(yè)應(yīng)用是非常重要的。對能夠測量鋼中C濃度的手持式分析儀的需求很大。基于XRF和LIBS的可商用手持式分析儀無法檢測C，也無法針對Fe合金提供相當(dāng)高的檢測限，因此它們不能用于該任務(wù)。

傳統(tǒng)LIBS方法采用10s mJ能量1-10納秒(ns)脈沖用于等離子體產(chǎn)生。然而，這種方法并非沒有某些缺點(diǎn)。首先，mJ級激光器通常具有1-20Hz的低重復(fù)率。這種低重復(fù)率限制了每次測量的平均次數(shù)，這又限制了對信噪比的改善。另一缺點(diǎn)是mJ脈沖產(chǎn)生相當(dāng)大量的等離子體，這與一些發(fā)射線(特別是離子線)的重吸收以及這些線的檢測強(qiáng)度的顯著降低有關(guān)。

傳統(tǒng)LIBS的又一缺點(diǎn)源于以下事實(shí)：等離子體產(chǎn)生的方式伴隨著來自電子連續(xù)(continuum)的強(qiáng)信號，該強(qiáng)信號掩蔽了元素發(fā)射線。為了解決掩蔽問題，必須使用頻閃或門控檢測，這有助于降低連續(xù)貢獻(xiàn)。遺憾的是，頻閃或門控檢測還降低了檢測到的發(fā)射光的可用量。

可以通過增加脈沖能量和脈沖形狀操縱(例如，通過具有雙脈沖激發(fā))來提高檢測靈敏度。使用100mJ雙脈沖激光器證明了1ppm的碳檢測限，但其整體尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過手持設(shè)備的所有合理尺寸。

最近在手持式分析儀中實(shí)現(xiàn)的最大脈沖能量為6mJ，其中，脈沖持續(xù)時(shí)間為1ns，重復(fù)頻率為10-50Hz(SciAps公司的LIBS手持式分析儀的Z線)。據(jù)報(bào)道，Z-500分析儀可以通過分析DUV 193或175nm CI原子線來測量C濃度。由于在200nm以下的波長下空氣的強(qiáng)DUV光吸收，使用惰性氣體，例如氬(Ar)。

在若干商用手持式LIBS元素分析儀中使用的另一種方法包括使用以1-5kHz重復(fù)率發(fā)射并傳遞10至30μJ能量的1-2納秒脈沖。在這種情況下，使用非常強(qiáng)的聚焦。這些參數(shù)通常導(dǎo)致較低的等離子體溫度，這使得一些離子發(fā)射線不存在于光譜中。