[發(fā)明專利]一種用于水下檢測的光纖LIBS探測系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2019-05-21
• 公開（公告）號: CN110220884A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉韜;朱斌;薛飛;杭玉樺;安英輝;王春輝;孔晨光;李平仁;陳海岳;吳堅;李興文
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州熱工研究院有限公司;嶺澳核電有限公司;中國廣核集團有限公司;中國廣核電力股份有限公司
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71;G01N21/01
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛(wèi)

本發(fā)明涉及一種用于水下檢測的光纖LIBS探測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括激光輸出模塊、水下光纖LIBS探頭以及控制處理模塊，采用本發(fā)明的系統(tǒng)在檢測時通過氣嘴向水下光纖LIBS探頭充氣，將光學(xué)窗口之下的液體通過排水口排出，使得待測樣品表面附近營造出一種類空氣環(huán)境，從而大幅度提高激光擊穿誘導(dǎo)等離子體的效率和收集光譜信背比；并且可根據(jù)實際需求在水下光纖LIBS探頭內(nèi)制造多種氣體介質(zhì)環(huán)境，以滿足激光檢測各種元素的介質(zhì)環(huán)境要求；本發(fā)明可實現(xiàn)多種元素的同時分析，操作安全可靠，重復(fù)性高，靈敏度高，測量精度高，光譜信噪比高，元素檢測限高，分析速度快，效率高，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，有效解決了水下進(jìn)行LIBS元素檢測的難點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于水下檢測的光纖LIBS探測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（Laser Induced Breakdown Spectroscopy, 以下簡稱LIBS技術(shù)）是利用激光誘導(dǎo)待測材料表面產(chǎn)生的等離子體的發(fā)射光譜定量測量樣品元素組分、力學(xué)參數(shù)等的測量技術(shù)。與其他檢測手段相比，LIBS技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢：遠(yuǎn)程在線原位檢測，樣本微損甚至無損，無須樣本預(yù)處理，可實現(xiàn)多種元素同時分析等。

光纖傳輸激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（以下簡稱光纖LIBS技術(shù)）是對前有的傳統(tǒng)誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，更加適應(yīng)極端場合的檢測任務(wù)：利用光纖傳輸激光聚焦樣品表面形成等離子體，同時對等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行收集，并采用光譜后處理算法分析以確定待測樣品的物質(zhì)成分及含量。該技術(shù)在核電廠、核電站檢修維護(hù)企業(yè)、核燃料制造廠、乏燃料處理廠等場所具有巨大的潛在應(yīng)用價值，可以通過光纖LIBS技術(shù)檢測高溫、高壓、高輻射的生產(chǎn)線中主管道或蒸汽過熱彎管道等人工難以到達(dá)的地方。

然而，結(jié)合我國核電站的應(yīng)用要求，目前亟需通過LIBS技術(shù)檢測水中異物以及蒸汽過熱彎管等人工難以到達(dá)的地方。為此，利用搭載光纖LIBS系統(tǒng)的機器人可實現(xiàn)上述部位的在線遠(yuǎn)程測量。但是，光纖LIBS系統(tǒng)的傳輸激光功率小，傳輸效率低，光譜信背比低，導(dǎo)致測量精度較差。為了在小激光功率情況下，獲得可信度高的檢測結(jié)果，需要利用一定復(fù)合約束的方法增強等離子體輻射光譜強度，提高信背比。另一方面，針對核電站水中檢測環(huán)境，也還需要該方法在水中可以實施。然而水環(huán)境中的激光誘導(dǎo)等離子體物理過程與在空氣中有著顯著的不同，受液體環(huán)境熱力學(xué)與壓力的影響，等離子體被約束在氣泡中。水下等離子體受水和氣泡的雙重影響，造成發(fā)射譜線被吸收和散射，因此水下LIBS探測的信號較弱。目前來說，針對核電站中復(fù)雜的水下檢測環(huán)境，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制可靠運行的LIBS探測系統(tǒng)仍有待于進(jìn)一步發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種用于水下檢測的光纖LIBS探測系統(tǒng)，其在進(jìn)行水下LIBS探測過程中通過充氣排水法在待測樣品表面附近營造出一種類空氣環(huán)境，從而大幅度提高激光擊穿誘導(dǎo)等離子體的效率和收集光譜信背比，并可制造多種所需氣體介質(zhì)環(huán)境，以滿足激光檢測各種元素的介質(zhì)環(huán)境要求；通過遠(yuǎn)程實時在線檢測的方式，可定性或定量分析測定物質(zhì)中的元素成分，有效解決水下進(jìn)行LIBS元素檢測的難點。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于水下檢測的光纖LIBS探測系統(tǒng)，包括激光輸出模塊、水下光纖LIBS探頭以及控制處理模塊；所述水下光纖LIBS探頭包括第一光組件和第二光組件；

所述第一光組件包括第一套筒以及設(shè)于所述第一套筒中且將所述第一套筒分隔為上部空腔和下部空腔的光學(xué)窗口，所述上部空腔依次設(shè)有位于同一光路的第一光纖轉(zhuǎn)接件、第二平凸透鏡、第三平凸透鏡和二向色鏡，所述第一光纖轉(zhuǎn)接件與所述激光輸出模塊相連；所述下部空腔的下端面設(shè)有用以緊貼待測樣品的排水口，所述下部空腔的兩側(cè)分別設(shè)有用以與外部氣源相連的氣嘴；