[發(fā)明專利]激光誘導(dǎo)光譜分析方法及其裝置

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 97197116.1
• 申請(qǐng)日: 1997-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN1227632A
• 公開（公告）日: 1999-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: K·羅爾;J·艾希爾;N·米勒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 埃姆特克磁化股份有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/71
• 分類號(hào): G01N21/71
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 馬鐵良,張志醒

本發(fā)明涉及含鹵族、尤其是含氯非金屬或最多是部分金屬材料的激光發(fā)射光譜的分析方法及其裝置。其中照射于材料的一束脈沖激光產(chǎn)生等離子體，由等離子體發(fā)出的光在擴(kuò)展方向被光學(xué)聚焦成錐形，然后將其引入光譜儀，在激光束觸發(fā)并經(jīng)預(yù)設(shè)時(shí)間延遲后進(jìn)行分析，其所用脈沖激光束的能量密度約在10⁸和10¹²W/cm²之間。

與其類似的方法和裝置例如可見于利用光譜來分析鋼材的專利EP-B-176?625，其中由準(zhǔn)點(diǎn)狀等離子體區(qū)發(fā)出的光經(jīng)一層光學(xué)膜，由光二極管或是光倍增管一維收集進(jìn)行分析估算。這種方法需要引入惰性氣體來改善分析結(jié)果的精度。此種方法及其裝置不宜用于鹵族元素的光譜分析。

原理上，光譜分析是基于這樣的事實(shí)，譜線強(qiáng)度正比于材料在i態(tài)時(shí)發(fā)射的原子密度n_i和玻爾慈曼因子e^-Ei/KT，其中E_i為激活能，T為溫度。因此在恒定密度和溫度的氣態(tài)或等離子態(tài)中，可利用該式進(jìn)行定量分析。在脈沖激光束產(chǎn)生的等離子體中，情況要復(fù)雜一些，該等離子體的密度和溫度在時(shí)間和空間上都具有大的梯度，是不均勻的，其梯度大小不僅取決于激發(fā)條件而且取決于相應(yīng)的材料。

本發(fā)明以改善上述背景下的激光誘導(dǎo)光譜分析方法及其裝置為目的，分析對(duì)象是含鹵族尤其是含氯的非金屬或至多是部分金屬的材料。

該目標(biāo)可利用開頭提及的方法來實(shí)現(xiàn)，即在一段時(shí)間和空間內(nèi)取等離子體密度和溫度梯度的平均。為了要獲取分析用的穩(wěn)定可重復(fù)的譜線信息，需要匯總和平均取自于擴(kuò)束錐體中至少一盤容積的光強(qiáng)度。

由于這一過程發(fā)生在預(yù)設(shè)的很短時(shí)間內(nèi)，期間稀釋等離子體的溫度仍相當(dāng)高，因此可以利用大等離子體內(nèi)發(fā)有氯發(fā)射的所有特殊譜線進(jìn)行定量譜線分析。

能可靠、可重復(fù)、簡捷靈活地檢驗(yàn)混合材料中的鹵族元素尤其是氯元素是本方法及其裝置所具有的特殊優(yōu)點(diǎn)。

激光誘導(dǎo)譜線分析氯元素，時(shí)至今日還不順利的主要原因在于，鹵族原子的激發(fā)態(tài)具有很高的能量，約10eV。相應(yīng)地，也只有在強(qiáng)激發(fā)條件下，溫度達(dá)約10⁵K的高聚焦等離子體內(nèi)，玻爾慈曼因子才起作用。但在這一區(qū)域，等離子體中的電子密度十分高，因此譜線發(fā)射會(huì)被具有相同波長的高密度電子的劇烈韌致輻射所覆蓋，使分析受到制約。由于氯元素共振躍遷波長范圍的典型值位于100nm處，只有用昂貴的VUV光譜儀才能檢測(cè)得到。(VUV代表真空超紫外區(qū)λ＜250nm)

本方法的優(yōu)點(diǎn)在于，通過一次激光發(fā)射所獲盤容積信息就令人驚奇的足夠用于光譜分析了。在進(jìn)一步的拓展中，通過光譜儀入射端的裂縫可將盤容積信息記錄下來并將光譜區(qū)分開。盤容積信息光譜可利用矩陣形式的攝象系統(tǒng)進(jìn)行二維成象。其另一優(yōu)點(diǎn)是，具有至少10行象素塊的CCD照相機(jī)就可作為矩陣攝象機(jī)使用。因此，可以盡可能多地利用來自攝象機(jī)行或列以及對(duì)應(yīng)于CCD象素中各波長的光強(qiáng)度信息。

由此帶來下述優(yōu)點(diǎn)，a).與普通的最高行式存儲(chǔ)(例如行式照相機(jī))對(duì)比，本方法獲得的增益與匯總行或列數(shù)n對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度相關(guān)，以及b)。同時(shí)也能根據(jù)n^1/2(n的平方根)獲得有關(guān)統(tǒng)計(jì)值的改善。

還可縮短分析時(shí)間。如果n=500，統(tǒng)計(jì)方面可改善約22倍，如n=2000，就可改善44倍，為前者2倍之多。實(shí)際上，用一個(gè)500行的CCD標(biāo)準(zhǔn)照相機(jī)就足夠了。

已經(jīng)表明，使用擴(kuò)束錐體內(nèi)有限而足夠大的盤容積來進(jìn)行分析是十分有益的。這有可能對(duì)其中所有的非均勻等離子體密度區(qū)和溫度區(qū)在空間和時(shí)間上進(jìn)行平均。因此，該分析方法對(duì)于等離子體發(fā)射中總存在的密度分布和溫度分布的起落，例如在切換不同的材料和/或研究不同的附加譜區(qū)時(shí)，條件會(huì)相當(dāng)寬松。盤容積因而可以將其縱向(即光譜儀裂縫的縱向)置于膨脹方向或最好使其與膨脹方向垂直。與由利用行照相機(jī)在小區(qū)域內(nèi)分析所得平均結(jié)果相比，此種情況下的增益約為其兩個(gè)數(shù)量級(jí)(典型情況為光譜儀裂縫的高/寬比=5mm/0.01mm=500)。分析氯時(shí)，在被分析物與盤容積之間，平均焦距大約是3到6mm。

系列了解多種等離子體的強(qiáng)度值亦可通過接連不斷的激光發(fā)射，用多級(jí)盤容積來實(shí)現(xiàn)。

其它要提高的方面是應(yīng)該使脈沖激光束具有高斯分布。高斯分布束只能由處于TEM₀₀模的激光器來產(chǎn)生。這種激光器的能量和束形特別穩(wěn)定，因此，每次發(fā)射都能在聚焦區(qū)以及等離子區(qū)獲得高重復(fù)性。