CN103620374B - 由激光诱导等离子体以定量样品分析的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于即时分类移动材料的系统，所述系统包含：一激光脉冲产生器，操作用以产生至少一第一及第二激光脉冲，于所述移动材料上的相同冲射位置进行冲射，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒；及一吸收检测器，操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。

Description

由激光诱导等离子体以定量样品分析的装置及方法
参考相关申请文件
参照于2011年6月9号提交的美国临时专利申请案第61/494,956号，及标题为“通过激光诱导等离子体(LIP)用于定量分析样品的方法及装置”，其内容以参考文献并入本文，并且是根据美国专利法施行细则37CFR1.78(a)(4)及(5)(i)所主张的优先权。
技术领域
本发明是大致有关于材料的即时分类。
背景技术
代表本领域现有状态的公开文件如下：
M.里比埃(Ribiere)及B.G.昌隆(Cheron)，「通过吸收光谱法放宽激光诱导等离子体的分析；趋向一新定量诊断技术」，光谱化学学报B辑：原子光谱，65卷，编号7，第524至532页，2010年7月；
M.里比埃(Ribiere)，L.麦斯(Mees)，D.安勒诺(Allano)及B.G.昌隆(Cheron)，「通过双激光的光吸收光谱即时演变及激光烧蚀种类的空间」，应用物理杂志，104卷，编号4，第43302页，2008年8月21日；
约翰(John)·科斯特洛(Costello)，吉恩(Jean)-保罗(Paul)·莫尼尔(Mosnier)，尤金(Eugene)·肯尼迪(Kennedy)，P.K.卡罗尔(Carroll)及格里(Gerry)·O'沙利文(Sullivan)，「具有激光等离子体的X-UV紫外吸收光谱；评论」，物理学报，T34卷，第77至92页，1911年；
威廉(William)·屈(Whitty)，约翰(John)·科斯特洛(Costello)，尤金(Eugene)·肯尼迪(Kennedy)，克里斯托弗(Christopher)·莫洛尼(Moloney)，吉恩(Jean)-保罗(Paul)·莫尼尔(Mosnier)，「在极远紫外光采用双激光等离子体技术扩大激光锂等离子体的吸收光谱」，应用表面科学，卷127至129，第686至691页，1998年5月；
梅甘(Meighan)，C.唐森(Danson)，L.达迪斯(Dardis)，C.L.S.刘易斯(Lewis)，A.麦克菲(MacPhee)，C.麦吉尼斯(McGuinness),R.O'奥罗克(Rourke),W.谢赫(Shaikh)，I.C E.图尔苏(Turcu)及J.T.科斯特洛(Costello)，「皮秒激光等离子体连续光源至双激光等离子体光吸收实验的应用」，物理学学报B辑：原子，分子和光学物理，卷33，编号6，第1159至1164页，2000年3月28日；
L.奈葛林(Nagli)，M.贾伏特(Gaft)及I.高尔纽斯基(Gornushkin)，「在激光诱导等离子体最早阶段的单及双脉冲激发的比较」，分析和生物分析化学，400：3207至3216，2011年7月；
K.宋(Song)，Y.-I.李(Lee)及J.史奈登(Sneddon)，「激光诱导击穿光谱的应用」，应用光谱评论，卷32，编号3，第183至235页，1997年。
D.奎马斯(Cremers)及L.雷德仁斯基(Radziemski)，「激光诱导击穿光谱技术手册；J.威利父子」，2006年4月；
A.米利欧雷克(Miziolek)，V.费尔勒斯屈(Palleschi)及I.谢克特(Schechter)，主编，「激光诱导击穿光谱(LIBS)」，剑桥大学出版社，2006年9月；及
美国专利第6,753,957号，第5,847,825号，第6,657,721号及第7,092,087号。
发明内容
本发明的目的是提供高效率及有效成本的移动材料(例如在矿井里沿着输送机进行输送的矿石)的即时分类。
因此，根据本发明的一优选实施例提供一种用于即时分类移动材料的系统，所述系统包含：一激光脉冲产生器，操作用以产生至少一第一及第二激光脉冲，于所述移动材料上的相同冲射(impingement)位置进行冲射，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒(microseconds)；及一吸收检测器，操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒(nanoseconds)的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
优选地，所述吸收检测器操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达10毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。根据本发明的一个优选实施例，所述吸收检测器操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达5毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
根据本发明的一个优选实施例，所述用于即时分类移动材料的系统还包含一即时测距机，测量至所述冲射位置的一目前距离；及一距离反应激光束聚焦器，操作用以因应来自所述即时测距机的一输出值，以即时调整所述激光脉冲聚焦至所述冲射位置的焦距。另外，所述用于即时分类移动材料的系统还包含一即时测距机，测量至所述冲射位置的一目前距离；及一距离反应吸收检测聚焦器，操作用于依据材料的高度变化，即时调整所述吸收检测器聚焦至所述冲射位置的焦距。
优选地，所述用于即时分类移动材料的系统还包含一距离反应吸收检测聚焦器，操作用以因应来自所述即时测距机的输出值，以即时调整所述吸收检测器聚焦至所述冲射位置的焦距。
根据本发明的一个优选实施例，产生所述第二激光脉冲的能量程度为所述第一激光脉冲的能量程度的至少5倍。
此外，产生所述第二激光脉冲的能量程度为所述第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。
优选地，所述用于即时分类移动材料的系统还包含一光束调准器，操作用以调准所述第一激光脉冲及所述第二激光脉冲。
根据本发明的一个优选实施例，所述用于即时分类移动材料的系统还包含一计算机，一材料导引闸，所述计算机操作用以接收来自所述吸收检测器的一输出值，且提供一材料导引输出值至所述材料导引闸。
根据本发明提供的另一个优选实施例，所述用于即时分类移动材料的方法包含步骤：产生至少一第一及第二激光脉冲，其于所述移动材料上的相同冲射位置进行冲射，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒；及于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
优选地，所述感测位在所述冲射位置的吸收光谱的步骤是于所述第二激光脉冲进行冲射后发生于一高达10毫微秒的检测期间。根据本发明的一个优选实施例，所述感测位在所述冲射位置的吸收光谱的步骤是于所述第二激光脉冲进行冲射后发生于一高达5毫微秒的检测期间。
根据本发明的一个优选实施例，所述方法还包含步骤：测量至所述冲射位置的一目前距离；及即时调整所述激光脉冲聚焦至所述冲射位置的焦距，尽管所述材料的高度有所改变。可选择地或此外，所述方法还包含步骤：即时调整所述吸收检测器聚焦至所述冲射位置的焦距，尽管所述材料的高度有所改变。
优选地，所述产生至少第一及第二激光脉冲的步骤包含：产生所述第二激光脉冲的能量程度设为所述第一激光脉冲的能量程度的至少5倍。根据本发明的一个优选实施例，所述产生至少第一及第二激光脉冲的步骤包含：产生所述第二激光脉冲的能量程度设为所述第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。
根据本发明的一个优选实施例，所述产生至少第一及所述第二激光脉冲的步骤包含：调准所述第一激光脉冲及所述第二激光脉冲。
优选地，所述方法还包含步骤：基于所述吸收光谱的一函数而提供一材料导引输出值。
附图说明
连同下述附图及以下的描述，本发明将可充分地获得理解及领会。
图1A是根据本发明的一个优选实施例移动时的用于即时分类材料系统的简化示意图；
图1B是根据本发明的另一个优选实施例移动时的用于即时分类材料系统的简化示意图；
图1C是根据本发明的又一个优选实施例移动时的用于即时分类材料系统的简化示意图；
图2A，2B及2C是一系列的三维强度曲线图，其根据本发明的一个优选实施例铅矿石的特征分析，时间段分别取t为0至900毫微秒(ns)，t为1000至1010毫微秒(ns)及t为1020至3000毫微秒(ns)；及
图3是参照图1A，1B及1C的系统操作方面的简化示意图。
具体实施方式
本发明是关于一种用于固体定量分析的即时方法及装置，液体及气体样品通过激光诱导等离子体(Laser Induced Plasma，LIP)，使用无标定原子和离子吸收法。
参照图1A所示，为根据本发明的在移动时的一优选实施例，用于即时分类材料的系统的简化示意图。如图1A所示，散装的材料100，例如取自于矿场的矿石、回收材料、放置于生产线上的食物或药物，沿着输送带102移动，通常速度为每秒2至6米。
本发明能够根据其量化的组合物将材料100即时分类。因此，例如矿场的矿石，在矿石中特定元素的量可确定是否及如何进一步被处理。例如，在铁矿石的例子中，如果铁氧化物的含量超过一预定门槛值，一般为60％，所述铁矿石会被进一步处理，如果铁氧化物的含量小于所述预定门槛值，所述铁矿石则被丢弃。在另一个例子中，如果磷矿被分类，矿石具有的镁氧化物的含量超过一预定门槛值，一般为2％，将被丢弃，矿石具有的镁氧化物的含量小于所述预定门槛值，则被进一步处理。
根据本发明的一个优选实施例中，实施所述材料100的量化分类，是通过采用激光脉冲产生器操作用以产生至少一第一及第二激光脉冲，于所述移动材料100上的相同冲射位置进行冲射，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒。一吸收检测器，通常包含一光谱仪，其操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。另外，也可以采用多个光检测器，操作在毫微秒的范围中并且分别与不同的波长滤波器组合。
第一及第二激光脉冲在所述材料100上的冲射，产生互相嵌套的等离子体，其具有一特征吸收光谱，于所述第二激光脉冲进行冲射后优选进行感测高达10毫微秒的持续时间，参照图2A至图3，在所述冲射位置上，所述吸收光谱清楚地表示所述材料100组合物的定量。
如图1所示，所述激光脉冲产生器优选地包含一第一及第二激光132、134，一般钕—钇铝石榴石(Nd：YAG)激光各具有每脉冲50至200毫焦耳的一能量输出，其通过一光束调准器136输出。所述激光132、134与所述光束调准器136一起，市售于公司(Quantel)，太平洋(Pacifique)二大街2号，BP23 91 941，雷祖里镇(Les Ulis)企业特投(CEDEX)，法国(France)，商品名(TWINS BSL)。所述光束调准器136可操作用以使在不同物理位置的所述激光132、134互相对齐光束，以使所述光束被精确地同轴在微米的公差范围内。
一般情况下，所述激光132、134的输出波长为1064纳米。可以理解的是，可用其他波长的光代替。另外，所述激光132、134也可以操作于不同的波长。一般而言，所述激光132、134操作在不同输出能量程度，而有所述第二激光134。其产生的第二激光脉冲，其能量程度操作在高于所述第一激光132所产生的第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。作为一种理论替代，如果一激光可能产生彼此相距10微秒的两个脉冲，可以使用一个单一的激光。
所述光束调准器136的同轴光束输出138优选地提供一介电镜140，例如激光镜(Y-Nd:YAG)，市售于公司(CVI Melles Griot)，多拉多广场(Dorado Place SE)200号，阿尔伯克基(Albuquerque)，新墨西哥州(NM)，87123，美国(USA)，其为用于所述同轴光束输出138的反射，及通过所述第一及第二脉冲在所述材料100的冲射，从创造的等离子体接收穿透的辐射，其反映所述同轴光束输出138至一光学模块142，通常包含第一及第二激光144、146，其特性如下：Fl＝+70毫米-116毫米，Dl＝50毫米及F2＝+80毫米-52毫米，D2＝50毫米。
透镜144、146优选安装在一可变距离的安装组件148上，其包含一个线性马达150，使所述透镜144、146的位置及所述透镜144、146之间的距离，因应一基于材料高度输入152的控制信号151而进行改变。材料高度输入152表示在所述材料100上所述同轴输出光束138的一光束焦点位置154。
一计算机156优选地控制时间安排及第一及第二激光132、134的操作的其他特征，用以提供所需的时间安排和所述相应第一及第二激光脉冲的其他操作特征，以及还提供控制信号151以因应来自一高感测器158的材料高度输入152，所述高感测器158如超声波测距装置，例如型号(mic+130/IU/TC)，市售于公司(Microsome GmbH of Hauert 16)，44227，多特蒙德(Dortmund)，德国(Germany)，或一激光测距仪，如型号(LDM 41/42A)，市售于公司(ASTECH Angewandte Sensortechnik GmbH)，街(Schonenfahrerstr.)5号，D-18055,罗斯托克(Rostock)，德国(Germany)。
光学模块142是操作用以聚焦在所述光束焦点位置154的所述同轴光束输出138，优选地以定义一光束焦点位置具有约为300微米的一直径。所述光束焦点位置154被认为在材料100上与每一第一及第二激光光束的冲射位置相同，被理解的是，在第一及第二激光脉冲冲射的时间之间，由于输送带102上的材料100的运动，在所述材料100上的第一及第二光束的冲射位置中，约有10微米的轻微位移会存在。冲射位置具有不超过10微米的一共同中心偏移被认为是相同的冲射位置。
辐射从通过第一及第二脉冲冲射在所述材料100上而产生的等离子体通过光学模块142部分被收集，其准直成一收集辐射光束160，其优选通过电介质140及在一折叠镜162上冲射，其反过来又导引所述收集辐射光束160至一收集辐射聚焦光学模块164。所述光学模块164在一频谱分析仪168的一辐射收集位置166上聚焦所述收集辐射光束。如光谱仪(ShamrockSR-303i-A spectrometer)结合一相机(fast Andor ICCD camera DH720-25F-03)，市售于公司(Andor Technology pic)，千禧路(Millennium Way)7号，史宾威商业园(Springvale Business Park)，贝尔法斯特(Belfast)，BT12 7AL，英国(UnitedKingdom)。所述ICCD相机优选地具有一门控窗口，其开放持续时间优选地由计算机156通过一控制信号169进行控制。
所述光学模块164优选地包含第一及第二透镜170、172，其特征如下：Fl＝+70毫米-116毫米，Dl＝50毫米及F2＝+80毫米-52毫米，D2＝50毫米。
透镜170、172优选地安装在可变距离的一安装组件174上，其包含一线性马达176，其使所述透镜170、172的位置及所述透镜170、172之间的距离由计算机156通过控制信号151进行改变。
一般如图2A至2C所示，从频谱分析仪168的一谱分析输出180优选地提供至计算机156。如图2A至2C所示，为3个一系列的三维强度图，分别在时间段t为0至900毫微秒，t为1000至1010毫微秒及t为1020至3000毫微秒，其为根据本发明的一个优选实施例铅矿石分析的特征。每一附图显示作为两个波长函数和时间的发射强度。
计算机156通常执行以下计算功能：
1.在极小值及其相邻的基线计算所述光学强度(Optical Density,O.D.)，其为所述逆强度比的对数(log)，在一强度图中用于每一最小值，其表示一关注的元素。说明目的，如图2B所示提到t为1000毫微秒。最小值(minimum)是指标记190及相邻基准线(adjacent baseline)是指标记192。最小值190的所述强度在这个例子中被看作为10,000，基准线(baseline)的强度被看作为30,000。因此，所述最小值及其相邻的基准线的比率倒数为3.0。在所述波长下所述吸收的光学强度，其代表特定元素，为log 3而等于0.48。
本发明的特定特征，其采用的事实为在一波长下所述吸收光谱的光学强度，代表一给定元素，被直接且线性地相关于所述定量元素的浓度，在所述材料100中所导致的，优选的线性关系表示如下：
N i = 2.3 l σ i O D i
Ni表示所指定的元素i的浓度，l是被创建的所述等离子体羽状物(plumes)的数个直径的半径中的差异，通过第一及第二激光光束的冲射，且通常在t为1000毫微秒上为400微米(如图2B及3)，且σi为所述吸收截面，其给出的公式如下：
σ i = A 21 1 8 π λ 2 O i g 2 g 1
A21为对应至所述中心波长λoi的一特定能级跃迁(transition)的自发发射的爱因斯坦系数，及g1、g2为已知常数，分别代表对于其中所述跃迁对应的下限和上限的能级的统计权重。
参照图2A至2C所示，可以理解的是，所述曲线图的比较显示，仅表示吸光度及在所述材料100紧随所述第二激光脉冲的冲射，一般在t为1000毫微秒，而不在此之前，及其后不在t为1020毫微秒或以上的时间。
本发明的特定特征，关注一元素在一个或多个波长特征，根据所述感测吸收通过计算机156计算浓度而被直接采用。并且不需要进行任何校准，以提供一材料直接输出至一材料导引闸182，根据定量组成的一个或至少二个方向，以物理导引所述材料100。
参照图1B所示，为根据本发明的在移动时的另一优选实施例，用于即时分类材料的系统的简化示意图。如图1B所示，材料200，如取自矿场的矿石、回收材料、在生产线上的食物或药物，沿着一输送带202移动，一般速度在每秒2至6米。
本发明能够根据所述材料200的定量组成即时分类。因此，由取自矿场的矿石的例子中，矿石中特定元素的量可决定是否及如何进一步处理矿石。例如，在铁矿石的例子中，如果铁氧化物的含量超过一预定门槛值，一般为60％，所述铁矿石会被进一步处理，如果铁氧化物的含量小于所述预定门槛值，所述铁矿石则被丢弃。在另一个例子中，如果磷矿被分类，矿石具有的镁氧化物的含量超过一预定门槛值，一般为2％，将被丢弃，矿石具有的镁氧化物的含量小于所述预定门槛值，则被进一步处理。
根据本发明的一优选实施例，通过采用一激光脉冲产生器操作用以产生至少一第一及第二激光脉冲，于所述移动材料200上的相同冲射位置进行冲射，以实施所述材料200的量化分类，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒。一吸收检测器，通常包含一光谱仪，其操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
另外，多个光检测器，操作在毫微秒的范围内，且也可使用在分别与一不同的波长滤光器。
参照图2A至3所示，所述第一及第二激光脉冲在所述材料200上的冲射，于所述第二激光脉冲进行冲射后以最优选为高达10毫微秒的一持续时间，产生互相嵌套的等离子体，其具有一特征吸收光谱，所述吸收光谱在所述冲射位置上清楚地表示所述材料200的定量组合物。
如图1B所示，所示激光脉冲产生器优选包含一第一及第二激光232、234，一般为(Nd:YAG)激光，各个激光具有于每脉冲50至200毫焦耳之间的一能量输出，其输出通过一光束调准器236。所述激光232及234共同与所述光束调准器236一起，市售于公司(Quantel)，太平洋(Pacifique)二大街2号，BP23 91 941，雷祖里镇(Les Ulis)企业特投(CEDEX)，法国(France)，商品名(TWINS BSL)。所述光束调准器236操作用以使所述激光232、234在不同的物理位置互相对准，使所述光束于同轴在微米的公差范围内。
通常情况下，所述激光232、234输出的波长为1064纳米。可以理解的是，也可以使用其他波长的光代替。另外，所述激光232、234也可以操作在不同的波长。一般而言，所述激光232、234操作在不同输出能量程度，而有所述第二激光234。其产生的第二激光脉冲，其能量程度操作在高于所述第一激光232所产生的第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。作为一种理论替代，如果一激光可能产生彼此相距10微秒的两个脉冲，可以使用一个单一的激光。
光束调准器236的同轴光束输出238优选为直接通过一孔而形成在一金属反射镜240上，如反射镜(NT47-117)，市售于爱特蒙特光学公司(Edmund Optics Inc.)，告士打道东派克(East Gloucester Pike)101号，巴林顿(Barrington)，NJ 08007-1380美国(USA)，至一光学模块242，通常包含第一及第二透镜244、246，其特征如下：Fl＝+70毫米-116毫米，Dl＝50毫米及F2＝+80毫米-52毫米，D2＝50毫米。
所述透镜244、246优选地安装在可变距离的一安装组件248上，其包含一线性马达250，而使所述透镜244、246的位置及所述透镜244、246之间的距离，因应一基于材料高度输入252的控制信号251而进行改变。材料高度输入252表示在所述材料200上所述同轴输出光束238的一光束焦点位置254。
一计算机256优选地控制时间安排及第一及第二激光232、234的操作的其他特征，用以提供所需的时间安排和所述相应第一及第二激光脉冲的其他操作特征，以及还提供控制信号251以因应来自一高感测器258的材料高度输入252，所述高感测器258如超声波测距装置，例如型号(mic+130/IU/TC)，市售于公司(Microsome GmbH of Hauert 16)，44227，多特蒙德(Dortmund)，德国(Germany)，或一激光测距仪，如型号(LDM 41/42A)，市售于公司(ASTECH Angewandte Sensortechnik GmbH)，街(Schonenfahrerstr.)5号，D-18055,罗斯托克(Rostock)，德国(Germany)。
光学模块242是操作用以聚焦在所述光束焦点位置254的所述同轴光束输出238，优选地以定义一光束焦点位置具有约为300微米的一直径。所述光束焦点位置254被认为在材料200上与每一第一及第二激光光束的冲射位置相同，被理解的是，在第一及第二激光脉冲冲射的时间之间，由于输送带202上的材料200的运动，在所述材料200上的第一及第二光束的冲射位置中，约有10微米的轻微位移会存在。冲射位置具有不超过10微米的一共同中心偏移被认为是相同的冲射位置。
辐射从通过第一及第二脉冲冲射在所述材料200上而产生的等离子体通过光学模块242部分被收集，其准直成一收集辐射光束260，其优选通过反射镜240反射至一收集辐射聚焦光学模块264，在一频谱分析仪268的一光纤267的一辐射收集光纤端266聚焦所述收集辐射光束260。如光谱仪(Shamrock SR-303i-A spectrometer一)结合一相机(fast Andor ICCD cameraDH720-25F-03)，市售于公司(Andor Technology pic)，千禧路(MillenniumWay)7号，史宾威商业园(Springvale Business Park)，贝尔法斯特(Belfast)，BT12 7AL，英国(United Kingdom)。所述ICCD相机优选地具有一门控窗口，其开放持续时间优选地由计算机256通过一控制信号269进行控制。
所述光学模块264优选地包含第一及第二透镜270、272，其特征如下：Fl＝+70毫米-116毫米，Dl＝50毫米及F2＝+80毫米-52毫米，D2＝50毫米。
透镜270、272优选地安装在可变距离的一安装组件274上，其包含一线性马达276，其使所述透镜270、272的位置及所述透镜270、272之间的距离由计算机256通过控制信号251进行改变。
一般如图2A至2C所示，从频谱分析仪268的一谱分析输出280优选地提供至计算机256。如图2A至2C所示，为3个一系列的三维强度图，分别在时间段t为0至900毫微秒，t为1000至1010毫微秒及t为1020至3000毫微秒，其为根据本发明的一个优选实施例铅矿石分析的特征。每一附图显示作为两个波长函数和时间的发射强度。
计算机256通常执行以下计算功能：
1.在极小值及其相邻的基线计算所述光学强度(Optical Density,O.D.)，其为所述逆强度比的对数(log)，在一强度图中用于每一最小值，其表示一关注的元素。说明目的，如图2B所示提到t为1000毫微秒。最小值(minimum)是指标记190及相邻基准线(adjacent baseline)是指标记192。最小值(minimum)190的所述强度在这个例子中被看作为10,000，基准线(baseline)的强度被看作为30,000。因此，所述最小值及其相邻的基准线的比率倒数为3.0。在所述波长下所述吸收的光学强度，其代表特定元素，为log 3而等于0.48。
本发明的特定特征，其采用的事实为在一波长下所述吸收光谱的光学强度，代表一给定元素，被直接且线性地相关于所述定量元素的浓度，在所述材料200中所导致的，优选的线性关系表示如下：
N i = 2.3 l σ i O D i
Ni表示所指定的元素i的浓度，l是被创建的所述等离子体羽状物的数个直径的半径中的差异，通过第一及第二激光光束的冲射，且通常在t为1000毫微秒上为400微米(如图2B及3)，且σi为所述吸收截面，其给出的公式如下：
σ i = A 21 1 8 π λ 2 O i g 2 g 1
A21为对应至所述中心波长λoi的一特定能级跃迁(transition)的自发发射的爱因斯坦系数，及g1、g2为已知常数，分别代表对于其中所述跃迁对应的下限和上限的能级的统计权重。
参照图2A至2C所示，可以理解的是，所述曲线图的比较显示，仅表示吸光度及在所述材料200紧随所述第二激光脉冲的冲射，一般在t为1000毫微秒，而不在此之前，及其后不在t为1020毫微秒或以上的时间。
本发明的特定特征，关注一元素在一个或多个波长特征，根据所述感测吸收通过计算机256计算浓度而被直接采用。并且不需要进行任何校准，以提供一材料直接输出至一材料导引闸282，根据定量组成的一个或至少二个方向，以物理导引所述材料200。
参照图1C所示，为根据本发明的在移动时的又一优选实施例，用于即时分类材料的系统的简化示意图。如图1C所示，材料300，如取自矿场的矿石，回收材料，食物或在生产线上的药物，沿着一输送带302移动，一般速度在每秒2至6米。
本发明能够根据所述材料300的定量组成即时分类。因此，由取自矿场的矿石的例子中，矿石中特定元素的量可决定是否及如何进一步处理矿石。例如，在铁矿石的例子中，如果铁氧化物的含量超过一预定门槛值，一般为60％，所述铁矿石会被进一步处理，如果铁氧化物的含量小于所述预定门槛值，所述铁矿石则被丢弃。在另一个例子中，如果磷矿被分类，矿石具有的镁氧化物的含量超过一预定门槛值，一般为2％，将被丢弃，矿石具有的镁氧化物的含量小于所述预定门槛值，则被进一步处理。
根据本发明的一优选实施例，通过采用一激光脉冲产生器操作用以产生至少一第一及第二激光脉冲，于所述移动材料300上的相同冲射位置进行冲射，以实施所述材料300的量化分类，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒。一吸收检测器，通常包含一光谱仪，其操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
另外，多个光检测器，操作在毫微秒的范围内，且也可使用在分别与一不同的波长滤光器。
参照图2A至3所示，所述第一及第二激光脉冲在所述材料300上的冲射，于所述第二激光脉冲进行冲射后以最优选为高达10毫微秒的一持续时间，产生互相嵌套的等离子体，其具有一特征吸收光谱，所述吸收光谱在所述冲射位置上清楚地表示所述材料300的定量组合物。
如图1C所示，所示激光脉冲产生器优选包含一第一及第二激光332、334，一般为(Nd:YAG)激光，各个激光具有于每脉冲50至200毫焦耳之间的一能量输出，其输出通过一光束调准器336。所述激光332及334共同与所述光束调准器236一起，市售于公司(Quantel)，太平洋(Pacifique)二大街2号，BP23 91 941，雷祖里镇(Les Ulis)企业特投(CEDEX)，法国(France)，商品名(TWINS BSL)。所述光束调准器336操作用以使所述激光332、334在不同的物理位置互相对准，使所述光束于同轴在微米的公差范围内。
通常情况下，所述激光332、334输出的波长为1064纳米。可以理解的是，也可以使用其他波长的光代替。另外，所述激光332、334也可以操作在不同的波长。一般而言，所述激光332、334操作在不同输出能量程度，而有所述第二激光334。其产生的第二激光脉冲，其能量程度操作在高于所述第一激光332所产生的第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。作为一种理论替代，如果一激光可能产生彼此相距10微秒的两个脉冲，可以使用一个单一的激光。
光束调准器336的同轴光束输出338优选为通过反射镜340反射，如反射镜(NT47-117)，市售于爱特蒙特光学公司(Edmund Optics Inc.)，告士打道东派克(East Gloucester Pike)101号，巴林顿(Barrington)，NJ 08007-1380美国(USA)，至一光学模块342，通常包含第一及第二透镜344、346，其特征如下：Fl＝+70毫米-116毫米，Dl＝50毫米及F2＝+80毫米-52毫米，D2＝50毫米。
透镜344、346优选安装在一可变距离的安装组件348上，其包含一线性马达350，而使所述透镜344、346的位置及所述透镜344、346之间的距离，因应一基于材料高度输入352的控制信号351而进行改变。材料高度输入352表示在所述材料300上所述同轴输出光束338的一光束焦点位置354。
一计算机356优选地控制时间安排及第一及第二激光332、334的操作的其他特征，用以提供所需的时间安排和所述相应第一及第二激光脉冲的其他操作特征，以及还提供控制信号351以因应来自一高感测器358的材料高度输入352，所述高感测器358如超声波测距装置，例如型号(mic+130/IU/TC)，市售于公司(Microsome GmbH of Hauert 16)，44227，多特蒙德(Dortmund)，德国(Germany)，或一激光测距仪，如型号(LDM 41/42A)，市售于公司(ASTECH Angewandte Sensortechnik GmbH)，街(Schonenfahrerstr.)5号，D-18055,罗斯托克(Rostock)，德国(Germany)。
光学模块342是操作用以聚焦在所述光束焦点位置354的所述同轴光束输出338，优选地以定义一光束焦点位置具有约为300微米的一直径。所述光束焦点位置354被认为在材料300上与每一第一及第二激光光束的冲射位置相同，被理解的是，在第一及第二激光脉冲冲射的时间之间，由于输送带302上的材料300的运动，在所述材料300上的第一及第二光束的冲射位置中，约有10微米的轻微位移会存在。冲射位置具有不超过10微米的一共同中心偏移被认为是相同的冲射位置。
辐射从通过第一及第二脉冲冲射在所述材料300上以一收集辐射聚焦光学模块364而产生的等离子体通过光学模块342部分被收集，其聚焦在一光纤367的一端部366，而馈送至一频谱分析仪268，如光谱仪(ShamrockSR-303i-A spectrometer一)结合一相机(fast Andor ICCD cameraDH720-25F-03)，市售于公司(Andor Technology pic)，千禧路(MillenniumWay)7号，史宾威商业园(Springvale Business Park)，贝尔法斯特(Belfast)，BT12 7AL，英国(United Kingdom)。所述ICCD相机优选地具有一门控窗口，其开放持续时间优选地由计算机356通过一控制信号369进行控制。
所述光学模块364优选地包含第一及第二透镜370、372，其特征如下：Fl＝+70毫米-116毫米，Dl＝50毫米及F2＝+80毫米-52毫米，D2＝50毫米。
透镜370、372优选地安装在可变距离的一安装组件374上，其包含一线性马达376，其使所述透镜370、372的位置及所述透镜370、372之间的距离由计算机356通过控制信号351进行改变。
一般如图2A至2C所示，从频谱分析仪368的一谱分析输出380优选地提供至计算机356。如图2A至2C所示，为3个一系列的三维强度图，分别在时间段t为0至900毫微秒，t为1000至1010毫微秒及t为1020至3000毫微秒，其为根据本发明的一个优选实施例铅矿石分析的特征。每一附图显示作为两个波长函数和时间的发射强度。
计算机356通常执行以下计算功能：
在极小值及其相邻的基线计算所述光学强度(Optical Density,O.D.)，其为所述逆强度比的对数(log)，在一强度图中用于每一最小值，其表示一关注的元素。说明目的，如图2B所示提到t为1000毫微秒。最小值(minimum)是指标记190及相邻基准线(adjacent baseline)是指标记192。最小值(minimum)190的所述强度在这个例子中被看作为10,000，基准线(baseline)的强度被看作为30,000。因此，所述最小值及其相邻的基准线的比率倒数为3.0。在所述波长下所述吸收的光学强度，其代表特定元素，为log 3而等于0.48。
本发明的特定特征，其采用的事实为在一波长下所述吸收光谱的光学强度，代表一给定元素，被直接且线性地相关于所述定量元素的浓度，在所述材料300中所导致的，优选的线性关系表示如下：
N i = 2.3 l σ i O D i
Ni表示所指定的元素i的浓度，l是被创建的所述等离子体羽状物的数个直径的半径中的差异，通过第一及第二激光光束的冲射，且通常在t为1000毫微秒上为400微米(如图2B及3)，且σi为所述吸收截面，其给出的公式如下：
σ i = A 21 1 8 π λ 2 O i g 2 g 1
A21为对应至所述中心波长λoi的一特定能级跃迁(transition)的自发发射的爱因斯坦系数，及g1、g2为已知常数，分别代表对于其中所述跃迁对应的下限和上限的能级的统计权重。
参照图2A至2C所示，可以理解的是，所述曲线图的比较显示，仅表示吸光度及在所述材料300紧随所述第二激光脉冲的冲射，一般在t为1000毫微秒，而不在此之前，及其后不在t为1020毫微秒或以上的时间。
本发明的特定特征，关注一元素在一个或多个波长特征，根据所述感测吸收通过计算机356计算浓度而被直接采用。并且不需要进行任何校准，以提供一材料直接输出至一材料导引闸382，根据定量组成的一个或至少二个方向，以物理导引所述材料300。
参照图3所示，为参照图2A，2B及2C的系统操作方面的简化示意图。如图3所示，第一激光脉冲，通常(Nd：YAG)激光脉冲的波长为1064纳米，能量为5毫焦耳，持续时间为6至8毫微秒，进行冲射，在一时间t为0，在移动材料上，速度通常为每秒2至10米，在一冲射位置具有300微米的一直径，以产生一等离子体羽状物，其标示为字母A，具有一般的发射形态，于t为50毫微秒，代表性地显示在A1。
根据本发明一优选实施例，一第二激光脉冲，通常(Nd：YAG)激光脉冲的波长为1064纳米，能量为50毫焦耳，持续时间为6至8毫微秒，进行冲射，在一时间t为1000毫微秒，在移动材料上。所述第二激光脉冲的冲射位置具有300微米的直径。根据本发明的实施例，第二激光脉冲在材料上的的冲射位置一般重叠所述第一激光脉冲的冲射位置，且所述第二激光脉冲的冲射位置的中间具有一中心，其通常在所述第一激光脉冲的冲射位置的中心的2至10微米内。
第二激光脉冲产生一等离子体羽状物，其标示为字母B，具有一般的发射形态，通常在t为1000毫微秒，代表性地显示在B1。
在此期间，等离子体羽状物A延伸如图所示且具有一般的发射形态，通常在t为1000毫微秒，代表性地显示在A2。
本发明的特定特征为，所述合并等离子体羽状物A、B的总发射形态在所述第二激光脉冲的最大强度的时间被检测，且介于0至10毫微秒的一检测窗内，及之后更优选为0至5毫微秒。在此阶段，l通常为400微米。所述总发射形态代表显示在A2+B1，及包含强度峰降而代表物质波长特征的吸收，优选的元素。在所述吸收峰上的波长及强度比率的对数，提供材料的定量组合物的一明显迹象，如上文中的详细描述。
续如图3所示，于所述第二激光脉冲进行冲射后在约10毫微秒的一近似时间，例如，近似时间t为1010毫微秒，所述等离子体羽状物A、B两者持续扩大。对于等离子体羽状物A、B及A+B的一般发射形态，在时间t为1010毫微秒代表性地分别显示在A3、B2及A3+B2，可以看出所述吸收峰值显然小于t为1000毫微秒。
另外，图3显示于所述第二激光脉冲进行冲射后以约20毫微秒的一近似时间，例如，近似时间t为1020毫微秒，所述等离子体羽状物A、B两者持续扩大。对于等离子体羽状物A、B及A+B的一般发射形态，在时间t为1020毫微秒代表性地分别显示在A4、B3及A4+B3，可以看出所述吸收峰值几乎不存在。
在实施中，由测量所述等离子体发射强度(plasma emissionintensities，PEI)计算所述峰值光学密度，所述物质的波长特征显现在所述材料中，以代表这种材料的等离子体的吸收特征。
如图3所示，随着时间的PEI图，清楚显示PEI，因此，不久之后，信号噪音比及检测灵敏度是在第二激光脉冲时间对于一个给定的波长最高的，通常t为1000至1005毫微秒，及在t为1010毫微秒降低趋近于0。
本发明并不限于上文中已具体示出和描述及通过在本技术领域的技术人员将可理解的内容。然而本发明的范围包括权利要求中所述的两个功能的组合和子组合以及修改，其存在于本技术领域的普通技术人员在阅读前述内容中，且并未存在于现有技术中。

Claims (17)

1.一种用于即时分类移动材料的系统，所述系统包含：
一激光脉冲产生器，操作用以产生至少一第一及第二激光脉冲，于所述移动材料上的相同冲射位置进行冲射，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒，其特征在于产生所述第二激光脉冲的能量程度为所述第一激光脉冲的能量程度的至少5倍；及
一吸收检测器，操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
2.如权利要求1所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述吸收检测器操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达10毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
3.如权利要求1所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述吸收检测器操作用于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达5毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
4.如权利要求1至3任一项所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述系统还包含：
一即时测距机，测量至所述冲射位置的一目前距离；及
一距离反应激光光束聚焦器，操作用以因应所述即时测距机的一输出值，以即时调整所述激光脉冲聚焦至所述冲射位置的焦距。
5.如权利要求1至3任一项所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述系统还包含：
一即时测距机，测量至所述冲射位置的一目前距离；及
一距离反应吸收检测聚焦器，操作用于依据所述至所述冲射位置的目前距离，即时调整所述吸收检测器聚焦至所述冲射位置的焦距。
6.如权利要求4所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述系统还包含：
一距离反应吸收检测聚焦器，操作用以因应所述即时测距机的输出值，以即时调整所述吸收检测器聚焦至所述冲射位置的焦距。
7.如权利要求1至6任一项所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：产生所述第二激光脉冲的能量程度为所述第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。
8.如权利要求1至7任一项所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述系统还包含：一光束调准器，操作用以调准所述第一激光脉冲及所述第二激光脉冲。
9.如权利要求1至8任一项所述的用于即时分类移动材料的系统，其特征在于：所述系统还包含：
一计算机；
一材料导引闸，
所述计算机操作用以接收来自所述吸收检测器的一输出值，且提供一材料导引输出值至所述材料导引闸。
10.一种用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：包含步骤：
产生至少一第一及第二激光脉冲，其于所述移动材料上的相同冲射位置进行冲射，所述第一及第二激光脉冲被分离的时间高达10微秒且所述第二激光脉冲的能量程度为所述第一激光脉冲的能量程度的至少5倍；及
于所述第二激光脉冲进行冲射后以一高达20毫微秒的检测期间进行感测位于所述冲射位置的一吸收光谱。
11.如权利要求10所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述感测位于所述冲射位置的吸收光谱的步骤是于所述第二激光脉冲进行冲射后发生于一高达10毫微秒的检测期间。
12.如权利要求10所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述感测位于所述冲射位置的吸收光谱的步骤是于所述第二激光脉冲进行冲射后发生于一高达5毫微秒的检测期间。
13.如权利要求10至12任一项所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述方法还包含步骤：
测量至所述冲射位置的一目前距离；及
依据所述至所述冲射位置的目前距离，即时调整所述激光脉冲聚焦至所述冲射位置的焦距。
14.如权利要求13所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述方法还包含步骤：
依据所述至所述冲射位置的目前距离，即时调整一吸收检测器聚焦至所述冲射位置的焦距。
15.如权利要求10至14任一项所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述产生至少第一及第二激光脉冲的步骤包含：产生所述第二激光脉冲的能量程度设为所述第一激光脉冲的能量程度的5至10倍。
16.如权利要求10至15任一项所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述产生至少第一及所述第二激光脉冲的步骤包含：调准所述第一激光脉冲及所述第二激光脉冲。
17.如权利要求10至16任一项所述的用于即时分类移动材料的方法，其特征在于：所述方法还包含步骤：
基于所述吸收光谱的一函数而提供一材料导引输出值。
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