EA006951B1 - Method for special elemental analysis of a substance and device for carrying out said method - Google Patents
Method for special elemental analysis of a substance and device for carrying out said method Download PDFInfo
- Publication number
- EA006951B1 EA006951B1 EA200400869A EA200400869A EA006951B1 EA 006951 B1 EA006951 B1 EA 006951B1 EA 200400869 A EA200400869 A EA 200400869A EA 200400869 A EA200400869 A EA 200400869A EA 006951 B1 EA006951 B1 EA 006951B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- substance
- laser
- plasma
- pulse
- analysis
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
- G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной лазерной техники и предназначено для исследования веществ и материалов методом атомно-эмиссионной спектроскопии при определении химического состава металлов и сплавов, керамики и стекла, прессованных порошков, пластмасс и т.д., в различных отраслях промышленности, а также в научных лабораториях.The invention relates to the field of measuring laser technology and is intended for the study of substances and materials by atomic emission spectroscopy in determining the chemical composition of metals and alloys, ceramics and glass, pressed powders, plastics, etc., in various industries, as well as in scientific laboratories.
Предшествующий уровень техникиPrior art
Известны различные способы исследования состава вещества с применением лазерных технологий, где используется двухимпульсное лазерное излучение в качестве источника возбуждения плазмы для спектрального анализа (1, 2). Для получения сдвоенного лазерного излучения здесь используют два отдельных лазерных источника, что приводит к снижению качества исследований и усложняет технику проведения анализа.There are various methods for studying the composition of a substance using laser technology, where two-pulse laser radiation is used as a source of plasma excitation for spectral analysis (1, 2). To obtain dual laser radiation, two separate laser sources are used here, which leads to a decrease in the quality of research and complicates the analysis technique.
Предложено техническое решение (3), согласно которому излучение плазмы разлагают в спектр с помощью спектрометра и по интенсивности линий выполняют количественное определение различных элементов. Для увеличения отношения сигнал/шум и повышения точности анализа осуществляют разделение излучения, исходящего из центра и периферии облака плазмы. На спектрометр селективно, посредством затемнения центральной части фокусирующей линзы или с помощью отсекающей щели в оптической системе, подают только свет, излучаемый периферийными участками облака плазмы, чем определяется чувствительность и точность при анализе веществ с малым содержанием элементов.A technical solution is proposed (3), according to which plasma radiation is decomposed into a spectrum using a spectrometer and the quantitative determination of various elements is performed according to the intensity of the lines. To increase the signal-to-noise ratio and increase the accuracy of the analysis, the radiation emitted from the center and periphery of the plasma cloud is separated. At the spectrometer, selectively, by dimming the central part of the focusing lens or using a cut-off slit in the optical system, only light emitted from the peripheral portions of the plasma cloud is supplied, which determines the sensitivity and accuracy when analyzing substances with a low content of elements.
Недостатком способа является ненадежность механического селективного пропускания излучения плазмы на спектрометр, вследствие выгорания затемняющей центральной части фокусирующей линзы, либо потери части излучения при прохождении через щель, что снижает чувствительность и точность измерений.The disadvantage of this method is the unreliability of the mechanical selective transmission of plasma radiation to the spectrometer, due to the burning of the dimming central part of the focusing lens, or the loss of part of the radiation when passing through the slit, which reduces the sensitivity and accuracy of measurements.
Известен метод (4), согласно которому плазму в исследуемом веществе возбуждают путем фокусировки импульсного лазерного излучения на объект исследования с последующей стробоскопической регистрацией спектра излучения плазмы, при этом на контрольных образцах с использованием внутреннего репера проводят измерение временной эволюции спектров по длинам волн в интервале времени высвечивания плазмы. Затем рассчитывают отношение сигнал/шум и определяют оптимальное время задержки регистрации спектров относительно начала лазерного импульса. Далее, при новых параметрах фокусировки и значений времени задержки, повторно возбуждают плазму и регистрируют аналитический спектр образца, по которому проводят анализ.A known method (4), according to which the plasma in the test substance is excited by focusing pulsed laser radiation on the object of study with subsequent stroboscopic recording of the plasma emission spectrum, while measuring the time evolution of the spectra over the wavelengths in the luminescence time interval on control samples plasma. Then, the signal-to-noise ratio is calculated and the optimal delay time of the registration of the spectra relative to the beginning of the laser pulse is determined. Further, with new focusing parameters and delay times, the plasma is re-excited and the analytical spectrum of the sample to be analyzed is recorded.
К недостаткам указанного способа следует отнести применение стробоскопического метода регистрации спектра и использование внутреннего репера для определения химического состава вещества, что ухудшает точность и качество анализа в целом.The disadvantages of this method include the use of the stroboscopic method of registering the spectrum and the use of an internal reference for determining the chemical composition of the substance, which degrades the accuracy and quality of the analysis as a whole.
Наиболее близок к предлагаемому изобретению метод с использованием фемтосекундного (18-)лазера (метод Ь1В8), который и выбран в качестве прототипа (5). Способ включает генерирование 18импульсов длительностью порядка 10-15с, фокусировку лазерного пучка по нормали к верхней поверхности исследуемого вещества, возбуждение облака плазмы с низким фоновым излучением и улучшенным отношение сигнал/шум с автоматическим контролем и анализом спектральных энергетических характеристик излучения облака плазмы посредством компьютера с соответствующим программным обеспечения. Точность ЫВ8 метода, особенно при низком содержании исследуемых элементов, определяется линейным характером калибровочной кривой, чем более линейна кривая, тем выше точность измерений.Closest to the proposed invention, the method using a femtosecond (18-) laser (method L1B8), which is selected as a prototype (5). The method involves generating 18 pulses with a duration of the order of 10 -15 s, focusing the laser beam normal to the upper surface of the test substance, exciting a plasma cloud with low background radiation and an improved signal-to-noise ratio with automatic control and analysis of the spectral energy characteristics of the plasma cloud radiation by means of a computer with the corresponding software The accuracy of the LB8 method, especially with a low content of the elements under study, is determined by the linear nature of the calibration curve; the more linear the curve, the higher the measurement accuracy.
Известно также устройство (5), выбранное в качестве прототипа заявляемого изобретения, которое содержит фемтосекундный (18-)лазер, оптически соединенный каналом возбуждения с исследуемым веществом, которое через приемную оптическую систему связано со спектрометром и оптическим многоканальным анализатором с компьютерной системой контроля и анализа. Оптическая ось канала возбуждения лазера установлена перпендикулярно к поверхности исследуемого вещества, а пучок лазерного излучения направлен на верхнюю плоскость исследуемого образца.It is also known device (5), selected as a prototype of the claimed invention, which contains a femtosecond (18-) laser, optically connected by the channel of excitation with the test substance, which through the receiving optical system is connected with a spectrometer and an optical multi-channel analyzer with a computer system for monitoring and analysis. The optical axis of the laser excitation channel is set perpendicular to the surface of the test substance, and the laser beam is directed to the upper plane of the test sample.
Недостатками известного способа и устройства-прототипа является использование для возбуждения плазмы лазера со сверхкороткими 18-импульсами с ориентацией оптической оси лазерного пучка по нормали к верхней поверхности образца, что затрудняет исследование веществ с трудно возбуждаемой плазмой. При этом ортогональная ориентация оси лазерного пучка к верхней поверхности образца приводит к быстрому загрязнению фокусирующей оптики, оседающими на нее продуктам плазмы. Кроме того, конструкция устройства исключает визуальный контроль в зоне возбуждения плазмы, что также ухудшает условия проведения анализа вещества.The disadvantages of the known method and device of the prototype is the use of ultrashort 18-pulse laser excitation plasma with the orientation of the optical axis of the laser beam normal to the upper surface of the sample, which makes it difficult to study substances with difficultly excited plasma. In this case, the orthogonal orientation of the axis of the laser beam to the upper surface of the sample leads to rapid contamination of the focusing optics, plasma products deposited on it. In addition, the design of the device eliminates visual inspection in the plasma excitation zone, which also worsens the conditions for the analysis of the substance.
Задачей изобретения является устранение отмеченных недостатков и создание способа и устройства с улучшенными рабочими характеристиками.The objective of the invention is to eliminate the noted disadvantages and the creation of a method and device with improved performance.
Цель изобретения состоит в улучшении качества определения состава вещества и создание устройства с возможностью визуального контроля в процессе проведения анализа материалов.The purpose of the invention is to improve the quality of determining the composition of the substance and the creation of the device with the possibility of visual inspection in the process of analyzing materials.
Раскрытие изобретенияDISCLOSURE OF INVENTION
Поставленная цель достигается тем, что в способе спектрального элементного анализа вещества, включающем фокусировку пучка лазерного излучения на исследуемую поверхность вещества, возбуждение облака плазмы, регистрацию спектральных линий в интервале времени высвечивания плазмы сThis goal is achieved by the fact that in the method of spectral elemental analysis of a substance, including focusing a laser beam on the surface of a substance under study, excitation of a plasma cloud, recording spectral lines in the time interval of plasma flashing with
- 1 006951 автоматическим контролем и анализом их на ЭВМ, согласно изобретению, облако плазмы возбуждают с нижней поверхности исследуемого вещества двухимпульсным лазерным излучением с регулируемым временем задержки между импульсами в интервале 1,0-20,0 мкс, при этом лазерный пучок направляют под углом к нормали исследуемой поверхности, которую дополнительно визуально контролируют посредством телеметрии через канал возбуждения плазмы.- 1 006951 by automatic control and analysis of them on a computer according to the invention, a plasma cloud is excited from the lower surface of the test substance by two-pulse laser radiation with an adjustable delay time between pulses in the range of 1.0-20.0 μs, while the laser beam is directed at an angle to normals of the test surface, which is additionally visually monitored by telemetry through the plasma excitation channel.
Существенно, что элементный анализ осуществляют послойно с опреде-лениеем качественного и количественного химического состава токопрово-дящего и нетокопроводящего вещества, а также микроструктурный анализ путем регулирования мощности лазерного импульса в интервале 25-150 мДж с частотой следования сдвоенных импульсов 1-20 Гц при частоте импульсов 1-500 штук и изменения диаметра пятна фокусировки лазерного пучка в диапазоне 30-2000 мкм с одновременным телеметрическим отображением исследуемой поверхности.It is essential that elemental analysis is carried out in layers with the determination of the qualitative and quantitative chemical composition of the conductive and non-conductive substance, as well as microstructural analysis by adjusting the power of the laser pulse in the range of 25-150 mJ with a repetition frequency of twin pulses of 1-20 Hz at a pulse frequency 1-500 pieces and changes in the diameter of the spot focusing the laser beam in the range of 30-2000 microns with simultaneous telemetry display of the surface under study.
Цель достигается также тем, что устройство для спектрального элементного анализа вещества, содержащее импульсный лазер, оптически соединенный каналом возбуждения с исследуемым веществом, которое посредством приемной оптической системы связано со спектрометром, снабженным оптическим многоэлементным приемником с ЭВМ, согласно изобретению, лазер выполнен двухимпульсным, а канал возбуждения содержит опорный источник с непрерывным излучением, снабженный оптической системой регулировки диаметра пятна фокусировки, светодиод подсветки и видеокамеру для телеметрического контроля, причем оптические оси канала возбуждения и видеокамеры совмещены и расположены под углом Ь = 10-50° к нормали нижней поверхности исследуемого вещества.The goal is also achieved by the fact that a device for spectral elemental analysis of a substance containing a pulsed laser, optically connected by an excitation channel to a test substance, which is connected via a receiving optical system to a spectrometer equipped with an optical multi-element receiver with a computer, according to the invention, the laser is double-pulse, and the channel excitation contains a reference source with continuous radiation, equipped with an optical system for adjusting the focus spot diameter, a backlight LED, and a video camera for telemetry control, the optical axes of the excitation channel and the video camera being combined and located at an angle of L = 10–50 ° to the normal of the lower surface of the test substance.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1 - характерные градуировочные кривые для определения некоторых элементов, в частности: а) - РЬ в сплавах Си, б) -С в сталях, с) - Ад в меди;FIG. 1 - characteristic calibration curves for the determination of some elements, in particular: a) - Pb in Cu alloys, b) -C in steels, c) - Hell in copper;
Фиг. 2 - участок спектра образца стали с содержанием углерода 0,71%, без откачки (нижняя кривая) и с откачкой (верхняя кривая) воздуха;FIG. 2 - part of the spectrum of a sample of steel with a carbon content of 0.71%, without pumping (lower curve) and with pumping (upper curve) of air;
Фиг. 3 - спектр одной и той же пробы образца, полученный известным (верхняя кривая) и предлагаемым (нижняя кривая) способом;FIG. 3 - the spectrum of the same sample sample obtained known (upper curve) and proposed (lower curve) method;
Фиг. 4 - спектры разных точек поверхности алюминиевого сплава и интерметаллида (в центре);FIG. 4 - spectra of different points of the surface of the aluminum alloy and intermetallic (in the center);
Фиг. 5 - пять спектров многослойного покрытия на подложке А12О3;FIG. 5 - five spectra of the multilayer coating on the substrate A1 2 O 3 ;
Фиг. 6 - спектр, иллюстрирующий содержание Ва в неметаллическом объекте (верхний график содержание Ва= 50ррт, средний - Ва=5ррт, нижний-менее 1ррт);FIG. 6 - spectrum illustrating the content of Ba in a non-metallic object (the upper graph is the content of Ba = 50%, medium - Ba = 5%, lower-less than 1%);
Фиг. 7 - блок-схема устройства для спектрального анализа вещества;FIG. 7 is a block diagram of a device for spectral analysis of a substance;
На фиг. 8 представлена принципиальная оптическая схема устройства.FIG. 8 shows the principal optical scheme of the device.
Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention
Способ реализуют следующим образом:The method is implemented as follows:
фокусируют пучок лазерного излучения на нижнюю поверхность образца под углом Ь = 10-50° к нормали исследуемого вещества, передвигая образец в горизонтальной плоскости в диапазоне ±5 мм с точностью ±5 мкм, при этом максимальный размер анализируемых объектов составляет 80x80x40мм, а размер анализируемой зоны - 30-2000 мкм;focus the laser beam on the lower surface of the sample at an angle of L = 10-50 ° to the normal of the test substance, moving the sample in a horizontal plane in the range of ± 5 mm with an accuracy of ± 5 μm, with the maximum size of the objects being analyzed being 80x80x40mm - 30-2000 microns;
возбуждают облако плазмы с нижней поверхности, как токопроводящего, так и нетокопроводящего образца лазерным двухимпульсным излучением с энергией в импульсе порядка 150мДж и временем задержки между двумя импульсами в интервале 1,0-20,0 мкс, с частотой следования 1-20 Гц и числом импульсов до 500 штук;excite a plasma cloud from the bottom surface of both a conductive and non-conducting sample by laser two-pulse radiation with an energy per pulse of about 150 mJ and a delay time between two pulses in the range of 1.0–20.0 μs, with a repetition rate of 1–20 Hz and the number of pulses up to 500 pieces;
регистрируют спектр спектрометром с оптическим многоэлементным приемником в спектральном диапазоне 190-1100 нм;register the spectrum with a spectrometer with an optical multi-element receiver in the spectral range of 190-1100 nm;
посредством видеокамеры проводят телеметрический контроль и наблюдение процессов фокусировки лазерного пучка и возбуждения облака плазмы на поверхности вещества в анализируемой зоне;by means of a video camera, telemetric monitoring and observation of the focusing processes of the laser beam and the excitation of a plasma cloud on the surface of a substance in the analyzed zone are carried out;
В процессе исследования осуществляют автоматический контроль фокусировки, возбуждения облака плазмы, телеметрического контроля, регистрации и анализа спектральных линий на ЭВМ с использованием специализированного программного обеспечения (ПО), которое обеспечивает качественное и количественное определение массовой доли около 60 элементов таблицы Менделеева в материалах в диапазоне от 10-4 до 100% с возможностью послойного исследования состава образца.In the process of research, automatic control of focusing, excitation of a plasma cloud, telemetric monitoring, recording and analyzing spectral lines on a computer using specialized software (software), which provides qualitative and quantitative determination of the mass fraction of about 60 elements of the Periodic Table in materials ranging from 10, is carried out. -4 to 100% with the possibility of layer-by-layer studies of the sample composition.
Устройство (фиг. 7) для реализации способа содержит лазер возбуждения двухипульсный 1, источник непрерывного излучения 10, связанные через оптическую систему 11 с образцом 13 размещенном в камере 2, соединенной с вакуумным насосом 3 с блоком управления 7 и контрольным манометром 9, видеокамеру 4 телеметрического наблюдения, спектрометр 5, снабженный оптическим многоэлементным приемником 6 и систему управления и контроля на базе персональной ЭВМ 8. Оптическая схема устройства (фиг. 8) включает двухимпульсный лазер 1, светодиод подсветки 12, опорный источник с непрерывным излучением 10, который через оптическую систему 11 с полупрозрачными зеркалами 15, 17 и фокусирующие линзы 14, 16 связаны с поверхностью исследуемого образа 13 и видеокамерой 4 для телеметрического контроля. Оптические оси каналов возбуждения и телеметрического контроля совмещены и ориентированы под углом Ь = 10-50° к нижней поверхности образца 13, которая через фокусиThe device (Fig. 7) for implementing the method contains a two-pulse excitation laser 1, a continuous radiation source 10 connected via an optical system 11 with a sample 13 placed in a chamber 2 connected to a vacuum pump 3 to a control unit 7 and a test pressure gauge 9, a video camera 4 telemetry observation, spectrometer 5, equipped with an optical multi-element receiver 6 and a control system and control based on a personal computer 8. The optical scheme of the device (Fig. 8) includes a two-pulse laser 1, the backlight LED 12, the reference Source continuous pulse 10 which, via an optical system 11 with semitransparent mirrors 15, 17 and the focusing lenses 14, 16 associated with the surface of the test image 13 and the video camera 4 for telemetry. The optical axes of the excitation channels and telemetric control are aligned and oriented at an angle L = 10-50 ° to the lower surface of sample 13, which, through focusing
- 2 006951 рующую линзу 18 связана со спектрометром 5 и оптическим многоэлементным приемником 6.- 2 006951 of the lens 18 is connected with the spectrometer 5 and the optical multi-element receiver 6.
Промышленная применимостьIndustrial Applicability
Включают устройство и приводят в функциональную готовность лазер возбуждения двухимпульсный 1, спектрометр 5 с многоэлементным приемником 6, видеокамеру 4 телеметрического контроля, ПЭВМ 8. Образец 13, химический состав которого требуется определить, устанавливают в камеру 2, из которой насосом 3 посредством блока управления 7 откачивают воздух (если это требуется по условиям проведения исследований), контролируя давление манометром 9. После включения всех систем устройства и загрузки программного обеспечения ПЭВМ 8, осуществляют контроль в процессе исследования образца по заданной программе в автоматическом режиме. При этом с помощью опорного источника 10 и оптической системы 11, а также посредством передвижения образца 13 в горизонтальной плоскости в диапазоне ±5 мм, выбирают зону возбуждения плазмы и одновременно подсвечивают светодиодом 12 нижнюю поверхность образца для телеметрического наблюдения ее посредством видеокамеры 4 на экране монитора ПЭВМ 8. Одновременно задают угол наклона оптической оси канала возбуждения к нижней поверхности образца 13 в интервале Ь= 10-50° к нормали поверхности. После завершения операции фокусировки двухипульсным Ν6:ΥΑΟ лазером 1 с модулированной добротностью в выбранной зоне образца 13 возбуждают облако плазмы и анализируют спектральные линии с помощью спектрометра 5 и многоэлементного приемника 6.The device is turned on and the two-pulse excitation laser 1, the spectrometer 5 with the multi-element receiver 6, the telemetry control video camera 4, the PC 8 are turned on and put into operation. Sample 13, whose chemical composition is to be determined, is installed in the chamber 2, from which the pump 3 is pumped out by means of the control unit 7 air (if required by the conditions of the study), controlling the pressure with a pressure gauge 9. After turning on all the systems of the device and downloading the software of the PC 8, they monitor the process of examining a sample according to a given program in automatic mode. With the help of the reference source 10 and the optical system 11, as well as by moving the sample 13 in the horizontal plane in the range of ± 5 mm, the plasma excitation zone is selected and simultaneously illuminated by the LED 12 the lower surface of the sample for telemetric observation of it through the video camera 4 on the PC monitor 8. At the same time, set the angle of inclination of the optical axis of the excitation channel to the lower surface of sample 13 in the interval L = 10–50 ° to the surface normal. After completion of the focusing operation with a two-pulse Ν6: ΥΑΟ laser 1 with Q-switched in the selected zone of sample 13, a plasma cloud is excited and spectral lines are analyzed using a spectrometer 5 and a multi-element receiver 6.
В спектрометре 5 излучение возбужденных атомов (ионов) с помощью дифракционной решетки разлагают в спектр, при этом каждому химическому элементу соответствует своя совокупность спектральных линий, интенсивность которых зависит от концентрации элементов пробы и выражается формулой:In the spectrometer 5, the radiation of excited atoms (ions) is decomposed into a spectrum using a diffraction grating, and each chemical element has its own set of spectral lines, the intensity of which depends on the concentration of sample elements and is expressed by the formula:
I = асЬ, где I - интенсивность(аналитический сигнал) спектральной линии; с - концентрация (массовая доля) определяемого элемента в пробе; а и Ь - постоянные, зависящие от свойств спектральной линии и условий ее возбуждения и регистрации.I = ac b , where I is the intensity (analytical signal) of the spectral line; c is the concentration (mass fraction) of the element being determined in the sample; a and b are constants depending on the properties of the spectral line and the conditions for its excitation and registration.
Кроме того, интенсивность спектральных линий определяемого элемента зависит от концентрации других элементов, т.е. существует понятие влияния 3-х элементов, описываемое функцией:In addition, the intensity of the spectral lines of the element being determined depends on the concentration of other elements, i.e. there is the concept of the influence of 3 elements, described by the function:
I = £(С!,С2...Сп), где Сп - концентрация (массовая доля) η-го элемента.I = £ (C!, C2 ... C p ), where C p is the concentration (mass fraction) of the ηth element.
Структура алгоритма ПО в сочетании с техническими характеристиками заявляемого устройства обеспечивает работу спектрометра 5 и многоэлементного приемника 6 таким образом, что позволяет учитывать межэлементные влияния, осуществлять послойный анализ образца в процессе анализа путем сочетания различных вариантов обработки результатов измерений спектральных линий и сравнения их с калибровочными кривыми, полученными на этапе подготовки прибора к работе в соответствии с задачей исследования. В табл. 1 приведены для ряда элементов значения пределов обнаружения в ррт с квадратичной погрешностью 3-сигма, заложенные в управляющую программу программного обеспечения.The software algorithm structure in combination with the technical characteristics of the inventive device ensures the operation of the spectrometer 5 and the multi-element receiver 6 in such a way that it allows to take into account inter-element effects, to carry out layer-by-layer analysis of the sample in the analysis process by combining various options for processing the results of measurements of spectral lines and comparing them with calibration curves, obtained at the stage of preparation of the device to work in accordance with the task of the study. In tab. 1 shows for a number of elements the values of the detection limits in ppt with the 3-sigma quadratic error incorporated into the software control program.
Таблица 1Table 1
Пример применяемых в ПО градуировочных кривых: РЬ - в сплавах Си, С-в стали и Ад - в меди, представлен на фиг. 1 (соответственно графики а, б, с).An example of calibration curves used in software: Pb - in Cu, C-in steel alloys, and Hell - in copper, is presented in FIG. 1 (graphs a, b, c, respectively).
В табл. 2 в качестве примеров приведены параметры пяти исследований для различных видов анализа.In tab. 2, as examples, the parameters of five studies for various types of analysis are given.
- 3 006951- 3 006951
Таблица 2table 2
в том числеincluding
- пример послойного анализ;- example of layer-by-layer analysis;
- пример анализа нетокопроводящего образца (пластик);- example of the analysis of a non-conducting sample (plastic);
- пример анализа включений;- example of the analysis of inclusions;
- пример определения общего состава токопроводящего образца;- an example of determining the overall composition of the conductive sample;
- пример анализа содержания углерода в стали и чугуне в диапазоне концентраций 0,03-5,0%.- an example of the analysis of the carbon content in steel and iron in a concentration range of 0.03-5.0%.
Для повышения чувствительности детектирования легколетучих и трудновозбудимых элементов из камеры 2 с образцом 13 откачивают воздух до 10-1 Па (4-й и 5-й примеры, см. табл.2). Откачка воздуха позволяет повысить в несколько раз интенсивность спектральных линий углерода, что видно из фиг. 2.To increase the sensitivity of detection of volatile and difficult-to-excitable elements from the chamber 2 with the sample 13, air is pumped out to 10 -1 Pa (4th and 5th examples, see table 2). The exhaust of air makes it possible to increase several times the intensity of the spectral lines of carbon, which is evident from FIG. 2
Предлагаемый способ и устройство существенно повышают чувствительность лазерного спектрального анализа, что достигается специфической временной кинетикой следования импульсов (см. табл.2), при которой на поверхности вещества создают условия формирования облака плазмы с низкой плотностью в приповерхностной области в результате понижается эрозионность плазмы и повышается интенсивность спектральных линий с высокими энергиями возбуждения, а также снижается уровень интенсивности фона и ширина спектральных линий, что хорошо видно из графика на фиг. 3, где представлен спектр одной и той же пробы (см. пример 4, табл.2).The proposed method and device significantly increase the sensitivity of the laser spectral analysis, which is achieved by a specific time pulse repetition kinetics (see Table 2), in which conditions for the formation of a low-density plasma cloud in the near-surface region are created on the surface of the substance and the plasma erosion decreases as a result spectral lines with high excitation energies, and also decreases the background intensity level and the width of spectral lines, which can be clearly seen from The fica in FIG. 3, where the spectrum of the same sample is presented (see Example 4, Table 2).
Анализ включений и распределение элементов в образце (пример 3, табл.2) приведен на фиг. 4 (интерметаллид в центре), при этом с помощью видеокамеры 4 выбирают с экрана монитора ПЭВМ 8 точки отбора проб на поверхности исследуемого образца и далее, с помощью математической обработки посредством ПО, получают комплексную информацию о микроструктуре металла, о качественном и количественном составе включений в анализируемой пробе, что хорошо видно на приведенных графиках.The analysis of inclusions and the distribution of elements in the sample (Example 3, Table 2) is shown in FIG. 4 (intermetallic in the center), while using the video camera 4 choose from the monitor screen of the PC 8 sampling points on the surface of the sample and further, using mathematical processing by software, receive complex information about the microstructure of the metal, about the qualitative and quantitative composition of the inclusions analyzed sample, which is clearly seen in the graphs.
Послойный анализ сложного многослойного покрытия (пример 1, табл.2) представлен на фиг. 5 кривые на графиках а, б, иллюстрируют содержание Аи, Та, N1 и Сг на подложке А12О3. Этот вид исследований возможно производить на металлах с гальваническим покрытием, на стеклах с зеркальным покрытием, на бумаге, покрытой красителями и на керамике, т.е., как на токопроводящих, так и на нетокопроводящих веществах.A layer-by-layer analysis of a complex multilayer coating (Example 1, Table 2) is shown in FIG. 5 curves in graphs a, b, illustrate the content of Au, Ta, N1 and Cr on the substrate A1 2 O 3 . This type of research can be performed on metals with electroplated coating, on glass with mirror coating, on paper coated with dyes and on ceramics, ie, on both conductive and non-conductive substances.
Результаты анализа неметаллического образца (пример 2, табл. 2) - прозрачной полиэтиленовой трубки, изготовленной с использованием катализатора на основе бария представлен на фиг. 6. ПределThe results of the analysis of a non-metallic sample (Example 2, Table 2) of a transparent polyethylene tube made using a barium-based catalyst are shown in FIG. 6. Limit
- 4 006951 обнаружения бария в таких объектах составляет около 1ррт. На графиках приведены участки спектров нескольких проб с различным содержанием бария. Помимо этого в поверхностном слое пробы идентифицировано некоторое содержание магния (верхний график, пик справа), как неожиданная примесь, такая функция поддерживается ПО, что часто бывает полезно для получения полной информации о составе исследуемого вещества.- 4 006951 barium detection in such objects is about 1 ppm. The graphs show the spectral regions of several samples with different barium contents. In addition, some magnesium content was identified in the surface layer of the sample (upper graph, peak to the right) as an unexpected impurity, such a function is supported by software, which is often useful for obtaining complete information about the composition of the test substance.
Приведенные примеры реализации изобретения подтверждают промышленную применимость изобретения, а также высокое качество, точность и чувствительность разработанного способа и устройства по отношению к известному техническому решению, а возбуждение плазмы с нижней поверхности образца и под углом к нормали существенно уменьшает загрязнение оптики продуктами испарения и обеспечивает качественный визуальный контроль в процессе исследования.Examples of the invention confirm the industrial applicability of the invention, as well as the high quality, accuracy and sensitivity of the developed method and device in relation to the known technical solution, and the excitation of plasma from the lower surface of the sample and at an angle to the normal significantly reduces the pollution of optics by evaporation products and provides high-quality visual control in the research process.
Способ и устройство прошли опытно-промышленные испытания, а лазерный атомно - эмиссионного анализатор на основе предлагаемого изобретения хорошо зарекомендовал себя в научных лабораториях и производственных условиях.The method and the device have passed pilot tests, and a laser atomic emission analyzer based on the invention has proven itself well in scientific laboratories and production conditions.
Источники информации:Information sources:
1. М.Л. Петух и др. «Исследования спектров плазмы, созданной сдвоенными лазерными импульсами», ЖПС, ν.61, N 5-6, ноябрь-декабрь 1994г., с.340-344.1. M.L. Rooster and others. "Investigations of plasma spectra created by dual laser pulses", ZhPS, ν.61, N 5-6, November-December 1994, pp.340-344.
2. В.А. Розанов и др. «Исследование влияния интервала времени между одиночными лазерными импульсами на характер спектра лазерной плазмы», ЖПС, V. 59, N 5-6, ноябрь-декабрь 1993г., с.431-434.2. V.A. Rozanov et al., “Investigation of the effect of the time interval between single laser pulses on the character of the spectrum of a laser plasma,” ZhPS, V. 59, N 5-6, November-December 1993, p. 431-434.
3. Акцептованная заявка Японии № 6-100544, (21) № 61-162478, (22) дата регистрации: 10.07.1986 г., (43) дата публикации выложенной заявки: 26.01.1988 г., (65) номер выложенной заявки: № 63-18249, (44) дата публикации акцептованной заявки: 12.12.1994 г., (71) Кавасаки стил К.К., (72) Авторы: Танимото, Ямамото, (56) выложенная заявка Японии № 58-219438, (54) «Устройство спектрального анализа лазерного излучения».3. Accepted application of Japan No. 6-100544, (21) No. 61-162478, (22) Date of registration: July 10, 1986, (43) Date of publication of the application laid out: January 26, 1988, (65) Number of application laid out : No. 63-18249, (44) date of publication of the accepted application: 12.12.1994, (71) Kawasaki Steel K.K., (72) Authors: Tanimoto, Yamamoto, (56) Japanese laid out application No. 58-219438, (54) "Device for spectral analysis of laser radiation."
4. Патент ВИ, (11) № 2007703 С1, О 01 N 21/63, О 01 N 21/39, (22) 14.06.91 г., (46) 15.02.94, бюл.№3, (71) Институт общей физики АН СССЗ, (72) Власов Д.В. и др. (73) Институт общей физики РАН, (54) Способ спектрального анализа элементного состава вещества и устройство для его осуществления.4. Patent VI, (11) No. 2007703 C1, O 01 N 21/63, O 01 N 21/39, (22) 06/14/91, (46) 02/15/94, Bul. N 3, (71) Institute of General Physics, SSSZ Academy of Sciences, (72) Vlasov D.V. et al. (73) Institute of General Physics, Russian Academy of Sciences, (54) A method for spectral analysis of the elemental composition of a substance and a device for its implementation.
5. Патент И8, (11) №5847825, О 01 N 21/63, (22) 25.09.1997г., (45) 08.12.1998г., (75) Пеиищ В. А1ехапбег, (54) «Аппаратура и метод детектирования и измерения концентрации следов металлов импульсным лазерным спектрометром» (прототип).5. Patent I8, (11) No. 5847825, O 01 N 21/63, (22) 09/25/1997, (45) 12/08/1998, (75) Peiishch V. A1echapbeg, (54) “Detection Equipment and Method and measuring the concentration of trace metals by a pulsed laser spectrometer "(prototype).
Claims (3)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20020020 | 2002-01-10 | ||
| PCT/BY2003/000002 WO2003058217A1 (en) | 2002-01-10 | 2003-01-04 | Method for spectral elemental analysis of a substance and device for carrying out said method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200400869A1 EA200400869A1 (en) | 2004-12-30 |
| EA006951B1 true EA006951B1 (en) | 2006-06-30 |
Family
ID=4083805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200400869A EA006951B1 (en) | 2002-01-10 | 2003-01-04 | Method for special elemental analysis of a substance and device for carrying out said method |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AU (1) | AU2003203206A1 (en) |
| EA (1) | EA006951B1 (en) |
| WO (1) | WO2003058217A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733082C2 (en) * | 2016-04-11 | 2020-09-29 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Hand-held analyzer and method of measuring concentration of elements, based on spectroscopy of excitation by laser breakdown of highly ionised plasma at high temperature |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109358036B (en) * | 2018-12-20 | 2021-03-02 | 中国科学院光电研究院 | Laser-induced breakdown spectroscopy signal error correction system and method |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2079128C1 (en) * | 1994-09-05 | 1997-05-10 | Акционерное общество "Астросолар" | Method for estimation of corn affection by microscopic fungi and device for measuring bioluminescence of corn samples |
| US5847825A (en) * | 1996-09-25 | 1998-12-08 | Board Of Regents University Of Nebraska Lincoln | Apparatus and method for detection and concentration measurement of trace metals using laser induced breakdown spectroscopy |
| RU2110777C1 (en) * | 1997-04-21 | 1998-05-10 | Государственное предприятие Техноцентр "Лазерная диагностика и чистые технологии" НИКИЭТ | Method of layer-by-layer laser spectral analysis |
| RU2163370C1 (en) * | 2000-04-07 | 2001-02-20 | Скрипкин Арнольд Митрофанович | Laser-spark spectrum analyzer |
-
2003
- 2003-01-04 WO PCT/BY2003/000002 patent/WO2003058217A1/en not_active Application Discontinuation
- 2003-01-04 AU AU2003203206A patent/AU2003203206A1/en not_active Abandoned
- 2003-01-04 EA EA200400869A patent/EA006951B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733082C2 (en) * | 2016-04-11 | 2020-09-29 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Hand-held analyzer and method of measuring concentration of elements, based on spectroscopy of excitation by laser breakdown of highly ionised plasma at high temperature |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2003058217A1 (en) | 2003-07-17 |
| AU2003203206A1 (en) | 2003-07-24 |
| EA200400869A1 (en) | 2004-12-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101009845B1 (en) | Laser Induced Breakdown Spectroscopy for the analysis of molten material | |
| Grant et al. | Quantitative elemental analysis of iron ore by laser-induced breakdown spectroscopy | |
| EP1068516B1 (en) | Method for quantitative analysis of atomic components of materials by libs spectroscopy measurements | |
| AU2015275734B2 (en) | Method for laser-induced breakdown spectroscopy and calibration | |
| US5991020A (en) | Method for determining the concentration of atomic species in gases and solids | |
| Skočovská et al. | Optimization of liquid jet system for laser-induced breakdown spectroscopy analysis | |
| CN109781711A (en) | A kind of laser induced breakdown spectroscopy quantitative analysis method based on the calibration of single standard specimen | |
| Ciucci et al. | CF-LIPS: a new approach to LIPS spectra analysis | |
| Jurado-López et al. | Chemometric approach to laser-induced breakdown analysis of gold alloys | |
| JP2022541873A (en) | Non-immersion method and apparatus for quantitative analysis of liquid metals and alloys | |
| US20020183940A1 (en) | Process and apparatus for real-time determination of a solid sample composition as a function of the depth within the sample | |
| EA006951B1 (en) | Method for special elemental analysis of a substance and device for carrying out said method | |
| LI et al. | Quantitative analysis of impurities in aluminum alloys by laser-induced breakdown spectroscopy without internal calibration | |
| Samek et al. | Laser ablation for mineral analysis in the human body: integration of LIFS with LIBS | |
| Xu et al. | A single-beam-splitting technique combined with a calibration-free method for field-deployable applications using laser-induced breakdown spectroscopy | |
| Mao et al. | Reduction of spectral interferences and noise effects in laser ablation molecular isotopic spectrometry with partial least square regression–a computer simulation study | |
| Snetsinger et al. | Microspectrochemical analysis of minerals with the laser microprobe | |
| Khumaeni et al. | Metal powder-assisted laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) using pulse CO2 laser for liquid analysis | |
| Cremers et al. | An evaluation of factors affecting the analysis of metals using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) | |
| Doucet et al. | Comparative study of laser induced plasma spectroscopy and spark-optical emission spectroscopy for quantitative analysis of aluminium alloys | |
| JP2000055809A (en) | Raman microspectroscope and method therefor | |
| Harith | Analysis of corroded metallic heritage artefacts using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) | |
| Soliman et al. | Quantitative elemental analysis of agricultural drainage water using laser induced breakdown spectroscopy | |
| JP2010019626A (en) | Element analyzer and element analysis method | |
| Vasileva et al. | Lasers for compact & fast LIBS systems: Compact, self‐contained, pulsed lasers expand capabilities in LIBS applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): RU |