CN103210303A

CN103210303A - 激光诱导击穿光谱分析仪

Info

Publication number: CN103210303A
Application number: CN2011800548434A
Authority: CN
Inventors: M·鲁特伯格; P·莫雷斯奇尼
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-07-17
Also published as: PL404561A1; EA201390408A1; AU2011308072A1; WO2012040769A1; ZA201302942B; AP2013006832A0; BR112013007877A2; PE20150791A1; CL2013000883A1; AU2011308072B2; US20130271761A1; CL2015002828A1; CA2813032C; CA2813032A1

Abstract

一种激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪（10）包括光学路径P（由虚线P1和点划线P2示出）和自动聚焦（或跟踪）系统（120。光学路径P将从激光器（14）发射的激光束聚焦在要由分析仪（10）分析的样品S的一部分上，并将在被激光束照射时由样品S发射的辐射聚焦到检测器（16）。自动聚焦系统（12）能够改变光学路径P的长度，以保持激光束的焦点（18）与样品S之间不变的空间关系（即，距离）；以及，保持的检测器（16）不变的瞬间视场（IFOV）在激光器的焦点上。

Description

激光诱导击穿光谱分析仪

技术领域

本发明涉及激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪。

技术领域

激光诱导击穿光谱法（LIBS）是确定进行测试的样品的组成的一种方法。LIBS使用高能激光脉冲在样品的表面产生等离子体。该等离子体包含代表该样品的元素组成的激发态原子的混合物。等离子体中的这些原子发射以表征每种元素的波长的光子。发射的光的一部分被收集，并被传送到光谱仪，该光谱仪按照强度与波长的关系来提供对发射的光的光谱的分析。得到的光谱指示该样品的元素组成。

发明内容

在一个方面中，本发明提供激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪，其包括：

光学路径，其被配置为将激光束聚焦到样品的一部分上，并且，随后，将响应于该激光的照射而由样品的该部分发射的辐射聚焦到检测器上；

自动聚焦系统，其被配置为改变该光学路径的长度，以保持激光的焦点在样品的该部分上，同时保持检测器的基本上不变的瞬间视场（IFOV）在激光的焦点上；以及

传送器，其被配置为将样品的连续部分传送通过激光束的焦点。

该光学路径可以包括将激光束聚焦到样品上的发送路径和将来自样品的发射的辐射聚焦到检测器的接收路径；并且，其中，自动聚焦系统至少改变接收路径的长度。

该光学路径可以包括相互之间具有固定的空间关系的多个可移动光学元件；并且，其中，自动聚焦系统可操作用来向着样品移动多个可移动光学元件或者远离样品移动多个可移动光学元件，同时保持它们的固定的空间关系。

LIBS分析仪可以包括可移动支持体（movable support），在该可移动支持体上安装有多个可移动光学元件，并且，其中，自动聚焦系统包括可操作用来移动该支持体以改变光学路径长度的致动器。

所述可移动光学元件中的一个可以包括聚焦透镜，其能够将激光束聚焦到样品表面上或该样品表面附近的焦点处。

多个可移动光学元件可以包括设置在接收路径中的一个或多个接收光学元件的集合，其中，每个接收光学元件都只是反射性的。

多个光学元件可以包括设置在发送路径和接收路径两者中的部分反射镜，该部分反射镜能够反射激光束并透射发射的辐射。

该部分反射镜可以是二向色反射镜。

该LIBS分析仪可以包括光纤，该光纤的一端位于光学路径中以接收发射的辐射，该光纤具有由激光束照射的样品的一部分的瞬间视场；其中光纤将发射的辐射传输到检测器，并且，其中检测器的瞬间视场是该光纤的瞬间视场。

在一个实施例中，光纤的一端能够在与多个可移动光学元件具有固定的空间关系的情况下移动。

在该实施例中，光纤的一端被附接到支持体。

在可替换的实施例中，光纤的一端被固定在相对于可移动光学元件的一个位置中，以使得能够改变光纤的这一端与可移动光学元件之间的空间关系。在该实施例中，光学路径包括与光纤的这一端具有固定的空间关系的聚焦反射镜，该聚焦反射镜能够将发射的辐射聚焦到光纤的这一端上。

在LIBS分析仪的某些实施例中，可移动光学元件可以包括：

穿孔式反射镜（pierced mirror）和第一反射镜，其被布置为，其中，发射的辐射被穿孔式反射镜反射到第一反射镜上，该第一反射镜引导发射的辐射以使得其能够由检测器接收，并且，其中，该激光束穿过穿孔式反射镜中的开口。

在LIBS分析仪的其它实施例中，可移动光学元件可以包括完全部分反射镜（full partial mirror）和第一反射镜，其中，发射的辐射被透射通过该部分反射镜到第一反射镜，在第一反射镜处发射的辐射被反射以使得其能够由检测器接收，并且，其中，激光束由完全部分反射镜向样品反射。

在LIBS的更进一步的实施例中，可移动光学元件可以包括穿孔式部分反射镜和第一反射镜，其中，发射的辐射被透射通过该穿孔式部分反射镜到第一反射镜，并且由第一反射镜反射以使得其能够由检测器接收，并且，其中，激光束由穿孔式部分反射镜向样品反射。在该实施例中，多个可移动光学元件还包括聚焦透镜和发散透镜，相对于激光束向着样品行进的方向，聚焦透镜和发散透镜顺序地在穿孔式部分反射镜的上游。

在某些或全部实施例中，聚焦透镜可以包括微透镜阵列，其中，阵列中的每个微透镜将激光束的一部分聚焦到彼此分隔开且处于公共平面内的各个焦点上。

LIBS分析仪包括用于发射激光束的激光器，并且可以包括控制器，该控制器能够控制该激光器以发射脉冲速率的范围中的一种脉冲速率的激光。

脉冲速率的范围可以从0.1到30Hz。

可替换地，脉冲速率的范围可以是10到20Hz。

LIBS分析仪可以包括以光谱仪的形式的检测器，其能够测量发射的辐射的特性，并且基于接收到的发射的辐射来产生提供与样品的元素组成有关的数据的光谱图（spectrograph）。

该光谱仪可以操作用来累积（integrate）从激光束的多个脉冲生成的发射的辐射，从而以至多为脉冲速率的读出速率产生样品的累积光谱分析。

LIBS分析仪可以包括气体净化管（gas purging tube），该管提供有轴向通道，激光束通过该轴向通道而入射到样品。

该气体净化管可以包括在其长度中间处的入口（inlet），通过该入口将惰性气体注入到该通道。

该气体净化管的内直径可以从远离样品的管的末端处的第一最大直径减小到通道的中间长度处的颈点，并且，随后该气体净化管的内直径在向着在样品附近的管的相对端的方向上增大。

该LIBS分析仪可以包括相对于激光束行进的方向延伸穿过气体净化管的上游端的保护反射镜，其中，保护窗口位于相对于激光束穿过保护窗口的行进方向倾斜地延伸的平面中。

在本发明的第二方面中，提供用于获得对矿物体的测定的系统，该系统包括：

用于在一个或多个不同的位置处以矿物体的不同的深度提取矿物体的样品的机器；

在其上存放样品的传送器，该传送器能够按照从矿物体提取的深度的顺序将这些样品传输到根据第一方面的LIBS分析仪，其中，自动聚焦系统将激光束自动聚焦到在传送带上的传送通过该分析仪的样品上。

在本发明的第三方面中，提供用于获得对矿物体的测定的系统，该系统包括：

用于在一个或多个不同的位置以矿物体的不同的深度提取矿物体的样品的机器；

传送器，按照从矿物体提取的深度的顺序将样品存放在该传送器上；

LIBS分析仪，其具有发射激光束的激光源以及用于检测由入射到矿物样品的激光束生成的辐射的检测器；

该传送器被布置为将样品在激光束入射到样品的位置处传送通过分析仪；

在传送器将样品传送通过激光束时，该分析仪能够自动保持激光的焦点与样品之间的不变的空间关系，以及检测器的不变的IFOV。

用于提取样品的机器可以包括钻孔机，其中，样品是在钻孔机钻进矿物体时由钻孔机切割产生的样品。

该系统可以是自动化的，其中，在该机器操作用来提取样品时，这些样品被自动地存放在传送器上，该传送器自动地将这些样品传送通过分析仪，该分析仪又自动地分析样品。

附图说明

现在将仅通过举例的方式参考附图来描述本发明的实施例，在这些附图中：

图1是根据本发明的激光诱导击穿光谱分析仪的实施例的示意性表示；

图2是在图1中示出的分析仪的操作的模式的示意性表示；

图3是并入到分析仪中的气体净化管的示意性表示；

图4是在分析仪的第二实施例中的光学元件的布置的示意性表示；

图5是在分析仪的第三实施例中的光学元件的布置的示意性表示；

图6是在分析仪的第四实施例中的光学元件的布置的示意性表示；

图7是并入到分析仪的另一个实施例中的聚焦透镜的示意性表示；以及

图8是在移动钻机（mobile drill rig）上的分析仪的一种可能的应用的表示。

具体实施方式

参考附图，尤其是参考图1，激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪10的实施例包括光学路径P（由虚线P1和点划线P2示出）和自动聚焦（或跟踪）系统12。光学路径将从激光器14发射的激光束聚焦在要由分析仪10分析的样品S的一部分上，并将被激光束照射时由样品S发射的辐射聚焦到检测器16。自动聚焦系统12能够改变光学路径P的长度，以保持激光束的焦点18与样品S之间不变的空间关系（例如，距离）；以及保持检测器16的不变的瞬间视场（IFOV）在激光器的焦点上。IFOV通常是检测器可以通过其接收到电磁辐射的角度，并且经常被表达为在任意一个时间由检测器可见的样品的表面面积的函数。IFOV通常依赖于检测器离样品的距离以及由检测器接收的辐射的角度。当用度或弧度表达时，IFOV是检测器对辐射敏感的最小的平面角度。当以诸如米或公顷的线条或面积单位表达时，IFOV是扫描仪的空间分辨率的依赖于高度的量度。

光学路径P包括多个可移动光学元件。光学路径P的部分P1可以被认为是发送路径，其将来自激光源14的激光束引导到焦点18，随后引导到样品S上。光学路径P的部分P2可以被认为是接收路径，其将从样品S1发射的辐射引导到检测器16。正如在下面更详细地解释的，至少一个可移动光学元件在发送路径P1中，并且，至少一个光学元件在接收路径P2中。在某些实施例中，至少一个光学元件可以在发送路径P1和接收路径P2两者中。另外，该光学路径可以包括一个或多个固定的或静止的光学元件。

自动聚焦系统12可以操作用来移动可移动光学元件，从而保持焦点18与样品S的表面之间的空间关系，以及保持检测器16的不变的瞬间视场。

在图1中，可移动光学元件包括聚焦透镜20、穿孔式反射镜22和抛物面反射镜24。这些可移动光学元件中的每一个都被安装在以可移动基板26的形式的支持体上。在光学路径P中的静止的或固定的光学元件包括第一中继反射镜28、第二中继反射镜30和窗口32。第一中继反射镜28和第二中继反射镜30、以及聚焦透镜20中的每一个都在发送路径P1中。穿孔式反射镜22和抛物面反射镜24在接收路径P2中。窗口32在发送路径P1和接收路径P2两者中。

更具体地说，中继反射镜28作为第一光学元件被置于来自激光器14的光学路径P中。反射镜28以90°将从激光器14发射的激光束反射到第二中继反射镜30。反射镜30再以90°将激光束反射并穿过聚焦透镜20。然后，激光束穿过在穿孔式反射镜22上形成的孔34并穿过窗口32，以聚焦在焦点18处，焦点18位于相对于样品S的表面的距离D1处。当D1=0时，焦点位于样品S的表面上，当D1>0时，焦点在样品的表面之上，并且，当D1<0时，焦点在样品的表面之下（但是，仍然在体内）。

激光束在入射到样品S时产生等离子体。来自等离子体的辐射R（即，光）在所有的方向上被发射，其中一部分辐射沿着接收路径P2行进，在该接收路径P2上，这一部分辐射穿过窗口32，随后入射在穿孔式反射镜22并从穿孔式反射镜22反射到抛物面反射镜24上。

应变消除光纤（strain relieved optical fiber）36提供发射辐射到分析仪16的光学路径。在该特定实施例中，在抛物面反射镜24的焦点42处，光纤36的一个末端38由安装支架40固定在基板26上。这样，从等离子体发射的光被抛物面反射镜24反射到光纤36的末端38。由于末端38被安装在基板26上，因此光纤36的末端38与板26上的其它可移动光学元件之间存在固定的空间关系。

这些光学元件、基板26和激光器14被保持在外壳或壳体46中。该壳体被形成有凹部49，该凹部49在其上端由窗口32封闭。凹部49的上端倾斜，由此窗口32倾斜，从而位于相对于激光束通过的方向倾斜的平面上。窗口32的倾斜确保了激光束的任何反射光都被从发送路径P1引导开，从而使得这些反射光不能被反射回激光器14。

气体净化管44从壳体46延伸，并且，更具体地，从凹部49悬垂。气体净化管44被设置有轴向通道48，光学路径P延伸通过该轴向通道48。管44的第一端50接近样品S和焦点18，第二端52远离样品S并与壳体46相邻。保护窗口32延伸穿过第二端52，以对进入壳体46的灰尘或其它颗粒提供物理屏障。

正如将在下面更详细地描述的，气体被泵入到气体净化管44中，以防止从样品S产生的颗粒弄脏窗口32。气体可以包括，但不限于：压缩空气，或诸如氩的惰性气体。真空吸尘器54操作用来将灰尘和样品S的颗粒从光学路径P吸走，从而降低耦合到灰尘中的激光能量的比例。

基板26被安装在线性致动器56上，线性致动器56可以操作用来将基板26沿着致动器56的纵轴移动。该轴平行于发送路径P1的从反射镜30穿过聚焦透镜20并到达样品S的部分。线性致动器56移动基板26，由此移动可移动光学元件，以便保持焦点18与样品S的表面之间的不变的空间关系（即，距离D1）。这是通过使用位置传感器58来实现的，位置传感器58经由通信链路59与致动器控制器和驱动机构60进行通信，致动器控制器和驱动机构60又通过功率和电机反馈链路61耦接到致动器56。保护窗口63延伸穿过传感器58的末端。位置传感器58测量位置传感器58与样品S的表面之间的距离D2。在传感器58与焦点18之间存在已知的不变的垂直距离或偏移K。样品S的表面水平的变化导致由传感器58测量到的距离D2的变化。当感测到距离D2中的变化时，传感器58发送信号给控制器并驱动机构60以操作线性致动器来向上或向下直线地移动可移动光学器件，从而针对在传感器58下方的测量点直接位于焦点18的下面的时间点，保持焦点18与样品S的表面之间的不变的距离D1（其可以是正的、负的或零）。虽然可移动光学器件和基板26移动，但是与光纤36的IFOV相同的检测器16的IFOV还保持不变，这是由于在接收路径中的这些光学元件的焦点42总是保持在光纤36的末端38上。

自动聚焦系统12的提供促进了焦点18与样品S之间的不变的空间关系，同时也保持了检测器16的不变的IFOV。其又使得分析仪10的所描述的实施例能够被用于连续采样模式中，其中，样品S例如通过传送带62被传输经过激光束。这在样品S的组成是可变的情况下尤其有用。这种情况的一个例子是在矿石的测定中。更具体地说，在设备10的一个应用中，可以通过传送器62使从一个孔的不同深度提取的矿石穿过激光束，以便能够作为矿石被提取的孔的深度的函数对矿石进行测定。

在图1中示出的实施例中，在使用激光束进行辐照或照射之前，板或刀片64在传送器62运行的上方以上被支撑，以提供样品S的平滑度或水平度（degree of smoothing or levelling）。刀片64提供样品S的第一阶水平度或厚度的均匀性。在进一步的实施例中，刀片64可以由用于样品S的整平的平滑辊（未示出）来代替。这种辊子的使用可以在样品S包含不同尺寸的颗粒状材料的例子中找到特别的应用，以防止当更大的颗粒状材料撞击到刀片64时挖坏样品的表面。

诸如刀片64或辊子的物理整平装置的使用提供了对距离D1的大致的控制。对距离D1的精细的控制由自动聚焦系统12来提供，尤其由传感器58、控制器和驱动机构60、线性致动器56和基板26来提供。在一个例子中，位置传感器58可以采取诸如Acuity AR700系列激光测距仪的许多现货供应的激光三角位置传感器中的一种的形式。

沿着接收路径P2行进的发射的辐射被光纤36引导到光谱仪16。该光谱仪可以为Echelle光谱仪的形式。该光谱仪还经由通信链路66与计算机64耦接；并且，经由通信链路70耦接到激光器电源68。电源68还经由冷却、供电和信号链路72耦接到激光器14。

光谱仪16的信号获取周期由来自激光器电源68的脉冲触发，该激光器电源68与激光器14同步地激起（fire）。这样，每当激光器14发射激光束时，光谱仪16操作用来检测由于激光脉冲所生成的等离子体入射在样品S上而发射的辐射。光谱仪16根据强度与波长的关系生成辐射的光谱。该光谱经由通信链路66被读出到计算机64。但是，该读出速率不必一定与激光器14的脉冲速率相同。在一个实施例中，读出速率比脉冲速率慢。在这样的实施例中，光谱仪16被配置为累积多个捕获的光谱以产生每单位时间的累积光谱。例如，激光器14可以以15Hz的速率输出脉冲，在这种情况中，分析仪16也每秒捕获15个光谱，一个光谱从激光器14的每个脉冲产生。但是，然后，光谱仪16将这15个光谱累积以形成一个累积光谱，然后以1Hz的速率将该累积光谱读出到计算机。

图2示出出于获得从孔80提取的矿石的元素组成的目的的LIBS分析仪10的应用。在该例中，孔80是钻到13.2m深度的钻孔。孔80的深度的每一米都由水平杆来表示。以从孔80提取的逐渐增加的深度的顺序，来自孔10的矿石的样品被馈送到传送器62。在一个例子中，分析仪10使用具有15Hz的激光脉冲重复率的激光器14进行操作，并且，光谱仪16具有1Hz的读出速率，并且孔80以0.04米/秒的平均钻孔速率被钻孔。这样，针对每一秒都有来自激光器14的15个激光脉冲，从而导致光谱仪16产生15个单独的光谱S1-S15，一个光谱对应于每个激光脉冲。15个光谱S1-S15针对每一秒都被累积以产生累积光谱I。因此，对于0.04米/秒的平均钻孔速率，针对每一米的深度存在25个累积光谱I1-I25，每个累积光谱I表示在孔80的特定深度处的矿石的元素组成。特别地，通过获知平均钻孔速率以及传送带62的行进速度，一个或多个累积光谱I可以与孔80的特定深度有关。

图3更详细地示出气体净化管44。末端52附近的通道48的最上面的部分由直径不变的线82形成。这促进了管44附接到壳体46。径向地延伸的法兰84在末端52处提供，在法兰84中形成有环形槽86，以设置O形环，从而形成围绕与通道48连通的凹部49的对壳体46的封闭。通道48在最接近管44的末端52的末端处具有最大的直径，并且与线82的内部端的终点一致。然后，通道48的直径在向着末端50直至颈点90的方向上逐渐减小。随后，通道48的内直径在向着末端50的方向上逐渐减小。但是，在末端50处的直径比在末端52附近的通道48的直径小。径向地延伸的端口92通过管44在通道48的最大直径端与颈点90的中间处形成。气体通过端口92被注入到管44。在一个例子中，气体以每小时55标准立方英尺（1560升/小时）的流速被注入。相比而言，真空吸尘器（在图1中示出）作为具有3500英尺/分钟（17.8m/s）的速度的直径25英寸（63.5mm）的铰接管被提供。

在示出的实施例中，在颈点90与末端50之间的通道48的两侧，管44还被设置有两个另外的端口94。这些端口为真空吸尘器提供可替换的连通点。但是，如果真空吸尘器在图1中示出的气体净化管44的外部，那么端口94被堵住。

图4、图5和图6示出分析仪10的可替换的实施例的各个光学元件配置。在图4中，其中仅示出在接收路径P2中的光学元件，图1中的第一实施例的抛物面反射镜24被准直抛物面反射镜24a和聚焦抛物面反射镜24b所代替；并且，光纤支架40现在是静止的，并且不固定于移动基板26。在该实施例中，发射的辐射从穿孔式反射镜22被反射到准直抛物面反射镜24a上，随后被反射到聚焦反射镜24b，聚焦反射镜24b又将发射的辐射聚焦到光纤36的末端38上。聚焦反射镜24b也是静止的，因此处于相对于光纤36的末端38固定的位置中。虽然反射镜24a与24b之间的距离可以通过移动基板26来改变，但是发射的辐射总是被聚焦在末端38上。这样，在本实施例中，虽然基板26移动，但是检测器16的瞬间视场保持不变。

在图5中示出的实施例中，并且与图1相比，穿孔式反射镜22被完全部分反射镜23所代替，抛物面反射镜24与聚焦透镜20的位置被改变，并且，通过被安装在基板26上，之前静止的反射镜30现在成为可移动光学元件。在该实施例中，来自激光器14的激光束由静止的反射镜28以90°反射，并被反射到安装在基板16上的反射镜30。该反射镜以90°反射激光到达聚焦透镜20，并且激光被聚焦透镜20聚焦到达完全部分反射镜23，在完全部分反射镜23，激光被再以90°反射穿过焦点。该路径构成发送路径P1。发射的辐射透射通过完全部分反射镜23到达抛物面反射镜24上，在抛物面反射镜24处辐射被反射并聚焦到光纤36的末端38上。反射镜23通常为二向色反射镜的形式，其对激光的波长具有非常高的反射性并且对整个光谱仪16的波长敏感范围具有非常高的透射性。在该实施例中，抛物面反射镜24在接收路径P2中，而完全部分反射镜23是在发送路径P1和接收路径P2两者中的光学元件。

如下，图6示出与图1中示出的实施例不同的光学元件的布置。图1的静止中继反射镜30现在被安装在发送路径P1中的移动基板26上。穿孔式反射镜22现在被穿孔式部分反射镜25所代替。抛物面反射镜24被移动以便能够反射穿过部分反射镜25的发射的辐射。另外，聚焦透镜20的位置已经在基板26上改变，并且，发散透镜96已经被添加在中继反射镜30与聚焦透镜20之间的发送路径P1中。在该实施例中，来自激光器的激光束由中继反射镜30反射穿过发散透镜96和聚焦透镜20，以便由穿孔式部分反射镜25反射到焦点18。发射的辐射的一部分透射过通过穿孔式部分反射镜25，而发射的辐射的其余部分穿过在穿孔式反射镜25中的孔34。随后，反射的辐射由反射镜24反射到光纤36的末端38上。

图7示出分析仪10的另一个实施例的聚焦透镜20a的配置。在该实施例中，聚焦透镜为微透镜阵列20a的形式。微透镜阵列20a包括多个微透镜100a-100i，其中的每一个微透镜都将来自激光器14的激光束聚焦在处于公共平面内的各个分隔开的焦点上。其具有在样品S的增加的表面区域之上产生多个小等离子体的效果。这又产生更加表示样品S的发射的辐射。

图8示出在用于获得对矿物体的测定的系统110中的分析仪10的应用。在该特定应用中，系统110与移动钻机112相关联，该移动钻机112可以用来钻孔。该钻机具有支撑钻头116的钻塔114，该钻头116用于在诸如一条矿石的矿物体中钻洞。当钻头116被操作时，其产生钻孔切割。这些切割形成被馈送到与移动钻机112相关联的分析仪10的矿物样品S。这种关联可以通过将分析仪以便利的位置安装在钻机上，或者，将分析仪10放置在分开的车辆上，该车辆可以被驾驶到钻机112或者可以由钻机112拖着。在这两种情况中，馈送系统被用于将样品S传输到分析仪。

分析仪10被以之前在本文中描述的相同的模式来操作，以提供对样品S的元素的分析，这样，产生或促进对矿物体的测定的产生。当分析仪10被操作时，不论由于构成样品S的切割的不规则的形状会导致的样品S的表面的水平或轮廓的改变，或者由于地面类型或钻头116进入矿物体的穿透速率的改变导致的被传输到分析仪的样品S的量的改变如何，自动聚焦系统12都操作用来确保激光束的最佳聚焦，同时保持检测器16的不变的IFOV。

系统110是或者可以是自动到这样的程度，即，当已经着手钻孔时，样品S被自动地馈送到分析仪，分析仪被配置为自动地操作，以执行在上文中如参考图2所描述的样品S的元素的分析。

在系统110的变化中，除了钻头116以外的机器可以被用来从矿物体提取样品S，例如，挖掘机、气提装置或螺旋钻。在系统110的任意形式或变化中，通过操作该系统产生大量的孔，可以对矿物体或其部分产生分层的或3-D测定。

既然已经详细地描述了分析仪的实施例，在不脱离基本的发明构思的情况下，对相关领域的技术人员来说，可以进行大量的修改和改变是显而易见的。例如，检测器16被描述为Echelle光谱仪的形式。但是，也可以使用其它类型的光谱仪。此外，实施例描述了15Hz的激光脉冲速率和具有1Hz速率的检测器。但是，这些速率仅仅是示例性的，并且分析仪10的实施例可以以不同的速率操作。例如，激光脉冲速率可以处于0.1Hz到30Hz的范围内。此外，根据光谱仪16的性质，光谱仪16的读出速率可以最高到激光脉冲速率，例如，从稍稍大于0Hz（例如，0.001Hz）到激光脉冲速率。另外，在示出的实施例中的抛物面反射镜24可以使用其它类型的反射镜来代替，诸如椭球面反射镜，其提供在光纤36的末端38上的更紧密的聚焦。在另一种变型中，在样品S处的激光的能量可以被衰减，以最小化灰尘击穿事件。通过将一个或两个反射镜28、30形成为半反射或者可替换地降低激光器14本身的能量输出，可以实现该衰减。另外，尽管描述的实施例中的每一个都与连续采样和分析有关，但是根据需要，LIBS分析仪10可以被操作用来分析静态样品。这将仅仅涉及停止传送器62并将样品与焦点18放置在一条线上。

在不脱离本发明范围的情况下，对上述例子的许多修改或改变对本领域技术人员来说将是显而易见的。所有这样的修改和改变与对本领域普通技术人员而言很明显的其它修改和改变一起被认为在本发明的范围内，其性质可以从上面的描述和所附的权利要求来确定。对本领域通用的特征不做任何详细的解释，这是由于它们被认为对本领域技术人员来说很容易理解。

类似地，在整个本说明书中，术语“包括”及其语法等同物应当被认为具有非穷尽或开放式的意思，除非使用的上下文另有明确说明以外。还将会认识到，并非在排他性的意义上提及本发明的“一个例子”或“例子”。因此，一个例子可以对本发明的某些方面进行例证，而其它方面在不同的例子中进行例证。这些例子旨在帮助技术人员来执行本发明，并且，不应当以任何方式来限制本发明的整个范围，除非上下文另有明确说明以外。

Claims

1.一种激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪，包括：

光学路径，该光学路径被配置为将激光束聚焦到样品的一部分上，并且，随后，将响应于该激光的照射而由样品的这一部分发射的辐射聚焦到检测器上；

自动聚焦系统，该自动聚焦系统被配置为改变该光学路径的长度，以保持激光的焦点在样品的这一部分上，同时保持检测器的基本上不变的瞬间视场（IFOV）在激光的焦点上；以及

传送器，该传送器被配置为将样品的连续部分传送通过激光束的焦点。

2.根据权利要求1所述的LIBS分析仪，其中，光学路径包括将激光束聚焦到样品上的发送路径和将来自样品的发射的辐射聚焦到检测器的接收路径；并且，自动聚焦系统至少改变接收路径的长度。

3.根据权利要求1或2所述的LIBS分析仪，其中，光学路径包括相互之间具有固定的空间关系的多个可移动光学元件；并且，自动聚焦系统能够操作来向着样品移动所述多个可移动光学元件或者远离样品移动所述多个可移动光学元件，同时保持它们的固定的空间关系。

4.根据权利要求3所述的LIBS分析仪，包括可移动支持体，所述多个可移动光学元件被安装在该可移动支持体上，并且，自动聚焦系统包括能够操作用来移动该支持体以改变光学路径长度的致动器。

5.根据权利要求3或4所述的LIBS分析仪，其中，所述可移动光学元件中的一个可移动光学元件包括聚焦透镜，该聚焦透镜能够将激光束聚焦到样品表面上或样品表面附近的焦点处。

6.根据权利要求3到5中的任意一项所述的LIBS分析仪，其中，所述多个可移动光学元件包括一个或多个接收光学元件的集合，所述一个或多个接收光学元件被设置在接收路径中，在接收路径中每个接收光学元件都只是反射性的。

7.根据权利要求3到5中的任意一项所述的LIBS分析仪，其中，所述多个光学元件包括设置在发送路径和接收路径两者中的部分反射镜，该部分反射镜能够反射激光束并透射发射的辐射。

8.根据权利要求7所述的LIBS分析仪，其中，部分反射镜是二向色反射镜。

9.根据权利要求1到8中的任意一项所述的LIBS分析仪，包括光纤，该光纤的一端被置于光学路径中以接收发射的辐射，该光纤具有由激光束照射的样品的这一部分的瞬间视场；其中，光纤将发射的辐射传输到检测器，并且，检测器的瞬间视场是光纤的瞬间视场。

10.根据权利要求9所述的LIBS分析仪，其中，光纤的这一端能够在与所述多个可移动光学元件具有固定的空间关系的情况下移动。

11.根据权利要求10所述的LIBS分析仪，其中，光纤的这一端被附接到支持体。

12.根据权利要求9所述的LIBS分析仪，其中，光纤的这一端被固定在相对于可移动光学元件的一个位置中，以使得能够改变这一端与可移动光学元件之间的空间关系。

13.根据权利要求12所述的LIBS分析仪，其中，光学路径包括与光纤的这一端具有固定的空间关系的聚焦反射镜，该聚焦反射镜能够将发射的辐射聚焦到光纤的这一端上。

14.根据权利要求4所述的LIBS分析仪，其中，可移动光学元件包括：

穿孔式反射镜和第一反射镜，被布置为：其中，发射的辐射被穿孔式反射镜反射到第一反射镜上，该第一反射镜引导发射的辐射以使得该辐射能够由检测器接收，并且，激光束穿过穿孔式反射镜中的开口。

15.根据权利要求4所述的LIBS分析仪，其中，可移动光学元件包括完全部分反射镜和第一反射镜，其中发射的辐射被透射通过该部分反射镜到第一反射镜，在第一反射镜处发射的辐射被反射以使得该辐射能够由检测器接收，并且，激光束由完全部分反射镜向样品反射。

16.根据权利要求4所述的LIBS分析仪，其中，可移动光学元件包括穿孔式部分反射镜和第一反射镜，其中发射的辐射被透射通过穿孔式部分反射镜到第一反射镜上并由第一反射镜反射以使得该辐射能够由检测器接收，并且，激光束由穿孔式部分反射镜向样品反射。

17.根据权利要求16所述的LIBS分析仪，其中，所述多个可移动光学元件还包括聚焦透镜和发散透镜，相对于激光束向着样品行进的方向，聚焦透镜和发散透镜顺序地在穿孔式部分反射镜的上游。

18.根据权利要求5到17中的任意一项所述的LIBS分析仪，其中，聚焦透镜包括微透镜阵列，在微透镜阵列中，该阵列中的每个微透镜将激光束的一部分聚焦在彼此被分隔开且处于公共平面内的各个焦点上。

19.根据权利要求1到18中的任意一项所述的LIBS分析仪，包括用于发射激光束的激光器和控制器，该控制器能够控制该激光器以发射脉冲速率的范围中的一种脉冲速率的激光。

20.根据权利要求19所述的LIBS分析仪，其中，脉冲速率的范围为从0.1到30Hz。

21.根据权利要求19所述的LIBS分析仪，其中，脉冲速率的范围为10到20Hz。

22.根据权利要求19到21中的任意一项所述的LIBS分析仪，包括以光谱仪的形式的检测器，该检测器能够测量发射的辐射的特性，并且基于接收到的发射的辐射来产生提供与样品的元素组成有关的数据的光谱图。

23.根据权利要求22所述的LIBS分析仪，其中，该光谱仪能够操作用来累积从激光束的多个脉冲生成的发射的辐射，从而以至多为脉冲速率的读出速率产生对样品的累积光谱分析。

24.根据权利要求1到23中的任意一项所述的LIBS分析仪，包括气体净化管，该管被设置有轴向通道，激光束通过该轴向通道入射到样品。

25.根据权利要求24所述的LIBS分析仪，包括相对于激光束的行进方向延伸穿过气体净化管的上游端的保护反射镜，其中，保护窗口位于相对于激光束穿过保护窗口的行进方向倾斜地延伸的平面中。

26.一种用于获得对矿物体的测定的系统，包括：

用于在一个或多个不同的位置处以矿物体的不同的深度提取矿物体的样品的机器；以及

在其上存放样品的传送器，该传送器能够按照从矿物体提取的深度的顺序将样品传送到如权利要求1到25中的任意一项所述的LIBS分析仪，其中，自动聚焦系统自动将激光束聚焦到在传送带上传送通过该分析仪的样品上。

27.一种用于获得对矿物体的测定的系统，包括：

LIBS分析仪，该LIBS分析仪具有发射激光束的激光源以及用于检测通过激光束入射矿物样品而生成的辐射的检测器；

该传送器被布置为将样品在激光束入射样品的位置处传送通过分析仪；

在传送器将样品传送通过激光束时，该分析仪能够自动保持激光的焦点与样品之间的不变的空间关系以及检测器的不变的IFOV。

28.根据权利要求26或27所述的系统，其中，用于提取样品的机器包括钻孔机，并且所述样品是在钻孔机钻入矿物体时由钻孔机切割产生的样品。

29.根据权利要求26到28中的任意一项所述的系统，其中，系统是自动化的，其中在该机器操作用来提取样品时，样品被自动地存放在传送器上，该传送器自动地将样品传送通过分析仪，该分析仪又自动地分析样品。