CN103712959A

CN103712959A - 一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统

Info

Publication number: CN103712959A
Application number: CN201310611350.7A
Authority: CN
Inventors: 王哲; 侯宗余; 袁廷璧; 李政
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: CN103712959B

Abstract

一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，属于激光诱导击穿光谱领域。特征在于在常规激光诱导击穿光谱系统的基础上增加了弧面电极放电装置。弧面电极放电装置由高压电源、电容、高压电缆、绝缘层和两个弧面电极组成。电极放电能够把大量电能注入激光诱导等离子体，使得光谱信号明显增强，同时电极的弧面和绝缘层形成的圆柱形空腔能够约束等离子体的空间形态并增加等离子体的温度和电子密度，使得光谱信号有更大的强度和更好的稳定性；该系统简单可靠、成本较低，有很好的实用性。

Description

一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统

技术领域

本发明涉及激光诱导击穿光谱检测系统，特别涉及一种基于弧面电极放电的改善光谱信号质量的激光诱导击穿光谱检测系统，属于激光诱导击穿光谱技术领域。

背景技术

激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是二十世纪后期发展起来的一种全新的物质元素分析技术，是一种典型的原子发射光谱测量技术。LIBS的工作原理是：强激光脉冲作用下，样品表面的物质被激发成为等离子体并迅速衰减，在衰减过程中辐射出特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度信息包含了分析对象的元素种类和浓度信息。LIBS技术运行成本低，测量速度快，具有高灵敏度、无需或者需要很少的样品预处理和实现多元素测量等优点，并且无辐射危害，在工业生产中具有极大的发展潜力。

但在实际应用中，LIBS检测存在灵敏度较低、检测限不足和信号重复性较差的缺点，因而限制了该技术的广泛应用。为了推动LIBS技术的发展，增强信号强度、改善检测限、提高信号重复性是LIBS技术的重要研究方向。

为了提高LIBS信号的强度，一些研究者提出了火花放电增强信号的方法（如申请号：201120391281.X专利文献；申请号：200910154015.2专利文献、申请号：201110311616.7专利文献、申请号：200920199159.5专利文献）。这些方法通过电弧把电能注入等离子体，能明显增加LIBS信号的强度，但由于放电产生的电弧很不稳定，且采用的球状电极有效放电面积很小，导致信号稳定性不足以及增强效应不充分，同时两个电极的相对位置需要分别固定，给实际操作带来了不便。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提出一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统,以进一步增强信号强度、改善检测限和提高信号重复性，从而使LIBS技术得到广泛应用。

本发明的技术方案如下：

一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，该系统包括脉冲激光器、聚焦透镜、探头、光纤、光谱仪和计算机，其特征在于：所述系统还包括弧面电极放电装置，弧面电极放电装置放置在待测样品表面，所述的弧面电极放电装置包括高压直流电源、电容、高压电缆、绝缘层、弧面电极的正极和弧面电极的负极；高压直流电源与电容通过高压电缆并联，弧面电极的正极和弧面电极的负极分别通过高压电缆与高压直流电源的正极和负极连接，所述的绝缘层位于弧面电极的正极和弧面电极的负极之间；弧面电极的正极、弧面电极的负极和绝缘层之间形成一个圆柱形空腔；脉冲激光器发出的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后穿过圆柱形空腔的中心击打在待测样品的表面产生等离子体，等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机，得到待测样品的光谱信号。

所述的弧面电极正极和弧面电极负极的材料为铈钨合金。

所述的圆柱形空腔的深度为1mm～15mm，直径为1mm～15mm。

本发明具有以下优点及突出性效果：弧面电极的有效放电面积远大于球状电极且能够在等离子体四周产生电弧，从而可以把电容中存储的电能充分地注入到等离子体中，光谱信号的增强效应更为明显，有利于改善LIBS测量的检测限；同时由于可对等离子体四周放电，产生的电弧更为稳定，有利于提高光谱信号的稳定性，而且等离子体产生过程中伴随的激波被圆柱形空腔的内壁反射后作用于等离子体，一方面激波携带的能量可进一步增强光谱信号，另一方面也对等离子体的空间形态和位置起到了约束作用，避免了等离子体空间形态和位置的波动对信号稳定性的影响，有利于改善光谱信号的稳定性。

附图说明

图1是基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱系统图。

图2是弧面电极放电装置结构图。

图中：1—弧面电极的正极；2—绝缘层；3—圆柱形空腔；4—弧面电极的负极；5—高压直流电源；6—电容；7—高压电缆；8—脉冲激光器；9—聚焦透镜；10—等离子体；11—弧面电极放电装置；12—待测样品；13—探头；14—光纤；15—光谱仪；16—计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱系统图，该系统包括脉冲激光器8、聚焦透镜9、弧面电极放电装置11、探头13、光纤14、光谱仪15和计算机16；所述弧面电极放电装置11放置在待测样品表面，该装置包括高压直流电源5、电容6、高压电缆7、绝缘层2、弧面电极的正极1和弧面电极的负极4；高压直流电源与电容通过高压电缆并联，弧面电极的正极和弧面电极的负极分别通过高压电缆与高压直流电源的正极和负极连接，所述的绝缘层2位于弧面电极的正极和弧面电极的负极之间；弧面电极的正极、弧面电极的负极和绝缘层之间形成一个圆柱形空腔3（如图2所示）；脉冲激光器发出的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后穿过圆柱形空腔3的中心击打在待测样品12的表面产生等离子体10，等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机，得到待测样品的光谱信号。所述的弧面电极正极和弧面电极负极的材料采用铈钨合金；弧面电极的正极1和弧面电极的负极4之间的距离即绝缘层2的宽度为D，D的大小优选为1mm～15mm；圆柱形空腔3的直径为Φ，Φ的大小优选为1mm～15mm；圆柱形空腔的深度即弧面电极的厚度为H，H大小为1mm～15mm；高压直流电源的电压一般为3kV-15kV，电容大小一般为5nF-10μF。

本发明的工作原理和过程如下：

弧面电极的有效放电面积远大于球状电极且能够在等离子体四周产生电弧，从而可以把电容中存储的电能充分地注入到等离子体中，光谱信号的增强效应更为明显，有利于改善LIBS测量的信噪比和检测限，同时由于可对等离子体四周放电，产生的电弧更为稳定，有利于提高光谱信号的稳定性；而且等离子体产生过程中伴随的激波被圆柱形空腔的内壁反射后作用于等离子体，一方面激波携带的能量可进一步增强光谱信号，另一方面也对等离子体的空间形态和位置起到了约束作用，避免了等离子体空间形态和位置的波动对信号稳定性的影响，有利于改善光谱信号的稳定性。

所述的弧面电极的放电过程是被动的，无需人为控制。激光脉冲未发出时，弧面电极和绝缘层形成的圆柱形空腔中间有空气隔绝，使得两个电极无法放电。当激光脉冲穿过圆柱形空腔的中心击打在样品表面后，样品表面产生等离子体，使得圆柱形空腔内的电阻大大减小，两个电极瞬间导通，产生电弧放电，从而把电容中储存电能注入等离子体。

运用本发明所述的装置对待测样品进行检测的过程如下：

脉冲激光器发出一束激光脉冲，激光脉冲经过聚焦透镜聚焦后穿过弧面电极和绝缘层形成的圆柱形空腔击打在待测样品表面，产生激光诱导等离子体。由于等离子体位于两个弧面电极之间的圆柱形空腔中，等离子体中的离子和电子使得两个电极之间的电阻瞬间减小，从而两个电极导通，把电容中存储的电能通过电弧放电的形式注入到等离子体中，导致等离子体中的原子、离子被进一步充分激发。激发态的原子和离子发出的光辐射进入探头，通过光纤进入光谱仪后转化为电信号，电信号被计算机采集即可得到待测样品的光谱，通过分析光谱特性可以得到待测样品的元素组成信息。

实施例：

以标准煤炭样品ZBM098为例，对比常规LIBS、球状电极增强LIBS、本发明所述的弧面电极放电LIBS三种技术得到的碳元素的光谱信号。实验前，把煤炭样品用压片机压成煤饼作为待测样品。

采用ND:YAG脉冲激光器，激光波长为532nm，激光能量设置为35mJ，聚焦透镜的焦距为20cm，焦点位于待测样品表面以下4mm。光谱仪在激光脉冲发出后1μs后开始采集信号。圆柱形空腔的直径Φ为3mm，深度H为1.5mm。高压直流电源的电压设置为7.5kV，电容大小为20nF。用于对比的球状电极直径为3mm，两个电极之间的间距为3mm，电极在样品表面以上1.5mm。在样品表面的20个不同位置采集20幅光谱信号，求得碳元素谱线C(I)193.09nm的强度平均值和相对标准差（RSD），以及信噪比SNR，等离子体温度和电子密度，如表1所示。

表1不同技术方案的光谱特性对比

由表1可知，利用本发明提出的弧面电极放电装置所得的LIBS光谱，比常规的LIBS和球形放电LIBS有更强的信号强度，更大的信噪比、更高的等离子体温度和电子密度，因此能改善LIBS测量的检测限，同时，利用本发明提出的弧面电极放电装置能大大降低信号的RSD，即可以提高信号的稳定性。总的来说,本发明提供的弧面电极放电装置，操作简单、成本低廉，可大大增强信号强度、改善检测限和信号稳定性。

Claims

1.一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，该系统包括脉冲激光器（8）、聚焦透镜（9）、探头（13）、光纤（14）、光谱仪（15）和计算机（16），其特征在于：所述系统还包括弧面电极放电装置（11），弧面电极放电装置（11）放置在待测样品表面，所述的弧面电极放电装置包括高压直流电源（5）、电容（6）、高压电缆（7）、绝缘层（2）、弧面电极的正极（1）和弧面电极的负极（4）；高压直流电源与电容通过高压电缆并联，弧面电极的正极和弧面电极的负极分别通过高压电缆与高压直流电源的正极和负极连接，所述的绝缘层（2）位于弧面电极的正极和弧面电极的负极之间；弧面电极的正极、弧面电极的负极和绝缘层之间形成一个圆柱形空腔（3）；脉冲激光器发出的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后穿过圆柱形空腔（3）的中心击打在待测样品（12）的表面产生等离子体（10），等离子体发出的光信号经探头、光纤和光谱仪收集后，将光信号转换为电信号输入计算机，得到待测样品的光谱信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于：所述的弧面电极正极和弧面电极负极的材料采用铈钨合金。

3.根据权利要求1所述的一种基于弧面电极放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征还在于：圆柱形空腔的深度为1mm～15mm，直径为1mm～15mm。