CN103792277B - 激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪及联测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属中氧氮氢氩氦分析领域，具体为一种激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪及联测方法，解决现有金属中氧氮氢氩氦分析技术中，惰气熔融法等宏观分析手段仅能给出气体分析总含量值，离子探针等微观分析手段准确度差和可信度低的问题。激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪主体由以下部分构成：激光器、耐高温高压玻璃窗口、待测样品台、被测样品、加样口、机械手、样品室、防污染弯管、真空泵、三通阀、质谱分析仪、计算机。联测仪控制软件可精准控制激光器、样品台、加样口、机械手、真空泵、三通阀等动作，控制质谱分析仪按设定发射电流等参数运行。联测仪数据处理软件处理所有信息，及时提供反馈，处理质谱检测信息，精确计算并输出结果。

Description

激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪及联测方法

技术领域

本发明涉及金属等固体材料中氧氮氢氩氦分析领域，具体为一种激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪及联测方法。

背景技术

随着新材料的发展，金属中气体——氧、氮、氢、氩和氦对其性能有越来越不可忽略的影响。气体元素有其不同于其他化学元素的特点，决定其分析测试方法上也有其区别于普通化学分析的特点。现有的宏观分析方法主要沿用气相色谱检测方法，发展至今已经能精确测定0.00001%气体含量。但是，绝对量为0.1μg仍然未低到适合于微量分析的程度。质谱法适合于微量分析，近年才开始应用于金属中气体宏观分析，属于小才大用，必须从待测气流中用毛细管分出微量支流，送入质谱分析仪检测。气体分析的宏观分析结果能给出的信息量有限，一般情况下仅给出某气体元素的总含量，不能完全满足新材料发展的需求。微观分析手段仅有离子探针、二次离子质谱等几种勉强可用，所能得到的信息少精度差。

上世纪七十年代，中国科学院金属研究所曾经有过应用激光（点式熔融）-气相色谱法测定金属中氢的方法和仪器：一米多长的老式二氧化碳激光器和半立方米的老式真空泵，配以不可移动的样品台，用钯过滤器提取氢，液氮冷阱富集氢气，气相色谱仪定量分析。由于受当时技术条件的限制，其分析精度和准确度大打折扣，可以做单点深度氢分析。所以，仅能做含氢量高的钛及其钛合金样品，低于10μg/g氢时，准确度和精确度均不可信，其应用受限被闲置和淘汰。

发明内容

本发明目的在于提供一种激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪及联测方法，解决现有金属中氧氮氢氩氦分析技术中，惰气熔融法等宏观分析手段仅能给出气体分析总含量值，离子探针等微观分析手段准确度差和可信度低的问题。

本发明的技术方案是：

一种激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，该联测仪包括：激光器、耐高温高压玻璃窗口、待测样品台、被测样品、加样口、机械手、样品室、防污染弯管、真空泵、三通阀、质谱分析仪，具体结构如下：

联测仪内设置样品室、三通阀、质谱分析仪，透明密闭的样品室位于三通阀的上方，质谱分析仪位于三通阀的一侧，三通阀分别通过管道连接样品室、真空泵和质谱分析仪，真空泵位于联测仪的外侧，用于保持质谱分析仪和样品室的真空度，质谱分析仪通过防污染弯管与样品室连通；

样品室中水平设置可转动的待测样品台，待测样品台上均布被测样品，待测样品台的一侧设置用于将被测样品平移的机械手；

激光器置于联测仪顶部，激光器的激光束输出端与联测仪样品室顶部的耐高温高压玻璃窗口相对应，样品室顶部还设有用于向待测样品台添加被测样品的加样口。

所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，质谱分析仪的数据输出端与计算机相连，通过计算机进行数据处理。

所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，激光器、待测样品台、加样口、机械手、真空泵、三通阀和质谱分析仪的控制端分别与计算机相连，通过计算机控制激光器、待测样品台、加样口、机械手、真空泵、三通阀和质谱分析仪的动作。

所述的激光器为样品点式熔融热源-激光器，耐高温高压玻璃为铝硅酸盐玻璃。

所述的激光器为紫外调Q激光器。

所述的防污染弯管为金属微孔防污染弯管，其内设置微孔过滤网，微孔直径在0.2-1μm范围内；防污染弯管为快速接口拆卸式，在防污染弯管上加装真空计。

所述联测仪的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，计算机与各单元的接口板连接，计算机精确控制激光强度，并由此计算熔融点深度，通过激光强度控制给出气体深度线分布；计算机控制激光和计算被熔点体积，由此计算熔融点质量；计算机控制机械手精确移动，由机械手精确控制二维扫描微小区域，由此获得氧氮氢氩氦面二维分布；从而，由计算机双向精控实现立体扫描，给出氧氮氢氩氦体分布或分层分布，并实现表面吸附气体、体内固溶气体、气泡内气体、化合态气体分别分析测定；计算机控制真空泵，使其保持良好的工作状态，维持整个系统的真空度；计算机控制质谱分析仪，确保其正常运行，并精确处理采集到的气体含量转换信号，最终给出氧氮氢氩氦定量分析结果。

所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，激光器产生的激光束透过耐高温高压玻璃窗口，穿过待测样品台的空挡，点击置于待测样品台上的被测样品；被激光能量释放的气体通过防污染弯管净化后，进入质谱分析仪，由质谱分析仪检测转换为电信号输出，由计算机处理并显示/输出单次分析结果，再由真空泵将已测气体排出；计算机控制激光器调解光强，再次点击被测样品同一点，重复多次完成不同深度气体分析；机械手准确移动被测样品，重复此过程，进行平面气体分布分析；多个单点分析完成后，数据由计算机处理，给出深度分布、平面分布、立体分布数据或图；换下一个样品由机械手平移和待测样品台转动完成，周而复始地进行下一个样品的分析；待样品全部分析后，加样口打开，再装样品；电磁阀控制真空泵常态下为质谱分析仪工作，加样口刚刚关闭时为样品室工作；联测仪的控制和数据处理由计算机完成，计算机硬盘保存所有数据，最终分析数据处理结果输出或打印后续处理。

所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，由台式工控计算机控制真空泵开关机，控制加样口的开/关，并在不加样时始终保持关闭状态；台式工控计算机控制大功率激光器按设定值击发，击发功率和时间信息反馈回计算机，做到准确控制单点击发强度；样品中氧氮氢氩氦分析信息由质谱分析仪发至计算机处理，同时计算机控制质谱分析仪按指令正常工作，一旦有异常从反馈信息中立即获得并被处理调整；控制机械手二维精确平移，达到换位目的；控制待测样品台旋转，达到换样的目的；控制三通阀开关，调解抽真空通道；

所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，信息采集和存储模块分别采集和储存来自大功率激光器和飞行时间质谱仪的单点激光强度信息和O,N,H,Ar,He强度信息；单点激光强度信息被送至被击体积和质量换算/计算模块，先计算单点被击体积，再通过手工输入的样品密度换算成体积输出至单点数据处理模块；O,N,H,Ar,He强度信息由分类处理模块分类存储和输出至单点数据处理模块由其处理后输出单点测定结果，同时返回单点数据处理信息回分类处理模块，由其计算和绘制输出二维面分布图/三维体分布图，或输出二元和三元分析值。

本发明的有益效果是：

1、本发明将现有宏观分析和微观分析优势集于一身，提高了分析效率。

2、本发明实现对金属块样的体扫描气体分析，可准确得到气体偏析信息。

3、本发明实现对金属块样的层分析，可准确给出表面吸附气体、体内固熔气体、气泡内气体、化合态气体准确含量和分布信息。

4、本发明通过10点以上统计平均，可获得与现有宏观分析仪一致的结果。

5、本发明可实现金属样品中气体真正意义上的全分析。

总之，随着电子技术、真空技术、检测技术的发展，促使激光点式扫描-质谱法的诞生。激光点式扫描光斑直径0.1-1.0mm，与金属中气体夹杂物，金属中微气孔尺寸在同一数量级，可以应用于：研究气体在表面的吸附、研究气体元素在内部的偏析情况、研究气体夹杂物及其分布、研究微气孔中气体，特别适合于焊缝等样品中气体的全面分析研究工作。机械手可实现微尺寸二维精确控制，扫描区域从3-30mm，覆盖目前气体分析样品和直读光谱样品范围。其总平均值与现有宏观方法测定结果一致，制样方便简捷且样块可重复使用两次以上，可用于金属中气体常规分析。质谱分析技术可同时测定微量氧、氮、氢、氩和氦，适用于激光点式熔融样品气体分析。

附图说明

图1为激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪示意图。

图中，1激光器；2耐高温高压玻璃窗口；3待测样品台；4被测样品；5加样口；6机械手；7样品室；8防污染弯管；9真空泵；10三通阀；11质谱分析仪；12计算机。

图2为本发明控制软件部分的流程图。

图3为本发明数据处理（软件）部分的流程图。

具体实施方式

本发明为将激光点式扫描气体分析技术及方法付诸实践，组装激光点式扫描气体联测仪。借鉴组装激光（点式熔融）-气相色谱定氢仪的经验，硬件拟用大功率激光器（功率0.1-20000W）、（脉冲熔融-）质谱气体分析仪的质谱分析器、真空泵、金属防污过滤器、机械手组装而成。软件分成控制软件和数据处理软件两部分设计编制：联测仪控制软件可精准控制激光器、待测样品台、加样口、机械手、真空泵、三通阀等动作，控制质谱分析仪按设定发射电流等参数运行。数据处理软件处理所有信息，及时提供反馈；处理质谱检测信息，精确计算并输出结果。

如图1所示，本发明激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，主要包括：激光器1、耐高温高压玻璃窗口2、待测样品台3、被测样品4、加样口5、机械手6、样品室7、防污染弯管8、真空泵9、三通阀10、质谱分析仪11、计算机12等，具体结构如下：

联测仪内设置样品室7、三通阀10、质谱分析仪11，透明密闭的样品室7位于三通阀10的上方，质谱分析仪11位于三通阀10的一侧，三通阀10分别通过管道连接样品室7、真空泵9和质谱分析仪11，真空泵9位于联测仪的外侧，用于保持质谱分析仪11和样品室7的真空度，质谱分析仪11通过防污染弯管8与样品室7连通。样品室7中水平设置可转动的待测样品台3，待测样品台3上均布六个被测样品4，待测样品台3的一侧设置用于将被测样品4平移的机械手6。激光器1置于联测仪顶部，激光器1为样品点式熔融热源-激光器（如：紫外调Q激光器），激光器1的激光束输出端与联测仪样品室7顶部的耐高温高压玻璃窗口2（如：铝硅酸盐玻璃）相对应，样品室7顶部还设有用于向待测样品台3添加被测样品4的加样口5。质谱分析仪11的数据输出端与计算机12相连，通过计算机12进行数据处理。激光器1、待测样品台3、加样口5、机械手6、真空泵9、三通阀10和质谱分析仪11的控制端分别与计算机12相连，通过计算机12控制激光器1、待测样品台3、加样口5、机械手6、真空泵9、三通阀10和质谱分析仪11的启闭等动作。

本发明中，防污染弯管8内设置微孔过滤网，微孔直径在0.2-1μm范围内。在激光点式熔融金属样品时，防污染弯管8可过滤熔融产生的微颗粒，防止质谱分析仪11被污染。防污染弯管8为快速接口拆卸式，便于更换和清理。在防污染弯管8上可以加装真空计，以监测防污染弯管8堵塞情况。

本发明中，计算机与各单元的接口板连接，计算机精确控制激光强度，并由此计算熔融点深度，通过激光强度控制给出气体深度线分布。计算机控制激光和计算被熔点体积，由此计算熔融点质量。计算机控制机械手精确移动，由机械手精确控制二维扫描微小区域，由此获得氧氮氢氩氦面分布（二维分布）。从而，由计算机双向精控实现立体扫描，给出氧氮氢氩氦体分布或分层分布，并实现表面吸附气体、体内固溶气体、气泡内气体、化合态气体分别分析测定。计算机控制真空泵，使其保持良好的工作状态，维持整个系统的真空度。计算机控制质谱分析仪，确保其正常运行，并精确处理采集到的气体含量转换信号，最终给出氧氮氢氩氦定量分析结果。

本发明激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪的工作过程如下：

激光器1产生的激光束透过耐高温高压玻璃窗口2，穿过待测样品台3的空挡，点击置于待测样品台3上的被测样品4；被激光能量释放的气体通过防污染弯管8净化后，进入质谱分析仪11，由质谱分析仪11检测转换为电信号输出，由计算机12处理并显示/输出单次分析结果，再由真空泵9将已测气体排出。计算机12可控制激光器1调解光强，再次点击被测样品4同一点，重复多次完成不同深度气体分析。机械手6准确移动被测样品4，重复此过程，可进行平面气体分布分析。多个单点分析完成后，数据由计算机12处理，可给出深度分布、平面分布、立体分布数据或图。换下一个样品由机械手6平移和待测样品台3转动完成，周而复始地进行下一个样品的分析；待六个样品全部分析后，加样口5打开，再装六块样品。三通阀10（电磁阀）控制真空泵9常态下主要为质谱分析仪11工作，加样口5刚刚关闭时，主要为样品室7工作。联测仪的控制和数据处理由计算机12完成，计算机硬盘可保存所有数据，最终分析数据处理结果输出或打印可后续处理。

如图2所示，本发明控制软件部分的流程如下（元器件标号见图1）：

台式工控计算机12控制真空泵9开关机，控制加样口5的开/关，并在不加样时始终保持关闭状态。台式工控计算机12控制大功率激光器1按设定值击发，击发功率和时间信息反馈回计算机12，做到准确控制单点击发强度。样品中氧氮氢氩氦分析信息由质谱分析仪11（飞行时间质谱仪）发至计算机12处理，同时计算机12控制质谱分析仪11按指令正常工作，一旦有异常可从反馈信息中立即获得并被处理调整。控制机械手6二维精确平移，达到换位目的。控制待测样品台3旋转，达到换样的目的。控制三通阀10开关，调解抽真空通道。

如图3所示，本发明数据处理软件部分的流程如下：

图中椭圆状的信息采集和存储模块分别采集和储存来自大功率激光器和飞行时间质谱仪的单点激光强度信息（右椭圆）和O,N,H,Ar,He强度信息（左椭圆）；单点激光强度信息被送至被击体积和质量换算/计算模块，先计算单点被击体积，再通过手工输入的样品密度换算成体积输出至单点数据处理模块（中部菱形）。O,N,H,Ar,He强度信息由分类处理模块（右菱形）分类存储和输出至单点数据处理模块（中部菱形）由其处理后输出单点测定结果，同时返回单点数据处理信息回分类处理模块（右菱形），由其计算和绘制输出二维面分布图/三维体分布图，或输出二元和三元分析值。

实施例结果表明，本发明激光点式扫描-质谱定量分析金属中氧氮氢氩氦的方法，兼宏观分析与微观分析优势于一身。宏观扫描直径为3-30mm的样块，给出10点以上的宏观平均值。激光强度控制实现深度点击获得线分布，机械手精确控制样品二维移动扫描微小区域，给出氧氮氢氩氦面分布，激光强度控制给出气体深度线分布。计算机双向精密控制实现立体扫描，一次全面扫描得到氧氮氢氩氦体分布或分层分布，并实现表面吸附气体、体内固溶气体、气泡内气体、化合态气体分别分析测定，实现金属中气体全分析。

Claims (10)

1.一种激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，其特征在于，该联测仪包括：激光器、耐高温高压玻璃窗口、待测样品台、被测样品、加样口、机械手、样品室、防污染弯管、真空泵、三通阀、质谱分析仪，具体结构如下：

联测仪内设置样品室、三通阀、质谱分析仪，透明密闭的样品室位于三通阀的上方，质谱分析仪位于三通阀的一侧，三通阀分别通过管道连接样品室、真空泵和质谱分析仪，真空泵位于联测仪的外侧，用于保持质谱分析仪和样品室的真空度，质谱分析仪通过防污染弯管与样品室连通；

样品室中水平设置可转动的待测样品台，待测样品台上均布被测样品，待测样品台的一侧设置用于将被测样品平移的机械手；

激光器置于联测仪顶部，激光器的激光束输出端与联测仪样品室顶部的耐高温高压玻璃窗口相对应，样品室顶部还设有用于向待测样品台添加被测样品的加样口。

2.按照权利要求1所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，其特征在于，质谱分析仪的数据输出端与计算机相连，通过计算机进行数据处理。

3.按照权利要求1所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，其特征在于，激光器、待测样品台、加样口、机械手、真空泵、三通阀和质谱分析仪的控制端分别与计算机相连，通过计算机控制激光器、待测样品台、加样口、机械手、真空泵、三通阀和质谱分析仪的动作。

4.按照权利要求1所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，其特征在于，激光器为样品点式熔融热源-激光器，耐高温高压玻璃为铝硅酸盐玻璃。

5.按照权利要求1所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，其特征在于，激光器为紫外调Q激光器。

6.按照权利要求1所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测仪，其特征在于，防污染弯管为金属微孔防污染弯管，其内设置微孔过滤网，微孔直径在0.2-1µm范围内；防污染弯管为快速接口拆卸式，在防污染弯管上加装真空计。

7.使用权利要求1所述联测仪进行的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，其特征在于，计算机与各单元的接口板连接，计算机精确控制激光强度，并由此计算熔融点深度，通过激光强度控制给出气体深度线分布；计算机控制激光和计算被熔点体积，由此计算熔融点质量；计算机控制机械手精确移动，由机械手精确控制二维扫描微小区域，由此获得氧氮氢氩氦面二维分布；从而，由计算机双向精控实现立体扫描，给出氧氮氢氩氦体分布或分层分布，并实现表面吸附气体、体内固溶气体、气泡内气体、化合态气体分别分析测定；计算机控制真空泵，使其保持良好的工作状态，维持整个系统的真空度；计算机控制质谱分析仪，确保其正常运行，并精确处理采集到的气体含量转换信号，最终给出氧氮氢氩氦定量分析结果。

8.按照权利要求7所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，其特征在于，激光器产生的激光束透过耐高温高压玻璃窗口，穿过待测样品台的空挡，点击置于待测样品台上的被测样品；被激光能量释放的气体通过防污染弯管净化后，进入质谱分析仪，由质谱分析仪检测转换为电信号输出，由计算机处理并显示/输出单次分析结果，再由真空泵将已测气体排出；计算机控制激光器调解光强，再次点击被测样品同一点，重复多次完成不同深度气体分析；机械手准确移动被测样品，重复此过程，进行平面气体分布分析；多个单点分析完成后，数据由计算机处理，给出深度分布、平面分布、立体分布数据或图；换下一个样品由机械手平移和待测样品台转动完成，周而复始地进行下一个样品的分析；待样品全部分析后，加样口打开，再装样品；电磁阀控制真空泵常态下为质谱分析仪工作，加样口刚刚关闭时为样品室工作；联测仪的控制和数据处理由计算机完成，计算机硬盘保存所有数据，最终分析数据处理结果输出或打印后续处理。

9.按照权利要求7所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，其特征在于，由台式工控计算机控制真空泵开关机，控制加样口的开/关，并在不加样时始终保持关闭状态；台式工控计算机控制大功率激光器按设定值击发，击发功率和时间信息反馈回计算机，做到准确控制单点击发强度；样品中氧氮氢氩氦分析信息由质谱分析仪发至计算机处理，同时计算机控制质谱分析仪按指令正常工作，一旦有异常从反馈信息中立即获得并被处理调整；控制机械手二维精确平移，达到换位目的；控制待测样品台旋转，达到换样的目的；控制三通阀开关，调解抽真空通道。

10.按照权利要求7所述的激光点式扫描氧氮氢氩氦联测方法，其特征在于，信息采集和存储模块分别采集和储存来自大功率激光器和飞行时间质谱仪的单点激光强度信息和O,N,H,Ar,He强度信息；单点激光强度信息被送至被击体积和质量换算/计算模块，先计算单点被击体积，再通过手工输入的样品密度换算成体积输出至单点数据处理模块；O,N,H,Ar,He强度信息由分类处理模块分类存储和输出至单点数据处理模块由其处理后输出单点测定结果，同时返回单点数据处理信息回分类处理模块，由其计算和绘制输出二维面分布图/三维体分布图，或输出二元和三元分析值。