CN104797927B - 用于远程化学材料分析的模块化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有基本功能单元的用于远程化学材料分析的模块化装置，该基本功能单元形成有传送模块(2)，该传送模块(2)部分地配有移动框架构造，该移动框架构造至少设置有激光器的电源(21)、根据波长及其记录针对等离子体辐射分布设计的检测系统(22)、PC形式的控制和评价块(23)以及控制电子块(24)，并且部分地与包含用作激光脉冲的源的激光器头(41)的激光器模块(4)连接，其中本发明的要点在于，激光器模块(4)配有可选地按照一定路线布置激光脉冲的激光光束路由器(42)，当利用“远距离LIBS”方法分析时，使激光脉冲进入远距离模块(6)，当利用“远程LIBS”方法分析时，使激光脉冲进入纤维模块(8)。

Description

用于远程化学材料分析的模块化装置
技术领域
本发明涉及通过激光诱导等离子体的光谱方法实现的用于远程化学材料分析的模块化装置的构造。
背景技术
用于化学材料分析的方法之一是一种激光诱导等离子体的光谱方法，参照LIBS(激光诱导击穿光谱)，其基于原子发射光谱(AES)的原理。针对元素组成的确定，通过聚焦的激光脉冲使用一种形成在样品表面上的等离子体辐射的光谱分析。光谱中的尖锐的发射线使样品材料中的对应元素的存在信号化，而检测限制大约几个单位的ppm的范围。该方法受欢迎是由于其相对于其它化学材料分析技术提供的优点。尤其是在不经任何特殊训练的情况下分析所有状态和大小的样品的能力，而测量结果实际上实时地自由处理。例如在公开RADZIEMSKI,L.J.CREMERS,D.的Handbook of Laser-induced Breakdown Spectroscopy(John Wiley&Sons.2006.283p./SBN O-470-Og2gg-8)中描述了该方法的基本原理
通常，用于通过LIBS方法分析的装置包括：脉冲激光器，其用于引入样品表面上的等离子体；光学系统，其用于聚焦激光脉冲；光学系统，其用于手机等离子体辐射；检测系统，其用于根据波长及其记录分散等离子体辐射；装置，其用于将脉冲激光器与检测系统同步。使用电磁辐射作为能量和信号载波的原理能够修改用于远程分析和现场分析(即，实验室以外的条件)的LIBS方法。因此，甚至可分析可为工序(即取样及其传送)的经典链(classical chain)的对象，仅在面对困难或危险或许多其它原因不足的情况下是可行的。
利用LIBS方法用于远程分析的系统可分为两组。第一组使用电磁辐射光纤的转移，并且其被称作“远程LIBS”，第二组使用样品的电磁辐射导向可见性，并且其被称作“远距离(Stand-Off)LIBS”。“远程(Remote)LIBS”的特征在于较小的消融坑和可分析不直接可见的样品，但是可利用光纤接近它们。“远距离LIBS”分析提供了使用实际上无限高能量的可能性，并且同时增大小浓度的元素的检测极限。可仅基于直接可见性分析光纤不能达到的样品。缺点是关于噪声和同时较高等级大小的消融坑的获得的信号的值一般较低，这例如在公开FORIES,F.J.,LASERNA,J.J.的The development of fieldable laser-inducedbreakdown spectrometer:No limits on the horizon Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy(2010,vol.65no.12,p.975-990)中有所描述。虽然两种方法彼此合适地完善，但是通过它们的原理和优点，没有任何已知的装置可简单地将两种变形形式组合并且同时扩展其活性领域。
存在已知的根据文件US 7092087的其它装置，其描述了能够从样品中检测癌症的LIBS装置的特定应用，并且根据文件US 20030147072，描述了能够检测放射性污染的LIBS装置的特定应用。根据描述，这些装置的构造不允许利用两种方法(即“远距离LIBS”和“远程LIBS”)分析，并且不含能够按照使得这两种方法能够使用激光脉冲的公共源的方式规定激光脉冲的路线的激光束路由器。
在文件US8125627中，随后描述了能够利用“远距离LIBS”方法执行分析的装置，但是其不设计为模块。其不含有能够利用“远程LIBS”方法分析的部件，并且也不具有能够按照能够使用通过“远距离LIBS”或“远程LIBS”方法分析的激光脉冲的公共源的方式规定激光脉冲的路线的激光束路由器。该装置配有辅助激光器、拉曼分光镜和其它特殊组件，这导致其设计复杂度和增加的购买成本。在文件US2011080577和US2012062874中，描述了利用两种检测器的装置，其中的至少一个检测拉曼光谱，这相似地导致更复杂的构造和导致不可能使用这些装置作为用于通过两种方法进行LIBS分析的模块化单元。
本发明的目的是引入新的装置，根据其模块化设置并且根据激光束路由器的设计，其构造能够将测量与“远距离LIBS”方法或“远程LIBS”方法组合，所述激光束路由器规定激光脉冲的路线，并且能够针对两种测量方法使用激光束的公共源。
发明内容
本发明实现了限定的目标，本发明是一种用于远程化学材料分析的模块化装置，其具有基本功能单元，该基本功能单元形成有传送模块，该传送模块部分地配有通过至少激光器的电源、根据波长及其记录针对等离子体辐射分布设计的检测系统、呈PC形式的控制和评价块以及控制电子块设置的移动框架构造，并且部分地与包含用作激光脉冲的源的激光器头的激光器模块连接，其中本发明的要点在于，激光器模块配有可选地按照一定路线布置激光脉冲的激光光束路由器(laser beam router)，当执行“远距离LIBS”方法时，使激光脉冲进入远距离模块(stand-off module)，当执行“远程LIBS”方法时，使激光脉冲进入纤维模块。
在装置的有利设计中，激光器模块配有固定元件，其可以可拆卸地固定至传送模块的框架构造或远距离模块。
在从传送模块直接可见样品的情况下，当利用“远距离LIBS”方法分析时使用的远距离模块形成有至少设计用于将激光脉冲聚焦到样品的远距离主要光学系统、设计为收集发射的电磁辐射的远距离辅助光学系统、扫描相机和距离计量系统，然而远距离模块通过用于规定激光脉冲的路线的连接元件与激光器模块不连通地连接，以及通过用于规定电磁辐射的远距离收集线缆与传送模块连接。
在装置的优选设计中，对于传送模块的框架构造上的设置或可拆卸地设置的可能性，远距离模块配有连接构件，而传送模块获得形状和尺寸对应的固定平台。
另外，有利的是，用于通过“远程LIBS”方法进行分析的装置的纤维模块由针对激光脉冲的聚焦设计的纤维主要光学系统和针对收集发射的电磁辐射设计的纤维辅助光学系统构成，而纤维模块通过用于规定激光脉冲的路线的连接元件与激光器模块不连通地连接，以及通过用于规定电磁辐射的线路的纤维收集线缆与传送模块连接。
本发明达到新的和较高的效率，其原因在于，通过能够在不使用工具的情况下使传送模块和远距离或纤维模块连接和断开的构造构件，该装置能够将两种远程变型形式“远距离LIBS”和“远程LIBS”组合，并且与现有解决方案相反的是，能够基于直接可见性进行对象的远程分析，并且同时通过纤维检测探针进行可访问性差的对象的分析。同时，所述装置由于依赖于计划的应用因此可简单地设置有“远距离LIBS”模块、“远程LIBS”模块或二者。所述装置相似地能够针对两种化学分析方法使用激光束的共同源，因此减小装置的重量及其生产成本，并且其模块性为用户提供了仅将模块中的一个传送至分析地点的可能性，这也降低了传送需求。
附图说明
在包括的附图中示例性地示出了本发明的特定设计，图中：
图1示出了装置的总体方框图，示出了用于实现“远距离LIBS”方法以及“远程LIBS”方法的功能性模块的可能连接与它们的相互连结；
图2以简化的方框图的形式示出了具有用于实现“远距离LIBS”方法的远距离模块的装置的构造；以及
图3以简化的方框图的形式示出了具有用于实现“远程LIBS”方法的纤维模块的装置的构造。
示出本发明并最终描述了特定设计的示例的附图不以任何形式任何方式限制明确描述的保护的范围，而仅是使本发明的本质清楚。
具体实施方式
用于远程化学材料分析的目标模块化装置的基本功能单元是传送模块2，其形成有通过类似的未示出的行驶装置(例如轮子)获得的非常靠近的未示出的框架构造，以使得其能够沿着任何方向在表面1上运动，并且可能具有稳定足，以在该表面1的选择的位置上提供传送模块2的固定位置。传送模块2设有对于提供远程化学分析的实现必需的互相连接的基本功能元件，即，至少具有激光器的电源21、用于根据波长及其记录等离子体辐射分布的检测系统22、PC形式的控制和评价块23以及控制电子块24，如图1所示。传送模块2经过连接至激光器模块4的线缆，所述激光器模块4由激光器头41(用作激光脉冲的源)和激光光束路由器42(通过使得激光脉冲能够路由进入远距离模块6或进入纤维模块8的未示出的标准功能元件获得)构成。激光器模块4还配有固定物形式的更加靠近的未指明的固定元件，其根据测量方法“远距离LIBS”或“远程LIBS”的选择，使得具有未示出的固定元件的可变可拆卸的固定物能够固定到传送模块2的框架构造，或固定到远距离模块6，如图2和图3所示。
在从传送模块2直接可见样品10的情况下当利用“远距离LIBS”方法分析时使用的远距离模块6至少形成有远距离主要光学系统61(设计为将激光脉冲9聚焦到样品10上)、远距离辅助光学系统62(含有未示出的反射性望远镜，并且设计为收集发射的电磁辐射11)、扫描相机63和距离计量系统64，从而其能够在样品10的表面上聚焦激光脉冲9并按照路线布置激光脉冲9，同时能够收集通过等离子体发射的出现的电磁辐射11。远距离模块6通过规定激光脉冲9的路线的连接元件12与激光模块4不连通地(disconnectedly)连接，以及通过规定电磁辐射11的路线的远距离收集线缆13与传送模块2连接。为了能够在传送模块2的框架构造上进行设置或可拆卸设置，远距离模块6配有连接构件7，而传送模块2获得形状和大小对应的固定平台3。
当使用“远程LIBS”方法时用于装置的纤维模块8由纤维主要光学系统81(设计为使激光脉冲9聚焦)和纤维辅助光学系统82(设计为收集发射的电磁辐射11)构成，作为远距离模块6能够在样品10的表面上聚焦并按照一定路线布置激光脉冲9，并且同时收集通过等离子体发射的出现的电磁辐射11。纤维模块8通过规定激光脉冲9的路线的光学线缆14与激光模块4不连通地(disconnectedly)连接，以及通过规定电磁辐射11的路线的纤维收集线缆15与传送模块2连接。
当通过“远距离LIBS”方法分析而使用模块化装置时，激光模块4布置在通过连接元件7和固定平台3设置在传送模块2的框架构造上的远距离模块6中。通过控制和评价块23，从激光器头41按照一定路线通过激光器模块4的激光束路由器42的激光脉冲通过配置的远距离模块6的远距离主要光学系统61到达探明的样品10的表面。通过远距离辅助光学系统62收集由形成的等离子体发射的电磁辐射11，随后通过其构件的帮助使电磁辐射11按照路线进入传送模块2的检测系统22，并且评价模块23评价辐射11的光谱特征。
当通过“远程LIBS”方法分析而使用模块化装置时，激光模块4布置在传送模块2中。纤维模块8通过光学线缆14和纤维收集线缆15连接至传送模块2和激光模块4。通过控制和评价块23，从激光器头41按照一定路线通过激光器模块4的激光束路由器42的激光脉冲通过配置的纤维模块8的纤维主要光学系统81到达探明的样品10的表面。通过纤维辅助光学系统82收集由形成的等离子体发射的电磁辐射11，随后通过其构件的帮助将电磁辐射11导入传送模块2的检测系统22，并且评价模块23评价辐射11的光谱特征。
工业应用
根据本发明的用于远程化学材料分析的模块化装置可用于科学和工业的许多分支中，例如用于控制钢铁工厂和能量工厂中的材料的质量和污染、用于环境诊断、生物样品中的重金属检测、地质学中的矿物和矿工检测、空间研究或民防中的元素分析以检测污染环境的物质。

Claims (6)

1.一种具有基本功能单元的用于远程化学材料分析的模块化装置，该基本功能单元形成有传送模块(2)，该传送模块(2)部分地配有移动框架构造，所述移动框架构造至少设置有激光器的电源(21)、根据波长及其记录针对等离子体辐射分布设计的检测系统(22)、PC形式的控制和评价块(23)以及控制电子块(24)，并且部分地与包含用作激光脉冲的源的激光器头(41)的激光器模块(4)连接，其中，激光器模块(4)配有可选地按照一定路线布置激光脉冲的激光光束路由器(42)，当利用“远距离LIBS”方法进行分析时，使激光脉冲进入远距离模块(6)，当利用“远程LIBS”方法进行分析时，使激光脉冲进入纤维模块(8)；其中，当利用“远距离LIBS”方法进行分析时，所述远距离模块(6)可拆卸地设置在所述传送模块(2)的框架构造上，且所述激光器模块(4)被放置在所述远距离模块(6)中；且当利用“远程LIBS”方法进行分析时，所述激光器模块(4)可拆卸地固定至所述传送模块(2)的框架构造或被放置在所述远距离模块(6)中，且所述纤维模块(8)通过光学线缆连接至所述激光器模块(4)。
2.根据权利要求1所述的模块化装置，其特征在于，在从传送模块(2)直接可见样品(10)的情况下，当利用“远距离LIBS”方法分析时使用的远距离模块(6)形成有至少设计用于将激光脉冲(9)聚焦到样品(10)的远距离主要光学系统(61)、设计为收集发射的电磁辐射(11)的远距离辅助光学系统(62)、扫描相机(63)和距离计量系统(64)。
3.根据权利要求2所述的模块化装置，其特征在于，远距离模块(6)通过用于规定激光脉冲(9)的路线的连接元件(12)与激光器模块(4)不连通地连接，以及通过用于规定电磁辐射(11)的路线的远距离收集线缆(13)与传送模块(2)连接。
4.根据权利要求2或3所述的模块化装置，其特征在于，对于传送模块(2)的框架构造上的设置或可拆卸设置的可能性，远距离模块(6)配有连接构件(7)，而传送模块(2)获得形状和尺寸对应的固定平台(3)。
5.根据权利要求1和2所述的模块化装置，其特征在于，用于通过“远程LIBS”方法进行分析的装置的纤维模块(8)由用于使激光脉冲(9)聚焦的纤维主要光学系统(81)和用于收集发射的电磁辐射(11)的纤维辅助光学系统(82)构成。
6.根据权利要求5所述的模块化装置，其特征在于，纤维模块(8)通过用于规定激光脉冲(9)的路线的连接元件(12)与激光器模块(4)不连通地连接，以及通过用于规定电磁辐射(11)的路线的纤维收集线缆(15)与传送模块(2)连接。
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