CN108459012A - 便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，是基于对激光诱导的等离子体进行再放电方法，以较小的激光能量达到现场检测的灵敏度要求，并通过精确控制等离子体产生与放电之间的延时，提高等离子体放电效率与光谱信号稳定性。该系统的等离子体激发、火花放电以及光谱信号收集是以半球形中空腔室为基体的一体化模块结构，此结构具有结构稳固、精密紧凑、维护周期长等特点。等离子体产生与火花放电之间的延时采用高速电子开关控制，可根据系统现场的实际应用情况进行精确调控。系统操作简便、成本较低、且体积小质量轻易于便携，可广泛用于环境重金属污染、矿业采选、考古以及金属分拣等领域的快速检测。

Description

便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统

技术领域

本发明涉及激光诱导等离子体光谱测量技术领域，尤其涉及便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，适用于环境重金属污染、矿业采选、考古以及金属分拣等不同领域的快速检测应用。

背景技术

LIBS技术是一种元素快速分析手段，主要是基于激光与物质相互作用产生激光等离子体辐射光谱，通过对待测元素的特征谱线波长及强度的分析实现对元素的定性与定量。LIBS技术可用于任何检测对象，具有简便快速、无需制样、多元素同时测量等优点，在工业、农业及环境等领域均有广泛用途及应用研究。

但在实际应用中，LIBS技术受激发光源及光谱分光探测等硬件体积质量的限制，主要还是实验室应用；并且LIBS应用中受基体效应影响严重，要保证实际应用中LIBS信号检测灵敏度，往往需要维持激光器输出能量在一个较高水平，高能量意味大体积和高成本，因而增加了现场便捷应用难度，限制了该技术的广泛应用。为了推动LIBS技术的现场应用发展，除了发展激光器技术，使其保持较高的激光脉冲能量且小型化外，联合其它辅助技术手段以降低对激光器性能的要求是重要的研究方向。

在辅助技术研究方面，国内外研究团队有利用等离子体的束缚效应，采用了诸如磁场、腔室等方式；有采取高频微波辅助诱导等离子体的方法；还有采用电极放电的方法(专利申请号：200910154015.2；专利申请号：201310611350.7)等等。电极放电辅助技术从成本及便携性方面考虑，都特别适合辅助LIBS技术的现场应用开发，但前面提及的装置或系统都只从电极形式、电极间距以及放电电压方面考虑，而没有对等离子体产生到放电之间的延迟时间实现精确控制，导致放电效率方面存在不足。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，包括有激光器、光谱仪、高压源、控制板、锂电池、平板电脑和手持工作头，所述的激光器、光谱仪、控制板均与平板电脑连接，所述的手持工作头包括有激光聚焦工作点微调机构和等离子体激发与光信号收集模块，所述的等离子体激发与光信号收集模块包括有火花放电电极对和光信号耦合收集单元，所述的锂电池用于给光谱仪、激光器、高压源及控制板提供电能，所述的火花放电电极对通过线缆与高压源连接，高压源给火花放电电极对提供火花放电电压，所述的光信号耦合收集单元通过光纤与光谱仪连接，所述的控制板分别与高压源和锂电池连接，控制板控制高压源的开关以及监测锂电池电量状态，所述的激光器发出激光通过光纤导入手持工作头，并传输通过激光聚焦工作点微调机构，再照射到待测样品表面产生等离子体，待等离子体产生后控制板控制高压源给火花放电电极对提供放电电压，火花放电电极对对等离子体再放电，等离子体发出的光信号经光信号耦合收集单元传输到光谱仪中实现分光探测，并经平板电脑中系统软件呈现，得到待测样品的光谱数据，通过控制板控制高压源的开关来控制等离子体产生与放电之间的延时。

还包括有手提工作箱，所述的激光器、光谱仪、高压源、控制板、锂电池都位于手提工作箱内部，在手提工作箱内还设有工作头放置空间，所述的手持工作头放在工作头放置空间内，所述的平板电脑位于手提工作箱的盖体内壁。

所述的激光聚焦工作点微调机构包括有套筒、直线导轨筒、聚焦透镜安装座和导引针，所述的套筒套在直线导轨筒外面，在套筒内壁设有螺旋导轨槽，所述的聚焦透镜安装座内安装有聚焦透镜，聚焦透镜安装座位于直线导轨筒内，所述的导引针固定安装在聚焦透镜安装座的侧面与聚焦透镜安装座连接成一体，导引针的另一端位于套筒的螺旋导轨槽内，当旋转套筒时，螺旋导轨槽带动导引针在直线导轨筒的键槽内上下移动，从而带动聚焦透镜安装座在直线导轨筒内上下移动，实现激光聚焦点与待测样品表面之间相对位置的调节。

所述的等离子体激发与光信号收集模块还包括有半球中空等离子体约束腔，所述的火花放电电极对和光信号耦合收集单元均从半球中空等离子体约束腔的表面伸入半球中空等离子体约束腔内部，激光聚焦工作点微调机构与半球中空等离子体约束腔的顶部连接。

所述的火花放电电极对选择高纯钨材料，电极通过聚四氟乙烯绝缘套装与等离子体约束腔连接。

所述的高压源的输出范围为1kV到10kV，高压源的门控延时范围为500ns到50μs。

平板电脑为系统的核心处理器，其功能包括对激光器、光谱仪的工作状态控制、通过控制板实现高压源的开关、锂电池的容量状态监控、光谱图呈现及光谱数据分析。锂电池用于给光谱仪、激光器高压源及控制板提供能源，光谱仪用于探测等离子体辐射光谱信号，激光器作为产生等离子体的激发光源，高压源提供火花放电电压，控制板控制高压源的开关以及监测锂电池电量状态，工作头放置空间用于放置手持工作头及线缆软管，手持工作头与工作箱之间通过线缆软管链接，线缆软管用于包裹传输激光及等离子体光信号的光纤和电气线。

系统具体工作过程为：打开工作箱开启电源总开关，并开启光谱仪、激光器以及平板电脑，然后打开系统控制软件，设置放电电压、放电延时、激光工作脉冲数等工作参数，然后取出工作头对准检测物质，在控制软件上点击开始按钮，系统即可工作并采集光谱数据。采集到的光谱数据以谱线图的形式呈现在系统软件界面，调用内部数据库即可进行定性定量分析。整个过程操作简单、快捷。

本发明的优点是：本发明基于对激光诱导的等离子体进行再放电方法，以较小的激光能量达到现场检测的灵敏度要求，并通过精确控制等离子体产生与放电之间的延时，提高等离子体放电效率与光谱信号稳定性；该系统的等离子体激发、火花放电以及光谱信号收集是以半球形中空腔室为基体的一体化模块结构，此结构具有结构稳固、精密紧凑、维护周期长等特点；等离子体产生与火花放电之间的延时采用高速电子开关控制，可根据系统现场的实际应用情况进行精确调控；该系统结构稳固便携、操作简便、成本较低、检测灵敏度好且信号稳定，适用于环境重金属污染、矿业采选、考古以及金属分拣等不同领域的快速检测应用。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为手持工作头结构图。

图3为激光聚焦工作点微调机构结构图。

图4为激光聚焦点调节示意。

图5为等离子体激发与光信号收集模块结构图。

图6为火花电极对空间结构图。

图7为火花放电时序示意图。

图8为实测光谱对比图。

具体实施方式

如图1、2所示，便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，包括有激光器1、光谱仪2、高压源3、控制板4、锂电池5、平板电脑6和手持工作头7，所述的激光器1、光谱仪2、控制板4均与平板电脑6连接，所述的手持工作头7包括有激光聚焦工作点微调机构8和等离子体激发与光信号收集模块9，所述的等离子体激发与光信号收集模块9包括有火花放电电极对10和光信号耦合收集单元11，所述的锂电池5用于给光谱仪2、激光器1、高压源3及控制板4提供电能，所述的火花放电电极对10通过线缆与高压源3连接，高压源3给火花放电电极对10提供火花放电电压，所述的光信号光纤收集单元11与光谱仪2连接，所述的控制板4分别与高压源3和锂电池5连接，控制板4控制高压源3的开关以及监测锂电池5电量状态，所述的激光器1发出激光通过光纤导入激光聚焦工作点微调机构8，再照射到待测样品表面产生等离子体，待等离子体产生后控制板4控制高压源3给火花放电电极对10提供放电电压，火花放电电极对10放电，等离子体发出的光信号经光信号耦合收集单元11经光纤传输到光谱仪2中，光谱仪2将光信号转换为电信号输入平板电脑6中，得到待测样品的光谱信号，通过控制板4控制高压源3的开关来控制等离子体产生与放电之间的延时。

还包括有手提工作箱12，所述的激光器1、光谱仪2、高压源3、控制板4、锂电池5都位于手提工作箱12内部，在手提工作箱12内还设有工作头放置空间13，所述的手持工作头7放在工作头放置空间13内，所述的平板电脑6位于手提工作箱12的盖体内壁。工作头放置空间用于放置手持工作头及线缆。当需要进行检测时，打开手提工作箱，开启系统，取出手持工作头，对准检测物质即可进行检测。

如图3所示，所述的激光聚焦工作点微调机构8包括有套筒14、直线导轨筒15、聚焦透镜安装座16和导引针17，所述的套筒14套在直线导轨筒15外面，在套筒14内壁设有螺旋导轨槽18，所述的聚焦透镜安装座16内安装有聚焦透镜，聚焦透镜安装座16位于直线导轨筒15内，所述的导引针17固定安装在聚焦透镜安装座16的侧面与聚焦透镜安装座16连接成一体，导引针17的另一端位于套筒14的螺旋导轨槽18内，当旋转套筒14时，螺旋导轨槽18带动导引针17在直线导轨筒15的键槽内上下移动，从而带动聚焦透镜安装座16在直线导轨筒15内上下移动，实现激光聚焦点与待测样品表面之间相对位置的调节。激光聚焦点调节如图4所示。

如图5所示，所述的等离子体激发与光信号收集模块9还包括有半球中空等离子体约束腔19，所述的火花放电电极对10和光信号光纤收集单元11均从半球中空等离子体约束腔19的表面伸入半球中空等离子体约束腔19内部，激光聚焦工作点微调机构8与半球中空等离子体约束腔19的顶部连接。

所述的火花放电电极对10选择高纯钨材料，电极通过聚四氟乙烯绝缘套装20与等离子体约束腔19连接。

所述的高压源3的输出范围为1kV到10kV，高压源的门控延时范围为500ns到50μs。

火花放电电极选择高纯钨材料，电极通过聚四氟乙烯绝缘套装与等离子体约束腔连接，电极对在等离子体约束腔内的空间布置如图6所示，电极对之间的夹角、电极间距以及电极端到约束腔底面距离可以根据激光等离子体尺寸大小灵活设置，以便保持与等离子体膨胀形态相契合，本系统设置电极对夹角80度，电极间距5mm，到约束腔室底面距离2mm。等离子光信号耦合收集单元所在平面(图5)与火花放电电极对所在平面(图6)成90度关系排布。等离子体激发与光信号收集模块具有结构稳固、精密紧凑、维护周期长等特点。

火花放电是由高压源提供电能、由控制板控制高压源的开与关。高压源输出范围从1kV到10kV之间程序控制可调，门控延时可从500ns到50μs范围程序控制可调，延迟时序如图7所示。本系统火花放电参数设置为高压输出4kV，门控延时1.5μs。

系统具体工作过程为：打开工作箱开启电源总开关，并开启光谱仪、激光器以及平板电脑，然后打开系统控制软件，设置放电电压、放电延时、激光工作脉冲数等工作参数，然后取出工作头对准检测物质，在控制软件上点击开始按钮，系统即可工作并采集光谱数据。采集到的光谱数据以谱线图的形式呈现在系统软件界面，调用内部数据库即可进行定性定量分析。整个过程操作简单、快捷。

利用本发明系统进行了光谱检测实验，并利用传统LIBS系统进行对比。测试对象为采集的农田潮湿土壤，测试前对采集的潮土进行了简单的平整压实处理。本系统工作参数设置：1064nm激光、脉冲能量25mJ、频率3Hz、聚焦透镜焦距60mm，电极间距5mm、到约束腔室底面距离2mm、放电高压4kV，门控延时1.5μs；传统LIBS系统参数：1064nm激光、脉冲能量80mJ、频率3Hz，聚焦透镜焦距60mm；两个系统的光信号收集参数保持一致。每个测试数据取值为10个激光脉冲的算术平均值，截取了324.5nm～333.5nm波段的两个系统测试光谱，对比如图8所示。从图中可以看出，本系统在火花放电技术辅助下，利用25mJ的激光能量获得的光谱数据相比较传统LIBS系统80mJ能量获得的光谱数据，在光谱强度以及检测灵敏度上都获得了提高。并取铜(Cu I 327.396nm)元素的光谱强度分析了本系统的数据稳定性，以相对标准差(RSD/％)表示见表1。

表1 光谱数据稳定性

通过对比测试表明，本系统采取的激光等离子体火花放电技术，并通过精确控制等离子体产生到电极放电之间的时间参数，提升了等离子光谱强度、检测灵敏度以及数据稳定性；并且系统具有结构紧凑便携特点。

Claims (6)

1.便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，其特征在于：包括有激光器、光谱仪、高压源、控制板、锂电池、平板电脑和手持工作头，所述的激光器、光谱仪、控制板均与平板电脑连接，所述的手持工作头包括有激光聚焦工作点微调机构和等离子体激发与光信号收集模块，所述的等离子体激发与光信号收集模块包括有火花放电电极对和光信号耦合收集单元，所述的锂电池用于给光谱仪、激光器、高压源及控制板提供电能，所述的火花放电电极对通过线缆与高压源连接，高压源给火花放电电极对提供火花放电电压，所述的光信号耦合收集单元通过光纤与光谱仪连接，所述的控制板分别与高压源和锂电池连接，控制板控制高压源的开关以及监测锂电池电量状态，所述的激光器发出激光通过光纤导入手持工作头，并传输通过激光聚焦工作点微调机构，再照射到待测样品表面产生等离子体，待等离子体产生后控制板控制高压源给火花放电电极对提供放电电压，火花放电电极对对等离子体再放电，等离子体发出的光信号经光信号耦合收集单元传输到光谱仪中实现分光探测，并经过平板电脑得到待测样品的光谱数据，通过控制板控制高压源的开关来控制等离子体产生与放电之间的延时。

2.根据权利要求1所述的便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，其特征在于：还包括有手提工作箱，所述的激光器、光谱仪、高压源、控制板、锂电池都位于手提工作箱内部，在手提工作箱内还设有工作头放置空间，所述的手持工作头放在工作头放置空间内，所述的平板电脑位于手提工作箱的盖体内壁。

3.根据权利要求1所述的便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，其特征在于：所述的激光聚焦工作点微调机构包括有套筒、直线导轨筒、聚焦透镜安装座和导引针，所述的套筒套在直线导轨筒外面，在套筒内壁设有螺旋导轨槽，所述的聚焦透镜安装座内安装有聚焦透镜，聚焦透镜安装座位于直线导轨筒内，所述的导引针固定安装在聚焦透镜安装座的侧面与聚焦透镜安装座连接成一体，导引针的另一端位于套筒的螺旋导轨槽内，当旋转套筒时，螺旋导轨槽带动导引针在直线导轨筒的键槽内上下移动，从而带动聚焦透镜安装座在直线导轨筒内上下移动，实现激光聚焦点与待测样品表面之间相对位置的调节。

4.根据权利要求3所述的便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，其特征在于：所述的等离子体激发与光信号收集模块还包括有半球中空等离子体约束腔，所述的火花放电电极对和光信号耦合收集单元均从半球中空等离子体约束腔的表面伸入半球中空等离子体约束腔内部，激光聚焦工作点微调机构与半球中空等离子体约束腔的顶部连接。

5.根据权利要求4所述的便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，其特征在于：所述的火花放电电极对选择高纯钨材料，电极通过聚四氟乙烯绝缘套装与等离子体约束腔连接。

6.根据权利要求1所述的便携式激光等离子体火花放电元素光谱检测系统，其特征在于：所述的高压源的输出范围为1kV到10kV，高压源的门控延时范围为500ns到50μs。