CN109827950A - 一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统，属于气体检测技术领域。通过采用气体传感器模块阵列和LIBS击穿气体模块阵列两种技术进行对比检测，在爆炸或高温下样品产生气体产生物的过程中，将气体产生物的浓度检测、扩散速度、时间分辨性的扩散情况检测结合在一起。本发明系统采用真空法兰作为组件，能够实现高真空度下气体产物的研究，同时增加了实验装置的可组装特性，可以根据具体的实验需求改善实验装置，应用型更加广泛。本发明系统，能够直观的分析气体产物的扩散速度与扩散情况，更加适应包括爆炸研究在内的多行业实际需求。

Description

一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，涉及一种高集成度的针对样品在激光诱导爆破和激光加热下产生气体产物的动态、实时、具有时间分辨特性的，并且综合了电化学、光谱学两种手段的高精度检测分析系统。

背景技术

目前，通过对反应过后气体产物扩散情况的研究，是众多行业领域的重要研究方向。特别是对含能材料气体分解物的动态检测及扩散分析、燃料性能分析，在当今爆炸科学研究中具有重要意义。通过对含能材料气体产物成分、浓度以及扩散情况的研究，可以对炸药性能做出准确预估，对爆炸科学具有重要指导意义。

科研人员对气体扩散研究具有很长的历史，其主要是采取扩散系数实验测定方式，国内外研究者从宏观角度和微观角度分别给出了不同的测定方法。宏观测定方法主要有：激光全息干涉法、气相色谱分析法、膜池法和stefan扩散管法等；微观测定方法包括核磁共振等。但无论是宏观测定还是微观测定，普遍成本太高，数据处理繁琐，应用不够广泛。与此相比，针对固体在加热或高能量注入下的瞬时分解产物，特别是在分解过程中有化学反应的动态过程的分析，同时获取产物元素和分子信息，以及气体产物扩散速度和时间分辨性的扩散情况，更具有实际的指导意义。而此类检测分析设备一直缺失。

发明内容

本发明主要针对目前煤炭行业以及含能材料的研究中，对于分解的气体产生物无法快速、便捷的获取其成分浓度、扩散系数以及扩散情况的问题，提出了一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统。本发明通过采用电化学气体传感器模块阵列和LIBS击穿气体模块阵列两种技术进行对比检测，在爆炸或高温下样品产生气体产生物的过程中，将气体产生物的浓度检测、扩散速度、时间分辨性的扩散情况检测结合在一起。

本发明方法是通过下述技术方案实现的。

一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统，包括：红外连续激光器、纳秒脉冲激光器、分子泵、多级宽光谱采集光谱仪、多功能样品室、电动三维平移样品台、真空法兰检测腔、气体传感器阵列、延时触发器、会聚透镜、笼式半透半反镜组、光纤光学收集模块、LIBS击穿气体模块、激光窗口、程序控制和数据处理显示系统、气体压力表、真空阀和真空管。

其中，所述红外连续激光器，用于对测试样品进行激光加热分解，产生气体产物。

所述纳秒脉冲激光器，用于对测试样品进行激光诱导爆破，产生气体产物。

所述分子泵，用于将系统抽真空，实现真空下的测试环境。

所述多级宽光谱采集光谱仪，用于对经激光诱导爆破、LIBS击穿气体模块中产生的等离子体光谱进行分析。

所述多功能样品室，用于放置电动三维平移样品台，并提供真空腔室。多功能样品室的各个面均有法兰接口，顶部安装有激光窗口。

所述电动三维平移样品台，用于放置样品并实现样品的三维位移。

所述真空法兰检测腔，用于形成气体通路，同时，为安装气体传感器阵列模块和LIBS击穿气体模块提供必要接口。真空法兰可以采用四通法兰、六通法兰等。

所述气体传感器阵列，用于检测扩散气体的成分、浓度和位置。

所述会聚透镜，用于将激光器发出的激光会聚到样品上，使样品被加热分解或诱导爆破。

所述笼式半透半反镜组，用于将激光器发射的激光分光为多路激光，抵达不同的检测位置。

所述光纤光学收集模块，用于收集样品产生的等离子体光谱。

所述LIBS击穿气体模块，用于通过气体产物的等离子体光谱检测扩散气体的成分、浓度和位置。

所述激光窗口，用于将激光透过多功能样品室照射到样品上。

所述延时触发器，用于控制采集光谱的延迟时间。

所述程序控制和数据处理显示系统，其作用包括：控制红外连续激光器、纳秒脉冲激光器、电动三维平移样品台和多级宽光谱采集光谱仪的开启和运行；控制延时触发器的延迟时间设置；处理显示气体传感器阵列的输出信号。

所述气体压力表，用于监测系统的压强与真空度。

所述真空阀，用于密闭多功能样品室，使其保持当前真空度。

所述真空管用于系统在抽真空时传输气体。可以使用不锈钢真空管。

上述组成部件之间的连接关系为：

红外连续激光器、纳秒脉冲激光器分别与程序控制和数据处理显示系统相连。

多级宽光谱采集光谱仪与光纤光学收集模块、延时触发器、程序控制和数据处理显示系统分别相连。

多功能样品室与真空法兰检测腔相连。

光纤光学收集模块，其一端设有多个光纤收集端口，分别连接在真空法兰上，所述端口与多个LIBS击穿气体模块一一对应；另一端为公共尾端，与多级宽光谱采集光谱仪连接。

电动三维平移样品台放置于多功能样品室之内，并与程序控制和数据处理显示系统相连。

真空法兰检测腔与多功能样品室、气体传感器阵列、LIBS击穿气体模块分别相连。

气体传感器阵列与程序控制和数据处理显示系统相连。

会聚透镜与笼式半透半反镜组相连。

笼式半透半反镜组与多功能样品室、真空法兰检测腔和会聚透镜分别相连。

激光窗口与多功能样品室相连。

程序控制和数据处理显示系统与红外连续激光器、纳秒脉冲激光器、多级宽光谱采集光谱仪、延时触发器以及气体传感器阵列分别相连。

分子泵通过真空管与真空阀、气体压力表和多功能样品室分别相连。

气体压力表与真空管相连。

真空阀通过真空管与多功能样品室相连。

使用本方法所述系统进行检测分析的方法如下：

步骤一、将样品放置在电动三维平移样品台上，关上激光窗口，使整个系统处于密闭状态。

步骤二、打开真空阀，使真空管形成通路。

步骤三、开启分子泵，抽出系统中的空气，降低系统的真空度。

步骤四、观察气体压力表，当达到需要的真空度时，关闭真空阀和分子泵，使系统保持当前真空度。

步骤五、使用程序控制和数据处理显示系统，控制红外连续激光器、纳秒脉冲激光器、多级宽光谱采集光谱仪、延时触发器以及气体传感器阵列，使其均处于工作待机状态。

步骤六、开启延时触发器设定延迟时间，控制多级宽光谱采集光谱仪在不同延迟下采集光谱。

步骤七、根据检测需要，选择打开红外连续激光器或纳秒脉冲激光器。激光器发射的激光，通过笼式半透半反镜组和会聚透镜，经过激光窗口后照射到样品上，使样品分解出气体产物。

步骤八、气体产物逐渐向两侧的真空法兰检测腔扩散，使用触发气体传感器阵列和LIBS击穿气体模块采集气体数据。

步骤九、使用程序控制和数据处理显示系统，对气体传感器阵列和LIBS击穿气体模块输出的数据进行分析处理。

自此，就实现了对激光诱导爆破和激光加热分解气体产物的成分浓度、扩散系数以及扩散情况的快速便捷的检测。

有益效果

1、本发明系统，采用真空法兰作为装置组件，能够实现高真空度下气体产物的研究，同时增加了实验装置的可组装特性，可以根据具体的实验需求改善实验装置，应用型更加广泛。

2、本发明系统，能够直观的分析气体产物的扩散速度与扩散那情况，更加适应包括爆炸研究在内的多行业实际需求。

附图说明

图1是本发明系统的组成示意图；

图2是单个真空法兰剖面的示意图；

图3是检测腔中单个传感器阵列示意图；

图4是检测腔中单个LIBS击穿气体模块示意图；

其中，1-多功能样品室、2-电动三维平移样品台、3-真空法兰检测腔、4-气体传感器阵列、5-会聚透镜、6-笼式半透半反镜组、7-光纤光学收集模块、8-LIBS击穿气体模块、9-激光窗口、10-气体压力表、11-真空阀、12-真空管、13-红外连续激光器、14-纳秒脉冲激光器、15-分子泵、16-多级宽光谱采集光谱仪、17-延时触发器、18-程序控制和数据处理显示系统。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

实施例

如图1所示，一种激光诱导爆破和红外激光加热分解产物的即时分析系统，包括：多功能样品室1、电动三维平移样品台2、真空法兰检测腔3、气体传感器阵列4、会聚透镜5、笼式半透半反镜组6、光纤光学收集模块7、LIBS击穿气体模块8、激光窗口9、气体压力表10、真空阀11、真空管12、红外连续激光器13、纳秒脉冲激光器14、分子泵15、多级宽光谱采集光谱仪16、延时触发器17、程序控制和数据处理显示系统18。

连接关系为：多功能样品室1(本实施例中，其体积为300mm×300mm×400mm)的顶部装有激光窗口9，会聚透镜5位于激光窗口9的正上方，样品放置在电动三维平移样品台2之上。多功能样品室1连接两个检测腔室，检测腔室由真空法兰组成，可根据需求改变长度，真空法兰的剖面如图2所示。其中一个检测腔，装有气体传感器阵列4，传感器呈环形排列置于法兰盘内，如图3所示，法兰盘与真空法兰相连接；另一个检测腔，是在真空法兰上装有多个激光窗口9，用LIBS击穿气体模块8检测气体产物的扩散情况。多功能样品室1通过真空管12与分子泵15相连，真空管12装有压力表10和真空阀11，用于观察和控制整个系统的真空度。多功能样品室1的下部有进气口，上部有出气口，用于排除气体产物。激光器发射的激光光束通过一系列半透半反镜达到分光和改变光路的效果。笼式半透半反镜组6安装在多功能样品室1和真空法兰检测腔3上；光纤光学收集模块7的一端有多个光纤收集端口，分别安装在真空法兰上并与多个LIBS击穿气体模块8一一对应，另一端为公共尾端，连接在多级宽光谱采集光谱仪16上；多级宽光谱采集光谱仪16与延时触发器17相连，通过延时触发器17控制采集光谱的延迟时间；程序控制和数据处理显示系统18与红外连续激光器13、纳秒脉冲激光器14、多级宽光谱采集光谱仪16、延时触发器17、气体传感器阵列4分别相连，用于控制触发、采集、分析和显示数据。

使用本方法所述系统进行检测分析的过程如下：

将微量含能材料样品，放置于多功能样品室1内的电动三维平移样品台2上，打开真空阀11，开启分子泵15抽真空，当压力表10显示当前真空度为10^-3pa时，关闭真空阀11和分子泵15，整个系统保持当前真空度。根据测试需求，打开红外连续激光器13或纳秒脉冲激光器14。激光通过多功能样品室1上方的笼式半透半反镜组6、会聚透镜5，垂直穿过激光窗口9入射到样品上。调节会聚透镜5的位置，使激光刚好聚焦在样品上，样品受热分解或者激发产生气体产物。气体产物通过扩散运动向多功能样品室1两侧由真空法兰连接而成的检测腔内逐步扩散。相邻两个真空法兰之间装有气体传感器阵列4。由程序控制和数据处理显示系统18记录、显示气体传感器阵列4的响应信号。由于气体的不断扩散，气体传感器阵列4依次响应，记录显示第一组传感器响应时间为t1，第二组响应时间为t2，两组传感器间距为L,则其扩散速度为同理在另一个检测腔扩散的气体，通过LIBS击穿气体模块8检测其扩散的位置，通过外接的延时触发器17，调节不同位置的多级宽光谱采集光谱仪16的采集时间。设置相邻两个光谱采集时间延迟为t3，根据光速计算所走过光程，使得激光激发和光谱采集相匹配，记录相邻两个LIBS击穿气体模块8的距离为L2，其扩散速度为除此之外，通过响应的传感器类型以及原子光谱分析，可以定性、定量的得出气体产物的具体成分和浓度信息。

Claims (2)

1.一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统，其特征在于，包括：多功能样品室(1)、电动三维平移样品台(2)、真空法兰检测腔(3)、气体传感器阵列(4)、会聚透镜(5)、笼式半透半反镜组(6)、光纤光学收集模块(7)、LIBS击穿气体模块(8)、激光窗口(9)、气体压力表(10)、真空阀(11)、真空管(12)、红外连续激光器(13)、纳秒脉冲激光器(14)、分子泵(15)、多级宽光谱采集光谱仪(16)、延时触发器(17)、程序控制和数据处理显示系统(18)；

其中，所述多功能样品室(1)，用于放置电动三维平移样品台(2)，并提供真空腔室；多功能样品室(1)的各个面均有法兰接口，顶部安装有激光窗口(9)；

所述电动三维平移样品台(2)，用于放置样品并实现样品的三维位移；

所述真空法兰检测腔(3)，用于形成气体通路，同时，为安装气体传感器阵列(4)和LIBS击穿气体模块(8)提供必要接口；

所述气体传感器阵列(4)，用于检测扩散气体的成分、浓度和位置；

所述会聚透镜(5)，用于将激光器发出的激光会聚到样品上，使样品被加热分解或诱导爆破；

所述笼式半透半反镜组(6)，用于将激光器发射的激光分光为多路激光，抵达不同的检测位置；

所述光纤光学收集模块(7)，用于收集样品产生的等离子体光谱；

所述LIBS击穿气体模块(8)，用于通过气体产物的等离子体光谱检测扩散气体的成分、浓度和位置；

所述激光窗口(9)，用于将激光透过多功能样品室(1)照射到样品上；

所述气体压力表(10)，用于监测系统的压强与真空度；

所述真空阀(11)，用于密闭多功能样品室(1)，使其保持当前真空度；

所述真空管(12)用于系统在抽真空时传输气体；

所述红外连续激光器(13)，用于对测试样品进行激光加热分解，产生气体产物；

所述纳秒脉冲激光器(14)，用于对测试样品进行激光诱导爆破，产生气体产物；

所述分子泵(15)，用于将系统抽真空，实现真空下的测试环境；

所述多级宽光谱采集光谱仪(16)，用于对经激光诱导爆破、LIBS击穿气体模块(8)中产生的等离子体光谱进行分析；

所述延时触发器(17)，用于控制采集光谱的延迟时间；

所述程序控制和数据处理显示系统(18)，其作用包括：控制红外连续激光器(13)、纳秒脉冲激光器(14)、电动三维平移样品台(2)和多级宽光谱采集光谱仪(16)的开启和运行；控制延时触发器(17)的延迟时间设置；处理和显示气体传感器阵列(4)的输出信号；

上述组成部件之间的连接关系为：

红外连续激光器(13)、纳秒脉冲激光器(14)分别与程序控制和数据处理显示系统(18)相连；

多级宽光谱采集光谱仪(16)与光纤光学收集模块(7)、延时触发器(17)、程序控制和数据处理显示系统(18)分别相连；

多功能样品室(1)与真空法兰检测腔(3)相连；

光纤光学收集模块(7)，其一端设有多个光纤收集端口，分别连接在真空法兰上，所述端口与多个LIBS击穿气体模块(8)一一对应；另一端为公共尾端，与多级宽光谱采集光谱仪(16)连接；

电动三维平移样品台(2)放置于多功能样品室(1)之内，并与程序控制和数据处理显示系统(18)相连；

真空法兰检测腔(3)与多功能样品室(1)、气体传感器阵列(4)、LIBS击穿气体模块(8)分别相连；

气体传感器阵列(4)与程序控制和数据处理显示系统(18)相连；

会聚透镜(5)与笼式半透半反镜组(6)相连；

笼式半透半反镜组(6)与多功能样品室(1)、真空法兰检测腔(3)和会聚透镜(5)分别相连；

激光窗口(9)与多功能样品室(1)相连，位于多功能样品室(1)的顶部；

程序控制和数据处理显示系统(18)与红外连续激光器(13)、纳秒脉冲激光器(14)、多级宽光谱采集光谱仪(16)、延时触发器(17)以及气体传感器阵列(4)分别相连；

分子泵(15)通过真空管(12)，与真空阀(11)、气体压力表(10)和多功能样品室(1)分别相连；

气体压力表(10)与真空管(12)相连；

真空阀(11)通过真空管(12)与多功能样品室(1)相连。

2.如权利要求1所述的一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统，其特征在于，使用系统进行检测分析的方法如下：

步骤一、将样品放置在电动三维平移样品台(2)上，关上激光窗口(9)，使整个系统处于密闭状态；

步骤二、打开真空阀(11)，使真空管(12)形成通路；

步骤三、开启分子泵(15)，抽出系统中的空气，降低系统真空度；

步骤四、观察气体压力表，当达到需要的真空度时，关闭真空阀(11)和分子泵(15)，使系统保持当前真空度；

步骤五、使用程序控制和数据处理显示系统(18)，控制红外连续激光器(13)、纳秒脉冲激光器(14)、多级宽光谱采集光谱仪(16)、延时触发器(17)以及气体传感器阵列(4)，使其均处于工作待机状态；

步骤六、开启延时触发器(17)设定延迟时间，控制多级宽光谱采集光谱仪(16)在不同延迟下采集光谱；

步骤七、根据检测需要，选择打开红外连续激光器(13)或纳秒脉冲激光器(14)；激光器发射的激光，通过笼式半透半反镜组(6)和会聚透镜(5)，经过激光窗口(9)后照射到样品上，使样品分解出气体产物；

步骤八、气体产物逐渐向两侧的真空法兰检测腔(3)扩散，使用气体传感器阵列(4)和LIBS击穿气体模块(8)采集气体数据；

步骤九、使用程序控制和数据处理显示系统(18)，对气体传感器阵列(4)和LIBS击穿气体模块(8)输出的数据进行分析处理。