CN114062348A - 基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，包括介质阻挡放电模块和激光诱导击穿光谱模块；介质阻挡放电模块包括两个放电器，两个放电器相互靠近的一端均发射等离子体射流，两条等离子体射流对冲后在待测固体样品的表面形成介质阻挡放电等离子体环境；并且，激光诱导击穿光谱模块包括激光器、光纤探头以及光谱仪，激光器发射的激光通过介质阻挡放电等离子体环境后照射在待测固体样品的表面以产生激光等离子体，激光等离子体在介质阻挡放电等离子体环境中产生光子，光子通过光纤探头采集进入光谱仪。本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统可以通过结构的设计改善LIBS的信号重复性，并能够降低击穿阈值。

Description

基于介质阻挡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技术领域，更为具体地，涉及一种基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统。

背景技术

LIBS(激光诱导击穿光谱技术)是一种应用广泛的原子发射光谱技术，可用于分析物质的元素含量。LIBS的基本原理是：将一束脉冲激光聚焦至待分析样品处，烧蚀少量样品物质并产生激光等离子体；在等离子体的衰减过程中，其中的各类粒子辐射出特定波长的光子；采集、转换等离子体辐射的光子可得到光谱，其中包含待分析样品的元素含量信息。相比于传统化学分析技术，LIBS具有测量速度快、样品预处理要求低、多元素同时测量等优势，具有极高的发展潜力。

但在实际应用场景中，LIBS仍存在信号灵敏度较低、重复性较差等问题，限制了该技术的进一步应用与发展。因此，增强信号、改善重复性是LIBS研究的重要内容。为此，一些研究者引入了介质阻挡放电技术(专利文献CN104502330A)，用于液体样品的LIBS测量。该方法的原理是，利用介质阻挡放电形成等离子体射流，使等离子体射流覆盖液体样品，再将激光聚焦于样品表面，使激光等离子体在介质阻挡放电等离子体环境中膨胀。由于介质阻挡放电等离子体含有大量离子、电子，且离子、电子温度高于室温，该环境可减缓激光等离子体的衰减过程，增强信号；同时，由于激光轰击导致的液体样品飞溅是LIBS信号重复性较差的重要原因，等离子体射流可通过抑制液体飞溅改善信号重复性。

但是，经实验验证，介质阻挡放电技术无法直接应用于固体样品的LIBS测量，引入等离子体射流会导致信号重复性进一步降低。其原因在于，固体样品的飞溅较为微弱，等离子体射流的抑制作用可忽略不计，无法有效改善信号重复性；而相较于稳定的空气环境，等离子体射流会恶化环境流场稳定性，导致信号重复性降低。

鉴于这一现状，亟需一种既能增强信号，又能改善重复性的方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种新型的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，该系统可以利用对冲结构形成稳定流场，改善固体样品的LIBS信号重复性。同时，该系统可以增强信号、降低击穿阈值。

本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，包括介质阻挡放电模块和激光诱导击穿光谱模块；其中，

所述介质阻挡放电模块包括两个相向设置在待测固体样品的上方的放电器，两个所述放电器相互靠近的一端均发射等离子体射流，两条所述等离子体射流对冲后以在所述待测固体样品的表面形成介质阻挡放电等离子体环境；并且，

所述激光诱导击穿光谱模块包括激光器、光纤探头以及光谱仪，所述激光器发射的激光通过所述介质阻挡放电等离子体环境后照射在所述待测固体样品的表面以产生激光等离子体，所述激光等离子体在所述介质阻挡放电等离子体环境中产生光子，所述光子通过所述光纤探头采集进入所述光谱仪。

此外，优选的方案是，所述放电器包括主体管、针形电极、环形电极以及交流电源；其中，

所述主体管的一端作为所述放电器发射端，所述针形电极通过所述主体管的另一端插入所述主体管的内部，所述环形电极套设在所述主体管的外壁上；并且，

所述交流电源的负极与所述针形电极电性连接并接地，所述交流电源的正极与所述环形电极电性连接。

此外，优选的方案是，所述主体管的插入所述针形电极的一端通过橡胶或玻璃胶密封。

此外，优选的方案是，在所述主体管的侧壁上开设有导通口，所述主体管的内部通过所述导通口通入工作气体。

此外，优选的方案是，所述工作气体包含氦气、氖气、氩气以及氮气中的至少一种气体，所述工作气体的流率为200mL/min～1500mL/min。

此外，优选的方案是，在所述待测固体样品上设置有支架，在所述支架的两侧对称设置有开口端，两个所述放电器的发射端分别与两个所述开口端固定连接。

此外，优选的方案是，所述针形电极为钨铜合金制件，所述环形电极为铜或铝制件，所述主体管为石英管。

此外，优选的方案是，所述放电器发射的等离子体射流的方向与水平方向的夹角在0°～30°之间。

此外，优选的方案是，所述激光诱导击穿光谱模块还包括聚焦透镜，所述激光器发射的激光通过所述聚焦透镜聚焦在所述待测固体样品的表面。

此外，优选的方案是，所述激光诱导击穿光谱模块还包括计算机，所述光谱仪将所述光子的光信号转换为电信号并传输至所述计算机，以在所述计算机上得到所述待测固体样品的光谱图。

和现有技术相比，上述根据本发明的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，有如下有益效果：

本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统通过引入介质阻挡放电技术，使激光等离子体在含有较高温度离子、电子的环境中膨胀，可增强信号、降低击穿阈值；通过设计具有对冲结构的放电器，能够形成稳定的介质阻挡放电等离子体环境，有效改善信号重复性，将介质阻挡放电技术在LIBS测量中的应用范围由液体样品扩展至固体样品；此外，该基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统的构造简单、易于使用、成本低廉，具有极高的实用价值。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的介质阻挡放电模块结构放大图；

图3为待测固体样品为标准铜样品时使用常规LIBS系统和使用本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱系统的光谱对比图。

附图标记：1、激光器；2、聚焦透镜；3、待测固体样品；4、介质阻挡放电模块；5、激光等离子体；6、光纤探头；7、光谱仪；8、计算机；9、交流电源；10、针形电极；11、环形电极；12、主体管；13、支架；14、介质阻挡放电等离子体环境。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细介绍本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统的结构，图1示出了根据本发明实施例的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统的结构，图2示出了根据本发明实施例的介质阻挡放电模块的放大结构。

结合图1、图2共同所示，本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统主要包括介质阻挡放电模块4和激光诱导击穿光谱模块；其中，

该介质阻挡放电模块4进一步包括两个对称且相向设置在待测固体样品3的上方的放电器，两个该放电器相互靠近的一端相向发射等离子体射流，两条该放电器产生的等离子体射流对冲后以在该待测固体样品3的表面形成介质阻挡放电等离子体环境14(一种气体环境层)。

更进一步地，该激光诱导击穿光谱模块包括激光器1(为脉冲激光器1)、光纤探头6、光谱仪7以及计算机8，该激光器1发射的激光通过该介质阻挡放电等离子体环境14后照射在该待测固体样品3的表面以产生激光等离子体5，该激光等离子体5在该介质阻挡放电等离子体环境14中产生光子，这些光子通过该光纤探头6采集进入该光谱仪7，该光谱仪7将该光子的光信号转换为电信号并传输至该计算机8，以在该计算机8上得到该待测固体样品3的光谱图，后续通过形成的光谱图即可实现待测固体样品3的成分检测。

具体地，该放电器包括主体管12、针形电极11、环形电极以及交流电源9(工作频率优选为10kHz，放电功率20W)；其中，该主体管12的一端作为该放电器发射端(用于发射等离子体射流)，该针形电极11通过该主体管12的另一端插入该主体管12的内部；环形电极贴附在主体管12的外壁上，并与针形电极11的尾端有间距(通常选用20mm)；并且，该交流电源9的负极与该针形电极11电性连接并接地，该交流电源9的正极与该环形电极电性连接。

需要说明的是，该主体管12的插入该针形电极11的一端需要通过橡胶或玻璃胶进行密封。并且，在该主体管12的侧壁上开设有导通口，该主体管12的内部通过该导通口通入工作气体，工作气体在导通口中通入，并最终在该主体管12的发射端流出。

在实际使用过程中，当两个放电器的针形电极11、环形电极均通过交流电源9通电后，会在主体管12中的工作气体环境中产生等离子体，主体管12中的等离子体随着工作气体的流动从发射端流出以形成等离子体射流。

需要说明的是，该工作气体需要使用可用于产生介质阻挡放电等离子体射流的气体，具体地，可以包含氦气、氖气、氩气以及氮气中的至少一种气体，并且，为形成等离子体射流，该工作气体的流率可以设置为200mL/min～1500mL/min，等离子体随着工作气体的流动形成等离子体射流。

此外，为将放电器稳定地固定在待测固体样品3上，在该待测固体样品3上设置有支架13，该支架13可以为方形结构，在该支架13的两侧壁上对称设置有开口端，两个该放电器的发射端分别与两个该开口端固定连接，以使两个放电器对称并相向设置，从而实现两条等离子体射流的对冲。

需要说明的是，为进一步提升放电器的放电效果(产生等离子体射流的效果)该针形电极11优先选用钨铜合金进行制件，直径优选为0.2mm～0.5mm；该环形电极优先选用铜或铝进行制件，覆盖主体管12的外壁的轴向长度为5mm～8mm；并且，为提升主体管12的保护性，该主体管12选用石英管，内径优选为2mm～5mm，并且，石英管与样品的距离优选为4mm；支架13的材料优先选用有机玻璃，形状为圆柱面或方形结构，两端开口(开口端)，内径5mm～20mm。

此外，还需要说明的是，可以根据实际需求设定支架13的两侧壁上的开口端的倾斜角，由于两个该放电器的发射端分别与两个该开口端固定连接，因此，开口端的倾斜角即为放电器发射的等离子体射流的倾斜角，从而实现等离子体射流的方向设置，需要说明的是，该放电器发射的等离子体射流的方向与水平方向的夹角通常设置在0°～30°之间。

进一步地，为实现激光器1发射的激光的聚焦，该激光诱导击穿光谱模块还包括聚焦透镜2。脉冲激光器1发出的激光通过聚焦透镜2聚焦在待测固体样品3的表面上，在介质阻挡放电等离子体环境14中产生激光等离子体5；激光等离子体5发出的光信号经光纤探头6采集，进入光谱仪7；光谱仪7将光信号转换为电信号，传输至计算机8，最终得到待测固体样品3的光谱信号。

在实际使用过程中，将介质阻挡放电模块4中的支架13固定于待测固体样品3的上方，向两个放电器通入工作气体，开启交流电源9，调节气体流速、电源电压、电源频率，以获得稳定的介质阻挡放电等离子体环境14。脉冲激光器1发出一束激光脉冲，激光脉冲经聚焦透镜2聚焦至待测固体样品3的表面，产生激光等离子体5。激光等离子体5在介质阻挡放电等离子体环境14中膨胀，其中的激发态粒子在退激过程中释放出光子，由光纤探头6采集进入光谱仪7，进一步转化为电信号。电信号传输至计算机8，可得到待测样品的光谱图。分析光谱特性，可以得到待测固体样品3的元素含量信息。

下面结合具体实例对本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统的结构及其工作原理进行进一步说明。

以标准黄铜样品ZBY904(一种待测固体样品3)为例，采用常规LIBS系统与本发明该的基于介质阻挡放电的LIBS系统，对比信号强度、重复性、击穿阈值。

其中，在本发明提供的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统的介质阻挡放电模块4中，针形电极11的材料为钨铜合金，直径0.2mm；环形电极的材料为铝，覆盖石英管的轴向长度为5mm；针形电极11尾端与环形电极的间距为20mm；石英管内径为2mm，石英管与样品的距离为4mm；支架13内径10mm，单个放电器形成的射流方向与水平方向的夹角为15°；从石英管侧方开口通入氩气作为工作气体，流率500mL/min；交流电源9工作频率10kHz，放电功率20W。LIBS系统中采用Nd:YAG脉冲激光器1，激光波长1064nm，激光频率10Hz；聚焦透镜2焦距为150mm；光谱仪7在激光脉冲发出后1.5μs开始采集光谱信号。

使用40mJ激光能量，对待测固体样品3表面25个不同位置采集25幅光谱，计算铜原子谱线Zn I 481.052nm的强度平均值与相对标准偏差，相对标准偏差越低表示信号重复性越高。此外，通过不断调低激光能量，可以找到产生Zn原子谱线Zn I 481.052nm的最低能量密度，称为击穿阈值。采用40mJ激光能量时的平均光谱如图3所示，计算结果如表1所示。

表1：不同技术方案的谱线强度平均值、相对标准偏差、击穿阈值对比

上表1为不同技术方案的谱线强度平均值、相对标准偏差、击穿阈值对比结果，结合图3与上表1中展示的对比结果可以看出，本发明提供的基于介质阻挡放电的LIBS系统可有效增强信号、改善信号重复性、降低击穿阈值。

如上参照图1至图3以示例的方式描述根据本发明的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，包括介质阻挡放电模块和激光诱导击穿光谱模块；其中，

所述介质阻挡放电模块包括两个相向设置在待测固体样品的上方的放电器，两个所述放电器相互靠近的一端均发射等离子体射流，两条所述等离子体射流对冲后在所述待测固体样品的表面形成介质阻挡放电等离子体环境；并且，

所述激光诱导击穿光谱模块包括激光器、光纤探头以及光谱仪，所述激光器发射的激光通过所述介质阻挡放电等离子体环境后照射在所述待测固体样品的表面以产生激光等离子体，所述激光等离子体在所述介质阻挡放电等离子体环境中产生光子，所述光子通过所述光纤探头采集进入所述光谱仪。

2.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述放电器包括主体管、针形电极、环形电极以及交流电源；其中，

所述主体管的一端作为所述放电器发射端，所述针形电极通过所述主体管的另一端插入所述主体管的内部，所述环形电极套设在所述主体管的外壁上；并且，

所述交流电源的负极与所述针形电极电性连接并接地，所述交流电源的正极与所述环形电极电性连接。

3.如权利要求2所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述主体管的插入所述针形电极的一端通过橡胶或玻璃胶密封。

4.如权利要求2所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

在所述主体管的侧壁上开设有导通口，所述主体管的内部通过所述导通口通入工作气体。

5.如权利要求4所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述工作气体包含氦气、氖气、氩气以及氮气中的至少一种气体，所述工作气体的流率为200mL/min～1500mL/min。

6.如权利要求2所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

在所述待测固体样品上设置有支架，在所述支架的两侧对称设置有开口端，两个所述放电器的发射端分别与两个所述开口端固定连接。

7.如权利要求2所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述针形电极为钨铜合金制件，所述环形电极为铜或铝制件，所述主体管为石英管。

8.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述放电器发射的等离子体射流的方向与水平方向的夹角在0°～30°之间。

9.如权利要求1所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述激光诱导击穿光谱模块还包括聚焦透镜，所述激光器发射的激光通过所述聚焦透镜聚焦在所述待测固体样品的表面。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的基于介质阻挡放电的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，

所述激光诱导击穿光谱模块还包括计算机，所述光谱仪将所述光子的光信号转换为电信号并传输至所述计算机，以在所述计算机上得到所述待测固体样品的光谱图。

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