CN115978995A - 一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉及其应用，包括：控制面板、多段智能程序控温系统、多段智能程序振动系统和炉台结构组合系统；控制面板用于控制多段智能程序控温系统和多段智能程序振动系统；多段智能程序控温系统用于调节加热功率和控制升温时间；多段智能程序振动系统用于调节振动频率；炉台结构组合系统在多段智能程序振动系统上方，用于保证加热过程的受热均匀。本申请通过制作圆形石墨母体，在其上面布局多孔，嵌套石墨坩埚，可以同时分解熔融多个样品，提高效率；其中，石墨母体被感应线圈包围，提高了石墨母体温度的均匀性，使多个石墨坩埚之间受热均匀。

Description

一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉及其应用

技术领域

本申请涉及固体直接分析领域，具体涉及一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉及其应用。

背景技术

在地质研究领域中，通常需要分析地质样品中的造岩元素和微量元素的成分含量。为了从地质样品中获得更多的有价值的信息，人们往往加大样品的采集数量，由此，极大地增加了分析检测样品的工作量，例如，在化探分析中，一个区域采集的样品通常在数千件乃至上万件；在地质剖面研究中，已从过去的以米为单位采集样品发展到以厘米级采集样品的水平，样品数量急剧增加。目前，采用湿法化学分析法虽然可以获得准确的元素成分含量，但是此法分析周期长，劳动强度大，排放废气、废酸等有害物质，对环境生态不友好。采用固体直接分析法分析元素的成分含量，相对来说，对环境生态造成的危害较小，在劳动效率上也远高于湿法化学分析法。可见，对于现代地质研究快速增长的样品数量选用固体直接分析法进行分析检测，可以缩短科研工作时长，降低劳动强度。因此，积极开展固体直接分析方法的研究是一件非常有意义的事情。

而现有技术当中，XRF检测方式对微量元素测定非常少，灵敏度也不高；GFAAS直接进样的检测方式受样品粉末颗粒的影响，对某些地质样品微量元素的检测仍不理想，且测定的微量元素十分有限。

发明内容

本申请通过将石墨材质加工成特殊形状的石墨坩埚，在熔融地质样品时，熔融体具有自动收缩，形成比较完整的熔珠特性；熔珠可以自行脱离坩埚底部，易于取出，方便LA-ICP-MS仪器分析检测。

为实现上述目的，本申请提供了一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，包括：控制面板、多段智能程序控温系统、多段智能程序振动系统和炉台结构组合系统；

所述控制面板用于控制所述多段智能程序控温系统和所述多段智能程序振动系统；

所述多段智能程序控温系统用于调节加热功率和控制升温时间；

所述多段智能程序振动系统用于调节振动频率；

所述炉台结构组合系统在所述多段智能程序振动系统上方，用于保证加热过程的受热均匀。

优选的，所述多段智能程序控温系统的工作流程包括：在不同的温度段，选择不同的加热功率；通过所述控制面板对所述多段智能程序控温系统的加热功率大小和升温时间进行设定，实现精准控制每段的设置温度。

优选的，所述多段智能程序振动系统的工作流程包括：通过所述控制面板根据预设温度，来控制所述多段智能程序振动系统是否振动及振动时间；通过手动调节来控制振动频率。

优选的，所述炉台结构组合系统包括：铜线圈、石英坩埚、石墨母体、石墨坩埚和石英盖板；

所述铜线圈内嵌套所述石英坩埚；

所述石英坩埚内嵌套所述石墨母体；所述石墨母体作为盛放所述石墨坩埚的平台，用于确保所述石墨坩埚的受热更加均匀；

所述石墨母体上盖有所述石英盖板，用于加热平台的温度分布均匀。

优选的，所述石墨母体正面开有多孔，用于嵌套预先盛有分析样品和熔剂的所述石墨坩埚；所述石墨母体背面中央开有一定深度的小孔，用于安置探测温度的热电偶。

优选的，所述石墨母体正面开孔嵌套所述石墨坩埚的数量大于1个。

本申请还提供了一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的方法，用于控制前述的感应炉，步骤包括：

将所述石墨坩埚置于所述石墨母体中；

通过所述控制面板设置所述多段智能程序控温系统和所述多段智能程序振动系统，使样品在振动状态下进行加热；

高温熔融分解样品，将获得的熔珠用环氧树脂制靶，表面切削抛光，使其形成平整的表面。

优选的，在控制所述多段智能程序控温系统的程序升温时，长期使用温度小于1050℃。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

本申请通过制作圆形石墨母体，在其上面布局多孔，嵌套石墨坩埚，可以同时分解熔融多个样品，提高效率；其中，石墨母体被感应线圈包围，提高了石墨母体温度的均匀性，使多个石墨坩埚之间受热均匀。本申请还设计了特殊的石墨坩埚形状，使熔融体规整，易于脱落和取出；此外，感应加热的功率大小在不同温度段，可以自由设置，避免由于升温过快，导致样品飞溅逸出石墨坩埚，使实验失败。最后，本申请通过增加炉台的振动辅助装置，将使获得的熔融玻璃片，更加均匀一致，从而使测定结果更加可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一的感应炉控制面板示意图；

图2为本申请实施例一的感应炉结构示意图；

图3为本申请实施例一的石英坩埚与石墨母体示意图；

图4为本申请实施例一的石墨母体背面示意图；

图5为本申请实施例二的嵌套坩埚底部平底示意图；

图6为本申请实施例二的嵌套坩埚底部圆弧底示意图；

图7为本申请实施例二的石墨坩埚盖子示意图；

图8为本申请实施例二的高纯石墨坩埚平底示意图；

图9为本申请实施例二的高纯石墨坩埚圆弧底示意图；

图10为本申请实施例二的高纯热解石墨坩埚平底示意图；

图11为本申请实施例二的高纯热解石墨坩埚圆底示意图；

图12为本申请实施例二的GSP-2和GSR-3样品改变熔融时间的熔珠示意图。

附图标记说明：1、控制面板；2、开关；3、振动装置；4、机械部件；5、铜线圈；6、石英坩埚；7、圆形石墨块；8、石英盖板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

首先对本申请实施例中所涉及的一些专有技术名词的定义进行说明。

感应炉：感应炉是一种利用感应线圈产生的感应电流加热物料方式的电炉，其原理为电磁感应和电流热效应原理。其中，中频感应加热的感应炉的频率为150-10000Hz，若加热金属物料，则将其放在耐火材料制造的坩埚中，若加热非金属材料，则将物料放在石墨坩埚中。增加交流电频率时感应电流频率则相应提高，产生的热量增多。感应电炉加热迅速，温度高，操作控制方便，主要用于熔炼特种高温材料，也可作为由熔体生长单晶的加热和控制设备。将其应用于分析化学领域，高温熔融分解样品替代传统的马弗炉或电阻炉具有优势。

实施例一

如图1和图2所示，为本实施例感应炉的结构示意图。除具有普通的中频感应炉的加热系统、水冷系统和石墨材料防氧化保护系统外，还包含以下系统组成：

多段智能程序控温系统，由控制面板1控制，面板上加热功率的大小和加热时间可根据设定温度的不同而预先设置。在低温段，选择小的加热功率，防止升温过快，引起样品和熔剂飞溅逸出；在高温段，选择大的加热功率，防止升温到指定温度用时过长。即在不同的温度段，选择不同的加热功率。通过对加热功率的大小与升温时间的程序设定，能够使每段的设置温度精准控制。

多段智能程序振动系统，由控制面板1控制，振动与否和振动时间可根据设定温度的不同而预先设置，振动频率另通过旋转开关2预先手动调节至合适位置。振动装置3在炉台结构的下面，并通过机械部件4与炉台底部相连。

炉台结构组合系统，铜线圈5内嵌套石英坩埚6，再在石英坩埚6内嵌套一块带有一定厚度的圆形石墨块7，称该圆形石墨块7为石墨母体；如图3所示，白色的为石英坩埚，黑色的为石墨母体，石墨母体上的孔，用于盛放石墨坩埚。石墨母体正面开有多孔，孔的尺寸正好用来嵌套预先盛有分析样品和熔剂的石墨坩埚，选择石墨母体作为盛放石墨坩埚的平台，可以确保石墨坩埚的受热更加均匀；如图4所示，石墨母体背面中央开有一定深度的小孔，小孔直径和深度正好安置探测温度的热电偶。然后，在石墨母体上盖上一块石英盖板8，防止加热平台散热太快，且有利于加热平台的温度分布均匀。

在本实施例中，中频感应炉的加热系统中感应加热功率大小的选择由石墨母体上的石墨坩埚数量确定，其数量越多，加热功率越大；且多段智能程序控温系统的程序升温最高温度1200℃，长期使用温度小于1050℃。此外炉台结构组合系统中的石墨母体正面开孔嵌套石墨坩埚的数量大于1个；石墨母体上嵌套的石墨坩埚，在本实施例中，其形状为上部带边沿的圆柱型，坩埚底部为锅底状或者锅底有5mm的平底，有利于熔融体在冷却过程中自收缩形成比较完整的熔珠，且易于取出。需要说明的是只要石墨坩埚能够耐受的熔剂，都可以选择用此法熔融，优选硼酸盐熔剂，易于熔珠脱出。在本实施例中，熔剂可以选择硼酸+碳酸锂、硼酸锂+偏硼酸锂、偏硼酸锂中的任意一组，优选偏硼酸锂。除此之外，石墨坩埚的材质可以选择高纯石墨坩埚、带热解涂层的高纯石墨坩埚和热解石墨坩埚，在本实施例中，优选热解石墨坩埚。

实施例二

下面将结合本实施例，详细介绍本申请如何解决现实生活中的技术问题。

选择一种石墨材质，将其加工为石墨坩埚，作为盛装样品和熔剂的容器，将坩埚置于多头振动程控感应炉的炉台上的石墨母体中，设置程序升温，必要时打开振动开关，使样品在振动状态下易于混匀，开启感应炉的石墨坩埚高温防氧化功能，高温熔融分解样品，将获得的熔珠用环氧树脂制靶，表面切削抛光，使其形成较平整的表面，用于LA-ICP-MS仪器测定；

第一步，中频感应加热的功率依据石墨母体上嵌套的坩埚数量确定。选择嵌套多个石墨坩埚，同时分解样品，具体数量根据需要选择。本实施例感应炉样机石墨母体选择放置4个石墨坩埚，石墨母体的类型和尺寸详见图5和图6；感应加热功率在7.5kw以内可以任意调节。

第二步，选择石墨材质制作石墨坩埚，坩埚形状为圆柱型或坩埚上半部为圆柱形，上部有边延，并带有盖子，底部为锅底型或者锅底底部有5mm的平底(石墨坩埚类型与尺寸详见图7-图11)。为了能够检测微量元素，防止坩埚引入污染，对坩埚材质自身纯度要求极高。目前，市场上可供选择的石墨材质有高纯石墨和高纯热解石墨，由于高纯热解石墨具有非常好的抗氧化性，并且内壁及其光滑，非常有利于熔融体收缩，形成完整的熔珠，易于脱离坩埚，取出熔珠。因此，在要求测定微量元素时，石墨材质优选高纯热解石墨制作的石墨坩埚。而在用于常量元素分析时，采用高纯石墨制作抗氧化涂层。

第三步，熔剂的选择，常见的熔融制片熔剂为硼酸+碳酸锂、硼酸锂+偏硼酸锂、偏硼酸锂，优选偏硼酸锂，因为偏硼酸锂分解能力更强，另外，选择单一熔剂，工作时更易于操作。

第四步，准确称取地质样品50-100mg(精确至0.1mg)，优选样品量为50mg，较少的样品量，相对应地可以减少熔剂的用量。样品重量与熔剂用量的比例为1：2-6倍，针对普通地质样品，优选比例选择1：3倍，制作的熔珠满足分析要求。

第五步，将按比例称好的样品与熔剂混合均匀，置于振动程控感应炉中，在本实施例中程序设置如下：高温950-1050℃熔融，优选1000℃熔融；熔融时间10-60min，优选15-25min，即可完全分解，制作的熔珠满足分析要求。

第六步，温控程序设置，振动装置3程序设置、开启石墨材质防氧化系统和循环水冷却系统。

上述步骤当中，感应炉多段智能程序控温系统程序参数如表1所示。其中，震动选择中“0”表示无震动，“1”表示震动。第10段1000℃下的加热时间按实际熔融时间设定。

表1

在设定好参数之后，选取两个岩性不同的地质标准样品包括国际标样花岗闪长岩GSP-2和国内标样玄武岩GSR-3，进行不同熔融时间的条件实验(2min、5min、10min、15min、20min、25min、30min和35min)。

称取50mg地质标准样品于高纯热解石墨坩埚中，再称取150mg无水LiBO₂于坩埚中(熔剂：样品＝3:1)，用玻璃棒进行搅拌使样品和熔剂混合，移入多头振动程控感应炉中进行样品熔融，得到的熔珠见图12，从图12可以看出，熔融时间2分钟太短，GSR-3未能成型，不能用于含量检测，所以两个标准样品2分钟的熔珠未进行检测。熔珠熔融条件见表2。设备运行操作参数见表3。

表2

表3

在本实施例中，采用的仪器为Agilent 7900ICP-MS和GeoLas193nm准分子激光剥蚀系统。剥蚀池载气采用He气，ICP中的补偿气采用Ar气。所有样品均采用激光单点剥蚀模式，束斑大小为60μm，频率为4Hz，采用剥蚀池载气为He气，流量为0.5L/min，激光参数如表4所示。通过对国际硅酸盐玻璃标准样品NIST 610进行剥蚀，调整各项参数，获得最佳的²³⁸U⁺信号强度，同时保证ThO⁺/Th⁺信号比值低于0.3％，U⁺/Th⁺比值接近1。样品测试包括20s的背景信号、50s的样品信号和20s的冲洗时间，所有数据点的测试信号均采用时间分辨模式获取。每10个样品分析点前后插一个NIST 610玻璃作为监测标样，用来校正仪器时间漂移和质量歧视效应。采用烧失量的百分百归一化校正方法对待测样品的主微量元素组成进行计算，选用Si元素作为归一化元素，校正方法采用国际标准物质NIST 610作为校正标样，采用国际标样BCR-2G、BHVO-2G和BIR-1G样品作为外标。所有数据处理过程采用软件ICPMSDataCal完成。激光操作参数见表4。

表4

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，包括：控制面板、多段智能程序控温系统、多段智能程序振动系统和炉台结构组合系统；

所述控制面板用于控制所述多段智能程序控温系统和所述多段智能程序振动系统；

所述多段智能程序控温系统用于调节加热功率和控制升温时间；

所述多段智能程序振动系统用于调节振动频率；

所述炉台结构组合系统在所述多段智能程序振动系统上方，用于保证加热过程的受热均匀。

2.根据权利要求1所述的用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，所述多段智能程序控温系统的工作流程包括：在不同的温度段，选择不同的加热功率；通过所述控制面板对所述多段智能程序控温系统的加热功率大小和升温时间进行设定，实现精准控制每段的设置温度。

3.根据权利要求1所述的用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，所述多段智能程序振动系统的工作流程包括：通过所述控制面板根据预设温度，来控制所述多段智能程序振动系统是否振动及振动时间；通过手动调节来控制振动频率。

4.根据权利要求1所述的用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，所述炉台结构组合系统包括：铜线圈、石英坩埚、石墨母体、石墨坩埚和石英盖板；

所述铜线圈内嵌套所述石英坩埚；

所述石英坩埚内嵌套所述石墨母体；所述石墨母体作为盛放所述石墨坩埚的平台，用于确保所述石墨坩埚的受热更加均匀；

所述石墨母体上盖有所述石英盖板，用于加热平台的温度分布均匀。

5.根据权利要求4所述的用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，所述石墨母体正面开有多孔，用于嵌套预先盛有分析样品和熔剂的所述石墨坩埚；所述石墨母体背面中央开有一定深度的小孔，用于安置探测温度的热电偶。

6.根据权利要求5所述的用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，所述石墨母体正面开孔嵌套所述石墨坩埚的数量大于1个。

7.一种用于制作激光剥蚀系统熔珠片的方法，所述方法用于控制所述权利要求1-6任一项的所述用于制作激光剥蚀系统熔珠片的感应炉，其特征在于，步骤包括：

将所述石墨坩埚置于所述石墨母体中；

通过所述控制面板设置所述多段智能程序控温系统和所述多段智能程序振动系统，使样品在振动状态下进行加热；

高温熔融分解样品，将获得的熔珠用环氧树脂制靶，表面切削抛光，使其形成平整的表面。

8.根据权利要求7所述的用于制作激光剥蚀系统熔珠片的方法，其特征在于，在控制所述多段智能程序控温系统的程序升温时，长期使用温度小于1050℃。

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