CN203772742U - 激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，包括交流电源、直流稳压模块、通电螺线管和滑动变阻器所组成的回路信号增强单元。通过信号增强单元产生的磁场对等离子体进行约束，有效的增强了等离子体中粒子间的碰撞几率，从而提高LIBS光谱检测灵敏度。相对于传统LIBS技术有更强的信号强度、更低的样品检出限和更高的稳定性等特点，该信号增强单元在制作上成本较低、有很好的实用性。

Description

激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置

技术领域

本实用新型涉及原子光谱学，属于等离子体光谱检测技术领域，具体是一种激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素分析技术。利用高能量密度的脉冲激光诱导击穿材料表面，使材料表面的微量样品发生电离，产生激光诱导等离子体，在等离子体发射光谱中包含携带着丰富的样品元素信息的线状光谱和背景信息的连续光谱，根据反映元素信息的线状光谱便可对样品中所含元素进行定性和定量分析。LIBS探测物质成分仅需激光轰击到样品表面，不像化学检测技术所需要的复杂的化学反应过程。该技术相对于其他光学检测方法如激光光谱技术(激光拉曼光谱技术、激光吸收光谱技术等)而言，实验方法简单并且可实现多元素实时在线分析。因此，LIBS技术在环境污染检测、生物医学、材料成分在线检测、土壤成分检测、空间探索、军事爆炸物探测和文物鉴定等诸多领域已经有了广泛的应用。

为了将LIBS技术进一步向实用化方向推进，提高LIBS探测的可靠性、经济性和准确性。目前的研究主要集中在如何增强光谱线信号强度、提高信噪比、降低基体效应、提高探测极限等方面。其中具有代表性的是飞秒激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)、双脉冲激光诱导击穿光谱等LIBS激发新技术。当然，也有学者提出在激光诱导击穿光谱的基础上外加空腔实现离子体的空间约束来提高LIBS的光谱质量。

但是，飞秒激光诱导击穿光谱和双脉冲激光诱导击穿光谱技术的成本高，而且实验条件过于复杂。空间约束主要是利用机械结构在物理上提高LIBS的信号强度，而且空腔的使用还可能产生等离子体污染或冲击腔室等问题，从而影响LIBS检测性能。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上现有技术存在的不足，提出了一种激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，该装置操作简单，成本较低，利用电流产生的电磁场实现对激光等离子体约束，不会产生二次污染，有很好的实用性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，包括由YAG激光器和透镜组成的入射单元、由探头、光纤、光谱仪组成的信号接收单元、平台和数据分析单元，其特征在于所述的等离子体光谱检测装置设有一个通过电流产生磁场的电路组成的信号增强单元。

所述的信号增强单元包括交流电源，直流稳压模块、通电螺线管、滑动变阻器构成的回路。

所述的交流电源是市电，电压为220V，频率为50Hz。

所述的直流稳压模块，主要包括电源变压器、整流器、滤波器、稳压器四个部分，可输出稳定的直流电压。

所述的通电螺线管为实验室常用的长直螺线管，两端的导线与直流电相连，产生方向与电流方向成安培定则的磁场。

所述的滑动变阻器接在电路中，通过移动滑动变阻器，改变接入电路中的阻值，从而改变通过螺线管的电流，改变磁场的大小，以满足不同性质的样品和激光能量对磁场强度的要求。

本实用新型的工作原理为：通常情况下，高能量激光脉冲诱导产生的等离子体以激光中心线为轴向外快速膨胀。在加磁约束条件下，高速运动的等离子体中带电粒子(电子和离子)，在变化的磁场中受到洛伦磁力的作用开始做圆周运动而被束缚在磁场中，从而加剧了等离子体中粒子间的碰撞几率，碰撞使得更多的原子或离子获得能量而被激发或电离。这样使得处于激发态的原子或离子数密度增加，等离子体的温度升高。所以在外加电磁场约束的情况下激光等离子体辐射光谱强度增强，从而提高LIBS光谱检测灵敏度。

运用本实用新型检测装置进行的检测过程如下：

由上述YAG激光器发射一束激光被反射镜反射，通过透镜聚焦后垂直入射到样品表面上产生激光等离子体；激光等离子体以垂直于样品表面的方向迅速向外膨胀，膨胀的等离子体中带电粒子在两个通电螺线管之间产生的磁场中受洛伦磁力的作用作圆周运动，由于磁约束而做高速圆周运动的带电粒子会进一步增加等离子体中粒子间的碰撞几率。在碰撞过程中发生能量的转化，使更多原子和离子获得能量从低能级被激发到高能级，从而使得等离子体辐射光谱强度增强。然后利用探头、光纤、光谱仪组成的信号接收单元进行光谱的采集，最后由计算机进行数据分析。

附图说明

图1为本实用新型激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置。

图2为本实用新型信号增强单元电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的说明

图1所示为激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，包括脉冲激光器1、平面发射镜2、聚焦透镜3、光纤4、DG535触发器5、光谱仪6、计算机7、样品8、平台9和由交流电源10、直流稳压模块11、滑动变阻器12和长直螺线管13组成的信号增强单元。

图2所示为激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置的信号增强单元电路结构图。

激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，包括以下步骤：

第一步：接通电源10，通过直流稳压模块11产生的直流电通过螺线管13，产生磁场，磁场的N级和S级如图2所示。

第二步：脉冲激光器1产生的激光通过平面反射镜2反射后通过聚焦透镜3聚焦于样品8表面。

第三步：将样品8固定在平台9上，放于由增强单元产生的磁场中，激光烧蚀样品8产生的等离子体中带电粒子在磁场中受洛伦磁力作用被约束在磁场中做高速的圆周运动，从而增加了等离子体中粒子间的碰撞几率和强度。

第四步：磁约束作用下的等离子体发出的光被光纤4收集并传输到光谱仪6，利用触发器5控制光谱仪6记录实验数据。

第五步：移动滑动变阻器12，改变接入电路中电阻，改变电流的大小，从而改变通电螺线管13产生的磁场的大小，以适应不同的性质的样品和激光能量对磁场强度的要求。

第六步：光谱仪6将实验数据送入计算机7进行处理和分析。

Claims (6)

1.激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，包括由YAG激光器和透镜组成的入射单元、由探头、光纤、光谱仪组成的信号接收单元、平台和数据分析单元，其特征在于所述的等离子体光谱检测装置设有一个通过电流产生磁场的电路组成的信号增强单元。 

2.根据权利要求1所述的激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，其特征在于，所述的信号增强单元包括交流电源，直流稳压模块、通电螺线管、滑动变阻器构成的回路。 

3.根据权利要求2所述的激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，其特征在于，所述的交流电源是市电，电压为220V，频率为50Hz。 

4.根据权利要求2所述的激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，其特征在于，所述的直流稳压模块，主要包括电源变压器、整流器、滤波器、稳压器四个部分，可输出稳定的直流电压。 

5.根据权利要求2所述的激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，其特征在于，所述的通电螺线管为实验室常用的长直螺线管，两端的导线与直流电相连，产生方向与电流方向成安培定则的磁场。 

6.根据权利要求2所述的激光诱导磁约束增强等离子体光谱检测装置，其特征在于，所述的滑动变阻器接在电路中，通过移动滑动变阻器，改变接入电路中的阻值，从而改变通过螺线管的电流，改变磁场的大小，以满足不同性质的样品和激光能量对磁场强度的要求。