CN208187984U - 一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，所述系统包括计算机、数字延时脉冲发生器、光谱仪、激光器、位移工作台、高反射镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜，LIBS技术采用激光器作为等离子体光源，并通过对高温等离子体冷却过程中发射的特征光谱及光谱数据进行检测和处理，实现对物质的元素组成及其含量的分析。系统对激光诱导等离子体的形成原理和等离子体光谱辐射机制进行了深入的分析，搭建了一套LIBS检测实验系统平台。对LIBS实验参数进行选择和优化，建立了不同激光脉冲能量和样品垂直位移与C元素光谱强度的关系曲线，确定了最佳的激光脉冲能量和透镜距样品表面距离。
Description
技术领域
本实用新型涉及危险废物检查系统的技术领域，尤其是一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，特别涉及其系统连接结构。
背景技术
危险废物是指具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性、感染性等一种或多种危险特性的废物，或可能对环境或人体健康造成有害影响的废物。其危险特性表现为短期的急性伤害和长期的潜在性危害。短期的急性伤害主要指急性中毒、火灾、爆炸等；长期的潜在性危害主要指慢性中毒、致癌、致突变、污染地面水或地下水等。
危险废物在自然条件下还有可能发生物理、化学、生物转化作用，对环境及生物体造成二次污染。
危险废物的有毒物质，如砷、汞、铅、铬、氰化物等。其中砷和氰化物是众所周知的致死率极高的有毒物质，小剂量即可致死，对人体器官组织危害极强。因此对危险废物的有毒物资进行检测就极为重要，以铅、砷、氰化物为例，目前危险废物常见检测方法有：化学方法、分光光度法、石墨炉原子吸收光谱法。
但以上检测流程其需要有复杂繁琐的实验流程和过长的分析时间，分析效率较低，无法整提供实时、快速的重金属运输分析数据，不够严谨、准确，在检测方面还有很大的发展空间。监测应尽量向方便快捷、安全精确的方向发展已经越来越不能满足危险废物处理工作的需要。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，，激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新型的原子发射光谱分析技术，它使用高能量激光光源作用到分析材料表面形成高强度激光光斑(等离子体)，使样品激发而辐射光谱，并通过检测系统对光谱信号的采集和分析来确定待测样本的元素组成和含量。LIBS所具有的原位、在线、远程测量及多元素分析的技术优势，使其在危废重金属元素检测应用方面展现了突出的应用前景和研究价值。最终实现危险废物危害元素安全、快速、精确、方便的检测目的，克服了现有技术中存在的缺点和不足。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，所述系统包括计算机、数字延时脉冲发生器、光谱仪、激光器、位移工作台、高反射镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜，其中，计算机的第一控制信号输出端与数字延时脉冲发生器的控制信号输入端连接，计算机的第二控制信号输出端与位移工作台的控制信号输入端连接，计算机的USB端口与光谱仪的控制输入端连接，数字延时脉冲发生器的第一脉冲信号控制端与光谱仪的电平触发端链接，数字延时脉冲发生器的第二脉冲信号控制端与激光器的调Q触发端连接，数字延时脉冲发生器的第三脉冲信号控制端与激光器的疝灯触发端连接，激光器的激光脉冲光路，上设有高反射镜，高反射镜的镜面与激光脉冲光路之间形成45度夹角，激光脉冲光路经高反射镜后折射后形成激光脉冲折射光路，激光脉冲光路与激光脉冲折射光路之间形成90度折射角，激光脉冲折射光路上设有第一聚焦透镜，激光脉冲折射光路经第一聚焦透镜后聚焦投射于位移工作台的检测工位上，光谱仪的光导纤维与上述检测工位之间设有第二聚焦透镜。
使用高能量的激光光源在危险废物表面形成高强度激光光斑(等离子体)，使样品激发而辐射光谱，通过检测系统采集包含元素特征信息的光谱信号，并通过对采集到的光谱数据进行分析和处理，实现对危险废物有限元素的定性和定量分析。
IBS技术对危废形态没有限制，适用于对固体、液体和气体的检测，因此基于LIBS技术不仅能够对常见的液体中危害元素、粉状危害元素和固体物质危害元素进行检测，同时还能实现对烟气中重金属或其他气体物质的检测分析。
由于LIBS采用点测量技术，因此其对所需危废样品消耗量极少 (0.1μg～1mg)，同时无需样本制备，因此相对于传统的危废检测技术，能节省大量样本采制时间与成本。
LIBS技术一般采用固体激光器作为等离子体光源，因此并不存在辐射污染，同时可安装隔离装置对激光进行隔离，实验过程中如果按照正确的操作流程，一般不会对人身健康带来影响。
LIBS技术不仅可以实现对危废的多元素在线实时分析，同时通过引入光导纤维还能实现远距离的危废检测，使操作者远离恶劣的生产环境，具有更加灵活的测量模式。
LIBS的实验设备构成简单，系统造价相对较低，且通过软硬件结合方式易于实现自动化控制，测量过程简单快速，操作方便，推广性强。
本实用新型公开了一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，LIBS技术采用激光器作为等离子体光源，并通过对高温等离子体冷却过程中发射的特征光谱及光谱数据进行检测和处理，实现对物质的元素组成及其含量的分析。系统对激光诱导等离子体的形成原理和等离子体光谱辐射机制进行了深入的分析，搭建了一套LIBS检测实验系统平台。对LIBS实验参数进行选择和优化，建立了不同激光脉冲能量和样品垂直位移与C元素光谱强度的关系曲线，确定了最佳的激光脉冲能量和透镜距样品表面距离，同时对光谱仪延迟采集时间和位移工作台位移等实验参数进行了选择和优化。总结归纳了LIBS 定性分析的方法和原则，并对实验获得的光谱图进行了定性分析。为危险废物危害元素的的分析与检测提供了一种全新的有效的方法和途径。
附图说明
图1为本实用新型系统分布示意图。
其中：
1、计算机；
2、数字延时脉冲发生器；
3、光谱仪；
4、激光器；
5、位移工作台；
6、高反射镜；
7、第一聚焦透镜；
8、第二聚焦透镜；
9、激光脉冲光路；
10、激光脉冲折射光路；
11、光导纤维。
具体实施方式
下面参照附图，对本实用新型进一步进行描述。
本实用新型公开了一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，其区别于现有技术在于：所述系统包括计算机1、数字延时脉冲发生器2、光谱仪3、激光器4、位移工作台5、高反射镜6、第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜8，其中，计算机1的第一控制信号输出端与数字延时脉冲发生器2的控制信号输入端连接，计算机1的第二控制信号输出端与位移工作台5的控制信号输入端连接，计算机1的 USB端口与光谱仪3的控制输入端连接，数字延时脉冲发生器2的第一脉冲信号控制端与光谱仪3的电平触发端链接，数字延时脉冲发生器2的第二脉冲信号控制端与激光器4的调Q触发端连接，数字延时脉冲发生器2的第三脉冲信号控制端与激光器4的疝灯触发端连接，激光器4的激光脉冲光路9，上设有高反射镜6，高反射镜6的镜面与激光脉冲光路9之间形成45度夹角，激光脉冲光路9经高反射镜 6后折射后形成激光脉冲折射光路10，激光脉冲光路9与激光脉冲折射光路10之间形成90度折射角，激光脉冲折射光路10上设有第一聚焦透镜7，激光脉冲折射光路10经第一聚焦透镜7后聚焦投射于位移工作台5的检测工位上，光谱仪3的光导纤维11与上述检测工位之间设有第二聚焦透镜8。
该系统采用工作波长为1064nm的ND:YAG激光器作为激发光源，激光发射器出射的激光脉冲经过90度高反射镜转向，并通过聚焦透镜对样品进行作用，高强度(>100GW/cm2)的激光脉冲瞬时作用到样品表面产生强烈的烧蚀，并在聚焦点产生高温、高密度的等离子体，通过光纤光谱仪收集等离子体辐射出的包含待测物质元素特征信息的原子和离子光谱，并最终将转换后的光谱数据传输到计算机进行处理和分析。实验采用DG535数字延时脉冲发生器实现对Nd：YAG激光器和光谱仪的触发和延时，DG535可发射三路脉冲信号分别对光谱仪以及激光器的调Q装置和疝灯(抽运灯)进行触发，并通过对各路脉冲设置延迟时间来进行同步和延时控制。
在具体实施时，采用Nd：YAG激光器，Nd：YAG激光器是一种典型的固体激光器，它具有成熟的商业化和小型化的特点，是目前LIBS 系统中比较常用的激发光源。通过安装倍频晶体，Nd：YAG激光器可以实现不同激光波长(1064nm、532nm、355nm等)之间的相互转换，所产生激光在紫外到红外波段内都能够连续可调，相对于传统的固定波长激光器，可大大简化实验装置，提高设备利用率。本实验采用的激光器为Litron Lasers公司生产的LitronNanoLG 300-200型Nd： YAG激光器(疝灯泵浦)。该激光器具有BNC外部触发接口，可以通过DG535数字脉冲延迟发生器触发，其外部触发时序，其中tBT是激光腔内建立时间，一般在50ns-100ns左右，tQSW则是调Q开关延迟时间，其最佳值需要通过反复实验测试比较决定。触发由两路脉冲组成，分别为调Q装置触发和抽运灯触发，其延迟时间通过外部触发装置设置。
在具体实施时，光谱仪采用10板载的用户可编程GPIOS数字接口，并通过USB接口与计算机连接，同时其自带的30针数据接口可以进行外部触发，进而实现等离子体的延时采集。该光谱仪外部脉冲触发的时序，当从外部触发输入检测到一个脉冲上升沿时，光谱仪通过特定的软件接口开始光谱采集积分周期，采集完成后，检索的光谱被写入FIFO中，并通过USB接口在计算机终端进行显示。由于每个单次脉冲只能执行一次外部触发，而与其持续时间无关，因此光谱仪需要外部触发设备提供连续脉冲来实现多次采集。由于光谱仪采集到的信号是按照CCD的像元序号排列，因此在未经调试和校准之前，光谱仪一般采用像元坐标作为横坐标，在实际使用时，需要采用外部标准光源(如汞灯、镉灯等)对其进行光学定标从而将像元坐标转换为波长坐标，同时为了保证仪器测量精度，避免长期使用后波长漂移产生误差，光谱仪在使用一段时间后需要定期进行重新定标。
在具体实施时，检测样品设置于高精度位移工作台的检测工位上，激光光束长时间作用在样品的同一点时，高强度的激光脉冲会加剧样品的烧蚀，并在样品表面形成小孔，对光谱强度造成影响，即形成所谓的孔洞效应，孔洞效应会加大实验误差，影响测量精度。为了限制对相同位置的测量次数，本文实验装置采用卓力汉光仪器公司生产的 PSA200-13-X精密电移台使样品进行二维移动，确保激光对样品的不同点进行作用。高精度电控位移工作台具有RS232接口可以与PC通讯，以对位移工作台进行控制。此外，位移工作台还配有SC300系列位移台控制箱可实现手动控制，相对于传统的匀速旋转平台，电控位移工作台能够提供更加精确的位移控制，避免激光对样品同一点的周期性作用，而且通过与计算机的通讯也为后期LIBS各功能模块之间的自动化连接和控制提供了可能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型具体实施只局限于上述这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于激光诱导击穿光谱的危险废物检测系统，其特征在于：所述系统包括计算机（1）、数字延时脉冲发生器（2）、光谱仪（3）、激光器（4）、位移工作台（5）、高反射镜（6）、第一聚焦透镜（7）、第二聚焦透镜（8），其中，计算机（1）的第一控制信号输出端与数字延时脉冲发生器（2）的控制信号输入端连接，计算机（1）的第二控制信号输出端与位移工作台（5）的控制信号输入端连接，计算机（1）的USB端口与光谱仪（3）的控制输入端连接，数字延时脉冲发生器（2）的第一脉冲信号控制端与光谱仪（3）的电平触发端链接，数字延时脉冲发生器（2）的第二脉冲信号控制端与激光器（4）的调Q触发端连接，数字延时脉冲发生器（2）的第三脉冲信号控制端与激光器（4）的疝灯触发端连接，激光器（4）的激光脉冲光路（9），上设有高反射镜（6），高反射镜（6）的镜面与激光脉冲光路（9）之间形成45度夹角，激光脉冲光路（9）经高反射镜（6）后折射后形成激光脉冲折射光路（10），激光脉冲光路（9）与激光脉冲折射光路（10）之间形成90度折射角，激光脉冲折射光路（10）上设有第一聚焦透镜（7），激光脉冲折射光路（10）经第一聚焦透镜（7）后聚焦投射于位移工作台（5）的检测工位上，光谱仪（3）的光导纤维（11）与上述检测工位之间设有第二聚焦透镜（8）。
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