CN2869853Y - 激光诱导等离子光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用激光诱导等离子的光谱分析仪，属于元素定性分析和含量分析测定技术领域。该分析仪包括脉冲激光发生系统、微型光谱仪、上位计算机，微型光谱仪含有分光装置、安置在分光装置输出端的CCD以及与CCD输出端连接的信号采集处理电路，激光发生系统发射的激光束通过激光聚光镜聚焦到样品台，样品台侧安置光谱聚光镜，光谱聚光镜的焦点处安置光纤接收端，光纤输出端与微型光谱仪分光装置的输入端耦合连接，微型光谱仪信号采集处理电路的输出端与上位计算机通讯连接。其显著优点是测定速度快，效率高，测量元素多，样品不用预处理，可测量气态、液态以及固态样品，十分适合作为野外现场样品检测和在线样品检测的测试方法。

Description

激光诱导等离子光谱分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种光谱分析仪，尤其是一种采用激光诱导等离子的光谱分析仪，属于元素定性分析和含量分析测定技术领域。

背景技术

据申请人了解，长期以来，环保、钢铁、化工、材料及地质勘探行业一直采用X射线荧光法、ICP光谱法和原子吸收光谱法进行元素含量分析，这种传统方法虽能够分析出样品中的元素含量，但分析前需要先将样品粉碎或熔融，因此操作不便，无法满足野外现场和在线快速测量样品中元素含量的需要。

检索发现，申请号为03128349.7名称为《激光感生击穿光谱煤质分析仪》的中国发明专利申请公开了一种借助激光进行煤质分析的仪器，该仪器包括取样部分和分析部分。使用时，光源系统的激光器发出的激光通过出射光口的滤波片，出射光路上与之成45°角装有平面镜，对应该平面镜与出射光路垂直设有凸透镜，其焦点处为石英分析池。据介绍，该装置可以在线一次同时测量煤中的元素，取样和测量时间小于5分钟，结构紧凑，可以满足燃煤电厂对煤样在线快速分析的问题。

以上现有技术虽然实现了利用激光激发光谱进行元素分析，然而分析精度有限，只能分析含量较高的元素，对于微量元素则无能为力，同时只能测量固体，对气体和液体无法测量，测量时间长，不方便携带，因此均只适用于特定的行业，不能在其他行业应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种适合气体、液体和固体样品中微量元素分析且操作简便的激光诱导等离子光谱分析仪，从而满足环保、钢铁、化工、材料及地质勘探野外现场快速测量气体、液体和固体样品中所有元素含量的需求。

为了达到以上目的，本实用新型的激光诱导等离子光谱分析仪包括脉冲激光发生系统、微型光谱仪、上位计算机，所述微型光谱仪含有分光装置、安置在分光装置输出端的CCD以及与CCD输出端连接的信号采集处理电路，其中，所述激光发生系统发射端与样品台之间装有激光束聚光镜以及调焦机构，所述样品台侧安置光纤接收端，所述光纤输出端与所述微型光谱仪分光装置的输入端耦合连接，所述微型光谱仪信号采集处理电路的输出端与上位计算机通讯连接。

以上激光诱导等离子光谱分析仪的进一步完善是，样品台侧的光纤接收端安置在光谱聚光镜的焦点处。这样更有利于元素发射光谱采集与传输。

使用本实用新型分析仪的分析步骤如下：

1)借助激光发生系统发射脉冲激光束；

2)通过聚光镜将激光束聚焦在样品台上的待测样品上方，借助激光脉冲能量激活样品；

3)待激光束产生的高温使待测试样品产生等离子体后，在等离子体冷却湮灭的过程中，将等离子体束中被激发的原子发射出的光谱聚焦到样品台侧的光纤接收端；

4)通过光纤将元素发射光谱引导到微型光谱仪中，分光后打在CCD上；

5)将CCD由元素发射光谱转换成的电信号传输到计算机进行分析；

6)由计算机输出元素定性分析和含量分析结果。

以上步骤中，当具有一定能量的脉冲激光束通过聚焦打在样品上时，由于等离子体的高温使样品中的元素吸收能量后产生能级跃迁。由于这种能级跃迁不稳定，在冷却跳回常态时将以发射光谱方式释放能量——不同的元素将发出对应的不同特征光谱，一般在200-980nm的波长范围，且特征光谱的强度和元素的含量成线性关系。因此，只要设法捕捉到有关的特征光谱，即可很方便地测出样品中的元素及其含量。与现有技术相比，本实用新型不仅利用激光作为能量源，而且激发出元素的特征发射光谱，再经光纤传输，经光电转换，记录瞬间等离子激发的特征光谱，由计算机分析得出测定结果。其显著的优点是测定速度快，效率高，测量元素多，样品不用预处理，可测量气态、液态以及固态样品，方便携带，十分适合作为野外快速分析和在线检测的测试方法。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的激光诱导等离子光谱分析仪如图1所示，主要由Nd:YAG激光发生系统9、微型光谱仪1、上位计算机15以及传导光纤组成。其具体情况如下：

Nd:YAG激光发生系统——波长：1.06um；脉冲时间：10nm；激光能量：最大50mJ；峰值功率＜100W；图中14为激光电源和水冷系统。该激光发生系统发射的激光束通过安装在发射端的激光聚光镜聚焦到样品台11上。

传导光纤——包括样品台侧安置带光谱聚光镜的光纤接收端13。光纤接收端13位于光谱聚光镜的焦点处。该光纤的输出端与微型光谱仪分光装置的输入端耦合连接，用于传导辐射能量。

微型光谱仪——分光装置由正对光纤输入端口4的准直镜5、位于准直镜反射光路上的光栅3、位于光栅分光光路上的聚焦镜6构成，聚焦镜焦点附近安置CCD探测器7。其光机部分2分成三个通道，均为典型C-T结构，三个通道覆盖200nm-250nm，250nm-650nm和650-1050nm三个波段，组成完整的200-1050nm摄谱。通过光纤耦合到微型光谱仪的输入端口4，进入狭缝后射入准直镜5，准直后的平行光射到光栅3表面，通过分光元件光栅分光后经聚焦镜6成像到CCD探测器7谱面上。之后，三路CCD的输出端分别通过信号放大、处理电路10接中心采集处理电路12。值得一提的是，微型光谱仪可根据仪器测量分辨率设计要求，可以进行1道7个通道设计，来满足不同用处的需要，同时谱仪通道可根据需要任意组合，具有很强的灵活性。

上位计算机——采用台式计算机或笔记本通过USB2.0或1394与微型光谱仪的中心采集处理电路实现通讯连接，系统数据通讯速率大于10M/s。上层计算机软件具有谱图显示、寻峰、定性识别、峰高计算和定量计算等功能。

实验证明，本实施例的激光诱导等离子光谱分析仪具有速度快、广谱和检出限低、携带方便的优点，便于野外现场测量和卫星搭载。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。例如，分析仪的光机部分也可以是一个、二个、三个或更多个通道，分别覆盖对应的波段。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光诱导等离子光谱分析仪，包括脉冲激光发生系统、微型光谱仪、上位计算机，所述微型光谱仪含有分光装置、安置在分光装置输出端的CCD以及与CCD输出端连接的信号采集处理电路，其特征在于：所述激光发生系统发射端与样品台之间装有激光束聚光镜以及调焦机构，所述样品台侧安置光纤接收端，所述光纤输出端与所述微型光谱仪分光装置的输入端耦合连接，所述微型光谱仪信号采集处理电路的输出端与上位计算机通讯连接。

2.根据权利要求1所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述样品台侧的光纤接收端安置在光谱准直镜的焦点处。

3.根据权利要求2所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述分光装置由正对光纤输入端口的准直镜、位于准直镜反射光路上的光栅以及位于光栅分光光路上的聚焦镜构成，聚焦镜焦面附近安置CCD探测器。

4.根据权利要求3所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述分析仪的光机部分含有一个以上分别覆盖对应波段的通道。

5.根据权利要求4所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述分析仪的光机部分分成三个通道，分别覆盖200nm-250nm，250nm-650nm和650-1050nm三个波段。

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