JP2003035671A - Method and apparatus for laser multistage excited emission spectroscopic analysis - Google Patents

Method and apparatus for laser multistage excited emission spectroscopic analysis

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JP2003035671A
JP2003035671A JP2001224046A JP2001224046A JP2003035671A JP 2003035671 A JP2003035671 A JP 2003035671A JP 2001224046 A JP2001224046 A JP 2001224046A JP 2001224046 A JP2001224046 A JP 2001224046A JP 2003035671 A JP2003035671 A JP 2003035671A
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laser
pulse
sample
spectroscopic analysis
laser pulse
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Shin Ishikawa
伸 石川
Akira Yamamoto
山本  公
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Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method in which the composition of a solid sample or a liquid sample can be analyzed quickly and with high sensitivity and to provide an analyzer favorable for the method. SOLUTION: The surface of the sample is irradiated with first laser pulses whose power density on the surface is 10<8> to 10<9> W/cm<2> , the same position as the position irradiated with the first laser pulses is irradiated once or twice or more with second and onward laser pulses whose power density on the surface of the sample is 10<9> W/cm<2> or more, and a plasma generated on the surface of the sample is spectroscopically analyzed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、金属やセラミッ
クスなどの固体試料及び溶融金属や溶融塩などの液体試
料の分析用の、レーザ多段励起発光分光分析方法及びそ
の装置に関し、特にこれら試料組成の迅速、かつ感度及
び精度よい分析を可能ならしめようとするものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser multistage excitation emission spectrometry method and apparatus for the analysis of solid samples such as metals and ceramics and liquid samples such as molten metals and molten salts. It aims to enable rapid, sensitive and accurate analysis.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体試料や液体試料を迅速に分析する方
法として、レーザパルスを試料表面に照射して、これに
より生成するプラズマを分光分析するレーザ発光分光分
析法がある。この方法は、非接触で分析可能であること
から、サンプリングが不要であり、迅速性という観点に
おいては優れているが、特に軽元素に対する感度、精度
が低いという問題があった。この理由は、レーザプラズ
マからの発光においては、分析対象元素の発光スペクト
ル強度に対して、連続光に起因するバックグラウンドが
高いためである。
2. Description of the Related Art As a method for rapidly analyzing a solid sample or a liquid sample, there is a laser emission spectroscopic analysis method of irradiating a laser pulse on the sample surface and spectrally analyzing plasma generated thereby. This method does not require sampling because it can be analyzed in a non-contact manner and is excellent in terms of rapidity, but there is a problem that sensitivity and accuracy are particularly low for light elements. The reason for this is that in the emission from the laser plasma, the background due to continuous light is high with respect to the emission spectrum intensity of the element to be analyzed.

【0003】これに対して、バックグラウンドは発光初
期に強度が高いことから、バックグラウンドから元素発
光スペクトルを分離することを目的として、発光初期を
除いて強度を積算する時間分解測定法が一般的に用いら
れている。また、例えば特開昭62−188919号公報に開示
されているように、2以上のレーザパルスを連続して照
射し、分析元素の発光スペクトル強度とバックグラウン
ドとの比を増大する試みがなされている。しかしなが
ら、いずれの方法においても、固体試料の迅速分析に広
く用いられているスパーク発光分析法と同程度の精度を
得るには至っておらず、例えば製鋼工程における鋼組成
の工程分析に適用しようとする場合には、感度及び精度
の更なる向上が要請されている。
On the other hand, since the background has high intensity in the early stage of light emission, a time-resolved measurement method in which the intensity is integrated excluding the early stage of light emission is generally used for the purpose of separating the element emission spectrum from the background. Is used for. Further, as disclosed in, for example, JP-A-62-188919, an attempt has been made to continuously irradiate two or more laser pulses to increase the ratio of the emission spectrum intensity of an analysis element to the background. There is. However, none of the methods has reached the same level of accuracy as the spark emission spectrometry widely used for rapid analysis of solid samples, and attempts to apply it to, for example, process analysis of steel composition in the steelmaking process. In some cases, further improvement in sensitivity and accuracy is required.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記要請
に鑑みてなされたもので、迅速に、かつ高感度で固体試
料や液体試料の組成を分析することができる方法を、そ
の有利な分析装置と共に提案することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above demands, and provides an advantageous analysis method for rapidly and highly sensitively analyzing the composition of a solid sample or a liquid sample. It is intended to be proposed with the device.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上記
の目的を達成すべく、レーザパルス照射条件とレーザプ
ラズマの生成挙動及び試料気化挙動について綿密な検討
を行ったところ、レーザプラズマを効率よく生成し、し
かも分析対象元素の発光強度を増大させるためには、特
性の異なる2以上のレーザパルスを、適正な間隔で連続
照射することが有効であることの知見を得た。この発明
は、上記の知見に立脚するものである。
Means for Solving the Problems Now, in order to achieve the above-mentioned object, the inventors conducted a detailed study on laser pulse irradiation conditions, laser plasma generation behavior and sample vaporization behavior. It has been found that it is effective to continuously irradiate two or more laser pulses having different characteristics at appropriate intervals in order to efficiently generate and increase the emission intensity of the element to be analyzed. The present invention is based on the above findings.

【0006】すなわち、この発明の構成は次のとおりで
ある。 1. 試料表面に対し、該表面におけるパワー密度が108
/cm2以上109W/cm2以下である第1のレーザパルスを
照射し、該第1のレーザパルスの照射後100μs以内に、
該第1のレーザパルスの照射位置と同一位置に、試料表
面におけるパワー密度が109W/cm2以上である第2以降
のレーザパルスを1又は2以上照射し、該試料表面に生
成するプラズマを分光分析することを特徴とする、レー
ザ多段励起発光分光分析方法。
That is, the structure of the present invention is as follows. 1. The power density on the surface of the sample is 10 8 W
/ Cm 2 or more and 10 9 W / cm 2 or less, the first laser pulse is irradiated, and within 100 μs after the irradiation of the first laser pulse,
Plasma generated by irradiating the same position as the irradiation position of the first laser pulse with one or two or more second and subsequent laser pulses having a power density on the sample surface of 10 9 W / cm 2 or more. A multistage laser-excited emission spectroscopic analysis method, comprising:

【0007】2.照射するレーザパルスのパワー密度が
異なる2台以上のレーザ発振器、レーザパルスの照射間
隔を設定する電気的遅延装置、2台以上のレーザ発振器
から照射された各パルスの照射位置を一致させるための
光学的手段、試料からの発光スペクトルを分光分析装置
に伝送するための光学的手段及び分光分析装置を有する
ことを特徴とする、レーザ多段励起発光分光分析装置。
[0007] 2. Two or more laser oscillators having different laser pulse power densities, an electrical delay device for setting the laser pulse irradiation interval, and an optical device for matching the irradiation positions of the pulses emitted from the two or more laser oscillators. Laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis apparatus, characterized in that the laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis apparatus has an optical means and a spectroscopic analysis apparatus for transmitting an emission spectrum from the sample to the spectroscopic analysis apparatus.

【0008】3. 1台のレーザ発振器、レーザパルスの
照射間隔を設定する電気的遅延装置、試料からの発光ス
ペクトルを分光分析装置に伝送するための光学的手段及
び分光分析装置を有し、該レーザ発振器が、レーザパル
スのパワー密度を変化させるための光学的及び電気光学
的手段を有することを特徴とする、レーザ多段励起発光
分光分析装置。
3. One laser oscillator, an electrical delay device for setting the laser pulse irradiation interval, an optical means for transmitting the emission spectrum from the sample to the spectroscopic analysis device, and the spectroscopic analysis device, A laser multistage excitation emission spectroscopic analyzer, wherein the laser oscillator has optical and electro-optical means for changing the power density of the laser pulse.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、この発明の分析方法及び分
析装置について具体的に説明する。従来のレーザ発光分
光法においては、発光強度を高めるため、レーザパルス
の焦点を試料表面或いは試料表面から幾分内部に設定す
る方法が一般に採用されており、またレーザパルスの特
性は、レーザ発振器自体の出力特性で規定されている場
合がほとんどであった。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The analysis method and the analysis apparatus of the present invention will be specifically described below. In the conventional laser emission spectroscopy, in order to increase the emission intensity, a method of setting the focus of the laser pulse on the sample surface or somewhere inside the sample surface is generally adopted, and the characteristic of the laser pulse is the laser oscillator itself. In most cases, the output characteristics were specified.

【0010】しかしながら、実際には、レーザパルスの
出力特性のみならず、集光レンズの焦点位置からのずれ
などにより、プラズマ生成挙動や試料気化挙動が変化す
るため、試料表面におけるレーザパルスの特性が最も重
要であるといえる。多段励起法においても、例えば前記
した特開昭62−188919号公報では、半値半幅で1μm以
下、10mJ/pulse以上のエネルギーが必要とされている
が、試料表面でのレーザパルスの特性を変化させたとき
の影響について綿密な検討は行われていない。
However, in reality, not only the output characteristics of the laser pulse but also the plasma generation behavior and the sample vaporization behavior change due to the deviation from the focal position of the condenser lens, etc., so that the characteristics of the laser pulse on the sample surface are changed. Can be said to be the most important. Even in the multi-stage excitation method, for example, in the above-mentioned JP-A-62-188919, the half-width at half maximum is 1 μm or less and energy of 10 mJ / pulse or more is required, but the characteristics of the laser pulse on the sample surface are changed. The effects of the impact have not been scrutinized.

【0011】そこで、発明者らは、レーザパルスの試料
(鋼材)表面でのパワー密度と、プラズマ発光強度及び
試料気化量について綿密な検討を行い、図1に示す結果
を得た。なお、試料表面でのパワー密度とは、レーザパ
ルスのエネルギーをパルスの半値幅の2倍で除し、さら
にレーザビームの照射面積で除した値をいう。
Therefore, the inventors conducted a detailed examination of the power density of the laser pulse on the surface of the sample (steel material), the plasma emission intensity, and the vaporization amount of the sample, and obtained the results shown in FIG. The power density on the surface of the sample means a value obtained by dividing the energy of the laser pulse by twice the half-value width of the pulse and further dividing it by the irradiation area of the laser beam.

【0012】同図に示すとおり、プラズマ発光強度が最
大になるパワー密度と試料の気化量が最大になるパワー
密度とは異なっている。そこで、この発明では、試料の
気化を目的とする第1のレーザパルスと、プラズマ分光
を目的とする第2以降のレーザパルスのパワー密度を変
化させると共に、各パワー密度を所定の範囲とすること
により、第2以降のレーザパルスによるプラズマ発光強
度を飛躍的に増大させるのである。
As shown in the figure, the power density at which the plasma emission intensity is maximum and the power density at which the vaporization amount of the sample is maximum are different. Therefore, in the present invention, the power densities of the first laser pulse for the purpose of vaporizing the sample and the second and subsequent laser pulses for the purpose of plasma spectroscopy are changed and each power density is set within a predetermined range. As a result, the plasma emission intensity by the second and subsequent laser pulses is dramatically increased.

【0013】すなわち、この発明においては、第1のレ
ーザパルスのパワー密度は108W/cm2以上でかつ109
/cm2以下とした。というのは、パワー密度が108/cm2
未満では低過ぎて、十分な気化量が得られず、一方、10
9W/cm2を超えるとレーザパルス照射初期の段階で試料
表面のプラズマが高密度となり、レーザパルスがこのプ
ラズマで吸収されて試料表面に到達せず、やはり十分な
気化量が得られないからである。また、第2以降のレー
ザパルスのパワー密度は109W/cm2以上とした。という
のは、109W/cm2未満ではプラズマの発光強度が不十分
となるからである。
That is, in the present invention, the power density of the first laser pulse is 10 8 W / cm 2 or more and 10 9 W
/ Cm 2 or less. Because the power density is 10 8 / cm 2
If it is less than 10%, it is too low to obtain a sufficient vaporization amount.
If it exceeds 9 W / cm 2 , the plasma on the sample surface becomes high density in the early stage of laser pulse irradiation, and the laser pulse is not absorbed by this plasma and does not reach the sample surface, so that a sufficient amount of vaporization cannot be obtained. Is. The power density of the second and subsequent laser pulses was set to 10 9 W / cm 2 or more. This is because the emission intensity of plasma becomes insufficient at less than 10 9 W / cm 2 .

【0014】またこの発明では、第1のレーザパルスの
照射から第2以降のレーザパルスの照射までの間隔を10
0μs以内とすることが肝要である。すなわち、第1のレ
ーザパルス照射直後には、気化した試料が原子状或いは
微細なクラスター状で試料表面上に高密度に存在する。
この気化状態の試料に第2以降のレーザパルスを照射す
ると、プラズマの発光強度が増大するが、気化状態の試
料は時間とともに拡散して試料表面上での密度が低くな
るので、第2以降のレーザパルスは、第1のレーザパル
ス照射後100μs以内に照射することが重要なわけであ
る。なお、より高い気化状態の試料密度を得るために
は、20μs以内に第2以降のレーザパルスを照射するこ
とがより好ましい。
Further, according to the present invention, the interval from the irradiation of the first laser pulse to the irradiation of the second and subsequent laser pulses is 10 times.
It is important to set it within 0 μs. That is, immediately after the irradiation with the first laser pulse, the vaporized sample exists in high density on the sample surface in the form of atoms or fine clusters.
When the sample in the vaporized state is irradiated with the second and subsequent laser pulses, the emission intensity of plasma increases, but the sample in the vaporized state diffuses with time and the density on the sample surface becomes low. It is important to irradiate the laser pulse within 100 μs after the irradiation of the first laser pulse. In order to obtain a higher vaporized sample density, it is more preferable to irradiate the second and subsequent laser pulses within 20 μs.

【0015】以上、この発明に従う好適なレーザ多段励
起発光分光分析方法について説明したが、次にこのよう
なレーザ多段励起発光分光分析方法の実施に供して好適
なレーザ多段励起発光分光分析装置について説明する。
2段以上の多段励起を行う装置としては、2台以上のレ
ーザ発振器を並列して設置して1台と第1のレーザパル
スを発振するレーザ発振器として用い、第2以降のレー
ザパルスを発振するレーザ発振器として用いる装置又は
1台のレーザ発振器で複数のレーザパルスを得る装置が
あるが、この発明に従う、試料表面でのパワー密度と、
第1のレーザパルスの照射から第2以降のレーザパルス
の照射までの間隔とが得られれば、上記いずれの装置を
採用してもよい。とりわけ、複数のレーザ発振器を用い
る場合には、レーザパルス発生時のポンピング或いはQ
−スイッチング等の信号をトリガーとした、電気的遅延
回路を用いて各レーザパルスの照射間隔を設定すること
が有利である。
The preferred laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis method according to the present invention has been described above. Next, a suitable laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis device will be described for carrying out such a laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis method. To do.
As a device for performing multi-stage excitation of two or more stages, two or more laser oscillators are installed in parallel and used as a laser oscillator that oscillates one and the first laser pulse, and oscillates the second and subsequent laser pulses. There is a device used as a laser oscillator or a device for obtaining a plurality of laser pulses with a single laser oscillator, but according to the present invention, the power density on the sample surface,
Any of the above devices may be used as long as the interval from the irradiation of the first laser pulse to the irradiation of the second and subsequent laser pulses can be obtained. Especially, when a plurality of laser oscillators are used, pumping or Q
-It is advantageous to set the irradiation interval of each laser pulse using an electrical delay circuit triggered by a signal such as switching.

【0016】レーザパルスの試料表面でのパワー密度を
変化させるには、レーザ発振器自体の出力を変化させる
方法が一般的であるが、集光レンズの焦点位置からのず
れを制御する方法を用いてもよい。後者の方法を採用す
る場合、第1のレーザパルスと第2以降のレーザパルス
に対する集光レンズの焦点距離を変えると、更に広い範
囲でパワー密度の制御ができるが、これは、例えば第1
のレーザパルスの光路上に、レーザビームの開き角を変
化させるレンズ等の光学素子を付与することにより実現
することができる。
In order to change the power density of the laser pulse on the sample surface, a method of changing the output of the laser oscillator itself is generally used. However, a method of controlling the deviation from the focal position of the condenser lens is used. Good. When the latter method is adopted, the power density can be controlled in a wider range by changing the focal length of the condenser lens for the first laser pulse and the second and subsequent laser pulses.
It can be realized by providing an optical element such as a lens for changing the opening angle of the laser beam on the optical path of the laser pulse.

【0017】レーザ発振器の種類としては、所定のパワ
ー密度を有するものであれば特に制限されず、例えばN
d:YAGレーザ(波長1.06μm)、CO2レーザ(波長9〜11
μm)などを用いることができる。この発明における108
W/cm2のパワー密度を得るには、尖頭出力の高いQ−ス
イッチパルスレーザが適している。また、発振周波数
は、各パルス毎の発光強度を積算することにより精度が
向上するため、10Hz程度以上であることが、迅速分析の
観点からは好ましい。
The type of laser oscillator is not particularly limited as long as it has a predetermined power density, for example, N
d: YAG laser (wavelength 1.06 μm), CO 2 laser (wavelength 9 to 11)
μm) or the like can be used. 10 8 in this invention
A Q-switched pulsed laser with a high peak output is suitable for obtaining a power density of W / cm 2 . Further, since the accuracy of the oscillation frequency is improved by integrating the emission intensity of each pulse, it is preferable that the oscillation frequency is about 10 Hz or higher from the viewpoint of rapid analysis.

【0018】なお、上述したように、レーザ発振器を2
台用いる場合、更には後述するように、レーザ発振器を
1台のみ用いる場合のいずれにおいても、第2以降のレ
ーザパルスは、ミラー、波長板、偏光ビームスプリッタ
等の光学的手段を用いて、第1のレーザパルスと同一位
置に照射される。ここでいう同一位置とは、それぞれの
レーザパルスによる照射領域の大部分が重なり合うこと
を意味し、各レーザビームの中心の試料表面におけるず
れが、最大の照射面積をもつレーザビームの直径の1/
4以下であれば、所望の目的を達成することができる。
As described above, the laser oscillator
In the case of using a single laser oscillator, and in the case of using only one laser oscillator, as will be described later, the second and subsequent laser pulses are generated by using optical means such as a mirror, a wave plate, and a polarization beam splitter. It is irradiated at the same position as the laser pulse of 1. The same position here means that most of the irradiation areas by the respective laser pulses overlap each other, and the deviation of the center of each laser beam on the sample surface is 1 / the diameter of the laser beam having the maximum irradiation area.
If it is 4 or less, the desired purpose can be achieved.

【0019】図2に、2台のレーザ発振器を具えるレー
ザ多段励起発光分光分析装置を模式的に示す。図中、番
号1は第1のレーザ発振器、2は第2のレーザ発振器、
3は反射ミラー、4は偏光ビームスプリッタ、5は集光
レンズ、6は平凹レンズ、7は波長板、8は試料、9は
光ファイバ、10は分光分析装置、そして11がレーザパル
スの照射間隔を設定する電気的遅延装置である。
FIG. 2 schematically shows a laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis apparatus having two laser oscillators. In the figure, number 1 is a first laser oscillator, 2 is a second laser oscillator,
3 is a reflection mirror, 4 is a polarization beam splitter, 5 is a condenser lens, 6 is a plano-concave lens, 7 is a wave plate, 8 is a sample, 9 is an optical fiber, 10 is a spectroscopic analyzer, and 11 is a laser pulse irradiation interval. Is an electrical delay device for setting.

【0020】このうち偏光ビームスプリッタ4は、第1
のレーザパルス及び第2のレーザパルスの各光路を一致
させることによって、レーザパルスの照射位置を一致さ
せるための光学的手段である。このとき波長板7で第2
のレーザパルスの偏光方向を変化させることにより、第
2のレーザパルスの光路のみがビームスプリッタ4によ
り変化する。ただし、これら2つのレーザパルスは、必
ずしも同一光路とする必要はなく、光路をわずかに変え
て別々の集光レンズにより同一位置に照射させるように
してもよい。また、平凹レンズ6は、第1のレーザビー
ムの開き角を変化させ、集光レンズ5で試料表面を照射
する時のビーム径を広くして、パワー密度を減少させる
目的で設置したが、第1のレーザ発振器自体の出力を変
化させるか、上記のごとく各々のレーザパルスの光路を
分ける場合には必ずしも必要ではない。
Of these, the polarization beam splitter 4 is the first
This is an optical means for matching the irradiation positions of the laser pulse by matching the respective optical paths of the laser pulse and the second laser pulse. At this time, the second wave plate 7
By changing the polarization direction of the second laser pulse, only the optical path of the second laser pulse is changed by the beam splitter 4. However, these two laser pulses do not necessarily have to have the same optical path, and the optical paths may be slightly changed so that they are irradiated to the same position by different condenser lenses. Further, the plano-concave lens 6 was installed for the purpose of changing the divergence angle of the first laser beam and widening the beam diameter when irradiating the sample surface with the condenser lens 5 to reduce the power density. It is not always necessary to change the output of the laser oscillator 1 itself or to divide the optical path of each laser pulse as described above.

【0021】また、電気的遅延装置11により、所定の時
間間隔を置いてレーザパルスを照射することにより、試
料表面にプラズマを発生させる。このプラズマからの発
光スペクトルを、光ファイバ9で集光して分光分析装置
10に伝送するが、この光ファイバ9に替えて、レンズ、
凹面ミラー、平面ミラー等を組み合わせた手段を用いて
もよい。また、光ファイバ9を用いる場合には、複数の
光ファイバを操作して、集光時の立体角を大きくするこ
とにより、検出感度を向上させることができる。
Further, the electrical delay device 11 irradiates a laser pulse at a predetermined time interval to generate plasma on the sample surface. The emission spectrum from this plasma is collected by the optical fiber 9 and the spectroscopic analyzer
It is transmitted to 10, but instead of this optical fiber 9, a lens,
Means combining a concave mirror, a plane mirror, etc. may be used. Further, when the optical fiber 9 is used, the detection sensitivity can be improved by operating a plurality of optical fibers to increase the solid angle at the time of focusing.

【0022】そして、プラズマからの発光は、多チャン
ネル分光器を含む分光分析装置10で分光分析され、分析
対象元素の発光強度が測定される。このとき、一般的に
用いられている方法であるが、各レーザパルス毎の発光
強度を積算することにより、ノイズ、レーザパルス毎の
発光強度のばらつきが除去され、精度が向上する。ま
た、発光初期の連続光強度が高い時間帯を除いた部分を
積算範囲とする時間分解測定を行うと、さらに発光スペ
クトル強度とバックグラウンドの比が向上する。
The light emitted from the plasma is spectrally analyzed by the spectroscopic analyzer 10 including a multi-channel spectroscope, and the emission intensity of the element to be analyzed is measured. At this time, although it is a generally used method, noise and variations in the emission intensity of each laser pulse are removed by integrating the emission intensity of each laser pulse, and the accuracy is improved. Further, when the time-resolved measurement is performed with the integrated range excluding the time zone where the continuous light intensity at the initial stage of emission is high, the ratio of the emission spectrum intensity to the background is further improved.

【0023】なお、レーザプラズマの発光集光部及び分
光分析部は従来公知のもので十分である。すなわち、発
光集光部は、ミラー、レンズ、光ファイバ等で構成さ
れ、一方、分光分析部は、光電子増倍管或いはフォトダ
イオードアレイなどの多チャンネル光検出器を具えてい
る分光器、光検出器からの信号を増幅する信号増幅器、
及びこの信号を適切に処理する信号処理装置を含む他、
データ計算、発光強度から濃度への変換、分析結果の出
力を行うコンピュータなどから構成される。
The emission condensing section and the spectroscopic analysis section of the laser plasma are well known in the art. That is, the light emission condensing unit is composed of a mirror, a lens, an optical fiber, etc., while the spectroscopic analysis unit is equipped with a multi-channel photodetector such as a photomultiplier tube or a photodiode array. Amplifier that amplifies the signal from the instrument,
And a signal processing device that appropriately processes this signal,
It consists of a computer that calculates data, converts luminescence intensity to concentration, and outputs analysis results.

【0024】次にレーザ発振器を1台のみ具える装置に
特有の事項について説明する。このレーザ多段励起発光
分光分析装置は、1台のレーザ発振器から複数のレーザ
パルスを得るため、電気光学素子を用いてステップ状に
Q−スイッチを変える機構を有する。この機構では、特
別な光学的手段を設けなくても各レーザパルスを同一位
置に照射できるという長所を有し、また装置コストの面
でも有利である。第1のレーザパルスと第2以降のレー
ザパルスとの特性を変化させるには、発生したパルスを
更に電気光学的手段により分離し、それぞれの光路に異
なるレンズ等の光学素子を配置することにより、試料表
面におけるパルス特性の制御可能範囲を拡大することが
できる。なお分離した第2以降のレーザパルスは、ミラ
ー、偏光ビームスプリッタ等の光学的手段を用いて、第
1のレーザパルスと同一位置に照射すればよい。
Next, items peculiar to an apparatus having only one laser oscillator will be described. This laser multistage excitation light emission spectroscopic analyzer has a mechanism for changing the Q-switch stepwise using an electro-optical element in order to obtain a plurality of laser pulses from a single laser oscillator. This mechanism has the advantage that each laser pulse can be emitted to the same position without providing any special optical means, and is also advantageous in terms of device cost. In order to change the characteristics of the first laser pulse and the second and subsequent laser pulses, the generated pulses are further separated by electro-optical means, and different optical elements such as lenses are arranged in the respective optical paths. The controllable range of pulse characteristics on the sample surface can be expanded. The separated second and subsequent laser pulses may be irradiated at the same position as the first laser pulse by using an optical means such as a mirror and a polarization beam splitter.

【0025】[0025]

【実施例】以下、図2に示した、2台のレーザ発振器を
具えるレーザ多段励起発光分光分析装置を用いて分析を
行った場合(実施例)を、1段励起法(比較例1)及び
従来の2段励起法(比較例2)により分析を行った場合
と比較して説明する。図3に、上記した3つの方法でC
を0.1mass%含む鋼材試料にレーザパルスを照射したと
きの、Fe発光線(271.44nm)及びC発光線(193.09nm)
の発光強度の時間プロファイルを示す。用いたレーザ発
振器は、第1及び第2のレーザ発振器ともに、Nd:YAG
レーザで、Q−スイッチングによりパルスエネルギー、
パルス幅を第1及び第2のレーザ発振器でそれぞれ200m
J, 16ns及び100mJ, 16nsとした。また、第1及び第2の
レーザパルスの照射間隔は10μsとした。
[Examples] Hereinafter, a case where an analysis was carried out using a laser multistage excitation emission spectroscopic analysis apparatus having two laser oscillators shown in FIG. 2 (Examples), a one-stage excitation method (Comparative Example 1) Also, description will be made in comparison with the case where analysis is performed by the conventional two-stage excitation method (Comparative Example 2). In FIG. 3, C is calculated by the above three methods.
Fe emission line (271.44nm) and C emission line (193.09nm) when a laser pulse was irradiated to a steel material sample containing 0.1 mass% of
7 shows a time profile of the emission intensity of the. The laser oscillator used was Nd: YAG for both the first and second laser oscillators.
Laser, pulse energy by Q-switching,
Pulse width of 200m each for the first and second laser oscillators
J, 16ns and 100mJ, 16ns. The irradiation interval of the first and second laser pulses was 10 μs.

【0026】なお、1段励起法(比較例1)では、上記
レーザ発振器のうち第2の発振器を使用し、レーザパル
スの照射を10Hzで繰返し、60秒間(レーザパルスを600
回にわたりの照射した)の発光プロファイルを積算し
た。なお、予備照射は10秒とした。また、2段励起法
(比較例2および本発明の実施例)では、第1及び第2
のレーザパルスの照射を10Hzで繰返し、60秒間(第1及
び第2のレーザパルスを600組にわたり照射した)の発
光プロファイルを積算した。なお、発光プロファイルの
積算は第2のレーザパルスによるもののみについて行な
い、予備照射は10秒とした。
In the one-stage excitation method (Comparative Example 1), the second oscillator of the above laser oscillators was used, and the laser pulse irradiation was repeated at 10 Hz for 60 seconds (laser pulse
The emission profile of (irradiated over times) was integrated. The preliminary irradiation was 10 seconds. In the two-stage excitation method (Comparative Example 2 and Example of the present invention), the first and second
The irradiation of the laser pulse was repeated at 10 Hz, and the emission profile for 60 seconds (the first and second laser pulses were irradiated for 600 sets) was integrated. The light emission profile was integrated only by the second laser pulse, and the preliminary irradiation was 10 seconds.

【0027】図3(a)は、1段励起法により、レーザ
パルスを試料表面でφ300μmに集光した場合で、この
時、試料表面でのパワー密度は、4.4×109W/cm2とし
た。1μs以内の時間に現れる強い発光は連続光を主体と
する部分であり、それに続いて10μs付近まで裾を引い
ている領域が元素からの発光を主体とする部分である。
同図から明らかなように、主成分であるFeは、7μs付近
まで発光が認められるが、Cについては2μs以降はほと
んど発光が検出されていない。
FIG. 3 (a) shows the case where the laser pulse is focused on the sample surface at φ300 μm by the one-step excitation method, and the power density on the sample surface is 4.4 × 10 9 W / cm 2 at this time. did. The strong luminescence that appears within a time of 1 μs is the part mainly composed of continuous light, and the region skirting up to around 10 μs is the part mainly composed of luminescence from the element.
As is clear from the figure, the main component Fe emits light up to around 7 μs, but almost no emission of C is detected after 2 μs.

【0028】図3(b)は、2段励起法により、レーザ
パルスを試料表面でφ300μmに集光した場合で、この
時、試料表面でのパワー密度は、第1及び第2のレーザ
発振器でそれぞれ、8.8×109W/cm2及び4.4×109W/c
m2とした。同図によれば、図3(a)と同様に、1μs
内の発光強度が強いが、それに続く元素発光の部分の強
度が増大し、0.1mass%のCに対しても4μs付近まで発
光が認められる。
FIG. 3B shows the case where the laser pulse is focused on the sample surface to φ300 μm by the two-stage excitation method. At this time, the power density on the sample surface is measured by the first and second laser oscillators. 8.8 × 10 9 W / cm 2 and 4.4 × 10 9 W / c, respectively
m 2 According to the figure, similar to FIG. 3A, 1 μs
The intensity of the luminescence inside is strong, but the intensity of the element luminescence that follows is increased, and luminescence is recognized up to about 4 μs even for 0.1 mass% C.

【0029】図3(c)は、本発明の実施例で、第1の
レーザパルスの光路上に平凹レンズを置くことにより、
第1及び第2のレーザビームの試料表面でのビーム径
を、それぞれφ2mm及びφ300μmとした場合である。こ
の場合、試料表面でのパワー密度は、第1及び第2のレ
ーザ発振器で、2.0×108W/cm2及び4.4×109W/cm2
した。同図から明らかなように、実施例によれば、図3
(b)に比べても長時間側まで各元素の発光が観測さ
れ、第1のレーザパルスのパワー密度を変化させたこと
により、分析感度を一層向上することができる。なお、
第1のレーザパルスの照射と第2以降のパルスの照射と
の間隔についても検証したが、上記パルス間隔が20μs
付近までは発光強度はほとんど変化しなかったが、それ
以上になると徐々に減少し、パルスの間隔が100μsを超
えた場合には、第2以降のレーザパルスによる発光強度
が著しく減少し、満足いくほどに2段励起の効果は認め
られなかった。
FIG. 3C shows an embodiment of the present invention, in which a plano-concave lens is placed on the optical path of the first laser pulse.
This is a case where the beam diameters of the first and second laser beams on the sample surface are φ2 mm and φ300 μm, respectively. In this case, the power density on the surface of the sample was 2.0 × 10 8 W / cm 2 and 4.4 × 10 9 W / cm 2 for the first and second laser oscillators. As is clear from the figure, according to the embodiment, as shown in FIG.
Even when compared to (b), the emission of each element was observed for a long time, and the power density of the first laser pulse was changed, whereby the analysis sensitivity can be further improved. In addition,
We also verified the interval between the irradiation of the first laser pulse and the irradiation of the second and subsequent pulses, but the pulse interval was 20 μs.
The emission intensity hardly changed up to the vicinity, but it gradually decreased after that, and when the pulse interval exceeded 100 μs, the emission intensity by the second and subsequent laser pulses decreased significantly, which was satisfactory. The effect of the two-step excitation was not so remarkable.

【0030】次に、C含有量を種々変化させた試料につ
いて、図3に示した3種類の方法でレーザ多段励起発光
分光分析を行い、C発光線とFe発光線との強度比(C/
Fe)を用いてC含有量の検量線を作成した結果を図4に
示す。ここで、C及びFeの発光強度は、レーザパルス照
射後1〜9μsの範囲の検出器からの信号強度を、600回
のレーザパルス照射にわたって積算して求めた。同図か
ら明らかなように、1段励起法や従来法の2段励起法に
比べ、本発明に従う2段励起法では、検量線の傾きが大
きく、しかもばらつきが小さいことが判明した。すなわ
ち、本発明法によれば、迅速性というレーザ多段励起発
光分光分析法の長所を損なうこと無く、傾きの向上すな
わち分析感度の向上を実現することができる。
Next, with respect to the samples with various changes in C content, laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis was carried out by the three kinds of methods shown in FIG. 3, and the intensity ratio of C emission line to Fe emission line (C /
The result of having prepared the calibration curve of C content using Fe) is shown in FIG. Here, the emission intensities of C and Fe were determined by integrating the signal intensities from the detector in the range of 1 to 9 μs after laser pulse irradiation over 600 laser pulse irradiations. As is clear from the figure, in comparison with the one-step excitation method and the conventional two-step excitation method, the two-step excitation method according to the present invention has a larger slope of the calibration curve and a smaller variation. That is, according to the method of the present invention, it is possible to realize the improvement of the inclination, that is, the improvement of the analysis sensitivity, without impairing the advantage of the laser multistage excitation-emission spectroscopic analysis method that is rapidity.

【0031】[0031]

【発明の効果】かくして、この発明によれば、試料組成
を迅速に、しかも良好な感度の下で分析することがで
き、従って数分以内の迅速分析が必要とされる各種金属
材料の製造プロセスでの工程管理、品質管理に通用して
偉効を奏する。
As described above, according to the present invention, it is possible to analyze a sample composition rapidly and with good sensitivity, and therefore, a process for producing various metallic materials which requires rapid analysis within a few minutes. It can be used effectively for process control and quality control in.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 レーザプラズマの発光強度及び試料の気化速
度と、試料表面でのレーザパルスのパワー密度との関係
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the emission intensity of laser plasma and the vaporization rate of a sample, and the power density of a laser pulse on the sample surface.

【図2】 この発明にかかるレーザ多段励起発光分光分
析装置の主要構成例を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the main configuration of a laser multistage excitation emission spectroscopy analyzer according to the present invention.

【図3】 この発明の実施例及び比較例におけるFe発光
線及びC発光線の発光強度の時間プロファイルを示し、
それぞれ(a)は1段励起法、(b)は2段励起法の比
較例、(c)は本発明に従う2段励起法の測定結果をそ
れぞれ示す図である。
FIG. 3 shows time profiles of emission intensities of Fe emission line and C emission line in Examples and Comparative Examples of the present invention,
FIG. 5A is a diagram showing a measurement result of a two-stage excitation method according to the present invention, and FIG. 8C is a comparative example of the two-stage excitation method.

【図4】 この発明の実施例及び比較例における鋼中C
濃度の検量線を示し、それぞれ(a)は1段励起法、
(b)は2段励起法の比較例、(c)は本発明に従う2
段励起法の測定結果をそれぞれ示す図である。
FIG. 4 C in steel in Examples and Comparative Examples of the present invention
The calibration curve of the concentration is shown, (a) is the one-stage excitation method,
(B) is a comparative example of the two-stage excitation method, (c) is according to the present invention 2
It is a figure which respectively shows the measurement result of the step excitation method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 第1のレーザ発振器 2 第2のレーザ発振器 3 反射ミラー 4 偏光ビームスプリッタ 5 集光レンズ 6 平凹レンズ 7 波長板 8 試料 9 光ファイバ 10 分光分析装置 11 電気的遅延装置 1 First laser oscillator 2 Second laser oscillator 3 reflection mirror 4 Polarizing beam splitter 5 Condensing lens 6 Plano-concave lens 7 Wave plate 8 samples 9 optical fiber 10 Spectroscopic analyzer 11 Electrical delay device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G020 AA05 BA05 BA14 BA20 CA01 CA14 CB04 CB23 CB42 CB51 CC01 CC47 CC63 CD03 CD06 CD14 CD24 CD31 CD33 2G043 AA01 BA01 CA03 CA05 EA10 FA03 GA06 GB21 HA01 HA02 HA05 HA06 HA09 HA15 JA01 KA03 LA02 LA03 NA01    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 2G020 AA05 BA05 BA14 BA20 CA01                       CA14 CB04 CB23 CB42 CB51                       CC01 CC47 CC63 CD03 CD06                       CD14 CD24 CD31 CD33                 2G043 AA01 BA01 CA03 CA05 EA10                       FA03 GA06 GB21 HA01 HA02                       HA05 HA06 HA09 HA15 JA01                       KA03 LA02 LA03 NA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料表面に対し、該表面におけるパワー
密度が108W/cm2以上10 9W/cm2以下である第1のレー
ザパルスを照射し、該第1のレーザパルスの照射後100
μs以内に、該第1のレーザパルスの照射位置と同一位
置に、試料表面におけるパワー密度が109W/cm2以上で
ある第2以降のレーザパルスを1又は2以上照射し、該
試料表面に生成するプラズマを分光分析することを特徴
とする、レーザ多段励起発光分光分析方法。
1. A power on a sample surface with respect to the surface
Density is 108W / cm2More than 10 9W / cm2The first ray that is
The pulse is irradiated, and 100 times after the irradiation of the first laser pulse.
Within μs, the same position as the irradiation position of the first laser pulse
The power density on the sample surface is 109W / cm2Above
Irradiating one or more laser pulses after a certain second pulse,
Characterized by spectroscopic analysis of plasma generated on the sample surface
A laser multi-stage excitation emission spectroscopic analysis method.
【請求項2】 照射するレーザパルスのパワー密度が異
なる2台以上のレーザ発振器、レーザパルスの照射間隔
を設定する電気的遅延装置、2台以上のレーザ発振器か
ら照射された各パルスの照射位置を一致させるための光
学的手段、試料からの発光スペクトルを分光分析装置に
伝送するための光学的手段及び分光分析装置を有するこ
とを特徴とする、レーザ多段励起発光分光分析装置。
2. A laser pulse generator having two or more laser oscillators having different laser pulse power densities, an electric delay device for setting a laser pulse irradiation interval, and an irradiation position of each pulse emitted from the two or more laser oscillators. A laser multistage excitation emission spectroscopic analysis apparatus comprising: an optical means for matching, an optical means for transmitting an emission spectrum from a sample to the spectroscopic analysis apparatus, and a spectroscopic analysis apparatus.
【請求項3】 1台のレーザ発振器、レーザパルスの照
射間隔を設定する電気的遅延装置、試料からの発光スペ
クトルを分光分析装置に伝送するための光学的手段及び
分光分析装置を有し、該レーザ発振器が、レーザパルス
のパワー密度を変化させるための光学的及び電気光学的
手段を有することを特徴とする、レーザ多段励起発光分
光分析装置。
3. A laser oscillator, an electrical delay device for setting an irradiation interval of laser pulses, an optical means for transmitting an emission spectrum from a sample to a spectroscopic analysis device, and a spectroscopic analysis device, A laser multistage excitation emission spectroscopic analyzer, wherein the laser oscillator has optical and electro-optical means for changing the power density of the laser pulse.
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