CN103604780B - 一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，针对LIBS分析技术在提高探测灵敏度，有效降低检出限方面所面临的困难。其原理是基于激光诱导等离子体的物理机制以及等离子体的时空演变过程，通过改变激光诱导等离子体***的空间结构及环境，实现增强激光诱导等离子体强度并降低背景辐射；采用多通道不同角度光谱信号收集，利用多芯光纤实现光谱信号到光谱仪的耦合传输，实现光谱信号最大化收集利用，获取激光诱导等离子体的空间分布特征以提高被分析元素的探测灵敏度。整个装置结构紧凑使用灵活方便，适用于以LIBS技术为分析手段的所有固体物质的元素测量，可用于室内室外各种工作环境，特别适于现场元素检测。

Description

一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置

技术领域

本发明涉及激光光谱分析装置领域，具体为一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，LIBS)是一种快速分析物质元素的技术,利用一束短脉冲激光经透镜聚焦后对探测物质表面进行烧蚀而产生一个微型等离子体，分析从这些等离子体辐射出的光谱信号及其强度以确定存在的元素及其浓度。这种分析技术具有许多突出的优势:无需制样、实时快速、可现场原位、多元素同时探测以及探测物形态多样等，应用前景广泛。但是利用LIBS进行微量元素分析时存在的一个问题是测量的低灵敏度，特别是针对土壤重金属元素测量，由于受探测物质基体效应影响，且等离子体光谱信号强度与元素含量的正相关性,对于微量元素的分析,其谱线强度较弱且信噪比低，信号探测灵敏度较差，元素检出限较高，限制了LIBS技术的应用与发展。

为了提高激光诱导击穿光谱探测灵敏度，国内外采用的相关方法有：双脉冲或多脉冲激发等离子体技术，利用有时间延迟的两个或多个激光脉冲先后作用于物质同一位置激发等离子体以增强激发光谱；快速脉冲放电等离子体光谱技术，即设计高压与快速放电电路用于对激光诱导等离子体进行再放电以增强等离子体光谱发射；LIBS联合拉曼光谱或激光诱导荧光分析技术；采用非球面镜消色差耦合技术等。这些方法的应用都促进了LIBS分析技术的发展，能够一定程度上提高探测灵敏度，但是其结构都相对复杂，不利于LIBS分析走出实验室实现工业生产应用研发。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，以解决现有LIBS分析技术在提高信号探测灵敏度方面所面临的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，其特征在于：包括有中空的装置壳体，装置壳体底部中心开有开口，装置壳体内设置有安装在装置壳体底部中心开口中的透明熔融石英材质的类半球壳体，所述类半球壳体顶部设有通孔，所述装置壳体顶部中心安装有激光聚焦装置，且激光聚焦装置位于类半球壳体顶部通孔正上方，所述激光聚焦装置旁边的装置壳体顶部安装有连通装置壳体内外的环境气体进气接口，激光聚焦装置周围的装置壳体顶部还安装有多个光纤接口，多个光纤接口相对于装置壳体底部中心开口呈不同角度分布，每个光纤接口在装置壳体内的一端分别连接有信号收集耦合装置，每个光纤接口在装置壳体外的一端分别连接有多芯光纤，所述信号收集耦合装置随光纤接口以不同角度对准类半球壳体。

所述的一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，其特征在于：所述类半球壳体由环形的下部和半球壳体状的上部构成，类半球壳体的环形下部安装在装置壳体底部中心开口中，所述通孔设置在类半球壳体的半球壳体状上部的半球形顶端。

所述的一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，其特征在于：所述装置壳体由空心倒圆锥体状的前罩壳、空心罩体状的基座构成，其中基座通过螺合的方式装配在前罩壳上构成中空的装置壳体，所述激光聚焦装置、环境气体进气接口、光纤接口分别按各自所在位置设置在基座上，所述开口设置在倒圆锥体状前罩壳的锥体顶点处。

本发明中，首先基于激光诱导等离子体的物理机制以及等离子体的时空演变过程，通过改变激光诱导等离子体***的空间结构及环境，实现增强激光诱导等离子体强度。其次采用多通道不同角度光谱信号收集，利用多芯光纤实现光谱信号到光谱仪的耦合传输，实现光谱信号最大化收集利用，获取激光诱导等离子体的空间分布特征。利用此发明能够有效延长激光诱导等离子体发射寿命，增强激光诱导等离子体谱线发射强度，通过对等离子体空间分布特征进行多通道不同角度收集从而提高被分析元素的探测灵敏度。此发明适用于以LIBS技术为分析手段的所有固体物质的元素测量。

本发明的优点如下：

（1）采用类半球壳体结构，能够有效束缚等离子体并延缓向外膨胀，增加等离子体驻留时间，使等离子温度衰减速率降低，增强等离子体光谱辐射强度；

（2）类半球壳体采用熔融石英材料，在紫外到可见光波段具有优异的透光性能，便于等离子体光信号的收集，可以实现光谱信号多通道、多角度最大化接收；

（3）工作空间注入氦气环境气体，使激光诱导等离子体过程具有更高的离子化效率和等离子体稳定性，从而提高等离子体发射光谱检测的灵敏度；

（4）应用多芯光纤耦合传输，能够获取细致的等离子体时间和空间分布信息，有利于提高光谱探测灵敏度；

（5）整个装置结构紧凑，调节方便，适用于室内室外各种工作环境，特别适于现场元素检测。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为类半球壳体剖面图。

图3为等离子体耦合传输示意图。

图4为采用本发明对标准土壤样品进行测量并对比分析的实验结果图。

具体实施方式

如图1所示。一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，包括有中空的装置壳体，装置壳体底部中心开有开口，装置壳体内设置有安装在装置壳体底部中心开口中的透明熔融石英材质的类半球壳体4，类半球壳体顶部设有通孔，装置壳体顶部中心安装有激光聚焦装置1，且激光聚焦装置1位于类半球壳体4顶部通孔正上方，激光聚焦装置1旁边的装置壳体顶部安装有连通装置壳体内外的环境气体进气接口8，激光聚焦装置1周围的装置壳体顶部还安装有多个光纤接口10，多个光纤接口10相对于装置壳体底部中心开口呈不同角度分布，每个光纤接口在装置壳体内的一端分别连接有信号收集耦合装置5，每个光纤接口在装置壳体外的一端分别连接有多芯光纤9，信号收集耦合装置5随光纤接口10以不同角度对准类半球壳体4。

类半球壳体4由环形的下部42和半球壳体状的上部41构成，类半球壳体4的环形下部42安装在装置壳体底部中心开口中，通孔设置在类半球壳体4的半球壳体状上部41的半球形顶端。

装置壳体由空心倒圆锥体状的前罩壳7、空心罩体状的基座6构成，其中基座6通过螺合的方式装配在前罩壳7上构成中空的装置壳体，激光聚焦装置1、环境气体进气接口8、光纤接口10分别按各自所在位置设置在基座6上，开口设置在倒圆锥体状前罩壳7的锥体顶点处。

类半球壳体4如图2所示，类半球壳体4的半球壳体状上部41部分为内直径12mm的半球壳体，类半球壳体4的环形下部42为高度2mm的环形体，设计为类半球壳体在于激光诱导的等离子体及伴随的冲击波的空间形态并非理想的半球形态，而是一种上大下小的倒梨形态，这种类半球壳体结构能够对激光诱导等离子体产生一种很好地空间约束效果。类半球壳体4采用熔融石英玻璃材料，厚度为1mm，壳体顶部开一个直径2mm的通孔，激光束经过激光聚焦装置1聚焦后穿过通孔作用于物体表面。类半球壳体4固定于倒圆锥体状前罩壳7的锥体顶点处，前罩壳7采用螺纹结构与基座6连接，工作时它们与待检测物体3接触形成一个相对封闭的空间如图1所示，环境气体进气接口8用于对此空间注入氦气环境气体。多芯光纤9通过SMA905标准光纤接口10与信号收集耦合装置5连接，用于耦合传输等离子体的时间和空间分布信息，如图3所示，图中等离子体2通过信号收集耦合装置5形成缩小的倒立实像21，应用多芯光纤耦合，其中各个纤芯就能够耦合等离子体中不同位置的信息，实际应用中可以根据需要在基座6上加装多个光纤接口10和信号收集耦合装置5，使光谱信息收集最大化。

本发明提高检测灵敏度的工作机制如下：首先，工作时打开环境气体进气接口8使整个装置内部空间持续流入氦气环境气体，由于氦气相比空气有更高的击穿阈值,并且氦气流通对类半球壳体4内的空间具有排尘作用，因此聚焦激光到达检测物质之前由于环境物质造成的激光能量衰减减小，从而传递至检测物质的激光能量就更多,激光击穿环境物质产生的气相电子密度及连续背景辐射相应降低，而激光诱导等离子体强度得到增强并且重复稳定性得到提高。其次，在激光作用点周边采用类半球壳体4对等离子体的时空演变构成一种空间约束，激光诱导等离子体时伴随形成的冲击波相比高温高压的等离子体向外膨胀的速度快，当冲击波快速传播到类半球壳体4的内表面时遇阻形成反射，反射回的冲击波对向外膨胀的等离子体形成一种阻碍，延缓了等离子体的膨胀，增加了等离子体驻留时间，使等离子体温度衰减速率降低，等离子体中粒子间碰撞几率增加，处于高能状态的原子数目增多,等离子体光谱辐射强度得到增强。最后，类半球壳体4采用熔融石英，熔融石英具有优异的紫外到可见光透光性能，这有利于实现多个通道不同角度对光谱信号充分收集利用；并且应用多芯光纤9耦合传输信号可以充分接收等离子体的时间和空间分布信息。总之，通过对等离子体激发环境改变及空间结构设计，降低了激光诱导等离子体背景辐射并增强了谱线强度；利用多通道不同角度对光谱信号充分收集以及多芯光纤耦合传输，获取了细致的等离子体时间和空间分布信息。

采用本发明对标准土壤样品（Cu元素含量：37.76mg/kg）Cu元素进行测量并对比分析。实验结果如图4所示，图中曲线1表示利用本发明装置检测所得谱线，曲线2为在其他条件相同的情况下非本发明装置检测的谱线，结果表明采用本发明装置，获得了更强的等离子体光谱信号，谱线强度增强了7-8倍，探测灵敏度也得到了极大地提高。

Claims (3)

1.一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，其特征在于：包括有中空的装置壳体，装置壳体底部中心开有开口，装置壳体内设置有安装在装置壳体底部中心开口中的透明熔融石英材质的类半球壳体，所述类半球壳体顶部设有通孔，所述装置壳体的顶部中心安装有激光聚焦装置，且激光聚焦装置位于类半球壳体顶部通孔正上方，所述激光聚焦装置旁边的装置壳体顶部安装有连通装置壳体内外的环境气体进气接口，激光聚焦装置周围的装置壳体顶部还安装有多个光纤接口，多个光纤接口相对于装置壳体底部中心开口呈不同角度分布，每个光纤接口在装置壳体内的一端分别连接有信号收集耦合装置，每个光纤接口在装置壳体外的一端分别连接有多芯光纤，所述信号收集耦合装置随光纤接口以不同角度对准类半球壳体。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，其特征在于：所述类半球壳体由环形的下部和半球壳体状的上部构成，类半球壳体的环形下部安装在装置壳体底部中心开口中，所述通孔设置在类半球壳体的半球壳体状上部的半球形顶端。

3.根据权利要求1所述的一种提高激光诱导等离子体光谱探测灵敏度的装置，其特征在于：所述装置壳体由空心倒圆锥体状的前罩壳、空心罩体状的基座构成，其中基座通过螺合的方式装配在前罩壳上构成中空的装置壳体，所述激光聚焦装置、环境气体进气接口、光纤接口分别按各自所在位置设置在基座上，所述开口设置在倒圆锥体状前罩壳的锥体顶点处。