[发明专利]便携式激光诱导击穿光谱分析系统

说明书

本发明描述激光诱导击穿系统的实施例，其包括便携式装置，所述便携式装置包含：激光器，其被配置成产生包括多个重复脉冲的光束；处理器，其被配置成在延迟周期之后打开数据获取窗口，其中所述延迟周期在产生所述脉冲中的一者之后开始；一或多个光学元件，其被配置成在样本处引导所述光束且收集来自等离子体连续光谱的所发射光；及光检测器，其被配置成从来自在所述数据获取窗口期间收集的所述等离子体连续光谱的所述所发射光产生多个信号值，其中所述处理器被配置成从所述信号值识别元素。

技术领域

本发明涉及手持式激光诱导击穿(LIBS)装置及其使用方法。

背景技术

一般了解，元素分析技术具有以各种形式确定材料的元素组成的重要应用。元素分析技术具有从破坏性(例如，在测试中毁坏材料)到半破坏性(例如，材料经过取样或表面损坏)到完全非破坏性(例如，使材料完全无损)。元素分析的一个观点是经由周期表界定可以经由特定技术或装置设计检测哪些元素。归因于干扰信号、弱信号或不能致使原子激发，某些元素常常存在挑战。此类技术可包含被称作电感耦合等离子体-原子发射光谱分析(例如，ICP-AES)、ICP-质谱分析(例如ICP-MS)、电热雾化原子吸收光谱分析(例如，ETA-AAS)X射线荧光光谱分析(例如，XRF)、X射线衍射(例如，XRD)，及激光诱导击穿光谱分析(例如，LIBS)的技术。检测极限是任何技术或仪器的关键性能规格。元素分析可为定性(例如，较容易)或定量(例如，较难)的且常常要求对已知标准的校准。

如上文所描述，常常使用周期表界定系统可以检测及量化的元素。在分析金属中所关注的关键元素是碳，其根据所述周期表被称为“轻”元素。例如，许多钢合成物的碳含量界定材料性质以及与其它金属的特定合成的相容性。一般了解，XRF装置且尤其是便携式仪器不能够可靠地检测及量化轻元素，例如材料的碳含量。界定低碳钢(广泛用于在管道中输送化学物质)的特性是约300ppm的碳的存在，这将要求小于100ppm的检测极限以进行可靠地量化(定量极限，LOQ，或～3倍LOD)。这些材料常常需要在使用时进行测试以确认用于目的的适合性。

激光诱导击穿光谱分析是使用激光脉冲以诱发激发的原子发射光谱分析技术。聚焦的激光脉冲与样本之间的相互作用产生由电离物质构成的等离子体。等离子体光发射可以提供关于许多不同种类的材料的化学组成的光谱数据。LIBS可以在充分的精度、检测极限及成本下提供容易使用、快速及当场的化学分析。重要的是，LIBS可以非常准确地检测及量化其它技术无法检测及量化的轻元素。

通过描述原子如何吸收或发射光子的量子力学来支配激光与物质的交互作用。如果原子吸收光子，那么一或多个电子从基态移动到较高能量量子状态。电子往往会占用最低可能的能级，且在冷却/衰退过程中，原子发射光子。不同原子的不同能级以窄带发射(归因于它们的量化)产生每一种类的原子的不同光子能量。这些发射对应于LIBS频谱中发现的光谱发射线，且它们的特征及它们的相关联的能级对于每一原子是众所周知的。

在等离子体寿命中存在三个基础阶段。第一阶段是点火过程，其包含激光脉冲期间的初始键断裂及等离子体形成。这受到激光类型、激光功率及脉冲持续时间影响。等离子体寿命中的第二阶段对于LIBS光谱获取及测量的优化是最关键的，因为等离子体在冷却过程期间导致原子发射。在点火之后，等离子体将继续膨胀及冷却。同时，电子温度及密度将改变。此过程取决于消融的质量、光斑尺寸、耦合到样本的能量，及环境条件(样本的状态、压力等)。等离子体寿命的最后阶段不是LIBS测量所关注的。一定量的消融的质量不被激发为蒸气或等离子体，因此这个量的材料被消融为粒子且这些粒子产生冷凝蒸气、液体样本喷射及固体样本剥离，其没有辐射。此外，消融的原子变冷且在等离子体的重组过程中产生纳米粒子。