Мобильный лазерный эмиссионный анализатор веществ

Изобретение относится к спектральному анализу, в частности к атомно-эмиссионному анализу различных веществ. Возбуждение и атомизация вещества осуществляется методом лазерного испарения пробы и дальнейшей ионизации полученного пара вещества. Лазерное импульсное излучение позволяет производить испарение пробы без загрязнения ее состава дополнительными электродами, что повышает спектральную стерильность исследования образцов и позволяет проводить изучение в том числе чистых объектов. Излучение ионизированной плазмы направляется в объектив для дальнейшего спектрального анализа в спектрометре. При компактных размерах спектрометр анализатора содержит увеличенное количество ПЗС-линеек, что существенно расширяет диапазон анализируемого спектра с нижней границей 170 нм. Прибор позволяет проводить измерения как твердых веществ, в том числе порошкообразных, так и жидкостей. Анализируется состав металлов и сплавов, диэлектриков, керамики, стекла, химических компонентов, горных пород. Анализ проводится как в атмосфере инертного газа, так и на воздухе, а при использовании приставки - в вакууме. Благодаря небольшим размерам и весу анализатора измерения возможно проводить на месте нахождения анализируемых веществ, в том числе с рук. 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к спектральному анализу, в частности, к атомно-эмиссионному анализу различных веществ. Изобретение осуществляет мобильный, точный и быстрый спектральный анализ различных веществ.

Уровень техники

Известно решение спектрального анализа материалов, описанное в изобретении US 20140204377 A1 «Handheld libs spectrometer». Ручной спектрометр LIBS включает в себя оптический столик, подвижно закрепленный на корпусе, линзу фокусировки лазера, линзу регистрации, один или несколько двигателей для оптической фокусировки в поперечном и продольном направлениях. Источник лазера в корпусе ориентирован так, чтобы направлять лазерный луч на фокусирующую линзу лазера. Таким образом, возможны автоматическая калибровка, автоматическая очистка, автофокус и функция движущегося пятна. Также спектрометр оснащен спектральными параллельными модулями типа Черни-Тернера с плоским полем и одной ПЗС-линейкой в каждом модуле. Излучение к спектрометру доставляется посредством оптических волокон от входной оптической системы.

Эти свойства определяют достаточно большую сложность системы автофокусировки и, соответственно, недостаточную надежность работы прибора в мобильном исполнении. Кроме того, применение оптического волокна ухудшает аналитической сигнал и допускает неоднородное деление оптических каналов. Количество ПЗС-линеек в мобильном варианте спектрометра ограничено четырьмя, что сужает диапазон анализируемого спектра.

Патент RU 2081403 «Измерительный датчик для портативного анализатора оптической эмиссии» описывает устройство портативного спектрометра для мобильного эмиссионного анализа. Данная разработка базируется на искровом электрическом режиме ионизации вещества и анализе его в спектрометре. Применяется спектрометр типа Черни-Тернера с плоским полем. Это не позволяет сделать достаточно протяженный аналитический спектр, ограничивая диапазон измерения. Использование искрового режима ионизации образца ограничивает анализ веществ только металлическими веществами, проводящими электрический ток. Кроме того, использование спектрометра затруднено обязательным применением плазмообразующего инертного газа для поддержания горения искры или дуги при анализе пробы.

Известен патент RU 2262086 «Способ измерения спектра излучения, спектрометр и малогабаритный спектрометр». Описывается спектрометр, построенный по схеме Пашена-Рунге. Несколько ПЗС- линеек располагаются на круге Роуланда, а входной сигнал предварительно разделяется на два с установкой двух спектральных щелей и размещением двойной оптической схемы, где ПЗС- линейки располагаются со смещением. Это позволяет получить сплошной спектр без разрывов, комбинируя его из двух оптически разделенных каналов. Однако это может привести к неоднородности аналитических сигналов при перекрестном считывании сигналов с ПЗС-линеек разных оптических схем. Для уменьшения размеров спектрометра по диаметру круга Роуланда перпендикулярно нормали дифракционной решетки установлено большое зеркало. Однако оно как дополнительная оптическая плоскость ухудшает пропускание спектрометра, которое со временем еще ухудшится в связи с накоплением пыли и дефектов.

Близким прототипом к заявляемому изобретению является патент RU 2571440 «Спектрометр и способ спектроскопии». Прибор использует схему с плоским полем и один матричный приемник сигналов от ПЗС, содержит тороидальное зеркало и одну входную спектральную щель. Зеркало предназначено для направления света через входную щель, так что свет из разных областей в искровом источнике пространственно разделен на отображении света на решетках, при этом первая дифракционная решетка предпочтительно освещена светом из первой области искрового источника, и одновременно вторая дифракционная решетка предпочтительно освещена светом из второй области искрового источника.

Использование схемы спектрометра с плоским полем уменьшает возможность использовать большое количество ПЗС- линеек и обязывает использовать матричный приемник сигналов, что дорого и не позволяет геометрически отстроить параллельные оптические каналы от разных дифракционных решеток. Использование тороидальной асферической оптики сильно усложняет оптическую схему, ее юстировку и стоимость изготовления. Кроме того, использован искровой электрический метод ионизации пробы, что, как уже говорилось выше, ограничивает анализ только металлическими образцами с обязательной продувкой инертным газом. Это уменьшает аналитические возможности прибора.

По методу возбуждения за прототип принят патент SU 1562798 «Устройство для локального лазерного спектрального анализа». Данное устройство использует способ возбуждения образца с испарением пробы лазерным импульсом и электрическим разрядом высоковольтного конденсатора через электроды разрядного промежутка, расположенного около поверхности аналитической пробы. Дополнительно используется третий электрод, расположенный выше двух первых, обеспечивающий распространение факела плазмы по ходу прохождения лазерного импульса. Но это приводит к растягиванию плазменного облака ионизации вещества и увеличению погрешности аналитического сигнала.

Раскрытие сущности изобретения

Мобильный лазерный эмиссионный анализатор веществ разработан по схеме типа Пашена-Рунге. Использован спектрометр с расположением линейных многокомпонентных датчиков спектральной информации ПЗС- линеек 1 (фиг.1, фиг.2) на круге Роуланда 2 (фиг.2), что позволяет разместить в нём, не увеличивая размеры упомянутого анализатора, значительно больше ПЗС- линеек. Использование схемы расположения ПЗС- линеек в перпендикулярных друг другу плоскостях и применение поворотных плоских зеркал 3 (фиг.1, фиг.2), расположенных в плоскости, перпендикулярной распространению основных лучей от дифракционной решетки 4 (фиг.1, фиг.2), позволяет минимизировать промежутки между ПЗС- линейками по линии расположения спектра. Это даёт возможность расположить большее количество ПЗС- линеек вдоль спектра, значительно расширив диапазон измерения по длинам волн в оптической схеме достаточно малых размеров и обеспечить упомянутому анализатору возможность мобильного применения с максимальным спектральным диапазоном измерений.

Импульсный лазер направляет излучение на трехлинзовый объектив для фокусировки излучения на поверхности исследуемого образца вещества.

В качестве входной оптической схемы применены кварцевый объектив 5 (фиг.1, фиг.2) и входная спектральная щель 6 (фиг.1, фиг.2). Оптическое излучение после входной спектральной щели попадает на обе

дифракционные решетки, имеющие прямоугольные вытянутые размеры. Эти решётки расположены рядом и вместе образуют квадрат, вписанный в оптический конус излучения, исходящего из входной спектральной щели. Таким образом излучение от входной спектральной щели попадает одновременно на обе дифракционные решетки и происходит деление входящего излучения на два спектральных канала. Благодаря использованию двух параллельных друг другу спектральных оптических схем не происходит взаимного перекрестного наложения спектральной аналитической информации.

В спектрометре используются дифракционные решетки с различным количеством штрихов и имеющие разные углы падения и дифракции падающего излучения от спектральной щели. Этим достигается необходимый спектральный диапазон в каждом спектральном канале, и соответственно в два раза увеличивается спектральный диапазон и спектральное разрешение прибора.

Для дополнительной ионизации испаренного вещества при лазерном испарении используется электроискровая ионизация в высоковольтном разряде посредством двух электродов. Форма электродов - металлические пластины с заостренными концами. Такая форма обеспечивает локализацию электрического разряда в точке вспышки лазерного излучения, что позволяет повысить повторяемость аналитического сигнала.

Электроды обращены друг к другу заострёнными концами и расположены с противоположных сторон от области фокусировки лазерного излучения с тем, чтобы возникающий между ними электрический разряд проходил в непосредственной близости от области фокусировки лазерного излучения на образце. Расстояние между электродами выбирается для обеспечения устойчивого электрического разряда в присутствии облака испаренного лазерным импульсом исследуемого вещества. Разряд инициализируется с задержкой после испарения вещества лазерным импульсом либо синхронно с лазерным импульсом. Это позволяет повысить величину аналитического сигнала и увеличить чувствительность определения концентраций для химического анализа.

В упомянутом анализаторе используется лазерное испарение и атомизация вещества. Это позволяет проводить измерения как твердых веществ, в том числе порошкообразных, так и жидкостей. Также появляется возможность анализировать разные типы вещества - проводящие металлы, диэлектрики, керамики, стекла, химические компоненты, горные породы. Анализ веществ можно проводить на воздухе и в атмосфере инертного газа, а при использовании приставки - и в вакууме.

Упомянутый анализатор включает в себя компьютер для приёма и обработки спектральной информации с ПЗС- линеек, для управления системой лазерного возбуждения, для контроля питания.

Технический результат изобретения - высокая точность определения состава широкого круга веществ и универсальность применения упомянутого анализатора, включая мобильность.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема расположения ПЗС-линеек одного спектрального канала.

На фиг. 2 представлена общая схема спектрометра.

Осуществление изобретения

Лазер, используемый в данном приборе, имеет линейную схему с накачкой активного элемента 8 (фиг.2) тремя диодными линейками. Резонатор лазера размещается в цилиндрическом стальном корпусе, который обеспечивает две функции: обеспечивает теплоотвод активного элемента и жесткую фиксацию элементов резонатора, зеркал резонатора 7 (фиг.2), закрепляемых на торцах цилиндрического корпуса и позиционирующихся в точно изготовленных торцах перпендикулярно оптической оси лазера. Активный элемент расположен в центральном отверстии, выполненном с высоким допуском для точной установки и обеспечения теплового контакта. Для накачки активного элемента диодными линейками в цилиндрическом корпусе лазера изготовлен боковой пропил для расположения диодных линеек вдоль боковой поверхности активного элемента строго по центру цилиндрической поверхности активного элемента. Диодные линейки закреплены на отдельном держателе и не соприкасаются с активным элементом и цилиндрическим корпусом лазера. Это минимизирует влияние нагрева диодных линеек накачки активного элемента на корпус лазера, таким образом обеспечивая стабильную работу лазера. Для термостабилизации диодных линеек предусмотрен Пельтье-элемент с термодатчиком обратной связи.

Лазерное излучение направляется на трехлинзовый объектив для фокусировки излучения на поверхности образца. Элементы объектива имеют регулировку линзовых элементов, возможность точного расположения фокусного пятна и выбора диаметра фокусировки лазерного излучения на поверхности образца.

Разряд на электроды инициализируется с задержкой от 0 до 10 мкс. после испарения вещества лазерным импульсом.

Для обеспечения регистрации оптического излучения в диапазоне менее 200 нм, где происходит поглощение ультрафиолетовой составляющей спектра кислородом воздуха, в приборе предусмотрена продувка внутренней полости и разрядной камеры инертным газом. Для этого спектрометр сделан изолированным от внешнего попадания воздуха, и разрядная камера имеет штуцер для подвода и продувки ее инертным газом. Пневмосистема содержит электромагнитные клапаны, регулируемые дроссели и электронный измеритель расхода подаваемого газа. Все это позволяет регистрировать спектр, начиная от 170 нм, и, соответственно, производить регистрацию таких важных в металлургии элементов как сера, фосфор и углерод.

Мобильный лазерный эмиссионный анализатор имеет встроенный компьютер для осуществления всех функций считывания спектральной информации с ПЗС-линеек, для питания и управления системой лазерного возбуждения, контроля работы пневмосистемы продувки инертным газом, управления зарядом и разрядом аккумуляторной батареи общего питания прибора. Компьютер также содержит аналитическую программу настройки, калибровки и расчета концентраций химических элементов при анализе веществ. Мобильный лазерный эмиссионный анализатор имеет сенсорный дисплей для управления и отображения результатов анализа. Имеется возможность подключения к нему внешнего аккумуляторного термопринтера и внешнего стандартного принтера для распечатки результатов на бланке отчета.

Как дополнения предусмотрены: встроенная видеокамера обзора поверхности анализируемого образца, возможность подключения внешних накопителей информации, внешнего дисплея и клавиатуры для работы с аналитическими программами и для построения градуировочных зависимостей при разработке новых методик анализа.

Устройство для определения химического состава твёрдых веществ и жидкостей, состоящее из импульсного лазера; кварцевого объектива; входной спектральной щели; спектрометра с двумя или более линейными датчиками измерения сигнала, расположенными на круге Роуланда, двумя дифракционными решётками; компьютера; отличающееся тем, что линейные многокомпонентные датчики спектральной информации ПЗС-линейки расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, имеется два параллельных спектральных канала для различных диапазонов и два электрода электроискровой ионизации в виде плоских пластин с заострёнными, обращёнными друг к другу концами, расположенных с противоположных сторон от области фокусировки лазерного излучения.