專利名稱：基于偏振降噪的脈沖激光粉狀物質(zhì)元素含量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物質(zhì)所含元素的濃度的測量方法，屬于原子發(fā)射光譜測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光誘導擊穿光譜(LIBS)是二十世紀后期發(fā)展起來的一種全新的物質(zhì)元素分析技術(shù)，是一種典型的原子發(fā)射光譜測量技術(shù)。LIBS的工作原理是強激光脈沖作用下，樣品表面的物質(zhì)被激發(fā)成為等離子體并迅速衰減，在衰減過程中輻射出特 定頻率的光子，產(chǎn)生特征譜線，其頻率和強度信息包含了分析對象的元素種類和濃度信息。LIBS技術(shù)運行成本低，測量速度快，具有高靈敏度、無需或者需要很少的樣品預處理和實現(xiàn)多元素測量等優(yōu)點，并且無輻射危害，在工業(yè)生產(chǎn)中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。但是，由于LIBS的激光作用點很小，燒蝕物質(zhì)的量很少，對于不均勻，各向異性的物質(zhì)基體效應非常明顯；同時，激光能量的波動，等離子體溫度、電子密度等物理參數(shù)的不同導致LIBS測量的重復精度較低；另外，環(huán)境參數(shù)的影響以及儀器內(nèi)部元器件本身的電子噪聲等都易對LIBS產(chǎn)生干擾；因此利用LIBS直接測量樣品的測量精度不能得到保證，限制了 LIBS在生產(chǎn)實際中的應用。另外，由于連續(xù)背景輻射的存在，使得某些特征譜線的譜峰不能從連續(xù)背景中明顯地區(qū)別開來，導致信噪比較低，從而影響了 LIBS測量的檢測限，使得LIBS技術(shù)不能測量那些目標元素含量極低的樣品。直接對粉末樣品進行LIBS測量在重復性方面較差，這是因為一方面粉末樣品受到激光脈沖的作用后會發(fā)生飛濺，樣品表面不再平整，很難保證聚焦透鏡到樣品表面的距離恒定，這樣會對激光燒蝕造成較大的不確定度；另一方面，粉末樣品飛濺產(chǎn)生的氣溶膠會吸收后續(xù)的激光脈沖，影響激光能量到達樣品表面的比例，同樣會對測量的重復性造成影響。在基于LIBS對粉末樣品進行測量時，為了克服粉末樣品測量的困難，常規(guī)的方法是用壓片機對粉末樣品壓制成型從而形成平整表面(如申請?zhí)?01110040537. 7和申請?zhí)?01110210361. 5專利文獻)，但該方法增加了額外的設(shè)備和材料，提高了測量成本，而且壓制過程耗時較長，降低了測量效率，而且壓制過程中可能會混入雜質(zhì)從而導致測量誤差增大。因而對粉末樣品直接進行LIBS測量是一個非常有潛力的應用方向。另外粉末樣品往往需要較大的激光能量才能充分激發(fā)出等離子體，但激光能量增大時會造成連續(xù)背景輻射較強，影響了 LIBS測量的信噪比和檢測限，同時也干擾了元素特征譜線的精確分辨和計笪
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是降低LIBS測量粉末樣品的不確定度并提高測量信號的信噪比，本發(fā)明的技術(shù)方案是I)將樣品中欲測量的元素定為目標元素，以目標元素質(zhì)量濃度已知的一組粉末樣品作為定標樣品，各定標樣品的目標兀素濃度記為Ci、C2、C3......;2)從步驟I)中的一組定標樣品中任選一種平鋪于透明的玻璃托盤上；3)利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對步驟2)中已選定的定標樣品進行檢測將脈沖激光器置于玻璃托盤的正下方，從脈沖激光器出射的激光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后透過玻璃托盤，調(diào)整聚焦透鏡的位置，使得聚焦后的激光在定標樣品與玻璃托盤的接觸面處的定標樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體；4)等離子體產(chǎn)生的輻射光信號依次透過玻璃托盤、放置在玻璃托盤下部的偏振片和采集透鏡后通過光纖進入光譜儀被轉(zhuǎn)化為電信號，然后被計算機采集，得到步驟2)中所選定標樣品的光譜圖，從光譜圖中得到目標元素的特征譜線強度和譜線強度的信噪比；5)重復步驟至3)和4)并不斷調(diào)整偏振片的安放角度，直到譜線強度的信噪比達到最大值；
6)保持偏振片的安放角度不變，依次把步驟I)中的每一種定標樣品放到玻璃托盤上并利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對其進行測量，得到各個定標樣品對應的目標元素特征譜線強度I^IyI3……；7)以目標元素濃度Cp C2, C3……為自變量，特征譜線強度I:、12、I3……為因變量通過擬合方法建立定標曲線，定標曲線方程為y = f (X)，其中X為自變量，y為因變量；8)保持激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的設(shè)置以及偏振片安放角度不變，將目標元素質(zhì)量濃度未知的待測樣品放到玻璃托盤上并利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對其進行測量，得到待測樣品的目標元素的譜線強度I。，然后在定標曲線上查出I。對應的濃度值即為待測樣品中目標元素的濃度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明利用聚焦后的激光從玻璃托盤下方透過玻璃托盤擊打到粉末樣品，在粉末樣品與玻璃托盤的接觸面處的粉末樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，防止粉末受到激光脈沖作用后發(fā)生飛濺，最終降低測量的不確定度。與常規(guī)方法相比較，本發(fā)明不需要對粉末樣品進行壓制成型的操作，使得該方法能夠更好地應用于快速在線測量上。另外，在粉末樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，由于粉末樣品本身重力的影響，粉末層會對等離子體產(chǎn)生空間限制作用，這樣能夠在一定程度上增強等離子體發(fā)射光譜的譜線強度，增加特征譜線的信噪比，降低目標元素的檢測限。而且由于等離子發(fā)出的光譜中特征譜線的信號和連續(xù)背景輻射的偏振特性不同，因此經(jīng)過適當安放的偏振片后，連續(xù)背景可以被大大去除，增加了信噪比，改善了 LIBS測量的檢測限。


圖I是本發(fā)明的激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中1 一脈沖激光器；2_聚焦透鏡；3_玻璃托盤；4一樣品；5_等離子體；6—偏振片-J-米集透鏡；8—光纖；9_光譜儀；10_計算機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。一種基于偏振降噪的脈沖激光粉狀物質(zhì)元素含量測量方法，其特征是該方法包括了如下步驟I)將樣品中欲測量的元素定為目標元素，以目標元素質(zhì)量濃度已知的一組粉末樣品作為定標樣品，各定標樣品的目標兀素濃度記為Ci、C2、C3......;2)從步驟I)中的一組定標樣品中任選一種平鋪于透明的玻璃托盤上；3)利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對步驟2)中已選定的定標樣品進行檢測將脈沖激光器I置于玻璃托盤的正下方，從脈沖激光器出射的激光經(jīng)過聚焦透鏡2聚焦后透過玻璃托盤3，調(diào)整聚焦透鏡的位置，使得聚焦后的激光在定標樣品4與玻璃托盤的接觸面處的定標樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體5 ；4)等離子體產(chǎn)生的輻射光信號依次透過玻璃托盤3、放置在玻璃托盤下部的偏振 片6和采集透鏡7后通過光纖8進入光譜儀9被轉(zhuǎn)化為電信號，然后被計算機10采集，得到步驟2)中所選定標樣品的光譜圖，從光譜圖中選出目標元素的特征譜線，并通過積分的方法得到譜線的峰面積，峰面積即為譜線強度，譜線強度與連續(xù)背景噪聲的比值即為信噪比；5)重復步驟至3)和4)并不斷調(diào)整偏振片6的安放角度，直到譜線強度的信噪比達到最大值；6)保持偏振片的安放角度不變，依次把步驟I)中的每一種定標樣品放到玻璃托盤上并利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對其進行測量，得到各個定標樣品對應的目標元素特征譜線強度I^IyI3……；7)以目標元素濃度Cp C2, C3……為自變量，特征譜線強度Ip 12、I3……為因變量通過擬合方法建立定標曲線，定標曲線方程為y = f (X)，其中X為自變量，y為因變量；8)保持激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的設(shè)置以及偏振片安放角度不變，將目標元素質(zhì)量濃度未知的待測樣品放到玻璃托盤上并利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對其進行測量，得到待測樣品的目標元素的譜線強度I。，然后在定標曲線上查出I。對應的濃度值即為待測樣品中目標元素的濃度。實施例以利用LIBS測量煤中碳元素為例，對基于激光誘導擊穿光譜的粉狀物質(zhì)元素含量在線測量方法進行闡述。I)首先使用各元素質(zhì)量濃度已知的十種標準煤粉樣品作為定標樣品，各煤粉樣品的主要元素的質(zhì)量濃度如表I所示，將碳元素定為目標元素，各定標樣品的目標元素濃度記為 CpCyC3......;表I.標煤樣品成分
權(quán)利要求
1.一種基于偏振降噪的脈沖激光粉狀物質(zhì)元素含量測量方法，其特征是該方法包括了如下步驟 1)將樣品中欲測量的元素定為目標元素，以目標元素質(zhì)量濃度已知的一組粉末樣品作為定標樣品，各定標樣品的目標元素濃度記為C1、C2、C3……； 2)從步驟I)中的一組定標樣品中任選一種平鋪于透明的玻璃托盤上； 3)利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對步驟2)中已選定的定標樣品進行檢測將脈沖激光器(I)置于玻璃托盤的正下方，從脈沖激光器出射的激光經(jīng)過聚焦透鏡(2)聚焦后透過玻璃托盤(3)，調(diào)整聚焦透鏡的位置，使得聚焦后的激光在定標樣品(4)與玻璃托盤的接觸面處的定標樣品內(nèi)部產(chǎn)生等離子體(5)； 4)等離子體產(chǎn)生的輻射光信號依次透過玻璃托盤(3)、放置在玻璃托盤下部的偏振片(6 )和采集透鏡(7 )后通過光纖(8 )進入光譜儀(9 )被轉(zhuǎn)化為電信號，然后被計算機(10 )采集，得到步驟2)中所選定標樣品的光譜圖，從光譜圖中得到目標元素的特征譜線強度和譜線強度的信噪比； 5)重復步驟至3)和4)并不斷調(diào)整偏振片(6)的安放角度，直到譜線強度的信噪比達到最大值； 6)保持偏振片的安放角度不變，依次把步驟I)中的每一種定標樣品放到玻璃托盤上并利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對其進行測量，得到各個定標樣品對應的目標元素特征譜線強度 Ιι、！2、I3......; 7)以目標元素濃度CpCyC3……為自變量，特征譜線強度Ip12、I3……為因變量通過擬合方法建立定標曲線，定標曲線方程為y = f (X)，其中X為自變量，y為因變量； 8)保持激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)的設(shè)置以及偏振片安放角度不變，將目標元素質(zhì)量濃度未知的待測樣品放到玻璃托盤上并利用激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)對其進行測量，得到待測樣品的目標元素的譜線強度I。，然后在定標曲線上查出I。對應的濃度值即為待測樣品中目標元素的濃度。
全文摘要
基于偏振降噪的脈沖激光粉狀物質(zhì)元素含量測量方法，屬于原子發(fā)射光譜領(lǐng)域。將粉末樣品置于透明的玻璃托盤上，激光從玻璃托盤下面透過玻璃托盤聚焦在粉末底層從而燒蝕粉末物質(zhì)并產(chǎn)生等離子體，等離子體發(fā)出的輻射光信號依次透過玻璃托盤和偏振片被采集透鏡收集，然后通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀轉(zhuǎn)化為電信號進入到計算機進行分析。該方法對粉末樣品不需要壓制成型而且同時克服了粉末層表面不平整導致的測量信號波動，提高了粉末狀物質(zhì)元素含量的檢測速度和精確度。另外，該方法還利用偏振片過濾了輻射光信號中的連續(xù)背景輻射，提高了信噪比從而改善了測量的檢測限。
文檔編號G01N21/63GK102798618SQ201210246339
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者樊銀虎, 侯宗余, 王哲, 李政 申請人:國電燃料有限公司, 清華大學