一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，包括至少具有一維自由度的電移臺，所述的電移臺上安裝有活動的升降板，和滑動配合有用于放置樣品的載物臺，所述升降板上設有透明的約束窗口，激光透過約束窗口后擊打樣品；所述升降板的下方設有約束板，該約束板置于樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用于約束樣品激發(fā)的等離子體。本實用新型通過對等離子體橫向以及縱向進行約束，并根據(jù)不同的樣本需求調(diào)節(jié)約束空間大小調(diào)節(jié)譜線強度，譜線強度增強范圍為2-10倍。
【專利說明】一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺

【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及激光誘導擊穿光譜檢測技術(shù)，特別涉及一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺。

【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導擊穿光譜儀(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy, LIBS)利用脈沖激光產(chǎn)生的等離子體燒蝕并激發(fā)樣品(通常為固體)中的物質(zhì)，并通過光譜儀獲取被激發(fā)等離子體原子所發(fā)射的光譜，以此來識別樣品中的元素組成成分，進而可以進行材料的識另IJ、分類、定性以及定量分析。該技術(shù)無需對樣品進行預處理，能夠快速實現(xiàn)遠程、微損對樣品元素(尤其是金屬元素)進行檢測，可用于固體、氣體、液體樣品的檢測。激光誘導擊穿光譜的應用領域也十分廣泛，如生物醫(yī)學、考古學、環(huán)境監(jiān)測、水中重金屬檢測以及爆炸物探測等。
[0003]然而，激光誘導擊穿光譜技術(shù)分析檢測技術(shù)也有相應的局限性:1.檢出限較高。通常LIBS的檢出限大于yg/g。2.重復性較差。由于LIBS檢測分析容易受到能量、物鏡距離、樣品基體等影響，因此檢測結(jié)果的相對標準偏差一般在10%左右。因此，提高LIBS技術(shù)檢測能力和重復性是目前LIBS技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。
[0004]空間限制是一種提高激光誘導擊穿光譜信號強度、降低檢出限的一種有效方法。如專利申請CN 103543131A提出了一種基于雙脈沖和空間限制作用提高元素測量精度的方法，該方法首先在待測樣品表面上方制作坑洞或者腔體，然后利用雙脈沖激光對樣品進行擊打。第一個脈沖在坑洞或者腔體內(nèi)部產(chǎn)生低壓環(huán)境，第二個脈沖則用于激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體。等離子體在擴展的過程中受到空間限制作用，使得等離子體溫度和電子密度顯著提高，而且等離子體更加均勻，有利于增加測量信號的穩(wěn)定性，提高信噪比，降低樣品中微量元素的檢出限。該專利指出空間限制能夠提高LIBS測量信號的強度和穩(wěn)定性，有利于兀素測量精度的提尚。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型提供了一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，采用空間橫向和縱向限制方法增強譜線強度，等離子約束板采用鍍鉻鋁板，約束腔采用圓錐形結(jié)構(gòu)，樣品采用V型滑塊導軌結(jié)構(gòu)進行移動。
[0006]本實用新型的具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，包括至少具有一維自由度的電移臺，所述的電移臺上安裝有活動的升降板，和滑動配合有用于放置樣品的載物臺，
[0008]所述升降板上設有透明的約束窗口，激光透過約束窗口后擊打樣品；
[0009]所述升降板的下方設有約束板，該約束板置于樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用于約束樣品激發(fā)的等離子體。
[0010]本實用新型所提供的是一種基于空間限制增強譜線強度的樣品臺，能對等離子體橫向以及縱向進行約束，并根據(jù)不同的樣本需求調(diào)節(jié)約束空間大小調(diào)節(jié)譜線強度，譜線強度增強范圍為2-10倍。約束窗口主要用于對等離子體縱向進行約束，并對入射激光與等離子體產(chǎn)生的特征譜線具有較好的透射率。約束板上的約束腔主要用于對等離子體的橫向進行約束，并使特征譜線進行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強度，譜線強度增強范圍為2-10 倍。
[0011]所述電移臺上設有驅(qū)動升降板的升降機構(gòu)，包括帶有齒條的升降桿和沿升降桿滑動的滑塊，所述的滑塊上設有與齒條嚙合的齒輪，所述的升降板固定在滑塊上。利用齒條和齒輪的嚙合，驅(qū)動滑塊升降，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。
[0012]所述的升降板為L形的直角轉(zhuǎn)接板。所述的升降板上設有透光口，該透光口處覆蓋有透光板，所述透光口與透光板組成所述的約束窗口。所述的透光口內(nèi)邊緣設有支撐臺階，透光板直接放置在透光口內(nèi)，依靠支撐臺階固定。
[0013]在本實用新型中，所述的透光板為有機玻璃板，選用材料為N-BK7，厚度為I?5mm，透過率大于90%，能量閾值大于lOJ/cm2。譜線增強效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由于樣品性質(zhì)和所要檢測的元素譜線強度不同，本實用新型的約束窗口能在垂直方向進行移動，根據(jù)需要調(diào)節(jié)譜線強度。為保證激光有效激發(fā)和特征譜線的有效收集，透光板對激光波長和特征譜線的透過率應大于90%。同時，為防止激光對有機玻璃板造成損害，其能量閾值應大于lOJ/cm2。
[0014]作為優(yōu)選的，所述的約束板為鍍鉻的鋁板，厚度為I?3_。在鋁板的約束腔內(nèi)進行鍍鉻，使內(nèi)腔具有較高的反射率，使特征譜線約束傳播，提高譜線收集效率。
[0015]所述的約束腔為圓錐形，上錐面直徑是2?8mm，下錐面直徑比上錐面直徑大I?3mm。錐面直徑采用該尺寸能有效對不同樣本的等離子體進行約束。另外，約束腔采用圓錐形結(jié)構(gòu)，由于其上小下大的結(jié)構(gòu)，比起圓柱型的結(jié)構(gòu)能更好得對等離子體進行約束。另外，當?shù)入x子體從圓錐形約束腔射出時，由于其空間約束加大，其電子密度與運動速度均會得到增強，因此更加有利于譜線信號的增強。
[0016]為便于待測樣品的放置，所述的電移臺上開設有滑動導向槽，所述的載物臺具有與滑動導向槽配合的導向塊，采用滑塊導軌結(jié)構(gòu)，載物臺可靈活推入或抽出約束窗口的正下方，避免升高約束窗口和約束板等繁瑣操作。
[0017]所述電移臺上安裝有兩導向柱，約束板套設在導向柱上。沿導向柱上下移動約束板，調(diào)節(jié)約束板的高度，約束板覆蓋樣品表面，有利于平整樣品表面提高檢測重復性，同時避免激發(fā)顆粒污染其它待測區(qū)域。當待測樣品為新鮮葉片等表面不平整樣品時，其待測區(qū)域與透鏡距離存在差異，進而影響激光到達樣品的激光參數(shù)。激光誘導擊穿光譜的檢測穩(wěn)定性與待檢測區(qū)域的激光參數(shù)息息相關(guān)，因此平整樣品表面有利于固定激光參數(shù)提高檢測的重復性。此外，約束板的上小下大圓錐形結(jié)構(gòu)有利于最大程度地避免由上一個檢測區(qū)域激發(fā)顆粒污染，保證所檢測對象為待檢測區(qū)域的元素。
[0018]本實用新型具有的有益效果是:
[0019]I)能有效增強LIBS譜線信號，譜線強度增強范圍為2-10倍；
[0020]2)能避免激發(fā)顆粒重新覆蓋到樣品表面，影響樣品后序檢測分析；
[0021]3)能平整樣品表面(特別如新鮮葉片等不平整樣品)，使樣品到聚焦透鏡的距離保持不變從而提尚檢測重復性；
[0022]4)具有調(diào)節(jié)簡單、成本低、拆卸方便等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2為圖1中樣品臺的俯視圖；
[0025]圖3為圖1中樣品臺的右視圖；
[0026]圖4為樣品臺上樣品受擊打的不意圖；
[0027]圖5為無約束的等離子體圖；
[0028]圖6為用約束窗口和約束腔對等離子體的約束圖。

【具體實施方式】
[0029]如圖1-3所示，一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，包括齒條升降桿1，齒輪滑塊2，直角轉(zhuǎn)接板3，等離子體約束窗口 4，圓柱導軌5，等離子體約束板6，V型滑塊7，組合電移臺9，拉桿10。
[0030]組合電移臺9采用四自由度(X，y, z, w)組合電移臺，包括三個單自由度(x、y和z)脈沖電動位移臺和一個旋轉(zhuǎn)自由度(w)電動旋轉(zhuǎn)臺。
[0031]齒條升降桿I豎直安裝在組合電移臺9上，齒輪滑塊2與齒條升降桿I嚙合，可沿垂直方向上下移動。直角轉(zhuǎn)接板3通過螺栓固定于齒輪滑塊3上，平面設有矩形的透光口，透光口邊緣設有支撐臺階，透光口內(nèi)設有透光板，形成等離子約束窗口 4。
[0032]圓柱導軌5固定在組合電移臺9，等離子體約束板6可沿圓柱導軌5上下滑動。圓柱導軌5和齒條升降桿I均通過螺栓聯(lián)接于組合電移臺9上。組合電移臺9開有V型槽，V型滑塊7在拉桿10作用下可沿V型槽左右滑動，拉桿10通過螺紋固定于V型滑塊7內(nèi)。樣品8放置V型滑塊7 (相當于載物臺)上，激光從上方向下?lián)舸颍ㄟ^等離子體約束窗口4，并經(jīng)過等離子體約束板6，擊打到樣品表面，激發(fā)等離子體，冷卻發(fā)出特征譜線由光纖收集。
[0033]本實施例中，等離子約束窗口 4的材料為N-BK7，厚度為I?3mm，透過率大于90%，能量閾值大于lOJ/cm2。等離子約束窗口 4主要用于對等離子體縱向進行約束，并對入射激光與等離子體產(chǎn)生的特征譜線具有較好的透射率。N-BK7是一種常見的光學玻璃，能夠透過350nm?2000nm波段的光，其激光的透射率大于90%，能量閾值大于10J/cm2。因此約束窗口 4選用材料為N-BK7，厚度為I?3m。
[0034]等離子約束窗口 4可在齒輪滑塊2作用下沿垂直方向進行移動。譜線增強效果受到約束窗口離樣品距離的影響。由于樣品性質(zhì)和所要檢測的元素譜線強度不同，本實用新型的等離子約束窗口 4能在垂直方向進行移動，根據(jù)需要調(diào)節(jié)譜線強度。
[0035]在本實施例中，等離子體約束板6的材料為鍍鉻的鋁板，厚度為1mm，其中間均勻布有圓錐形約束腔11，上錐面直徑和下錐面直徑分別是2mm和3mm。約束腔11之間距離應與組合電移臺9規(guī)劃位移相一致。等離子約束板6主要用于對等離子體的橫向進行約束，并使特征譜線進行約束傳播，提高譜線收集效率和譜線強度，譜線強度增強范圍為2?10倍。在鋁板的約束腔11內(nèi)進行鍍鉻，使內(nèi)腔具有較高的反射率，使特征譜線約束傳播，提高譜線收集效率。約束腔采用圓錐形結(jié)構(gòu)，由于其上小下大的結(jié)構(gòu)，比起圓柱型的結(jié)構(gòu)能更好得對等離子體進行約束。另外，當?shù)入x子體從圓錐形約束腔射出時，由于其空間約束加大，其電子密度與運動速度均會得到增強，因此更加有利于譜線信號的增強。本實用新型的等離子約束板6的約束腔之間距離與組合電移臺9規(guī)劃位移相一致，能適用于激光誘導擊穿光譜面掃描的工作方式。本實用新型采用等離子約束板6覆蓋樣品表面，有利于平整樣品表面提高檢測重復性，同時避免激發(fā)顆粒污染其它待測區(qū)域。當待測樣品為新鮮葉片等表面不平整樣品時，其待測區(qū)域與透鏡距離存在差異，進而影響激光到達樣品的激光參數(shù)。激光誘導擊穿光譜的檢測穩(wěn)定性與待檢測區(qū)域的激光參數(shù)息息相關(guān)，因此平整樣品表面有利于固定激光參數(shù)提高檢測的重復性。此外，等離子約束板6的上小下大圓錐形結(jié)構(gòu)有利于最大程度地避免由上一個檢測區(qū)域激發(fā)顆粒污染，保證所檢測對象為待檢測區(qū)域的元素。
[0036]V型滑塊7在拉桿10作用下可沿V型槽移動，采用此V型滑塊導軌結(jié)構(gòu)，避免升高等離子約束窗口和等離子約束板等繁瑣操作。等離子體約束板6與圓柱導軌5之間的連接為緊連接，在重力作用下等離子體約束板6不能自由下滑。
[0037]本實用新型裝配時，先將齒輪升降桿I和圓柱導軌5通過螺栓與組合電移臺9固定，再將V型滑塊7和拉桿10通過內(nèi)外螺紋配合固定，將V型滑塊7與組合電移臺9的V型槽配合使之可沿V型槽自由滑動。將等離子體約束板6配合孔穿過2根圓柱導軌5，重力作用下不能自由下滑。齒輪滑塊2與齒輪升降桿I通過齒輪齒條相配合，直角轉(zhuǎn)接板3通過螺釘聯(lián)接于齒輪滑塊2上，直角轉(zhuǎn)接板3上的等離子體約束窗口 4，在齒輪齒條作用下可沿垂直方向移動。
[0038]如圖4所示，本實用新型可適用于激光誘導擊穿光譜的多種工作方式，既可實現(xiàn)共線式激發(fā)，也可實現(xiàn)垂直式激發(fā)；既可適用用于單脈沖激光誘導擊穿光譜，也可適用于雙脈沖激光誘導擊穿光譜。本實用新型特別適用于如植物新鮮葉片等生物樣本，能有效提高信號強度。以雙脈沖垂直式激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)為例，本實用新型工作時，通過拉桿10將V型滑塊7從工作位置移出，將待檢測樣品8放置于V型滑塊7上，再將V型滑塊7推到工作位置。移動等離子體約束板6使之壓到樣品8上，再調(diào)節(jié)等離子體約束窗口 4上下位置，使其能夠限制激發(fā)出的等離子體?？刂平M合電移臺9使等離子體約束板6的圓錐型約束腔11與上方激光的位置相對應，設置組合電移臺9的工作步長是圓錐形約束腔相鄰距離或倍數(shù)。第一束激光B經(jīng)過光路系統(tǒng)，經(jīng)聚焦透鏡從上方向下傳播，穿過等離子體約束窗口4，并經(jīng)過圓錐形約束腔擊打樣品。等離子體約束窗口 4的其激光透過率大于90%，能量閾值大于lOJ/cm2。第二束激光A沿垂直方向通過聚焦透鏡聚焦擊打到激發(fā)出的等離子體上，增強譜線信號。等離子體冷卻發(fā)出特征譜線C由上方的光纖收集系統(tǒng)收集。每個位置可根據(jù)實際要求選擇所需擊打的次數(shù)，當完成一個位置之后通過組合電移臺9移動進行多個位置光譜采集。如圖5和圖6所示，當無等離子體約束窗口 4和等離子體約束板6時，激發(fā)出的等離子體D為自由激發(fā)狀態(tài)；當對激發(fā)的等離子體D進行限制后，等離子體D的密度增加，等離子體溫度升高，增強了激發(fā)原子的譜線強度。
[0039]本實用新型工作原理:
[0040]空間限制是一種提高激光誘導擊穿光譜信號強度、降低檢出限的一種有效方法。首先，當?shù)入x子體的膨脹受到空間約束時，等離子體的溫度與電子密度均會增加。其次，由于空間約束產(chǎn)生的二次壓力波和反射激波對初級等離子體進行二次加熱，所以進一步提高等離子體的溫度和電子密度。因此，當對激發(fā)等離子體進行空間限制時，等離子體溫度和電子密度大大增加，有利于實現(xiàn)熱平衡條件，提高譜線強度，降低檢出限。
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，包括至少具有一維自由度的電移臺，其特征在于，所述的電移臺上安裝有活動的升降板，和滑動配合有用于放置樣品的載物臺， 所述升降板上設有透明的約束窗口，激光透過約束窗口后擊打樣品； 所述升降板的下方設有約束板，該約束板置于樣品的正上方，約束板上分布有約束腔，該約束腔用于約束樣品激發(fā)的等離子體。
2.如權(quán)利要求1所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述電移臺上設有驅(qū)動升降板的升降機構(gòu)，包括帶有齒條的升降桿和沿升降桿滑動的滑塊，所述的滑塊上設有與齒條嚙合的齒輪，所述的升降板固定在滑塊上。
3.如權(quán)利要求2所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的升降板為L形的直角轉(zhuǎn)接板。
4.如權(quán)利要求1所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的升降板上設有透光口，該透光口處覆蓋有透光板，所述透光口與透光板組成所述的約束窗口。
5.如權(quán)利要求4所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的透光口內(nèi)邊緣設有支撐臺階，所述透光板放置在支撐臺階上。
6.如權(quán)利要求5所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的透光板為有機玻璃板，厚度為I?5mm，透過率大于90%，能量閾值大于10J/cm2。
7.如權(quán)利要求1所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的約束板為鍍鉻的鋁板，厚度為I?3mm。
8.如權(quán)利要求1所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的約束腔為圓錐形，上錐面直徑是2?8mm，下錐面直徑比上錐面直徑大I?3mm。
9.如權(quán)利要求1所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述的電移臺上開設有滑動導向槽，所述的載物臺具有與滑動導向槽配合的導向塊。
10.如權(quán)利要求9所述的用于激光誘導擊穿光譜檢測的樣品臺，其特征在于，所述電移臺上安裝有兩導向柱，約束板套設在導向柱上。
【文檔編號】G01N21/01GK204214767SQ201420688481
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】彭繼宇, 劉飛, 何勇, 張初, 周菲, 孔汶汶, 馮雷 申請人:浙江大學