一种基于等离子体的元素含量测量方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光光谱技术应用领域，主要是一种在激光诱导等离子体局部热平衡 态（LTE)和光学薄状态下利用实际测得的光谱数据值结合等离子体的基本物理参数实现 被测样品元素含量精确分析方法。
【背景技术】
[0002] 目前，利用激光诱导击穿光谱技术进行被测样品元素含量测量一般采用第三方化 学化验方法获得定标样品元素含量数据，然后用激光诱导击穿光谱设备取得这些已知元素 含量样品的光谱强度数据，再利用统计分析方法建立各自元素含量与光谱强度数据的定标 曲线；测量时利用这个定标曲线对未知样品进行反演测量。这类方法对于相对简单的合金 样品比较有效，而且精密度可以达到很高。但对于像煤这样含有多种元素的复杂混合体，不 同产地，甚至同一矿不同采掘面的煤质差别相差都很大，加上基体效应影响严重，因此在采 用激光诱导技术的煤质分析应用中，利用上述分析方法对煤中次主要元素的分析误差往往 不能达到国家标准分析要求，从而制约了该技术推广应用。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决目前基于激光诱导技术的煤质分析方法存在的对煤中次主要元素 的分析误差往往不能达到国家标准分析要求的技术问题，提供一种基于等离子体的元素含 量测量方法及装置。
[0004] 本发明所述的一种基于等离子体的元素含量测量方法是采用以下技术方案实现 的：一种基于等离子体的元素含量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：（1)、将一束窄脉 冲激光聚焦于样品，采集样品等离子体处于光学薄和LTE状态的等离子体光谱数据；
[0005] (2)、由等离子体光谱数据获得等离子体温度；
[0006]
(1)
[0007] 式中：?是样品所包含的待测α元素对应能级k至i的辐射谱线强度，是待 测α元素对应能级k至i的辐射谱线对应波长，.是待测α元素对应能级k至i跃迀几 率，Sf是待测α元素辐射谱线对应的简并度，琢是待测α元素辐射谱线对应的能态，1^是 波尔兹曼常数，T是等离子体温度，F = hcL/4 π，h是普朗克常量，c是光速，L是等离子体 特征长度，ηα是兀素 α在等尚子体中的粒子数；
[0008] (3)、由步骤（1)获得的等离子体光谱数据获得等离子体电子密度：
[0009]
[0010] 其中
[0011] ne是电子密度，是两个连续电离态Z、Z+1辐射谱线强度，λΗ Ζ是在电离态 Z下辐射谱线的对应波长，1』是E kiZ-EliZ跃迀几率，g kiZ是辐射谱线对应的简并度，E kiZ是 在电离态Z下辐射谱线对应的能态，kB是波尔兹曼常数，T是等离子体温度，X z是电离能；
[0012] (4)、由步骤（1)所获等离子体光谱数据获得待测α元素在相邻两个跃迀态粒子 数比；
[0013] ⑶
[0014] 式中：_、η?+ι分别是待测α兀素在电尚态Ζ、Ζ+1的粒子数，Ρ/、设+1分别是兀 素 α在Ζ、Ζ+1电离态的配分函数，;是元素 α在电离态Z的电离能；
[0015] (5)、由步骤（1)等离子体光谱数据获得两个待测元素 α、β在相邻两个跃迀态的 粒子数比；
[0016]
⑷
[0017] 式中：ftfv nf+1分别是元素 α、β在电离态Ζ、Ζ+1的粒子数，E匕、Pfz+1是元素 α、β分别对应电离态Z、Z+1在跃迀态k的能态；
[0018] (6)、假设被测样品某元素粒子数总数为呢则：
[0029] 这里ε为一个无穷小量，在实践中可取0.01或更小；
[0030] (7)、满足式(9)、(10)的吨1即为元素粒子数，由此可算出被测量元素€[含量 ：
[0031]
_?
[0032] 式中μ α为元素 α的原子重量。
[0033] 本发明从物理学原理出发，综合考虑多能态粒子数进行元素含量反演就能弥补上 述方法分析精密度不足的缺陷。本发明利用处于光学薄和LTE态下的光谱数据作为无定 标元素含量测量的基础数据，能够使采集到的数据最大限度的反映待测样品的真实成分， 为后续的数据处理奠定基础；本发明在前述所采集数据的基础上由⑷、(5)计算的%、f 71Z Z+1 的值、采.
为反演元素含量的判定标准、通过设定不同的w?用迭代法计算
的值、利用式(9)、(10)作为反演元素浓度的判据以及利用式(11)计算被测元素的含 量等步骤，能够更加快速准确的获知待测样品的各种成分特别是次主要成分的含量，且无 需定标，能够广泛适用于包括煤在内的多种待测样品的成分含量测定。
[0034] 本发明所述的一种基于等离子体的元素含量测量装置是采用以下技术方案实现 的：一种基于等离子体的元素含量测量装置，包括脉冲激光器以及位于脉冲激光器出射光 路上的用于把激光能量聚焦于样品进而使样品等离子体化的聚光系统；还包括用于采集样 品等离子体处于光学薄和LTE状态的等离子体光谱数据的荧光收集会聚系统以及光学分 散记录系统，荧光收集会聚系统将采集到的等离子体光谱信号会聚于光学分散记录系统； 光学分散记录系统的信号输出端连接有数据显示与处理装置。
[0035] 脉冲激光器与聚光系统之间设有分束器，聚光系统位于分束器的透射光路上，分 束器的反射光路上设有激光器能量稳定装置，激光器能量稳定装置的信号输出端与脉冲激 光器的电压控制端相连接。
[0036] 激光器能量稳定装置用于锁定脉冲激光器的输出功率，使脉冲激光器输出的激光 功率稳定。
[0037] 还包括分别与脉冲激光器和光学分散记录系统相连接的时间控制器；在时间控制 器的控制下光学分散记录系统按自脉冲激光器发出脉冲后一定的延迟时间后开始间隔记 录光谱，延迟时间根据待测样品性质确定，以保证光学分散记录系统能够采集到样品的等 离子体处于光学薄和LTE状态的等离子体光谱数据。
[0038] 本领域技术人员根据待测样品所包含成分的性质就能够确定该种样品等离子体 化所需的时间，进而设定时间控制器控制光学分散记录系统与脉冲激光器的延迟时间。
[0039] 脉冲激光器发射脉宽~6nS能量为50mJ的脉冲激光。
[0040] 该脉宽以及能量下的脉冲激光可以保证样品在较短时间内等离子体化，确保测量 的精确度。
[0041] 本发明所采用的装置结构简单，设置方便快捷，成本低廉。所述的数据处理与显示 装置通常采用内置数据采集卡的计算机，计算机在相应软件的支持下对所采集到的数据进 行处理，本领域技术人员根据本发明所公开的数据处理方法（步骤2~7)很容编写出相应 的软件。
【附图说明】
[0042] 图1本发明所述装置的结构示意图。
[0043] 1-脉冲激光器（INDI-40-20-HG+HG-1B+HS-532+HS-355)，2-激光器能量稳定装 置，3-分束器（BD-7)，4-聚光系统（TECHSPEC#49-512)，5-样品，6-荧光收集会聚系统 (LIBSpector-I)，7-光学分散记录系统（ARYELLE200 withANDOR EMCCD DU971P-UVB,-75)， 8_时间控制器（DG-535)，9-数据显示与处理装置。
【具体实施方式】
[0044] 一种基