专利名称：利用连续波激光以及光电倍增管的光谱分析装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用连续波激光以及光电倍增管的光谱分析装置。更详细而言，本发明涉及一种包括如下部件的光谱分析装置，即包括连续波激光照射部，其向所导入的粒子照射连续波激光；散射光测定部，其对上述粒子被上述连续波激光照射而从上述粒子生成的散射光进行测定；触发信号生成部，其在由上述散射光测定部测定出的测定值为预先设定的值以上的情况下生成触发信号；脉冲激光照射部，其接收上述触发信号来向上述粒子照射脉冲激光；以及光谱分析部，其对上述粒子被上述脉冲激光照射而从上述粒子生成的原子光谱线进行测定来分析上述粒子的元素成分。
背景技术：
以往的利用了由 “G. A. Lithgow，，等人(Ambient measurements of metal-containing PM2. 5 in an urban environment using laser-induced breakdownspectroscopy, Atmos. Environ. 38，3319-3328，2004)和“Carranza” 等人(On-lineanalysis of ambient air aerosols using laser-induced breakdown spectroscopy,Spectrochim. Part B. 56，851-864，2001)所提出的LIBS (激光感应等离子体光谱分析)系统的对大气中微细灰尘单一粒子的实时测定一直通过以下方式，即针对在空气中浮游的微细灰尘，通过聚焦喷嘴等而将微细灰尘的路径聚焦于中央后对该中央照射高赫兹(通常IOHz)的激光的免烧(free-firing)方式对粒子进行了测定。然而，在这种方法中，由于激光能准确接触(hitting)到微细灰尘的命中效率(hitting efficiency)极低(约0. 1% ),因而在数千个激光投射(shot)中只能在部分几个投射(shot)中获得关于单一粒子的LIBS光谱，因此存在造成粒子测定效率下降，并且有不必要的模糊(blank)光谱占用大量数据容量的缺陷。此外，据报告，在发生特定状况(例如，沙尘天气或局部污染)时，已知的免烧方式的粒子测定在粒子的快速探测及识别上，存在相对迟钝的问题。
发明内容
基于解决上述问题的观点，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种在测定微细粒子时对脉冲激光的照射进行控制，而只对预先决定的粒子大小以上的微细粒子照射脉冲激光的技术。此外，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种对微细粒子照射脉冲激光并测定从其释放出的微细粒子的原子光谱线来探测微细粒子的元素成分的技术。然而，本发明的技术问题并不局限于在上面提及的事项，本领域技术人员应该能通过以下说明明确了解未提及的其它效果。为了实现上述的技术问题，本发明所涉及的光谱分析装置，包括连续波激光照射部，其向所导入的粒子照射连续波激光；散射光测定部，其对上述粒子被上述连续波激光照射而从上述粒子生成的散射光进行测定；触发信号生成部，其在由上述散射光测定部测定出的测定值为预先设定的值以上的情况下生成触发信号；脉冲激光照射部，其接收上述触发信号来向上述粒子照射脉冲激光；以及光谱分析部，其对上述粒子被上述脉冲激光照射而从上述粒子生成的原子光谱线进行测定来分析上述粒子的元素成分。其中，优选为，上述散射光测定部包括光电倍增管，其接收上述散射光而转换为电信号并对该电信号进行放大；以及示波器，其接收上述放大后的电信号而将该电信号以电压(voltage)值测定。另外，上述触发信号生成部最好在由上述示波器测定出的电压值为预先设定的值以上的情况下，向上述脉冲激光照射部施加上述触发信号。此外，优选为，上述触发信号生成部根据测定出的上述电压值超过预先设定的值的程度，来改变向上述脉冲激光照射部施加上述触发信号的时机。此外，优选为，上述连续波激光照射部从与上述粒子的行进方向垂直的方向照射连续波激光。
此外，从上述脉冲激光照射部照射出的上述脉冲激光与上述粒子的接触点，最好自上述连续波激光与上述粒子的接触点隔离预先决定的距离。优选为，上述脉冲激光照射部从与上述粒子的行进方向相向的方向照射脉冲激光。此外，优选为，上述脉冲激光照射部在上述脉冲激光的行进路径包括聚焦透镜，以聚焦上述脉冲激光而照向上述粒子。另外，在本发明的一特征在于，上述连续波激光照射部照射640nm波长的连续波激光，上述脉冲激光照射部照射1064nm波长的脉冲激光。从本说明书的记载内容可知，根据本发明，只有在微细粒子为预先决定的粒子大小以上的情况下才照射脉冲激光，因此能够提高激光接触(hitting)微细粒子的命中效率(hitting efficiency),增大粒子测定的效率。此外，根据本发明，能够对脉冲激光的照射进行控制，因此具有减少不必要的微细粒子的分光光谱数据的产生的优点。此外，根据本发明，具有在发生特定状况(沙尘天气或局部污染)时，能快速探测及识别微细粒子的优点。
图I为用于说明以往的光谱分析装置的图；图2为用于说明本发明的一实施例所涉及的光谱分析装置的框图；图3为用于说明本发明的一实施例所涉及的光谱分析装置的实现例的图。附图标记的说明100:连续波激光照射部 200:散射光测定部300 :触发信号生成部 400 :脉冲激光照射部500 :光谱分析部
具体实施例方式以下，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。在以下说明中，当记述为某一结构要素连接于另一结构要素时，表示既可以直接连接于另一结构要素，也可以在其间夹装第三结构要素。首先，应留意，在对各附图的结构要素标记参照符号时，对于相同的结构要素，即便出现在不同的附图中，也尽量赋予了相同的附图标记。此时，由附图所示出且据此进行说明的本发明的结构和作用，至少通过一个实施例予以说明，本发明的技术思想和其核心结构以及作用并不局限于此。在对本发明进行详细说明之前，先对以往的光谱分析装置以及利用该光谱分析装置进行微细粒子的光谱分析的方法进行说明。这虽然不包含在本发明的发明范畴内，但能够通过对比对本发明作出更明确的理解。参照图1，对以往的光谱分析装置进行说明。图I为用于说明以往的光谱分析装置的图。如图I所示，以往的光谱分析装置由脉冲激光照射部400、光谱仪510以及计算机520构成。微细粒子P从由内部喷嘴和外部喷嘴构成的粒子导入器导入。这里的粒子导入 器在供微细粒子P流动的通道的内部喷嘴外侧形成外部喷嘴，并且在该外部喷嘴流动干净的空气(Sheath air),从而使贯通内部喷嘴的微细粒子集中于中央并流动。脉冲激光照射部400对经由内部喷嘴而向外部流动的微细粒子P照射脉冲激光。在具体实现例中，该脉冲激光照射部(Q-switch laser) 400照射1064nm波长的脉冲激光。聚焦透镜L4位于脉冲激光照射部400的前方，以便于聚焦脉冲激光来照射微细粒子P。当脉冲激光照射到微细粒子P时，形成高温的等离子体，并且微细粒子P在所生成的等离子体内被原子化、离子化而成为激发态(excited state)，之后回落到基态(ground state)。光谱仪510测定微细粒子P从激发态回落到基态时所释放出的原子光谱线(emission light)来分析微细粒子的元素成分。在这样的现有的光谱分析装置中，对微细粒子照射脉冲激光时，以免烧方式照射约IOHz的脉冲激光。因此存在如下问题脉冲激光接触(hitting)到微细粒子的概率极低，因而在数千个激光投射(shot)中只能在部分投射中获得对微细粒子的分光光谱，这最终阻碍微细粒子的测定效率，并且引发不必要的模糊(blank)光谱数据。以下，对用于改善上述问题而提出的本发明进行说明。参照图2及图3，对本发明的一实施例所涉及的光谱分析装置进行说明。图2为用于说明本发明的一实施例所涉及的光谱分析装置的框图。如图2所示，一实施例所涉及的光谱分析装置10包括连续波激光照射部100、散射光测定部200、触发信号生成部300、脉冲激光照射部400以及光谱分析部500。连续波激光照射部100向所导入的粒子照射连续波激光。在此，粒子指称微细粒子，如现有技术所揭示那样，微细粒子从由内部喷嘴和外部喷嘴构成的粒子导入器导入光谱分析装置10。连续波激光照射部100向所导入的微细粒子照射连续波激光来促使从微细粒子释放散射光。散射光测定部200用于对上述粒子被上述连续波激光照射而从上述粒子生成的散射光进行测定。这里的散射光测定部200包括光电倍增管(参照图3的210)和示波器(参照图3的220)，光电倍增管接收散射光而转换为电信号并对该电信号进行放大，示波器接收放大后的电信号并将该电信号以电压(voltage)值算出。触发信号生成部300在由上述散射光测定部200测定出的测定值为预先设定的值以上的情况下生成触发信号。更具体而言，触发信号生成部300用于在由散射光测定部200的示波器算出的电压值为预先设定的值以上的情况下生成触发(triggering)信号。即，由示波器算出的电压值受微细粒子的粒子大小的影响，电压值高表明微细粒子的大小大。因此，设定标的物微细粒子的粒子大小的下限，并且设定与之相当的电压值，从而只有在捕捉到规定粒子大小以上的微细粒子时才生成触发信号。脉冲激光照射部400接收上述触发信号来向微细粒子照射脉冲激光。换而言之，脉冲激光照射部400只有在由散射光测定部200的示波器算出的电压值为预先设定的值以上的情况下才向微细粒子照射脉冲激光。光谱分析部500用于对从与上述脉冲激光照射部400的脉冲激光碰撞的微细粒子生成的原子光谱线进行测定来分析上述微细粒子的元素成分。光谱分析部500的结构与以往的光谱分析装置相同，因此在此省略对其的详细说明。以下，揭示对本发明的一实施例所涉及的光谱分析装置的实现例及其动作过程的说明。图3为用于说明本发明的一实施例所涉及的光谱分析装置的实现例的图。
参照图3所示，微细粒子P从粒子导入器导入，这里的粒子导入器已在上面进行了说明，所以在此省略对其的说明。由连续波激光照射部100对从粒子导入器导入的微细粒子P照射连续波激光(continuous wave laser)。连续波激光照射部100在具体的实现例中优选为由生成640nm波长的连续波的激光二极管来实现。此外，连续波激光照射部100优选为从与微细粒子P的行进方向垂直的位置，即图中的侧面向微细粒子P所流动的行进方向侧照射连续波激光。此外，优选为，在连续波激光照射部100的前方设置聚焦透镜L5，以使聚焦后的连续波激光能够照射到微细粒子P。微细粒子P若被连续波激光照射,则生成散射光(scattering light)。该散射光由散射光测定部200来测定，具体而言，散射光在散射光测定部200的光电倍增管(PMT ；PhotoMultiplier Tube) 210中进行光电转换而转换为电信号并被放大。所图示的电源供给部(power supply)211用于对光电倍增管供电，虽然以分体结构进行了图示，但还可包含于光电倍增管210的内部而与之构成一体，这是显而易见的。此外，为了收集散射光，还优选为在光电倍增管210的前端设置聚焦透镜L6。放大后的电信号传递至示波器220。在示波器220中将电信号以电压值(voltage)算出。触发信号生成部(delay generator) 300接收由示波器220算出的电压值,而在上述电压值为预先设定的值以上的情况下，将触发信号施加于后述的脉冲激光照射部400。其中，预先设定的值是指为了决定作为测定对象的微细粒子而设定的值，是利用由示波器算出的电压值因微细粒子的粒子大小而异的原理设定的值，这在上面说明过。另一方面，由触发信号生成部300生成的触发信号最好根据测定出的电压值超过预先设定的值的程度，来改变向脉冲激光照射部400施加上述触发信号的时机。S卩，微细粒子P的大小越大，由示波器220算出的电压值越大，因此优选为，对微细粒子P所算出的电压值的大小超过预先设定的值而在这些超过预先设定的值的微细粒子中，使具有相对高的电压值的微细粒子相比具有相对低的电压值的微细粒子，加快生成触发信号的时机。这是因为，微细粒子的大小越大下落速度越快，所以在已设定好脉冲激光照射部400的位置的情况下，准确对准照向微细粒子P的激光的焦距。脉冲激光照射部400只有在被施加上述的触发信号的情况下才向微细粒子P照射脉冲激光。即，由于触发信号从具有特定的粒子大小以上的微细粒子P所生成的散射光导出，因而脉冲激光只照向具有上述特定的粒子大小以上的微细粒子P。脉冲激光照射部400在具体的实现例中生成1064nm波长的脉冲。此外，为了将脉冲激光聚焦后照向微细粒子P，优选为在脉冲激光照射部的前端包括聚焦透镜400。此时，参照图3的放大图(圆形虚线部分)可以看出，从脉冲激光照射部400照射出的脉冲激光与微细粒子P接触的接触点C2与从连续波激光照射部100照射出的连续波激光与微细粒子P接触的接触点Cl相隔规定距离。优选为，脉冲激光照射部400从连续波激光照射部100所处的位置沿着微细粒子P的行进方向而位于下侧。另一方面，连续波激光照射部100由于需要对所有微细粒子照射连续波，所以优选为设置成从与微细粒子P的行进方向垂直的侧面进行照射，并且脉冲激光照射部400由于对特定的一个微细粒子照射脉冲，所以优选为设置成从正面面对微细粒子P的行进方向，或者与连续波激光照射部100 —样地设置于与微细粒子P的行进方向垂直的位置也无妨。当脉冲激光照射微细粒子P时，形成高温的等离子体，微细粒子P在所生成的等离 子体内被原子化、离子化而成为激发态(excied state),之后回落到基态(ground state)。光谱仪510测定微细粒子P从激发态回到基态时所释放出的原子光谱线(emission light)来对微细粒子的元素成分进行定性及定量分析。由光谱仪对元素进行的的化学分析，参照公知技术便得以理解，由于这不包含在本发明的范畴内，所以对此予以省略。如上所述，通过限定的实施例及附图对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施例，本发明所属领域的普通技术人员可根据上述记载进行各种修改及变形。因此，本发明思想应由权利要求书限定，与其均等或等价的变形均包含于本发明的思想范畴内。
权利要求
1.一种光谱分析装置，其特征在于，包括 连续波激光照射部，其向所导入的粒子照射连续波激光； 散射光测定部，其对上述粒子被上述连续波激光照射而从上述粒子生成的散射光进行测定； 触发信号生成部，其在由上述散射光测定部测定出的测定值为预先设定的值以上的情况下生成触发信号； 脉冲激光照射部，其接收上述触发信号来向上述粒子照射脉冲激光；以及 光谱分析部，其对上述粒子被上述脉冲激光照射而从上述粒子生成的原子光谱线进行测定来分析上述粒子的元素成分。
2.根据权利要求I所述的光谱分析装置，其特征在于， 上述散射光测定部包括 光电倍增管，其接收上述散射光而转换为电信号并对该电信号进行放大；以及 示波器，其接收放大后的上述电信号而将该电信号以电压值算出。
3.根据权利要求2所述的光谱分析装置，其特征在于，上述触发信号生成部在由上述示波器算出的电压值为预先设定的值以上的情况下，向上述脉冲激光照射部施加上述触发信号。
4.根据权利要求3所述的光谱分析装置，其特征在于，上述触发信号生成部根据测定出的上述电压值超过预先设定的值的程度，来改变向上述脉冲激光照射部施加上述触发信号的时机。
5.根据权利要求I所述的光谱分析装置，其特征在于，上述连续波激光照射部从与上述粒子的行进方向垂直的方向照射连续波激光。
6.根据权利要求5所述的光谱分析装置，其特征在于，从上述脉冲激光照射部照射出的上述脉冲激光与上述粒子的接触点，自上述连续波激光与上述粒子的接触点隔离预先决定的距离。
7.根据权利要求5所述的光谱分析装置，其特征在于，上述脉冲激光照射部从与上述粒子的行进方向相向的方向照射脉冲激光。
8.根据权利要求6所述的光谱分析装置，其特征在于，上述脉冲激光照射部在上述脉冲激光的行进路径具有聚焦透镜，以聚焦上述脉冲激光而照向上述粒子。
9.根据权利要求I所述的光谱分析装置，其特征在于，上述连续波激光照射部照射640nm波长的连续波激光，上述脉冲激光照射部照射1064nm波长的脉冲激光。
全文摘要
本发明揭示一种利用连续波激光及光电倍增管的光谱分析装置。更详细而言，本发明所涉及的光谱分析装置包括连续波激光照射部，其向所导入的粒子照射连续波激光；散射光测定部，其对粒子被连续波激光照射而从粒子生成的散射光进行测定；触发信号生成部，其在由散射光测定部测定出的测定值为预先设定的值以上的情况下生成触发信号；脉冲激光照射部，其接收触发信号来向粒子照射脉冲激光；以及光谱分析部，其对粒子被脉冲激光照射而从粒子生成的原子光谱线进行测定来分析粒子的元素成分。
文档编号G01N21/63GK102841076SQ20111042144
公开日2012年12月26日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年6月21日
发明者朴起弘, 郭智贤 申请人:光州科学技术院