一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法
【专利摘要】本发明涉及激光烧蚀光谱分析【技术领域】，公开了一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法，装置包括：控制系统，环境探测模块，包含于恒温机箱内部的双脉冲激光发射模块、光谱采集分析模块，以及设置在恒温机箱外部的摄像头模块；所述控制系统分别与环境探测模块、摄像头模块电连接。本发明能够在月球表面实现原位、在线、远程遥控条件下的月球表面矿样、土壤成分进行快速的精确分析，并且可以进行全元素的深度分析，同时对感兴趣的各种元素进行三维分析成像；此外，双脉冲激光诱导击穿光谱技术的应用保证探测系统在极低气压（近真空）环境下的较高探测灵敏度。
【专利说明】一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法
[0001]【技术领域】
本发明涉及激光烧蚀光谱分析【技术领域】，特别涉及一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法。本方法采用双脉冲激光诱导击穿光谱技术，在无需样品预处理条件下，在低气压环境下对固体样品实现原位、远距离快速成分分析，可用于月球车在线分析月球表面固体矿石样品的成分，同时可对矿石样品中多种元素含量进行三维成像。
【背景技术】
[0002]月球是离地球最近的天体，上面蕴藏着丰富的矿藏，月壳由多种元素组成，主要包括:铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢。据介绍，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。地球上最常见的17种元素，在月球上比比皆是。以铁为例，仅月面表层5厘米厚的沙土就含有上亿吨铁，而整个月球表面平均有10米厚的沙土。月球表层的铁不仅异常丰富，而且便于开采和冶炼。此外，科学家已研究出利用月球土壤和岩石制造水泥和玻璃的办法。
[0003]月球土壤中还含有丰富的氦_3，利用氘和氦-3进行的氦聚变可作为核电站的能源，这种聚变不产生中子，安全无污染，是容易控制的核聚变，不仅可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。据悉，月球土壤中氦-3的含量估计为715000吨。从月球土壤中每提取一吨氦_3，同时可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。从分析看，由于月球的氦_3蕴藏量大，对于未来能源比较紧缺的地球来说，无疑是雪中送炭。许多航天大国已将获取氦-3作为开发月球的重要目标之一。
[0004]同时，月球表面分布着广泛的富含钾、稀土元素和磷等元素的克里普岩，富含钍和铀元素的风爆洋区的克里普岩被后期月海玄武岩所覆盖，克里普岩混合并形成高钍和铀物质，其厚度估计有10?20千米。风暴洋区克里普岩中的稀土元素总资源量约为225亿至450亿吨。克里普岩中所蕴藏的丰富的钍、轴也是未来人类开发利用月球资源的重要矿产资源之一。此外，月球还蕴藏有丰富的铬、镍、钠、镁、硅、铜等金属矿产资源。2004年起，我国正式积极开展月球探测工程，命名为“嫦娥工程”。其中就包括着陆器和月球车进行现场采样。
[0005]激光诱导击穿光谱分析技术(简称LIBS)是一种激光烧蚀光谱分析技术，它利用聚焦的强脉冲激光将被测样品激发成等离子体，通过分析等离子体中原子或离子光谱来实现对样品的元素分析，与传统元素分析技术相比有许多优点:可以进行全元素分析，样品无需预处理，样品形式不限，灵敏度高，可以进行实时分析等。因此，激光诱导击穿光谱技术已被广泛地应用于矿业、冶金业、环境分析等多个领域。LIBS作为一种原位、实时、连续、无接触检测技术，特别适用于一些异常环境下的化学成分检测。美国航天局2011年年底发射的“好奇”号火星车探测器成功在火星表面着陆，“好奇”号火星车上搭载了一套基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的化学元素分析及相机摄像机仪器(ChemCam)，该系统可以向9米远的火星岩石发射激光，使其蒸发，而后分析蒸发的岩石成分。借助于这台仪器，“好奇”号可以研究机械臂无法触及的火星岩石。此外，ChemCam同样可以帮助任务组在远处确定是否应该派遣“好奇”号前往一个特定的地带进行探测。ChemCam由几个不同组件构成，其双脉冲激光器安装在“好奇”号桅杆上，旁边是一台摄像机和一架小型望远镜，安装在车身上3台光谱仪，通过光纤与桅杆上的设备相连，负责分析蒸发的岩石样本中物质发出的光谱线。
[0006]实验研究发现，常规的LIBS技术并不适合于月球的极低气压环境，图1所示，在IOmbar和3X lCT5mbar环境下对钢铁样品进行了 LIBS测试，结果显不在3X lCT5mbar环境下LIBS信号强度、信背比、信噪比很低，无法准确探测样品中所含元素种类。图2、3给出了LIBS信号随环境气压的变化规律，首先随着气压的下降LIBS信号明显增强，但当气压小于Imbar以后，信号开始衰减。这是由于气压下降，等离子体对激光的屏蔽作用减弱，激光对样品的烧蚀量增加，信号增强，同时气压下降，等离子体密度降低，原子分子碰撞几率下降，会使LIBS信号减弱。两种物理机制的存在，使得在IOmbar (火星气压范围)下信号灵敏度很高，但气压低于0.0lmbar后,包括月球表面(10 12mbar)的极低气压环境下,传统LIBS系统的灵敏度都很差，对低含量物质进行探测相当困难，因此，亟待一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是:为了解决传统的LIBS在极低气压(近真空)环境下信背比低、灵敏度低，测量物质元素成分时精度不高的缺点，提供一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法，可以在极低气压环境下较好的完成远程、原位、实时分析的测量任务，解决对痕量元素测量精度不高的问题，同时可以实现对矿石、土壤成分的三维成像分析。
[0008]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:提供了一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置，包括:控制系统1，环境探测模块2，恒温机箱4，包含于恒温机箱4内部的双脉冲激光发射模块、光谱采集分析模块，以及设置在恒温机箱4外部的摄像头模块3 ;所述控制系统I分别与环境探测模块2、摄像头模块3电连接；
所述双脉冲激光发射模块进一步包括:控制器I 5、聚焦透镜组7、双脉冲激光器6、二相色镜8 ;所述控制器I 5与控制系统I电连接，且根据控制系统I的指令控制双脉冲激光器6发出激光脉冲，经二相色镜8反射再经聚焦透镜组7聚焦在被测样品11表面，聚焦激光脉冲烧蚀被测样品11表面并形成等离子体12 ；
所述光谱采集分析模块进一步包括:控制器II 9、收集透镜组13、传输光纤14、光谱仪
10、光谱分析单元15 ;所述等离子体12的光谱信号经过聚焦透镜组7再经收集透镜组13反射后聚焦到传输光纤14端面上，经过光纤传输后射入光谱仪10记录并保存；所述光谱分析单元15通过USB或其他等信号传输线与光谱仪10，控制系统I连接；所述光谱分析单元15内存有光谱数据库、光谱学参数和仪器参数信息，能对光谱仪10中的光谱数据进行解析换算；所述光谱分析单元数据库中存储有所有元素的原子、离子、分子发射谱线的波长信息，通过对比光谱仪10记录等离子体12光谱中线状谱，能识别出等离子体12种所含元素种类，并根据光谱仪10所记录的各元素发射谱线强度值结合光谱学参数、仪器参数，得到各元素含量，完成定量分析；所述光谱仪10依次与控制器II 9、光谱分析单元15电连接。
[0009]其中，所述恒温机箱4进一步包括:转动支架，所述转动支架16连接恒温机箱4和其他传动装置，并根据控制系统I的指令调整并固定恒温机箱姿态，完成测量任务。所述转动支架起固定和移动机箱的作用；所述传动装置为探测设备，可安装在月球车车身上任何位置。[0010]其中，所述恒温机箱4内部设有温度调节模块，其作用是保持双脉冲激光器6、光谱仪10在一个正常的温度范围内，避免月球表面温度变化对双脉冲激光器6、光谱仪10产生的影响。
[0011]其中，所述收集透镜组13由若干透镜、滤波片组成，固定于收集透镜支架上，该支架在控制器119的控制下可精密移动，转动。
[0012]其中，所述聚焦透镜组7内部每个透镜安装在各自的移动滑块上，并固定与导轨上，移动滑块按控制系统I指令移动达到改变透镜之间的距离的目的，实现对聚焦透镜组7的焦距f的调整。
[0013]其中，所述二相色镜8的作用是使入射激光波长的光反射，其他波段的光高透。实验中激光波长为1064nm，二相色镜8起反射作用，光谱仪10收集等离子体光为(200-980nm) , 二向色镜8高透。
[0014]本发明还公开了一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析方法，包括以下步骤:
步骤1:控制系统I根据摄像头模块3中摄像头所拍摄图像提取出被测样品11的精确位置；
步骤2:控制系统I控制双脉冲激光发射模块调整激光束发射方向及聚焦状态，使得双脉冲激光发射模块所发射的激光脉冲能够以足够高的能量密度精确聚焦在摄像头观测到需要分析的样品表面；同时，控制系统I控制光谱采集分析模块的收集透镜组13调整好方向及焦距，做好光谱收集的准备；
步骤3:控制系统I发出指令到环境探测模块2，对月球环境进行初步测量，并将气压、成分各个信息回馈给控制系统I ;所述控制系统I根据环境参数从控制系统I中数据库中读出最佳参数；(所述控制系统I相当于一台计算机，内部有事先写入的数据库，当传感器探测到环境参数，将信号输入控制系统I (计算机)内部软件与数据库数据对比，调出下一步实验参数，输出给相应设备。)
步骤4:控制系统I根据上述最佳参数，控制双脉冲激光发射模块按一定时序先后发射两个激光脉冲，同时控制系统I根据光谱仪10延迟时间参数采集分析被测样品11所产生的等离子体发射光谱信号，并传输给光谱分析单元15 ；
步骤5:光谱分析单元15对光谱仪10记录的光谱数据进行解析，并给出被测样品11所含的各种成分的含量信息，传输给控制系统I ;
首先，光谱分析单元15读取光谱仪10记录的光谱数据，提取线状谱波长、强度值信息。通过波长信息，结合光谱仪分析模块内部的记录的物种原子、离子、分子发射谱线波长信息，归类出所采集到光谱数据中所含的物种信息。然后根据各谱线强度值，计算各物种浓度信息；当等离子体12处于局部热平衡状态时，被测物种在Ek和Ei两能级之间跃迁发射谱线的强度可以表示为:
【权利要求】
1.一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于，包括:控制系统(1)，环境探测模块(2)，恒温机箱(4)，包含于恒温机箱(4)内部的双脉冲激光发射模块、光谱采集分析模块，以及设置在恒温机箱(4)外部的摄像头模块(3);所述控制系统(I)分别与环境探测模块(2)、摄像头模块(3)电连接； 所述双脉冲激光发射模块进一步包括:控制器I (5)、聚焦透镜组(7)、双脉冲激光器(6);所述控制器I (5)与控制系统(I)电连接，且根据控制系统(I)的指令控制双脉冲激光器(6)发出激光脉冲，经光谱采集分析模块的二相色镜(8)反射再经聚焦透镜组(7)聚焦在被测样品(11)表面，聚焦激光脉冲烧蚀被测样品(11)表面并形成等离子体(12 ); 所述光谱采集分析模块进一步包括:控制器II (9)、收集透镜组(13)、光谱仪(10)、光谱分析单元(15);所述等离子体(12)的光谱信号经过聚焦透镜组(7)再经收集透镜组(13)后聚焦到传输光纤(14)端面上，经过光纤传输后射入光谱仪(10)记录并保存；所述光谱分析单元(15)通过USB或其他等信号传输线与光谱仪(10)连接；所述光谱分析单元(15)内存有光谱数据库、光谱学参数和仪器参数信息，能对光谱仪(10)中的光谱数据进行解析换算，并将结果传回控制系统(1)，光谱分析单元(15)与控制系统(I)电连接；所述光谱分析单元(15)数据库中存储有所有元素的原子、离子、分子发射谱线的波长信息，通过对比光谱仪(10)记录等离子体12光谱中线状谱，能识别出等离子体12种所含元素种类，并根据光谱仪(10)所记录的各元素发射谱线强度值结合光谱学参数、仪器参数，得到各元素含量；所述光谱仪(10)依次与控制器II (9)、的光谱分析单元(15)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于，所述恒温机箱(4)进一步包括:转动支架(16)，所述转动支架(16)连接恒温机箱(4)和其他传动装置，并根据控制系统(I)的指令调整并固定恒温机箱(4)的姿态。
3.根据权利要求1所述 的一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于，所述恒温机箱(4)内部设有温度调节模块。
4.根据权利要求1所述的一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置，其特征在于，所述收集透镜组(13)由若干透镜、滤波片组成。
5.一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析方法，包括以下步骤: 步骤1:控制系统(I)根据摄像头模块(3)中摄像头所拍摄图像提取出被测样品(11)的精确位置； 步骤2:控制系统(I)控制双脉冲激光发射模块调整激光束发射方向及聚焦状态；同时，控制系统(I)控制光谱采集分析模块的收集透镜组(13)调整好方向及焦距，做好光谱收集的准备； 步骤3:控制系统(I)发出指令到环境探测模块(2)，对月球环境进行初步测量，并将气压、成分各个信息回馈给控制系统(I);所述控制系统(I)根据环境参数从控制系统(I)的数据库中读出最佳参数；所述控制系统(I)相当于一台计算机，内部有事先写入的数据库，当传感器探测到环境参数，将信号输入控制系统(I)(计算机)内部软件与数据库数据对比，调出下一步实验参数，输出给相应设备； 步骤4:控制系统(I)根据上述最佳参数，控制双脉冲激光发射模块按一定时序先后发射两个激光脉冲，同时控制系统(I)根据光谱仪(10)延迟时间参数采集分析被测样品(11)所产生的等离子体(12)发射光谱信号；步骤5:光谱分析单元(15)对光谱仪(10)记录的光谱数据进行解析，并给出被测样品(11)所含的各种成分的含量信息，传给控制系统(I); 步骤6:三维成像的深度分布测量；可重复激光双脉冲发射光谱收集过程，获得一个测量位置不同深度的光谱数据，完成该位置的深度测试后，控制系统(I)控制双脉冲激光发射模块和光谱采集分析模块同步移动到下一测量位置进行深度测试，完成后继续移动，直至扫描全部待测的区域； 步骤7:根据不同位置所测得的光谱数据，推算出不同位置各元素的含量值，进而绘制出不同元素的三维空间分布情况； 步骤8:控制系统(I)将所得到的光谱数据及分析结果以数据包形式通过无线电信息传输系统传回地球控制室。
6.根据权利要求5所述的一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析方法，其特征在于，所述步骤3中的最佳参数为激 光脉冲模式及双脉冲间延迟时间、光谱仪门延迟时间、门宽等参数。
【文档编号】G01N21/63GK103884649SQ201410109122
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】丁洪斌, 海然, 吴鼎, 刘平, 赵栋烨, 李聪, 冯春雷 申请人:大连理工大学