一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，包括至少具有一维自由度的电移台，所述的电移台上安装有活动的升降板，和滑动配合有用于放置样品的载物台，所述升降板上设有透明的约束窗口，激光透过约束窗口后击打样品；所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于样品的正上方，约束板上分布有约束腔，该约束腔用于约束样品激发的等离子体。本发明通过对等离子体横向以及纵向进行约束，并根据不同的样本需求调节约束空间大小调节谱线强度，谱线强度增强范围为2-10倍。
【专利说明】一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光诱导击穿光谱检测技术，特别涉及一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台。
【背景技术】
[0002]激光诱导击穿光谱仪(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy, LIBS)利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品(通常为固体)中的物质，并通过光谱仪获取被激发等离子体原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识另O、分类、定性以及定量分析。该技术无需对样品进行预处理，能够快速实现远程、微损对样品元素(尤其是金属元素)进行检测，可用于固体、气体、液体样品的检测。激光诱导击穿光谱的应用领域也十分广泛，如生物医学、考古学、环境监测、水中重金属检测以及爆炸物探测等。
[0003]然而，激光诱导击穿光谱技术分析检测技术也有相应的局限性:1.检出限较高。通常LIBS的检出限大于ug/g。2.重复性较差。由于LIBS检测分析容易受到能量、物镜距离、样品基体等影响，因此检测结果的相对标准偏差一般在10%左右。因此，提高LIBS技术检测能力和重复性是目前LIBS技术发展的重要内容。
[0004]空间限制是一种提高激光诱导击穿光谱信号强度、降低检出限的一种有效方法。如专利申请CN 103543131A提出了一种基于双脉冲和空间限制作用提高元素测量精度的方法，该方法首先在待测样品表面上方制作坑洞或者腔体，然后利用双脉冲激光对样品进行击打。第一个脉冲在坑洞或者腔体内部产生低压环境，第二个脉冲则用于激发样品产生等离子体。等离子体在扩展的过程中受到空间限制作用，使得等离子体温度和电子密度显著提高，而且等离子体更加均匀，有利于增加测量信号的稳定性，提高信噪比，降低样品中微量元素的检出限。该专利指出空间限制能够提高LIBS测量信号的强度和稳定性，有利于兀素测量精度的提闻。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，采用空间横向和纵向限制方法增强谱线强度，等离子约束板采用镀铬铝板，约束腔采用圆锥形结构，样品采用V型滑块导轨结构进行移动。
[0006]本发明的具体技术方案如下:
[0007]—种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，包括至少具有一维自由度的电移台，所述的电移台上安装有活动的升降板，和滑动配合有用于放置样品的载物台，
[0008]所述升降板上设有透明的约束窗口，激光透过约束窗口后击打样品；
[0009]所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于样品的正上方，约束板上分布有约束腔，该约束腔用于约束样品激发的等离子体。
[0010]本发明所提供的是一种基于空间限制增强谱线强度的样品台，能对等离子体横向以及纵向进行约束，并根据不同的样本需求调节约束空间大小调节谱线强度，谱线强度增强范围为2-10倍。约束窗口主要用于对等离子体纵向进行约束，并对入射激光与等离子体产生的特征谱线具有较好的透射率。约束板上的约束腔主要用于对等离子体的横向进行约束，并使特征谱线进行约束传播，提高谱线收集效率和谱线强度，谱线强度增强范围为2-10倍。
[0011]所述电移台上设有驱动升降板的升降机构，包括带有齿条的升降杆和沿升降杆滑动的滑块，所述的滑块上设有与齿条啮合的齿轮，所述的升降板固定在滑块上。利用齿条和齿轮的啮合，驱动滑块升降，结构简单，便于操作。
[0012]所述的升降板为L形的直角转接板。所述的升降板上设有透光口，该透光口处覆盖有透光板，所述透光口与透光板组成所述的约束窗口。所述的透光口内边缘设有支撑台阶，透光板直接放置在透光口内，依靠支撑台阶固定。
[0013]在本发明中，所述的透光板为有机玻璃板，选用材料为N-BK7，厚度为I?5mm，透过率大于90%，能量阈值大于lOJ/cm2。谱线增强效果受到约束窗口离样品距离的影响。由于样品性质和所要检测的元素谱线强度不同，本发明的约束窗口能在垂直方向进行移动，根据需要调节谱线强度。为保证激光有效激发和特征谱线的有效收集，透光板对激光波长和特征谱线的透过率应大于90%。同时，为防止激光对有机玻璃板造成损害，其能量阈值应大于 10J/cm2。
[0014]作为优选的，所述的约束板为镀铬的铝板，厚度为I?3mm。在铝板的约束腔内进行镀铬，使内腔具有较高的反射率，使特征谱线约束传播，提高谱线收集效率。
[0015]所述的约束腔为圆锥形，上锥面直径是2?8mm，下锥面直径比上锥面直径大I?3mm。锥面直径采用该尺寸能有效对不同样本的等离子体进行约束。另外，约束腔采用圆锥形结构，由于其上小下大的结构，比起圆柱型的结构能更好得对等离子体进行约束。另外，当等离子体从圆锥形约束腔射出时，由于其空间约束加大，其电子密度与运动速度均会得到增强，因此更加有利于谱线信号的增强。
[0016]为便于待测样品的放置，所述的电移台上开设有滑动导向槽，所述的载物台具有与滑动导向槽配合的导向块，采用滑块导轨结构，载物台可灵活推入或抽出约束窗口的正下方，避免升高约束窗口和约束板等繁琐操作。
[0017]所述电移台上安装有两导向柱，约束板套设在导向柱上。沿导向柱上下移动约束板，调节约束板的高度，约束板覆盖样品表面，有利于平整样品表面提高检测重复性，同时避免激发颗粒污染其它待测区域。当待测样品为新鲜叶片等表面不平整样品时，其待测区域与透镜距离存在差异，进而影响激光到达样品的激光参数。激光诱导击穿光谱的检测稳定性与待检测区域的激光参数息息相关，因此平整样品表面有利于固定激光参数提高检测的重复性。此外，约束板的上小下大圆锥形结构有利于最大程度地避免由上一个检测区域激发颗粒污染，保证所检测对象为待检测区域的元素。
[0018]本发明具有的有益效果是:
[0019]I)能有效增强LIBS谱线信号，谱线强度增强范围为2-10倍；
[0020]2)能避免激发颗粒重新覆盖到样品表面，影响样品后序检测分析；
[0021]3)能平整样品表面(特别如新鲜叶片等不平整样品)，使样品到聚焦透镜的距离保持不变从而提闻检测重复性；
[0022]4)具有调节简单、成本低、拆卸方便等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为用于激光诱导击穿光谱检测的样品台结构图；
[0024]图2为图1中样品台的俯视图；
[0025]图3为图1中样品台的右视图；
[0026]图4为样品台上样品受击打的不意图；
[0027]图5为无约束的等离子体图；
[0028]图6为用约束窗口和约束腔对等离子体的约束图。
【具体实施方式】
[0029]如图1-3所示，一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，包括齿条升降杆1，齿轮滑块2，直角转接板3，等离子体约束窗口 4，圆柱导轨5，等离子体约束板6，V型滑块7，组合电移台9，拉杆10。
[0030]组合电移台9采用四自由度(X，y, Z, W)组合电移台，包括三个单自由度(x、y和z)脉冲电动位移台和一个旋转自由度(w)电动旋转台。
[0031]齿条升降杆I竖直安装在组合电移台9上，齿轮滑块2与齿条升降杆I啮合，可沿垂直方向上下移动。直角转接板3通过螺栓固定于齿轮滑块3上，平面设有矩形的透光口，透光口边缘设有支撑台阶，透光口内设有透光板，形成等离子约束窗口 4。
[0032]圆柱导轨5固定在组合电移台9，等离子体约束板6可沿圆柱导轨5上下滑动。圆柱导轨5和齿条升降杆I均通过螺栓联接于组合电移台9上。组合电移台9开有V型槽，V型滑块7在拉杆10作用下可沿V型槽左右滑动，拉杆10通过螺纹固定于V型滑块7内。样品8放置V型滑块7 (相当于载物台)上，激光从上方向下击打，通过等离子体约束窗口4，并经过等离子体约束板6，击打到样品表面，激发等离子体，冷却发出特征谱线由光纤收集。
[0033]本实施例中，等离子约束窗口 4的材料为N-BK7，厚度为I?3mm，透过率大于90%，能量阈值大于lOJ/cm2。等离子约束窗口 4主要用于对等离子体纵向进行约束，并对入射激光与等离子体产生的特征谱线具有较好的透射率。N-BK7是一种常见的光学玻璃，能够透过350nm?2000nm波段的光，其激光的透射率大于90%，能量阈值大于10J/cm2。因此约束窗口 4选用材料为N-BK7，厚度为I?3m。
[0034]等离子约束窗口 4可在齿轮滑块2作用下沿垂直方向进行移动。谱线增强效果受到约束窗口离样品距离的影响。由于样品性质和所要检测的元素谱线强度不同，本发明的等离子约束窗口 4能在垂直方向进行移动，根据需要调节谱线强度。
[0035]在本实施例中，等离子体约束板6的材料为镀铬的铝板，厚度为1mm，其中间均匀布有圆锥形约束腔11，上锥面直径和下锥面直径分别是2mm和3mm。约束腔11之间距离应与组合电移台9规划位移相一致。等离子约束板6主要用于对等离子体的横向进行约束，并使特征谱线进行约束传播，提高谱线收集效率和谱线强度，谱线强度增强范围为2?10倍。在铝板的约束腔11内进行镀铬，使内腔具有较高的反射率，使特征谱线约束传播，提高谱线收集效率。约束腔采用圆锥形结构，由于其上小下大的结构，比起圆柱型的结构能更好得对等离子体进行约束。另外，当等离子体从圆锥形约束腔射出时，由于其空间约束加大，其电子密度与运动速度均会得到增强，因此更加有利于谱线信号的增强。本发明的等离子约束板6的约束腔之间距离与组合电移台9规划位移相一致，能适用于激光诱导击穿光谱面扫描的工作方式。本发明采用等离子约束板6覆盖样品表面，有利于平整样品表面提高检测重复性，同时避免激发颗粒污染其它待测区域。当待测样品为新鲜叶片等表面不平整样品时，其待测区域与透镜距离存在差异，进而影响激光到达样品的激光参数。激光诱导击穿光谱的检测稳定性与待检测区域的激光参数息息相关，因此平整样品表面有利于固定激光参数提高检测的重复性。此外，等离子约束板6的上小下大圆锥形结构有利于最大程度地避免由上一个检测区域激发颗粒污染，保证所检测对象为待检测区域的元素。
[0036]V型滑块7在拉杆10作用下可沿V型槽移动，采用此V型滑块导轨结构，避免升高等离子约束窗口和等离子约束板等繁琐操作。等离子体约束板6与圆柱导轨5之间的连接为紧连接，在重力作用下等离子体约束板6不能自由下滑。
[0037]本发明装配时，先将齿轮升降杆I和圆柱导轨5通过螺栓与组合电移台9固定，再将V型滑块7和拉杆10通过内外螺纹配合固定，将V型滑块7与组合电移台9的V型槽配合使之可沿V型槽自由滑动。将等离子体约束板6配合孔穿过2根圆柱导轨5，重力作用下不能自由下滑。齿轮滑块2与齿轮升降杆I通过齿轮齿条相配合，直角转接板3通过螺钉联接于齿轮滑块2上，直角转接板3上的等离子体约束窗口 4，在齿轮齿条作用下可沿垂直方向移动。
[0038]如图4所示，本发明可适用于激光诱导击穿光谱的多种工作方式，既可实现共线式激发，也可实现垂直式激发；既可适用用于单脉冲激光诱导击穿光谱，也可适用于双脉冲激光诱导击穿光谱。本发明特别适用于如植物新鲜叶片等生物样本，能有效提高信号强度。以双脉冲垂直式激光诱导击穿光谱系统为例，本发明工作时，通过拉杆10将V型滑块7从工作位置移出，将待检测样品8放置于V型滑块7上，再将V型滑块7推到工作位置。移动等离子体约束板6使之压到样品8上，再调节等离子体约束窗口 4上下位置，使其能够限制激发出的等离子体。控制组合电移台9使等离子体约束板6的圆锥型约束腔11与上方激光的位置相对应，设置组合电移台9的工作步长是圆锥形约束腔相邻距离或倍数。第一束激光B经过光路系统，经聚焦透镜从上方向下传播，穿过等离子体约束窗口 4，并经过圆锥形约束腔击打样品。等离子体约束窗口 4的其激光透过率大于90%，能量阈值大于lOJ/cm2。第二束激光A沿垂直方向通过聚焦透镜聚焦击打到激发出的等离子体上，增强谱线信号。等离子体冷却发出特征谱线C由上方的光纤收集系统收集。每个位置可根据实际要求选择所需击打的次数，当完成一个位置之后通过组合电移台9移动进行多个位置光谱采集。如图5和图6所示，当无等离子体约束窗口 4和等离子体约束板6时，激发出的等离子体D为自由激发状态；当对激发的等离子体D进行限制后，等离子体D的密度增加，等离子体温度升高，增强了激发原子的谱线强度。
[0039]本发明工作原理:
[0040]空间限制是一种提高激光诱导击穿光谱信号强度、降低检出限的一种有效方法。首先，当等离子体的膨胀受到空间约束时，等离子体的温度与电子密度均会增加。其次，由于空间约束产生的二次压力波和反射激波对初级等离子体进行二次加热，所以进一步提高等离子体的温度和电子密度。因此，当对激发等离子体进行空间限制时，等离子体温度和电子密度大大增加，有利于实现热平衡条件，提高谱线强度，降低检出限。
【权利要求】
1.一种用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，包括至少具有一维自由度的电移台，其特征在于，所述的电移台上安装有活动的升降板，和滑动配合有用于放置样品的载物台， 所述升降板上设有透明的约束窗口，激光透过约束窗口后击打样品； 所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于样品的正上方，约束板上分布有约束腔，该约束腔用于约束样品激发的等离子体。
2.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述电移台上设有驱动升降板的升降机构，包括带有齿条的升降杆和沿升降杆滑动的滑块，所述的滑块上设有与齿条啮合的齿轮，所述的升降板固定在滑块上。
3.如权利要求2所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的升降板为L形的直角转接板。
4.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的升降板上设有透光口，该透光口处覆盖有透光板，所述透光口与透光板组成所述的约束窗口。
5.如权利要求4所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的透光口内边缘设有支撑台阶，所述透光板放置在支撑台阶上。
6.如权利要求5所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的透光板为有机玻璃板，厚度为I?5mm,透过率大于90%,能量阈值大于10J/cm2。
7.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的约束板为镀铬的招板，厚度为I?3mm。
8.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的约束腔为圆锥形，上锥面直径是2?8mm，下锥面直径比上锥面直径大I?3mm。
9.如权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述的电移台上开设有滑动导向槽，所述的载物台具有与滑动导向槽配合的导向块。
10.如权利要求9所述的用于激光诱导击穿光谱检测的样品台，其特征在于，所述电移台上安装有两导向柱，约束板套设在导向柱上。
【文档编号】G01N21/01GK104374698SQ201410653818
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】刘飞, 彭继宇, 何勇, 张初, 孔汶汶, 冯雷 申请人:浙江大学