ЛАЗЕРНЫЙ АТОМНЫЙ ЭМИССИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР "ЛАЭС" Российский патент 2007 года по МПК G01N21/71 

Настоящее изобретение относится к лазерному спектральному анализу элементного состава проб материалов и касается конструкции лазерного атомного эмиссионного спектрометра, предназначенного для высокоточного элементного анализа широкого круга материалов. Изобретение может применяться, быть использовано в различных отраслях народного хозяйства: в промышленной технологии, аналитической химии, научных исследованиях, медицине, биологии, криминалистике, экологии и т.д.

В основе прибора лежит принцип атомной эмиссионной спектрометрии - испускание возбужденными атомами элементов излучений характеристических частот (линии спектра). Особенностью прибора является использование для атомизации и возбуждения паров образца импульсного лазера высокой мощности (вместо электрического разряда). Это, в частности, расширяет круг возможных объектов анализа, позволяет проводить анализ не только электропроводных материалов, но и неэлектропроводных материалов.

Известен, например, прибор послойного атомно-эмиссионного спектрального анализа твердых образцов (пленок пассивации нержавеющих сталей), включающий использование тлеющего разряда с плоским катодом-пробой в инертном газе при пониженном давлении. Этот прибор позволяет анализировать послойное распределение 45 элементов с разрешением по глубине 0,05-1,0 мкм (Дробышев И.А. Послойный атомно-эмиссионный спектральный анализ в источниках света с катодным распылением проб. - Журнал прикладной спектроскопии, т.56, N 1, 1992, с.7-11).

Недостаток известного прибора и способа, по которому он работает, заключаются в ограниченности использования в промышленных условиях из-за его высокой разрешающей способности, требующей длительного времени воздействия; применении способа только для решения исследовательских задач (анализа тонких пленок); низкой достоверности, воспроизводимости и стабильности результатов; длительности анализа, связанной с необходимостью больших временных затрат на испарение пробы.

Известен также способ лазерного спектрального анализа с помощью измерения эмиссионного сигнала, включающий перевод образца в атомарное состояние источником энергии (лазером) с одновременным разогревом атомных паров, переводом их в плазму, и последующим спектральным анализом ее оптического излучения (метод LIBS). Указанный способ позволяет осуществлять анализ с пределом обнаружения 10^-2% (F.Brech and L.Gross, Applied Spectroscopy, vol.16, N 1, p.59, 1962 или R.H.Scott and A.Strashiem, Spectrochimica Acta, vol.26B, p.707, 1971).

Однако использование описанного способа для послойного спектрального анализа образцов невозможно из-за низкой достоверности и воспроизводимости послойного элементного состава вследствие трансформации дна и стенок кратера и перемешивания слоев в результате глубокого проплавления образца в месте воздействия лазерного луча; сложности подбора параметров лазерного излучения; невысокой чувствительности и длительности способа; сложности, крупногабаритности и высокой стоимости установки.

Известен прибор для лазерного спектрального анализа (спектрохимического), осуществляющий атомизацию образца с одновременным разогревом атомных паров и переводом их в плазменное состояние путем воздействия импульсного лазерного излучения; сбор излучения лазерной плазмы, его транспортировку и спектральную селекцию с измерением относительной интенсивности аналитических линий и последующую компьютерную обработку результатов. Атомизацию образца осуществляют в потоке защитных газов (Ar+3% H₂) с оптимальной энергией импульса многомодового лазерного излучения около 300 мДж. Способ позволяет осуществлять поверхностный элементный анализ твердых образцов за 10 мин при чувствительности 10^-2% (Tsuyoshi Ozaki et al "Grant Pulse Laser Spectrochemical Anylysis of C, Si and Mn in Solid Steel", Transactions ISIJ, vol.24, 1984, p.463-470).

Использование способа для послойного лазерного спектрального анализа твердых образцов невозможно из-за невысокой достоверности и воспроизводимости; длительности; невозможности регулирования глубины проникновения лазерного излучения из-за применения многомодового излучения, содержащего области с высокой плотностью мощности и с низкой, многократное воздействие которого неравномерно изменяет глубину кратера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является прибор для лазерного спектрального анализа, оснащенный импульсным лазером, обладающим плотностью энергии примерно от 10⁸ до 10¹² Вт/см², импульсный лазерный луч которого направлен на исследуемое вещество, оптическим фокусирующим приспособлением для направления испускаемого плазмой света в щель спектрометра и его фокусирования, подобным матрице съемочным приспособлением в виде камеры ПЗС (CCD) для спектрального разрешения интенсивности изображенного через щель спектрометра дискообразного участка испускаемого света после прохода через спектрометр и ее временного и пространственного суммирования с помощью приспособления для запоминания изображения и оценки, и управляющим приспособлением, включенным между лазером, спектрометром, съемочным приспособлением, памятью изображения и приспособлением для оценки и служащим для запоминания и анализа спектральных сигналов испускаемого света в правильном временном промежутке (RU, заявка №99101834, G01N 21/71, опубл. 20.01.2001).

Недостатком данного прибора является недостаточная достоверность, обусловленная сложностью настройки, а именно наведение прибора на заданную точку образца (наведение) и обеспечение размещения образца в точке фокусировки лазера (фокусировку).

Задачей изобретения является создание нового промышленно применимого прибора для лазерного спектрального анализа обладающего малогабаритностью и мобильностью и обеспечивающего достоверность и воспроизводимость результатов. Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению точности наведения луча основного лазера на образец по точке, сформированной на образце пилотным лазером с учетом фокусировки.

Достигаемый при этом технический результат заключается в сокращении времени анализа и повышении достоверности информации при возможности одновременной регистрации результатов как на видеокамере, так и на мониторе.

Указанный технический результат достигается тем, что лазерный атомный эмиссионный спектрометр, содержащий основной лазер, фокусирующее устройство, систему зеркал, объектив камеры образцов, объектив монохроматора, нить монохроматора в держателе и видеокамеру, снабжен пилотным лазером и камерой образцов, включающей в себя столик для закрепления по крайней мере одного исследуемого образца, выполненный с возможностью перемещения в трех направлениях и поворота вокруг своей оси, и объектив камеры образцов, расположенный напротив объектива монохроматора, за которым размещена в держателе нить монохроматора для сбора анализируемого излучения и передачи его по оптическому волокну в монохроматор для анализа, а система зеркал включает в себя первое проницаемое зеркало, расположенное перед пилотным лазером и основным лазером и выполненное с возможностью пропускания излучения с длиной волны пилотного лазера и отражения излучения с длиной волны основного лазера, второе зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн и направляющее излучение пилотного или основного лазеров в фокусирующее устройство в виде телескопа, третье зеркало, расположенное на выходе телескопа и выполненное проницаемым для излучения подсветки, частично проницаемым/отражающим для излучения пилотного лазера и отражающим для излучения основного лазера, избирательно пропускающее четвертое зеркало, расположенное между объективом камеры образцов и объективом монохроматора и выполненное проницаемым для излучения в диапазоне, испускаемом парами исследуемого образца, частично проницаемым/отражающим для излучения пилотного лазера и отражающим для излучения основного лазера, пятое зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн, расположенное между третьим зеркалом и объективом видеокамеры в ряду с четвертым зеркалом, при этом указанные составляющие спектрометра смонтированы на опорной поверхности в виде столика.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

На фиг.1 - общий вид лазерного атомного эмиссионного спектрометра;

фиг.2 - то же, что на фиг.1, вид сверху, показана траектория луча пилотного лазера;

фиг.3 - то же, что на фиг.1, вид сверху, показано прохождение света из камеры образцов в объектив видеокамеры;

фиг.4 - то же, что на фиг.1, вид сверху, показана траектория луча основного лазера;

фиг.5 - то же, что на фиг.1, вид сверху, показано прохождение испущенного образцом света на волокно монохроматора;

фиг.6 - то же, что на фиг.1, вид сверху, показано прохождение испущенного образцом света частично на волокно монохроматора и частично в объектив видеокамеры.

Согласно настоящему изобретению предлагается лазерный атомный эмиссионный спектрометр, который содержит основной и пилотный лазеры, телескоп, систему зеркал, объектив камеры образцов, монохроматор и видеокамеру. Камера образцов включает в себя столик для закрепления исследуемого образца, выполненный с возможностью перемещения в трех направлениях и поворота вокруг своей оси, и объектив камеры образцов, расположенный напротив объектива монохроматора, за которым размещена в держателе нить монохроматора для сбора анализируемого излучения и передачи его по оптическому волокну в монохроматор для анализа. Система зеркал включает в себя первое проницаемое зеркало, расположенное перед пилотным лазером и основным лазером и выполненное с возможностью пропускания излучения с длиной волны пилотного лазера и отражения излучения с длиной волны основного лазера, второе зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн и направляющее излучение пилотного или основного лазеров в фокусирующее устройство в виде телескопа, третье зеркало, расположенное на выходе телескопа и выполненное проницаемым для излучения подсветки, частично проницаемым/отражающим для излучения пилотного лазера и отражающим для излучения основного лазера, избирательно пропускающее четвертое зеркало, расположенное между объективом камеры образцов и объективом монохроматора и выполненное проницаемым для излучения в диапазоне, испускаемом парами исследуемого образца, частично проницаемым/отражающим для излучения пилотного лазера и отражающим для излучения основного лазера, пятое зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн, расположенное между третьим зеркалом и объективом видеокамеры в ряду с четвертым зеркалом.

Указанные составляющие спектрометра смонтированы на опорной поверхности в виде столика, что позволяет обеспечить данному прибору малогабаритность и мобильность.

Ниже приводится пример конкретного исполнения прибора.

Прибор - лазерный атомный эмиссионный спектрометр с торговым названием "ЛАЭС" состоит из пилотного лазера 1 (полупроводниковый лазер), избирательно пропускающего зеркала 2 (зеркало, проницаемое для излучения с длиной волны пилотного лазера, но отражающее излучение с длиной волны основного лазера), зеркала 3 (зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн), телескопа 4 (телескоп, фокусирующий излучение основного лазера 5 в определенной точке пространства камеры образцов), избирательно пропускающего зеркала 6 (зеркало, проницаемое для излучения подсветки, частично проницаемое/отражающее для излучения пилотного лазера 1, но отражающее для излучения основного лазера 5), избирательно пропускающего зеркала 7 (зеркало, проницаемое для излучения в диапазоне, испускаемом парами образца 8, частично проницаемое/отражающее для излучения пилотного лазера 1, но отражающее для излучения основного лазера 5), объектива 9 камеры образцов 10, столика 11 образцов (столик, в котором зажимаются образцы 8), объектива 12 монохроматора 13, нити 14 монохроматора в держателе (собирает анализируемое излучение и передает его по оптическому волокну в монохроматор для анализа, видеокамеры 15 (CCD-видеокамера, ч/б, с выходом для подключения к компьютеру), зеркала 16 (зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн), основного лазера 5 (импульсный лазер с мощностью импульса, достаточной для испарения и возбуждения паров образца).

Для получения наилучших результатов в конструкции прибора может использоваться двухимпульсный лазер - лазер с возможностью выдачи двух импульсов достаточной мощности через небольшой промежуток времени. В этом случае первый импульс осуществляет испарение образца, второй дополнительно возбуждает пары.

В комплект прибора входят также блок управления лазера и блок охлаждения лазера в виде отдельных модулей. Управление прибором и обработка данных осуществляется с помощью персонального компьютера (подключается к прибору).

Камера 10 образцов содержит столик 11 образцов, в этой камере происходит анализ с возможностью заполнения аргоном или иным инертным газом и размещенным внутри столиком образцов. Может использоваться столик с возможностью закрепления до шести образцов, столик может перемещаться в трех направлениях - вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад, также возможен поворот вокруг оси.

Замена и позиционирование образцов обеспечивается столиком 11 образцов. Столик образцов путем своего вращения обеспечивает введение в зону анализа одного из закрепленных в нем образцов 8. В столике могут закрепляться либо различные анализируемые образцы, либо стандарты для колибровки и осуществления количественного анализа.

В процессе работы прибора столик выполняет также другие функции, а именно наведение прибора на заданную точку образца (наведение) и обеспечение размещения образца в точке фокусировки лазера (фокусировку).

Режим наведения (на точку поверхности образца 8) осуществляется следующим образом. Пилотный лазер 1 осуществляет указание (путем точечной подсветки) точки взятия пробы. Эта функция необходима для удобства наведения прибора на конкретные точки образца (точное наведение необходимо, например, для изучения состава неоднородностей).

Луч пилотного лазера 1 проходит сквозь избирательно пропускающее зеркало 2, отражается от зеркала 3, проходит через телескоп 4, отражается через избирательно пропускающие зеркала 6 и 7 через объектив 9 и попадает на поверхность образца 8. Схема прохождения пучка излучения от пилотного лазера к образцу представлена на фиг.2. Точка падения луча пилотного лазера с высокой точностью указывает точку, в которую будет происходить падение луча основного лазера 5 в момент проведения анализа.

Происходящее в камере образцов фиксирует видеокамера 15, выдающая данные во внешний блок обработки данных. В частности, в режиме наведения видеокамера показывает поверхность образца и точку фокусировки основного лазера 5, ранее отмеченную пилотным лазером 1 в режиме наведения.

Свет из камеры 10 образцов через объектив 9 частично отражается от избирательно пропускающего зеркала 7, проходит через избирательно пропускающее зеркало 6, отражается от зеркала 16 и попадает в видеокамеру 15. Схема прохождения света из камеры образцов на видеокамеру 15 показана на фиг.3.

Пользователь, наблюдая изображение с видеокамеры 15 на экране управляющего прибором компьютера, имеет возможность осуществить наведение прибора на интересующую его часть поверхности образца при помощи клавиатуры либо указателя (мышь или др.).

Наведение на заданную пользователем точку поверхности образца 8 осуществляется путем перемещения столика образцов в перпендикулярных потоку излучения лазера направлениях (вверх-вниз, вправо-влево). Как будет указано ниже, пользователь имеет возможность наблюдать и контролировать процесс наведения. После наведения (или параллельно с ним) осуществляется обеспечение фокусировки излучения основного лазера на поверхности образца.

Фокусировка: в данной конструктивной схеме лазер работает с постоянным фокусным расстоянием, регулируемым в процессе настройки прибора путем ручной настройки телескопа 4. Таким образом, нахождение поверхности образца в точке фокусировки лазера обеспечивается перемещением образца с помощью столика. Столик образцов обеспечивает нахождение поверхности образца в точке фокусировки лазера путем своего перемещения в соосном с излучением лазера направлении (назад-вперед). Кроме того, в процессе проведения анализа по мере выжигания образца столик перемещается в соосном с потоком излучения лазера направлении для обеспечения нахождения поверхности образца в точке фокусировки лазера.

В режиме атомно-эмиссионного анализа основной лазер 5 работает в импульсном режиме и осуществляет испарение образца и возбуждение его паров (которые затем испускают излучение, анализируемое прибором).

Луч основного лазера 5 отражается от избирательного зеркала 2, зеркала 3, проходит через телескоп 4, отражается от избирательных зеркал 6 и 7, проходит через объектив 9 и попадает на поверхность образца 8 на столике образцов 11. Прибор настраивается таким образом, что траектории лучей пилотного и основного лазеров совпадают с высокой точностью, это необходимо для того, чтобы точка падения луча пилотного лазера с высокой точностью указывала на точку падения луча основного лазера. Импульсы основного лазера 5 испаряют фрагмент поверхности образца и его пары возбуждают пары образца. Схема прохождения луча основного лазера в камеру 10 образцов показана на фиг.4.

При некоторых видах анализа может понадобиться корректировка положения образца, осуществляемая в процессе проведения анализа с целью компенсации изменения положения поверхности образца за счет его испарения.

Возбужденные пары вещества испускают излучение, которое, проходя через оптическую схему прибора, анализируется на монохроматоре. Испущенное излучение через избирательно пропускающее зеркало 7 фокусируется на объективе 12 монохроматора и попадает на нить 14 держателя волокна монохроматора, далее через оптическое волокно попадает в монохроматор 13, где подвергается спектральному анализу. Схема прохождения испущенного образцом излучения в монохроматор показана на фиг.5.

А на фиг.6 показано прохождение испущенного образцом света частично на волокно монохроматора и частично в объектив видеокамеры, что позволяет фиксировать процесс и контролировать его непосредственно в режиме исследования.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как построено на использовании известных элементов и узлов, но в удачном сочетании, что позволяет получить новый результат в достоверности данных.

Изобретение относится к лазерному спектральному анализу. Лазерный атомный эмиссионный спектрометр содержит основной и пилотный лазеры, телескоп, систему зеркал, объектив камеры образцов, монохроматор и видеокамеру. Камера образцов включает в себя столик для закрепления исследуемого образца, выполненный с возможностью перемещения в трех направлениях и поворота вокруг своей оси, и объектив камеры образцов, расположенный напротив объектива монохроматора. Система зеркал включает в себя проницаемые зеркала, выполненные с возможностью пропускания излучения и отражения излучения. Указанные составляющие спектрометра смонтированы на опорной поверхности в виде столика. 6 ил.

Лазерный атомный эмиссионный спектрометр, содержащий основной лазер, фокусирующее устройство, систему зеркал, объектив камеры образцов, объектив монохроматора, нить монохроматора в держателе и видеокамеру, отличающийся тем, что он снабжен пилотным лазером и камерой образцов, включающей в себя столик для закрепления по крайней мере одного исследуемого образца, выполненный с возможностью перемещения в трех направлениях и поворота вокруг своей оси, и объектив камеры образцов, расположенный напротив объектива монохроматора, за которым размещена в держателе нить монохроматора для сбора анализируемого излучения и передачи его по оптическому волокну в монохроматор для анализа, а система зеркал включает в себя первое проницаемое зеркало, расположенное перед пилотным лазером и основным лазером и выполненное с возможностью пропускания излучения с длиной волны пилотного лазера и отражения излучения с длиной волны основного лазера, второе зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн и направляющее излучение пилотного или основного лазеров в фокусирующее устройство в виде телескопа, третье зеркало, расположенное на выходе телескопа и выполненное проницаемым для излучения подсветки, частично проницаемым/отражающим для излучения пилотного лазера и отражающим для излучения основного лазера, избирательно пропускающее четвертое зеркало, расположенное между объективом камеры образцов и объективом монохроматора и выполненное проницаемым для излучения в диапазоне, испускаемом парами исследуемого образца, частично проницаемым/отражающим для излучения пилотного лазера и отражающим для излучения основного лазера, пятое зеркало, отражающее излучение в широком диапазоне длин волн, расположенное между третьим зеркалом и объективом видеокамеры в ряду с четвертым зеркалом, при этом указанные составляющие спектрометра смонтированы на опорной поверхности в виде столика.