Ручной анализатор и способ измерения концентрации элементов, основанный на спектроскопии возбуждения лазерным пробоем высокоионизированной плазмы при высокой температуре
Владельцы патента RU 2733082:
ЛАЗЕР-ЭКСПОРТ КО. ЛТД. (RU)
АЙПИДЖИ ФОТОНИКС КОРПОРЭЙШН (US)
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения концентрации элементов с использованием ручного анализатора. Способ включает в себя выдачу пачки лазерных импульсов с частотой повторения от 0,1 до 50 кГц, причем каждый импульс характеризуется длительностью от 0,01 до 1,5 нс и энергией 50-1000 мкДж. Лазерный пучок фокусируется на анализируемый образец без присутствия инертных газов для генерирования высокоионизированной плазмы при высокой температуре, излучающей характеристические спектры в требуемом диапазоне длин волн. Способ также включает в себя сканирование сфокусированным лазерным пучком по зоне образца для генерирования плазмы в каждом месте в пределах зоны одиночным импульсом, сбор излучения плазмы в спектрометре и создание выходного сигнала. Выходной сигнал обрабатывается для измерения концентрации элементов, включая углерод, присутствующих в образце, причем концентрацию углерода измеряют в генерированной плазме, используя спектральную линию двукратно заряженных ионов углерода в диапазоне длин волн, включающем длину волны 229,687 нм. Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности измерений. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.
Предпосылки изобретения
1. Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[001] Настоящее изобретение относится к спектроскопии возбуждения лазерным пробоем. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу измерения концентраций элементов, основанному на спектроскопии возбуждения лазерным пробоем высокоионизированной плазмы при высокой температуре, с использованием ручного устройства.
2. Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[002] Ручные анализаторы состава химических элементов являются очень распространенными инструментами, поскольку способны обеспечить полевой количественный экспресс-анализ материалов. В настоящее время существуют две альтернативные технологии, используемые в большинстве имеющихся на рынке ручных устройств: рентгеновская флуоресценция (XRF) и спектроскопия возбуждения лазерным пробоем (LIBS).
[003] Способ XRF основывается на детектировании характеристического спектра флуоресценции в области рентгеновского излучения, возбуждаемой рентгеновским излучением в тысячи электрон-вольт (кэВ). Хотя технология XRF имеет более высокий уровень развития и находит более широкое применение, ей присущи два серьезных недостатка: она не может детектировать элементы с атомным числом Z ниже 12 и использует опасное ионизирующее излучение.
[004] В способе LIBS используют высокоэнергетические лазерные импульсы, сфокусированные на поверхность образца, создающие сгусток плазмы, излучающий характеристические атомные или ионные спектры в ультрафиолетовой, видимой или ближней инфракрасной областях спектра. Эти спектры измеряют и анализируют, получая при этом количественную информацию об элементном составе образца. Способ LIBS может использоваться для измерения концентраций элементов от водорода (Н) до урана (U). Концентрации большинства элементов можно определять с низкими порогами чувствительности (до 10 млн-1).
[005] Однако есть элементы, такие как углерод (С), которые трудно измерить в сплавах железа (Fe), поскольку линии излучения углерода С маскируются матрицей Fe и относящимся к неуглеродным примесям сигналом. В настоящее время большинство сплавов Fe, производимых в мире, представляют собой углеродистые стали, причем концентрация углерода является критическим параметром для свойств материала. Таким образом, для многих промышленных применений измерение концентрации С с порогом чувствительности лучше 0,05% является очень важным. Существует большая потребность в ручных анализаторах, которые могут измерять концентрацию С в сталях. Имеющиеся на рынке ручные анализаторы на основе как XRF, так и LIBS, либо не могут обнаруживать С, либо имеют довольно высокие для сплавов Fe пороги чувствительности, и поэтому не могут использоваться для этой задачи.
[006] В обычном способе LIBS для генерирования плазмы используют импульсы энергией несколько десятков мДж на импульс длительностью 1-10 наносекунд (нс). Однако этот способ не лишен определенных недостатков. Прежде всего, лазеры с миллиджоулевым уровнем энергии обычно характеризуются низкими частотами повторения импульсов 1-20 Гц. Такая низкая частота повторения импульсов ограничивает число усреднения на измерение, что в свою очередь ограничивает улучшение отношения сигнал-шум. Еще одним недостатком является то, что импульс с миллиджоулевым уровнем энергии генерирует плазму в довольно большом объеме, что связано с реабсорбцией некоторых линий излучения (особенно ионных линий) и значительным снижением детектируемой интенсивности этих линий.
[007] Еще один недостаток обычного способа LIBS обусловлен тем фактом, что режим генерирования плазмы сопровождается мощным сигналом из континуума электронов, маскирующим линии излучения элементов. Для того чтобы решить проблему маскировки, необходимо использовать стробоскопическое или стробированное детектирование, помогающее уменьшить сигнал континуума. К сожалению, стробоскопическое или стробированное детектирование уменьшает и используемое количество детектируемого испускаемого светового излучения.
[008] Чувствительность детектирования можно улучшить путем повышения энергии импульсов и изменения формы импульсов (например, имея возбуждение сдвоенными импульсами). Порог чувствительности 1 млн-1 для измерения углерода продемонстрирован лазером с генерацией сдвоенного импульса излучения с энергией 100 мДж, но габаритные размеры этого лазера намного превышают все разумные размеры для ручных устройств.
[009] Максимальная энергия импульса, реализованная до настоящего времени в ручном анализаторе, - 6 мДж с длительностью импульса 1 нс и частотой повторения импульсов 10-50 Гц (линия Z ручных анализаторов на базе технологии LIBS производства компании SciAps, Inc). По сообщениям, анализатор Z-500 мог измерять концентрацию С путем анализа атомных линий CI в глубоком ультрафиолете (ГУФ) 193 или 175 нм. Ввиду сильного поглощения ГУФ-излучения воздухом при длинах волн ниже 200 нм использовался инертный газ, такой как аргон (Ar).
[010] Еще один подход, используемый в нескольких ручных анализаторах элементов на базе технологии LIBS, предусматривает использование импульсов длительностью 1-2 наносекунды, испускаемых с частотой повторения 1-5 кГц и доставляющих энергию 10-30 мкДж. В этом случае используется очень сильная фокусировка. Эти параметры обычно приводят к более низкой температуре плазмы, из-за чего некоторые из ионных линий излучения в спектре не присутствуют.
[011] Помимо способности надежно измерять концентрации элементов в материалах ручные анализаторы на базе технологии LIBS должны также иметь следующие признаки: они должны быть достаточно легкими и компактными, чтобы их можно было держать одной рукой; используемое лазерное излучение предпочтительно должно быть в диапазоне длин волн, безопасных для глаз; лазер должен быть класса I; анализатор должен требовать минимального обслуживания и быть легким в использовании; и, предпочтительно, не должен использоваться продувочный газ.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[012] Предлагаемые способ и ручной анализатор для измерения концентрации элементов, основанные на спектральном анализе высокоионизированной плазмы при высокой температуре, генерируемой лазерным импульсом, устраняют некоторые недостатки известных способов и устройств. Предлагаемый ручной анализатор содержит импульсный лазерный источник, предназначенный для возбуждения линий однократно и многократно заряженных ионов высокой интенсивности в дополнение к нейтральным атомным линиям. В частности, анализатор конструктивно исполнен с группой системных параметров, обеспечивающих высокое отношение сигнал-шум, что значительно снижает порог чувствительности и обеспечивает высокую степень точности измерений концентрации элементов. Использование предлагаемого ручного анализатора позволяет выполнять количественный анализ элементов от водорода (Н) до урана (U) в твердотельных материалах, включая пластмассы, диэлектрики и прозрачные образцы. Одним из наиболее привлекательных признаков предлагаемого ручного анализатора является его конструкция, позволяющая проводить полевой анализ концентрации для углеродистых сталей и определение марки стали вплоть до 0,01% и даже ниже.
[013] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения ручной анализатор содержит высокоэнергетический импульсный лазерный источник, испускающий лазерный пучок с гауссовым (ТЕМоо) профилем интенсивности при длине волны излучения сигнала, варьирующей в диапазоне 1,5-1,6 нм. Энергия, доставляемая импульсами, является достаточно высокой для генерирования плазмы на поверхности анализируемого материала. Кроме того, предлагаемый анализатор содержит сканнер, сканирующий лазерный пучок по требуемой зоне материала, по меньшей мере один спектрометр и систему для обработки детектированных данных.
[014] Еще один аспект предлагаемого ручного анализатора в соответствии с первым аспектом касается оптимизации системных параметров генерирования плазмы, что приводит к повышенной детектированной интенсивности линий однократно и многократно заряженных ионов. Указанные системные параметры включают в себя энергию импульса, длительность импульса, диаметр перетяжки пучка, режим сканирования положения фокуса, частоту повторения лазерных импульсов и разрешение спектрометра. Оптимизированная конструкция ручного анализатора значительно снижает порог чувствительности и повышает точность измерения концентрации элементов ручного устройства.
[015] В соответствии с этим аспектом импульсный лазерный источник предназначен выдавать импульсы в диапазоне длин волн 0,01-1,5 нс с частотой повторения 0,1-50 кГц. Каждый из импульсов характеризуется энергией, варьирующей в пределах 50-1000 мкДж. Сфокусированный лазерный пучок характеризуется диаметром перетяжки пучка в пределах 1-60 мкм на облучаемой поверхности анализируемого материала.
[016] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения энергия импульса лазерного источника в соответствии с любым из вышеописанных аспектов является настолько высокой, что высокое отношение сигнал-шум устраняет необходимость в сложной системе стробирования. Спектрометр ручного анализатора действует для поддерживания диапазона разрешения 1-200 пикометров (пм) в спектральной области 170-800 нм.
[017] Ручной анализатор в соответствии с любым из вышеописанных аспектов оказался особенно эффективным в оптимизации генерирования плазмы, будучи конструктивно исполненным для выдачи импульсом длительностью 0,3-0,4 нс с частотой повторения 2-5 кГц и энергией импульсов 100 мкДж. Анализатор такого конструктивного исполнения выдает гауссов пучок, характеризующийся диаметром перетяжки 50 мкм на поверхности образца, и характеризуется спектральным разрешением 0,1 нм в области 200-400 нм. Спектральная область 200-400 нм особенно подходит для нестробированного детектирования элементов, обычно присутствующих в углеродистых сталях.
[018] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения ручной анализатор в соответствии с любым из вышеописанных аспектов конструктивно исполнен со сканнером, манипулирующим лазерным пучком таким образом, что при облучении требуемой зоны образца пучок падает в одно и то же место в зоне лишь один раз. Иными словами, импульсы на поверхности образца никогда не перекрываются.
[019] Сканнер в соответствии с любым из вышеописанных аспектов конструктивно исполнен с несколькими электродвигателями, каждый из которых содержит вал с установленным на нем эксцентриком. Электродвигатели связаны с расширителем пучка, таким как телескоп, предназначенным для придания колебательного движения выходной линзе телескопа таким образом, чтобы предотвратить облучение одного и того же места на образце дважды.
[020] Согласно еще одному аспекту ручной анализатор в соответствии с любым из вышеописанных аспектов действует для детектирования концентрации углерода в углеродистых сталях, измеряемой с использованием линии двукратно заряженных ионов CIII длины волны 229,687 нм с порогом чувствительности до 0,01% и ниже.
[021] Кроме того, настоящее изобретение относится к способу измерения концентрации элементов посредством ручного анализатора, раскрытого в каждом из вышеописанных аспектов, и в соответствии с любой возможной их комбинацией.
Краткое описание фигур
[022] Настоящее изобретение дополнительно подробно описывается ниже в разделе «Подробное раскрытие настоящего изобретения» со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
[023] на фиг. 1 представлен вид предлагаемого ручного анализатора элементов;
[024] на фиг. 2 представлена блок-схема ручного анализатора элементов, показанного на фиг. 1;
[025] на фиг. 3 представлен вид ручного анализатора, показанного на фиг. 1, с частично убранным корпусом;
[026] на фиг. 4 представлена оптическая схема лазерного источника ручного анализатора, показанного на фиг. 1;
[027] на фиг. 5 представлен вид сканирующего устройства ручного анализатора элементов, показанного на фиг. 1;
[028] на фиг. 6 представлено схематическое представление одного из вариантов осуществления сканнера, показанного на фиг. 4;
[029] на фиг. 7 представлен спектр излучения образца углеродистой стали с 0,45% углерода С после вычитания фона матрицы Fe;
[030] на фиг. 8 представлен график зависимости между интенсивностью линии CIII 229,687 нм и концентрацией углерода (массовое отношение С к Fe) для 4 сертифицированных стандартных образцов углеродистой стали;
[031] на фиг. 9 показано созданное компьютером изображение импульса, излученного предлагаемым ручным анализатором элементов.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[032] Далее приводится подробное раскрытие настоящего изобретения. Где это возможно, на фигурах и в описании для обозначения одних и тех же или подобных частей или стадий используются одни и те же или подобные позиции. Изображения на фигурах выполнены в упрощенной форме и без соблюдения масштаба. Изображения созданы компьютером. Термин «связывать» и подобные термины не обязательно означают прямые и непосредственные соединения, а включают в себя и соединения через промежуточные элементы или устройства.
[033] Концептуально, для повышения чувствительности детектирования элементов режим генерирования плазмы оптимизирован предлагаемым анализатором, показанным на фиг. 1-6. Оптимизированная плазма повышает детектируемую интенсивность линий однократно и многократно заряженных ионов.
[034] Как показано, в частности, на фиг. 1, предлагаемый анализатор 10 помещен в корпус 12, заключающий в себе несколько компонентов, описанных ниже, и весит около 2 (двух) килограмм. Анализатор 10 конструктивно исполнен с лазерным источником класса 1М, который функционирует в безопасном для глаз диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм.
[035] На фиг. 2 и 3 представлены блок-схема и частично открытый анализатор 10, действующий следующим образом. Рассмотрим, в частности, фиг. 2, блок 16 управления процессом (БУП) питается от аккумуляторной батареи 18 и находится в прямой электрической связи с видеокамерой 20, сканирующим устройством 22, источником 24 светового излучения, БУП 26 термостата, БУП 28 диода накачки лазера, кнопкой 14 включения лазера и микропроцессором 32.
[036] При готовности анализатора 10 к работе наконечник 34 (см. фиг. 3) анализатора 10 приводят в поверхностный контакт с поверхностью 36 (см. фиг. 2) анализируемого образца. После этого пользователь нажимает кнопку 14 включения для питания диода или диодов 38 накачки лазера (см. фиг. 2), излучающего или излучающих многомодовое световое излучение поднакачки с длиной волны 930-950 нм. Световое излучение поднакачки подается в импульсный лазер 40, выдающий импульсное излучение - сигнальное световое излучение - по существу на одной моде с длиной волны в пределах 1050-1060 нм. Сигнальное световое излучение далее направляется через расширитель пучка или телескоп 42, а затем через систему 44 фокусирующей линзы, предназначенную для фокусировки сигнального светового излучения на поверхности 36 образца.
[037] Требуемое пятно пучка на поверхности 36 реализуется путем смещения фокусирующей системы 44 пьезоактюатором, получающим сигнал из микропроцессора 32 через USB-концентратор 48. Фокусирующая система 44 направляется в направлении распространения сигнального светового излучения к поверхности 36 и от нее.
[038] Во время фокусировки пучка включается сканирующее устройство 22, приводящее в движение телескоп 42, что приводит к угловому смещению сигнального светового излучения. Когда сигнальное световое излучение сканирует зону на поверхности 36, фокусирующая система автоматического фокусирования действует таким образом, что независимо от углового положения сигнального светового излучения имеется требуемое пятно пучка в пределах этой зоны.
[039] Во время облучения поверхности зона, сканируемая сигнальным световым излучением, освещается источником 24 светового излучения, обычно исполненным как один или несколько светоизлучающих диодов (светодиодов). Весь процесс снимается на видеокамеру 20.
[040] Излучение генерируемой высокоионизированной плазмы при высокой температуре собирается системой 50 сбора излучения, подающей собранное излучение плазмы в один или несколько волоконных волноводов 54 (см. фиг. 3). Последний или последние направляют собранное излучение плазмы в один или несколько спектрометров 52, известным образом анализирующих доставленное излучение. Результаты спектрального анализа проходят дополнительный количественный и качественный анализ.
[041] Оптимизация системных параметров приводит к настолько высокой температуре плазмы, что концентрацию углерода в углеродистых сталях можно измерять с использованием линии двукратно заряженных ионов CIII 229,687 нм, как показано на фиг. 7, с порогом чувствительности до 0,01%, чего, как считают, было невозможно добиться при использовании известных портативных анализаторов. На фиг. 8 показана зависимость интенсивности линии CIII 229,687 нм от концентрации углерода по результатам измерений на 4 сертифицированных стандартных образцах углеродистой стали. Показано также линейное приближение. Коэффициент детерминации R2 линейного приближения равен 0,999.
[042] В частности, анализатор 10, способный генерировать критическую плазму, конструктивно исполнен выдавать пачку импульсов с частотой повторения 2-5 кГц. Каждый импульс выдается с шириной 0,3-0,4 нм и энергией 100 мкДж и образует на поверхности образца диаметр перетяжки гауссова пучка 50 мкм. С генерированной плазмой анализатор действует для обеспечения нестробированного детектирования со спектральным разрешением 0,1 нм в диапазоне длин волн 200-400 нм. Критическим для желаемой работы анализатора 10 является режим сканирования пучком, обеспечивающий генерирование плазмы из каждого свежего пятна каждым импульсом.
[043] Сочетание субнаносекундной длительности импульса, энергии импульса 100 мкДж и жесткого фокусирования приводит к плотности мощности лазерного излучения на поверхности приблизительно 20 ГВт/см2. Кроме того, по сравнению с импульсами большей длительности оптимизированная длительность импульсов обеспечивает меньшее рассеяние тепла из возбужденной зоны и, следовательно, приводит к плазме с более высокой температурой. Плазма, генерируемая при таких условиях, имеет сильные ионные линии и подавленный континуум электронов, следовательно, стробированное детектирование не требуется. Энергия импульса 100 мкДж, нестробированное детектирование и высокая частота повторения импульсов обеспечивают достаточно высокий общий фотонный поток на детекторе при периодах измерений 1 сек. Генерирование плазмы одиночным импульсом и с вышеописанным режимом сканирования пучком позволяет всегда удерживать сигнальное световое излучение сфокусированным на образце. Использованное разрешение по спектру 0,1 нм было достаточно хорошим для разделения линий для большинства элементов. В частности, измерение концентраций других элементов, обычно присутствующих в углеродистых сталях и включающих Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti, V, Cu, Al, можно осуществлять с порогами чувствительности для этих элементов ниже 0,01%. Для элементов, обычно присутствующих в углеродистых сталях, подходит диапазон длин волн 200-400 нм, в то время как для более универсального анализа всех элементов от Н до U требуется более широкий диапазон длин волн от 170 до примерно 800 нм. При использовании предлагаемого анализатора продувочный газ не требуется.
[044] Способность анализатора 10 детектировать интенсивность линии CIII 229,687 нм является результатом, среди прочего, лазера 40 и сочетания сканнера 22 и телескопа 42. Ниже эти компоненты рассматриваются более подробно.
[045] Рассмотрим фиг. 2, а также фиг. 4, иллюстрирующую оптическую схему лазера 40, последний содержит диод 38 накачки лазера с волоконными выводами с волоконной опорой 56. Из волокна световое излучение накачки испускается с длиной волны 940 нм и распространяется через двухлинзовый конденсор 58 и входной отражающий элемент 60, прозрачный для светового излучения накачки, падающего на усиливающую среду 62. Усиливающая среда 62 представляет собой кристалл Yb:YAG (легированного иттербием иттриево-алюминиевого граната), генерирующий световое излучение накачки в диапазоне длин волн накачки 1020-1040 нм. Входное отражающее зеркало 60 представляет собой зеркало с высокой отражательной способностью лазера с накачкой, имеющего оптический резонатор лазера с накачкой, образованный между входным зеркалом 60 и выходным зеркалом 64.
[046] Формирование субнаносекундных импульсов осуществляется путем помещения в оптический резонатор лазера с накачкой одного или нескольких оптических абсорберов (OA) 66, предназначенных для синхронизации мод лазера способом, хорошо известным специалисту в области импульсных лазеров. Предпочтительно, OA 66 выполнен как кристалл Cr:YAG (легированного хромом иттриево-алюминиевого граната).
[047] Световое излучение накачки является неполяризованным и, таким образом, для обретения поляризации должно обрабатываться. Одной из возможностей получения поляризованного излучения является разрезание кристалла Cr:YAG известным способом. Другая возможность заключается в использовании отдельного компонента-поляризатора 68. Поляризованное световое излучение накачки с длиной волны 1030 нм падает на положительную собирающую линзу 70, фокусирующую поляризованное световое излучение накачки на промежуточном зеркале 72.
[048] Промежуточное зеркало 72 и выходное зеркало 64 образуют резонатор оптического параметрического генератора (ОПГ), характеризующийся наличием нелинейного кристалла 74. Нелинейный кристалл 74 при его накачке световым излучением накачки с длиной волны 1030 нм предназначен для выдачи импульсов сигнального светового излучения с длиной волны сигнального светового излучения, которая на этой схеме варьирует в пределах 1500-1600 нм. Кристалл 74 может выбираться из кристаллов KTP, KTA, RTP или RTA и для некритического синхронизма разрезается.
[049] Рассмотрим снова резонатор, промежуточное зеркало 72 является на 100% отражающим при длине волны накачки 1500-1600 нм и полностью прозрачным при длине волны накачки. Сигнальное световое излучение выходит из резонатора через выходное зеркало 64, частично прозрачное при длине волны 1,5-1,6 мкм (отражательная способность 0,2-0,3%) и на 100% отражающее при длине волны накачки 1030 нм. Импульс светового сигнала проиллюстрирован на фиг. 9.
[050] Кристалл Yb:YAG обладает определенными преимуществами над кристаллами Nd:YAG (легированного неодимом иттриево-алюминиевого граната). Например, кристалл Yb:YAG генерирует меньший импульс по сравнению с кристаллом Nd:YAG. Еще одно преимущество Yb:YAG над Nd:YAG - его высокая плотность мощности, необходимая в настоящем изобретении.
[051] Рассмотрим фиг. 5 и 6, сканирующее устройство 22 в сочетании с телескопом предназначено для увеличения пучка сигнального светового излучения, чтобы его можно было жестко сфокусировать, и управляемым образом отклонять этот пучок со временем для предотвращения перекрывания импульсов сигнального светового излучения на поверхности анализируемого образца. Этот преимущественный признак реализуется конструкцией, в которой планетарное движение от эксцентрика одного или нескольких электродвигателей 76 передается линзе 78 блока 42 телескопа. Как результат, когда наконечник анализатора 10 плотно прижимается к образцу, линза 78 претерпевает угловое смещение, тем самым направляя сигнальное световое излучение по определенной зоне на поверхности образца. Каждый импульс сигнального светового излучения создает в этой зоне плазму, никогда не облучая одно и то же место дважды.
[052] Как показано на фиг. 6, сканнер дополнительно содержит опору 84, жестко установленную на раме 90 устройства. Цилиндрическая втулка 84 блока телескопа, в которой находится оптика расширения пучка, включающая линзу 78, установлена на опоре 86 посредством упругого кольца 88. Последнее изготовлено из материала, такого как силикон, сохраняющего свои характеристики и форму независимо от факторов окружающей среды. Втулка 84 крепится к электродвигателю 76 консолью 82.
[053] Вышеописанная кинематическая схема, включающая втулку 84, консоль 83 и электродвигатель 76, в ответ на приложенную к ней силу способна упруго смещаться относительно опоры 86 под определенным углом относительно своего начального положения. После того как действие силы прекращается, втулка 84 в ответ на упругую силу, создаваемую упругим кольцом 88, возвращается в начальное положение. Поскольку лазер 40 крепится к раме 90 с возможностью смещения, лазерный пучок не перемещается относительно опоры 86.
[054] Если втулка 84 находится в своем начальном положении, т.е. при отсутствии сканирования, направление сигнального светового излучения совпадает с оптическими осями всех оптических компонентов телескопа, и лазерный пучок остается в том же положении. При смещении втулки 84 под определенным углом, изменяются как расстояние от лазера до поверхности образца, так и угол падения пучка, что приводит к отклонению лазерного пучка от его начального положения.
[055] Сила, смещающая втулку 84, представляет собой это ничто иное, как сила инерции, возникающая при вращении электродвигателя 76 с эксцентриком, установленным на его валу. Эта сила передается с вала электродвигателя через консоль 82 на втулку 84. Поскольку к электродвигателю 76 прикладывается напряжение постоянной величины, постоянна и сила инерции, и втулка 84 отклоняется на постоянный угол. При таких условиях лазерный пучок движется по окружности постоянного диаметра, определяемого приложенным напряжением.
[056] По мере того, как амплитуда приложенного напряжения начинает изменяться во времени в соответствии с определенным критерием, изменяется во времени и величина отклонения лазерного пучка. Как следствие, в зависимости от указанного критерия смещение лазерного пучка в пределах круглой зоны, образованной на поверхности образца, может иметь разные траектории, такие как спиральные, ступенчатые и др.
[057] Изменяя управляемым образом напряжение в зависимости от частоты повторения испускаемых импульсов сигнального светового излучения, можно получить равномерное распределение лазерного пучка на поверхности образца в зоне, имеющей требуемый диаметр.
[058] Выше приведено описание предлагаемых анализатора и способа со ссылками на прилагаемые фигуры. Следует, однако, понимать, что предлагаемая конструкция не ограничивается этой реализацией, показанной на фигурах, и что специалист в данной области техники может внести различные изменения, модификации и адаптации в пределах объема или сущности настоящего изобретения, определенного или определенной прилагаемой формулой изобретения.
1. Способ измерения концентрации элементов с использованием ручного анализатора, предусматривающий:
включение импульсного лазера и тем самым выдачу пачки импульсов с частотой повторения от 0,1 до 50 кГц, причем каждый импульс характеризуется длительностью от 0,01 до 1,5 нс и энергией 50-1000 мкДж;
фокусирование лазерного пучка на анализируемый образец без присутствия инертных газов и тем самым генерирование высокоионизированной плазмы при высокой температуре, излучающей характеристические спектры в требуемом диапазоне длин волн;
сканирование сфокусированным лазерным пучком по зоне образца для генерирования плазмы в каждом месте в пределах зоны одиночным импульсом и тем самым непрерывное фокусирование лазерного пучка на образце; и
сбор излучения плазмы в спектрометре и тем самым создание выходного сигнала; и
обработку выходного сигнала и тем самым измерение концентрации элементов, включая углерод, присутствующих в образце, причем концентрацию углерода измеряют в генерированной плазме, используя спектральную линию двукратно заряженных ионов углерода в диапазоне длин волн, включающем длину волны 229,687 нм.
2. Способ по п. 1, в котором сфокусированный лазерный пучок является по существу дифракционно-ограниченным, излучаемым в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм, и характеризуется пятном пучка на поверхности образца в пределах 5-60 мкм.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере один спектрометр характеризуется разрешением в диапазоне 1-200 пм в диапазоне длин волн 170-800 нм.
4. Способ по п. 1, в котором элементы, присутствующие в образце, включают в себя углеродистые стали, причем концентрацию углерода в углеродистых сталях измеряют с порогом чувствительности около 0,01%, а концентрацию других элементов, обычно присутствующих в углеродистых сталях, измеряют с порогом чувствительности ниже 0,01%, причем другие элементы включают в себя Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti, V, Cu и Al, и способ дополнительно предусматривает определение марки стали.
5. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий отображение результатов измерений концентраций элементов.
6. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий автоматическое фокусирование сфокусированного лазерного пучка при сканировании.
7. Ручной анализатор для измерения концентрации элементов без использования продувочных газов, содержащий:
импульсный лазерный источник, предназначенный для выдачи пачки импульсов сигнального светового излучения с сигнальной длиной волны с частотой повторения импульсов 0,1-50 кГц, причем каждый из импульсов светового сигнала характеризуется длительностью 0,01-1,5 нс и энергией 50-1000 мкДж;
фокусирующую линзу или комбинацию линз, на которую или которые падает каждый импульс и которая выполнена или которые выполнены с возможностью управляемого смещения по пути распространения для фокусирования импульсов сигнального светового излучения в фокальное пятно на образце, чтобы лазер генерировал высокоионизированную плазму при высокой температуре, излучающую характеристические спектры, причем фокальное пятно варьирует в пределах 5-60 мкм;
сканнер, предназначенный для сканирования сфокусированным пучком по поверхности образца для генерирования плазмы в каждом облученном месте поверхности одиночным импульсом;
по меньшей мере один спектрометр, предназначенный для получения излучения из плазмы, выдачи информации, описывающей спектры, и генерирования выходного сигнала; и
процессор для обработки выходного сигнала и тем самым измерения концентрации элементов, включая углерод, присутствующих в образце, причем концентрация углерода измеряется в генерированной плазме с использованием линии двукратно заряженных ионов углерода в диапазоне длин волн, включающем длину волны 229,687 нм.
8. Ручной анализатор по п. 7, в котором лазерный источник содержит
лазер с пассивной модуляцией добротности, содержащий:
легированную иттербием (Yb) твердотельную усиливающую среду, выдающую световое излучение накачки с основной длиной волны и оснащенную входным зеркалом с высокой отражательной способностью при основной длине волны;
выходное зеркало с высокой отражательной способностью при основной длине волны, образующее вместе с входным зеркалом лазерный резонатор для основного излучения;
насыщаемый абсорбер, предназначенный для генерирования импульсов светового излучения накачки и расположенный в лазерном резонаторе между входным зеркалом и выходным зеркалом; и
оптический параметрический генератор (ОПГ), расположенный следующим за насыщаемым абсорбером и конструктивно исполненный с резонатором, образованным между выходным зеркалом и вторым зеркалом, прозрачным при основной длине волны, причем ОПГ содержит нелинейный кристалл, расположенный в резонаторе для частотного преобразования основного излучения в сигнальное световое излучение с сигнальной длиной волны, которая длиннее основной длины волны, причем второе зеркало характеризуется высокой отражающей способностью при сигнальной длине волны, в то время как выходное зеркало при сигнальной длине волны является частично прозрачным.
9. Ручной анализатор по одному из пп. 7 или 8, дополнительно содержащий источник накачки, накачивающий легированную иттербием (Yb) твердотельную усиливающую среду с длиной волны поднакачки 930-950 нм, причем легированная иттербием твердотельная усиливающая среда включает в себя кристалл Yb:YAG, работающий с основной длиной волны в диапазоне 1020-1040 нм, оптический абсорбер представляет собой кристалл Cr:YAG, а нелинейный кристалл представляет собой кристалл KTP, KTA, RTP или RTA с некритическим синхронизмом, генерирующий длину волны сигнального светового излучения в пределах 1500-1600 нм.
10. Ручной анализатор по п. 7, в котором насыщаемый абсорбер представляет собой кристалл Cr:YAG, характеризующийся разрезом под углом 110° для поляризации основной длины волны при обесцвечивании.
11. Ручной анализатор по п. 7, содержащий блок расширителя пучка-сканнера, на который падает сигнальное излучение, расширяющееся на выходе расширителя пучка, содержащий:
трубку расширителя пучка, содержащую оптические компоненты,
по меньшей мере один электродвигатель, установленный на трубке расширителя пучка, содержащий вал, вращающийся вокруг оси,
неуравновешенный (эксцентриковый) груз, установленный на валу, чтобы вызывать угловое смещение электродвигателя относительно оси,
неподвижную опору, прикрепленную к шасси лазера,
упругое соединительное устройство, расположенное между неподвижной опорой и трубкой расширителя пучка,
причем трубка расширителя пучка изменяет свое угловое положение относительно оси выходного пучка лазера в результате изменения направления пучка в соответствии с величиной входного напряжения электродвигателя.
12. Ручной анализатор по п. 11, в котором схема сканирования является функцией напряжения, прикладываемого к электродвигателю, и времени прикладывания напряжения.
13. Ручной анализатор по п. 12, в котором указанная схема обеспечивает равномерное распределение фокальных пятен на поверхности.
