專利名稱：激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜原位統(tǒng)計分布分析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料分析表征技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜原位統(tǒng)計分布分析系統(tǒng)，主要涉及用于金屬或非金屬材料表面大尺度范圍內(nèi)化學(xué)成分及其狀態(tài)原位統(tǒng)計分布分析的儀器裝置。
背景技術(shù)：
材料大尺度范圍內(nèi)(cm2)化學(xué)成分、偏析、表面缺陷、夾雜物的含量是鋼鐵等材料生產(chǎn)質(zhì)量控制最重要的四項內(nèi)容。現(xiàn)有技術(shù)中，掃描電子顯微鏡、電子探針等僅可表征材料微區(qū)范圍內(nèi)(mm2)的化學(xué)組成及組織結(jié)構(gòu)；對于材料大尺度范圍的分析表征，傳統(tǒng)采用硫印試驗來檢驗元素在鋼中偏析或分布，用酸浸試驗來檢驗中心疏松，采用金相圖像分析儀檢驗夾雜物的形貌或分布。上述傳統(tǒng)技術(shù)手續(xù)繁瑣、分析速度慢，信息量少，結(jié)果無法定量化。金屬原位分析儀(Original Position Analyzer, ΟΡΑ)成功地解決了金屬材料表面大尺度范圍內(nèi)(cm2)，化學(xué)成分及其狀態(tài)的原位統(tǒng)計分布分析表征問題，然而這項技術(shù)具有如下局限性1.采用火花源為激發(fā)源，只適用于導(dǎo)電的金屬樣品，不能分析非金屬樣品；
2.基于原子發(fā)射光譜技術(shù)，基體效應(yīng)嚴重，靈敏度低，不能滿足痕量和超痕量元素的分析；
3.適用于表面規(guī)則平整的樣品，不適用于材料非平面表面?，F(xiàn)有儀器中，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MQ可以對材料中的多種化學(xué)成分進行同時分析，靈敏度高，但由于如下原因，也不能用于材料表面大尺度范圍內(nèi)化學(xué)成分及其狀態(tài)的分析表征1.普遍采用的溶液進樣方式只能得到分析樣品取樣局部的元素平均含量信息，不能得到樣品成分分布的信息；2.目前商品化儀器的激光燒蝕固體進樣方式均為為靜態(tài)激發(fā)，在分析過程中保持樣品固定，每次只是激發(fā)燒蝕一個10 100 μ m直徑的斑點進行取樣，不能記錄單次燒蝕的位置，從而無法得到成分與位置的對應(yīng)信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜原位統(tǒng)計分布分析系統(tǒng)，基于樣品的連續(xù)激發(fā)同步掃描移動/定位和激光燒蝕ICP-MS的、可以實現(xiàn)金屬或非金屬材料非平整表面大尺度范圍內(nèi)化學(xué)成分及其狀態(tài)的原位統(tǒng)計分布分析。具備如下功能材料中元素含量的定量分析；任何位置精確空間坐標定位(X，1，ζ)并與化學(xué)成分含量的逐點同步對應(yīng)分布分析；成分最大偏析與最小偏析的空間定位分析；中位值的統(tǒng)計判定；表觀致密度的統(tǒng)計解析；含量-頻度分布以及統(tǒng)計偏析度；統(tǒng)計符合度的解析等?；谏鲜瞿康?，本發(fā)明的主要技術(shù)方案是利用三維的樣品移動、定位系統(tǒng)，實現(xiàn)在分析過程中對樣品三個方向(x-y-z)上的運動和連續(xù)掃描；利用脈沖激光燒蝕樣品表面的指定位置并產(chǎn)生氣溶膠；經(jīng)過ICP離子源的激發(fā)和離子化，使待測成分的離子依次通過質(zhì)譜接口、離子傳輸透鏡，進入質(zhì)譜檢測系統(tǒng)進行分離和檢測；以數(shù)字方式實時記錄待測物離子的信號，經(jīng)過統(tǒng)計解析，實現(xiàn)對樣品的化學(xué)成分含量及空間分布、成分偏析、夾雜、疏松等缺陷的分布分析等功能。
本發(fā)明包括激光燒蝕進樣系統(tǒng)、ICP離子源系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)、質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)和對采集到的質(zhì)譜信號進行數(shù)學(xué)解析的信號處理系統(tǒng)。激光燒蝕進樣系統(tǒng)的樣品激發(fā)腔(4)通過一根連接管與ICP離子源系統(tǒng)的 ICP炬管(8)相連，ICP離子源系統(tǒng)產(chǎn)生的離子束直接噴射在接口系統(tǒng)的采樣錐(11)上進入接口系統(tǒng)，接口系統(tǒng)與離子傳輸系統(tǒng)相連，離子傳輸系統(tǒng)與質(zhì)譜檢測系統(tǒng)相連，質(zhì)譜檢測系統(tǒng)通過導(dǎo)線與信號處理系統(tǒng)相連，樣品移動/定位系統(tǒng)的步進電機06)通過導(dǎo)線與信號處理系統(tǒng)的控制機相連，樣品燒蝕進樣系統(tǒng)與樣品移動/定位系統(tǒng)相連。其中激光燒蝕進樣系統(tǒng)，對固體樣品采用脈沖激光燒蝕直接進樣，產(chǎn)生的氣溶膠被輸送到ICP炬管，為分析提供樣品；ICP離子源系統(tǒng)，將激光燒蝕產(chǎn)生的氣溶膠進行激發(fā)，使待測成分離子化；接口系統(tǒng)，將大氣壓下在高溫ICP離子源中形成的離子傳輸引入質(zhì)譜儀的真空腔體；離子傳輸系統(tǒng)，去除中性粒子和光子，同時將進入質(zhì)譜儀的樣品離子收集和聚焦， 以合適的動能和角度進入質(zhì)譜檢測器；質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，使不同質(zhì)荷比的離子進行分離和分別檢測，得到相應(yīng)的質(zhì)譜信號；樣品移動/定位系統(tǒng)，使樣品能相對于激光燒蝕光源進行連續(xù)的一維、二維和三維移動，并能精確定位，同時能調(diào)節(jié)樣品與激光器焦點的距離；信號處理系統(tǒng)，對采集到的質(zhì)譜信號進行統(tǒng)計解析，通過軟件得到材料大尺度范圍內(nèi)，任何位置空間坐標與化學(xué)成分含量的對應(yīng)分布、最大偏析與最小偏析的空間定位、統(tǒng)計中位值、統(tǒng)計表觀致密度、統(tǒng)計偏析度、統(tǒng)計符合度以及含量-頻度分布等表征材料性能的新信息。本發(fā)明所述的激光燒蝕進樣系統(tǒng)包括短脈沖激光器1、透鏡組2、樣品罩3、樣品激發(fā)腔4和攝像頭5組成，激光器1的出光口與樣品6縱向相對，攝像頭5處于樣品6、透鏡組 2和激光器1的正上方，石英的樣品罩3位于樣品激發(fā)腔4的下方中心位置與樣品激發(fā)腔4 密封連接，氬氣的進氣口與出氣口分布于樣品激發(fā)腔4的側(cè)向位置。激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡組2相應(yīng)的光束調(diào)節(jié)，然后透過樣品罩3，在樣品激發(fā)腔4內(nèi)將能量耦合到樣品6表面，樣品罩3和樣品激發(fā)腔4之間通過密封圈進行密封連接，攝像頭5用于觀測樣品激發(fā)的位置與激發(fā)斑點的形狀。本發(fā)明所述的ICP離子源系統(tǒng)包括RF電源7、ICP炬管8、RF線圈9和三維移動平臺10 ；ICP離子源系統(tǒng)的RF電源通7過導(dǎo)線給RF線圈9供電；RF線圈9環(huán)繞于ICP炬管 8外面，ICP炬管8和RF線圈9均用機械元件固定在三維移動平臺10上。RF電源7的頻率為40. 68MHz，給ICP等離子體提供激發(fā)能，通過RF線圈9耦合到 ICP炬管8上形成ICP等離子體，使樣品離子化形成穩(wěn)定的離子源，三維移動平臺10可以精準的調(diào)節(jié)ICP離子炬與接口系統(tǒng)采樣錐11的相對位置。本發(fā)明所述的接口系統(tǒng)由采樣錐11、截取錐12和冷卻水套13組成，冷卻水套13 包圍在采樣錐11四周；通過采樣錐11和截取錐12使儀器由大氣壓過渡到真空系統(tǒng)，同時從ICP等離子體中提取樣品離子進入質(zhì)譜儀中，冷卻水套13是冷卻采樣錐11保證不被高溫的ICP等離子體所熔化。
采樣錐11的孔徑為2mm以內(nèi)，截取錐12的孔徑為1. 5mm以內(nèi)。本發(fā)明所述的離子傳輸系統(tǒng)包括提取透鏡14和離子透鏡組15，通過在提取透鏡 14上加上相應(yīng)的電壓，形成一定的電場以提取樣品離子、散焦和聚焦樣品離子；提取透鏡14緊貼在截取錐12的后面，透鏡組15中的各透鏡均以陶瓷隔離。本發(fā)明所述的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)由四極桿16、電子倍增器17、前置放大器18和采集卡 19組成，樣品離子經(jīng)由離子傳輸系統(tǒng)后進入四極桿16，在其中進行質(zhì)量分析，使需要的離子進入電子倍增器17中響應(yīng)，通過前置放大器18對質(zhì)譜信號放大，最后由采集卡19進行信號采集發(fā)送給計算機22進行處理。質(zhì)譜檢測的質(zhì)量范圍為1 500amu，所處真空環(huán)境的壓強要求低于10_41^。本發(fā)明所述的樣品移動/定位系統(tǒng)20由X-Y軸移動平臺M、Z軸調(diào)焦樣品臺25、 步進電機沈組成，用來在三維方向上移動樣品，并通過與上位機的通訊實現(xiàn)激發(fā)掃描和準確定位；樣品移動/定位系統(tǒng)的Z軸調(diào)焦樣品臺25用機械元件固定在樣品激發(fā)腔4上，由一個步進電機26通過絲杠調(diào)節(jié)樣品臺25的升降，另外兩步進電機26分別控制在X和Y方向的運動，構(gòu)成X-Y直角坐標掃描軌道。調(diào)焦樣品臺25可以通過升降調(diào)節(jié)固體樣品相對聚焦透鏡的距離，實現(xiàn)激光燒蝕和掃描時對樣品的聚焦。信號處理系統(tǒng)包括控制機21、計算機22、打印機23，控制機21接收質(zhì)譜高速采集板輸出的信號，并控制樣品移動/定位系統(tǒng)的運動；計算機22，對控制機輸出的樣品信號進行分析，按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)學(xué)模型得到樣品化學(xué)成分、元素分布、表面缺陷的分析結(jié)果； 打印機23輸出上述分析結(jié)果。整個接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)和質(zhì)譜檢測系統(tǒng)處于真空狀態(tài)之下，由相應(yīng)的機械泵、分子泵和真空腔體構(gòu)建形成真空。依據(jù)LA-ICP-MS定焦激發(fā)所獲得的基體信號，實現(xiàn)非平整面空間坐標位置準確定位及該位置各組成信號的準確對應(yīng)。本發(fā)明與現(xiàn)有的金屬原位分析儀相比，有如下優(yōu)點既可以用于金屬樣品，又適用于非金屬樣品；可分析低至0. 1 μ g/g元素的含量和分布；比金屬原位分析儀的靈敏度提高 3個數(shù)量級；既適用于表面規(guī)則平整的樣品，也適用于不規(guī)則或異型面樣品。與現(xiàn)有的激光燒蝕進樣ICP-MS儀器相比，本發(fā)明的儀器系統(tǒng)不僅能夠給出各空間位置各成分含量及其平均值，還可以得到材料表面(平整或非平整)，大尺度范圍內(nèi)各空間坐標位置(X，Y，Z)及其準確對應(yīng)的成分、狀態(tài)及缺陷等的原位統(tǒng)計分布分析信息。


圖1為本發(fā)明激光原位分析電感耦合等離子質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為用本發(fā)明對某艦船用鋼sample-E的斷口表面錳元素分布的二維投影ζ坐標-含量等高圖及三維形貌ζ坐標-含量等高圖。圖4為用本發(fā)明對某艦船用鋼sample E斷口部位多元素分布的二維投影ζ坐標-含量等高圖。圖5為用本發(fā)明對某艦船用鋼sample E斷口部位多元素分布的三維形貌ζ坐標-含量等高圖。圖6為用本發(fā)明對某艦船用鋼sample-E的斷口表面各位置錳元素含量，在不同含量區(qū)間出現(xiàn)的頻度統(tǒng)計分布圖，由此可衍生出統(tǒng)計偏析度、統(tǒng)計符合度等統(tǒng)計表征信息。
具體實施例方式本發(fā)明包括激光燒蝕進樣系統(tǒng)、ICP離子源系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)、質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)和對采集到的質(zhì)譜信號進行數(shù)學(xué)解析的信號處理系統(tǒng)。激光燒蝕進樣系統(tǒng)的樣品激發(fā)腔4通過一根連接管與ICP離子源系統(tǒng)的 ICP炬管8相連，ICP離子源系統(tǒng)產(chǎn)生的離子束直接噴射在接口系統(tǒng)的采樣錐11上進入接口系統(tǒng)，接口系統(tǒng)與離子傳輸系統(tǒng)相連，離子傳輸系統(tǒng)與質(zhì)譜檢測系統(tǒng)相連，質(zhì)譜檢測系統(tǒng)通過導(dǎo)線與信號處理系統(tǒng)相連，樣品移動/定位系統(tǒng)的步進電機沈通過導(dǎo)線與信號處理系統(tǒng)的控制機21相連，樣品燒蝕進樣系統(tǒng)與樣品移動/定位系統(tǒng)相連。由附圖1可看出，本發(fā)明激光原位分析電感耦合等離子質(zhì)譜儀包括激光燒蝕進樣系統(tǒng)、ICP離子源系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)、質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、樣品移動/定位系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。激光燒蝕進樣系統(tǒng)中的激光器1發(fā)出的脈沖激光通過透鏡組2、樣品罩輸入樣品激發(fā)腔4內(nèi)的樣品6上，在一定流速氬氣的作用下激光燒蝕出來的樣品原子氣溶膠通過導(dǎo)管與ICP離子源系統(tǒng)的ICP炬管8相連，RF電源7通過導(dǎo)線與RF線圈9相連，RF線圈9 通過射頻方式將能量耦合于ICP炬管8中的等離子體上，ICP炬管內(nèi)形成的樣品離子分別通過采樣錐11、截取錐12、提取透鏡14和透鏡組15的作用輸入質(zhì)譜檢測系統(tǒng)的四極桿16 中，離子通過四極桿16質(zhì)荷比選擇輸入電子倍增器17，電子倍增器17與前置放大器18以導(dǎo)線相連，前置放大器18通過導(dǎo)線與采集卡19相連，采集卡19通過導(dǎo)線與信號分析系統(tǒng)中的控制機21相連，信號分析系統(tǒng)中的控制機21通過導(dǎo)線和驅(qū)動器與樣品移動/定位系統(tǒng)中的步進電機26相連。激光燒蝕進樣系統(tǒng)的激光器1、透鏡組2、樣品罩3、樣品激發(fā)腔4和攝像頭5通過機械元件相互連接；激光器1的出光口與樣品6縱向相對，攝像頭處于樣品6、透鏡組2和激光器1的正上方，石英的樣品罩3位于樣品激發(fā)腔4的下方中心位置與樣品激發(fā)腔4密封連接，氬氣的進氣口與出氣口分布于樣品激發(fā)腔4的側(cè)向位置。氬氣氣流通過氣路管線將激光燒蝕產(chǎn)生的樣品原子以氣溶膠的形式載入離子源系統(tǒng)。ICP離子源系統(tǒng)的RF電源通過導(dǎo)線給RF線圈9供電；RF線圈9環(huán)繞于ICP炬管8 外面，RF線圈9的外側(cè)端面不超過ICP炬管8的端面，RF線圈9的內(nèi)側(cè)端面距離ICP炬管 8的內(nèi)管端面2 3cm，ICP炬管8和RF線圈9均用機械元件固定在三維移動平臺10上。 等離子體火炬中心正對接口系統(tǒng)的采樣錐錐孔中心。接口系統(tǒng)的采樣錐11的孔徑為2mm以內(nèi)，截取錐12的孔徑為1. 5mm以內(nèi)，冷卻水套13包圍在采樣錐11四周。離子傳輸系統(tǒng)的提取透鏡14緊貼在截取錐12的后面，透鏡組15中的各透鏡均以陶瓷隔離和相連。在透鏡上加載電壓，達到提取、散焦和聚焦樣品離子的目的。質(zhì)譜檢測系統(tǒng)由四極桿16、電子倍增器17、前置放大器18和采集卡19組成，檢測的質(zhì)量范圍為1 500amu，所處真空環(huán)境的壓強要求低于10-41^。離子在四級桿組成的電場中運動，并達到末端的檢測器。樣品移動/定位系統(tǒng)的Z軸調(diào)焦樣品臺25用機械元件固定在樣品激發(fā)腔4上，由一個步進電機26通過絲杠調(diào)節(jié)樣品臺25的升降，另外兩步進電機沈分別控制在X和Y方向的運動，構(gòu)成X-Y直角坐標掃描軌道。樣品激發(fā)腔體4通過連接板和調(diào)焦樣品臺25相連， 步進電機沈與控制計算機21通過驅(qū)動器和信號線相連，控制計算機21可控制激光燒蝕的啟動結(jié)束以及控制各步進電機26的運動從而實現(xiàn)設(shè)定燒蝕的起始位置和點線面模式的掃描燒蝕。信號處理系統(tǒng)由控制機21、計算機22和打印機23組成，三者通過信號線相連。該系統(tǒng)實時采集和記錄在質(zhì)譜檢測器上產(chǎn)生的質(zhì)譜信號，同樣品定位信息、標準樣品的信號向結(jié)合和比對；分析系統(tǒng)的功能通過應(yīng)用軟件完成。通過信號處理系統(tǒng)，可獲得非平面材料原位統(tǒng)計分布分析表征的各種參數(shù)包括(1)含量-頻度統(tǒng)計分布圖(2)非平面材料上單個元素的中位值及平均含量(3)非平面材料上任何位置的空間坐標(X，Y，Z)及對應(yīng)的各組成含量(4)非平面材料上各位置單個元素含量的最大偏析位置定位(5)最大(小)偏析度(6)非平面材料上各位置單個元素含量的統(tǒng)計偏析度(7)統(tǒng)計符合度(8)表觀致密度(0)統(tǒng)計表觀致密度(10)非平面材料缺陷及疏松區(qū)域統(tǒng)計判定實施例用本發(fā)明的裝置，通過采集并處理具有不同的質(zhì)荷比同位素的質(zhì)譜強度并同標準樣品比對來計算各成分的含量；并結(jié)合精確的位置等位，確定元素、偏析、夾雜以及其他表面缺陷在材料中的分布。需采用材料的原位統(tǒng)計分布分析方法和非平面表面原位統(tǒng)計分布分析表征技術(shù)(發(fā)明專利金屬原位統(tǒng)計分布分析方法，ZL 02117115. 7 ；發(fā)明專利材料非平面表面原位統(tǒng)計分布分析表征技術(shù)，已受理)。對某艦船用鋼的斷口部位，用本發(fā)明激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜原位統(tǒng)計分布分析系統(tǒng)進行分析表征，操作步驟如下1、確定X-Y軸原點由連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)20夾持樣品6移動，確定一個相對零
點ο2、樣品參數(shù)設(shè)置。由計算機22設(shè)置質(zhì)量數(shù)掃描范圍、選擇元素和譜線、燒蝕時間、激光能量、光闌孔徑等參數(shù)以及選擇系列標準樣品。3、激光燒蝕采樣激光燒蝕進樣系統(tǒng)在程序的控制下，在樣品表面進行激光燒蝕采樣，同時在載氣氬氣的作用下形成樣品氣溶膠。4、樣品激發(fā)、離子傳輸和離子檢測樣品氣溶膠進入ICP離子源中，經(jīng)干燥、分解、離子化后，形成的離子先后經(jīng)由接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)進入質(zhì)譜檢測系統(tǒng)進行檢測。5、數(shù)據(jù)處理由計算機22通過控制機21接受的每次激光燒蝕各元素質(zhì)譜信號的強度，進行統(tǒng)計解析，計算出各元素的化學(xué)成分，結(jié)合由控制機21所接受的來自連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)20中的火花位置信息，就可計算材料表面各成分的含量分布，并繪出各元素的成分分布圖像，以二維、三維立體方式顯示；通過元素分布結(jié)果經(jīng)過合成處理，得到偏析、夾雜、疏松等缺陷的分布分析結(jié)果，計算統(tǒng)計符合度、表觀致密度、統(tǒng)計偏析度、中位值等表征材料性能的結(jié)果，并通過打印機23輸出分析報告。6.分析結(jié)果(1)圖3為本發(fā)明實施例某艦船用鋼sample-E的斷口表面錳元素分布的二維投影 ζ坐標-含量等高圖及三維形貌ζ坐標-含量等高圖。移動圖上標注位置，可以獲得斷口表面每一位置坐標(X，y，ζ)處錳元素含量的信息，可用y,z)表述。如圖中標注位置所示，坐標χ = 25. 321mm, y = 21. 342mm, ζ = 2. 600mm 錳元素含量為 0. 716%，即 Cfc(25.321,21.342,2._ = 0. 716%(2)圖4為本發(fā)明實施例艦船用鋼sample E斷口部位多元素分布的二維投影 ζ坐標-含量等高圖，移動標注位置，可以實時顯示任意位置U，1，ζ坐標)多元素含量
(CA, Cb, Cc......)的信息；可用(CA，CB, Cc......) (x,y,z)表述，如圖標注坐標為(19. 977mm,
22. 71mml, 1. 297mm)位置，各元素含量分別為CA1(19. 977,22. 711,1.297) — 0. 0335 % ；Cgi (19_ 977,22. 711,1. 297) — 0 . 6 9 5 3 % ；Cp(19_ 977,22. 711,1. 297) 一 · 139% ； Cg(19_ 977,22. 711,1. 297) 一 0. 0394% ；CTi(19_977722_71ia_297) = 0. 0091 % ；CV(19 977722.7ii,i.297) = 0. 0175% ；CCr(19.977，22.71ia.297) — 1. 268% ；C^f^^977,22.711,1.297)—丄· 128% ；CFe(19_977,22.711,1.297) — 94. 94% ；CCo(19_977,22.711,1.297) — 0. 0293% ；CNi (19. 977,22.711,1.297) — 0. 63% ；CCu(19_ 977,22.711,1.297) — ·；CMo(19. 977,22. 711Λ. 297) — 0. 9275 % ； Cw(19. 977，22. 711，1. 297) — 0. 0285 % ；(3)圖5為本發(fā)明實施例某艦船用鋼sample E的斷口部位多元素分布的三維形貌 ζ坐標-含量等高圖，移動圖上標注位置，可以獲得任意位置U，y，ζ坐標)多個元素含量
(CA，CB, Cc......)的信息；可用(CA，CB, Cc......) (x,y,z)表述，如圖標注坐標為534mm,
22. 321mm, 1. 735mm)位置，各元素含量分別為CA1 (28.534,22.321,1.735) 一 0. 0331 % ；Csi(28. 534,22. 321,1.735) 一 0. 637% ；Cp(28> 534,22. 321,1.735) — · % ； Cs(28> 534,22. 321,1. 735) — 0. 0397% ；Cti (28. 534,22.321，L 735)=0. 0026% ；Cv(28 534,22■ 321，1. 735)=0 0169%
^Cr (28. 534,22.321，L 735)=1. 162% ；Cwi^28m 534,22.321, . 735)=1.095% ；
^Fe (28. 534,22.321，L 735)=94. 83% ；CCo(28_ 534,22.321，1. 735)=0.0302%
^Ni (28. 534,22.321，L 735)=0. 945% ；CCu(28_ 534,22.321，1. 735)=0.125% ；
CMO (28. 534,22.321，L 735)—0. 916 % ;CW(28_ 534,22. 321,1..735)“=0.0245% ；CMoCE8.400,19.652,L972) = 0. 0109% ；與現(xiàn)有的金屬原位分析儀相比，本發(fā)明的儀器系統(tǒng)具有如下優(yōu)點1、既可以用于金屬樣品，又適用于非金屬樣品；
2、可分析低至0. 1 μ g/g元素的含量和分布；比金屬原位分析儀的靈敏度提高3個
數(shù)量級；3、既適用于表面規(guī)則平整的樣品，也適用于不規(guī)則或異型面樣品。與現(xiàn)有的激光燒蝕進樣ICP-MS儀器相比，本發(fā)明的儀器系統(tǒng)不僅能夠給出各空間位置各成分含量及其平均值，還可以得到材料表面(平整或非平整)，大尺度范圍內(nèi)各空間坐標位置(X，Y，Z)及其準確對應(yīng)的成分、狀態(tài)及缺陷等的原位統(tǒng)計分布分析表征的信肩、O
權(quán)利要求
1.一種激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜原位統(tǒng)計分布分析系統(tǒng)，用于金屬或非金屬材料表面大尺度范圍內(nèi)化學(xué)成分及其狀態(tài)原位統(tǒng)計分布分析；其特征在于，包括激光燒蝕進樣系統(tǒng)、ICP離子源系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)、質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)和對采集到的質(zhì)譜信號進行數(shù)學(xué)解析的信號處理系統(tǒng)；激光燒蝕進樣系統(tǒng)的樣品激發(fā)腔(4)通過一根連接管與ICP離子源系統(tǒng)的ICP炬管(8)相連，ICP離子源系統(tǒng)產(chǎn)生的離子束直接噴射在接口系統(tǒng)的采樣錐(11)上進入接口系統(tǒng)，接口系統(tǒng)與離子傳輸系統(tǒng)相連，離子傳輸系統(tǒng)與質(zhì)譜檢測系統(tǒng)相連，質(zhì)譜檢測系統(tǒng)通過導(dǎo)線與信號處理系統(tǒng)相連，樣品移動/定位系統(tǒng)的步進電機06)通過導(dǎo)線與信號處理系統(tǒng)的控制機相連，樣品燒蝕進樣系統(tǒng)與樣品移動/定位系統(tǒng)相連；激光燒蝕進樣系統(tǒng)，對固體樣品采用脈沖激光燒蝕直接進樣，產(chǎn)生的氣溶膠被輸送到 ICP炬管，為分析提供樣品；ICP離子源系統(tǒng)，將激光燒蝕產(chǎn)生的氣溶膠進行激發(fā)，使待測成分離子化； 接口系統(tǒng)，將大氣壓下在高溫ICP離子源中形成的離子傳輸引入質(zhì)譜儀的真空腔體； 離子傳輸系統(tǒng)，去除中性粒子和光子，同時將進入質(zhì)譜儀的樣品離子收集和聚焦，以合適的動能和角度進入質(zhì)譜檢測器；質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，使不同質(zhì)荷比的離子進行分離和分別檢測，得到相應(yīng)的質(zhì)譜信號； 樣品移動/定位系統(tǒng)，使樣品能相對于激光燒蝕光源進行連續(xù)的一維、二維和三維移動，并能精確定位，同時能調(diào)節(jié)樣品與激光器焦點的距離；信號處理系統(tǒng)，對采集到的質(zhì)譜信號進行統(tǒng)計解析，通過軟件得到材料大尺度范圍內(nèi)， 任何位置空間坐標與化學(xué)成分含量的對應(yīng)分布、最大偏析與最小偏析的空間定位、統(tǒng)計中位值、統(tǒng)計表觀致密度、統(tǒng)計偏析度、統(tǒng)計符合度以及含量-頻度分布等表征材料性能的新 fn息ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光燒蝕進樣系統(tǒng)包括短脈沖激光器⑴、透鏡組O)、樣品罩(3)、樣品激發(fā)腔(4)和攝像頭(5)；激光器⑴的出光口與樣品(6)縱向相對，攝像頭(5)處于樣品(6)、透鏡組⑵和激光器⑴的正上方，石英的樣品罩(3)位于樣品激發(fā)腔的下方中心位置與樣品激發(fā)腔(4)密封連接，氬氣的進氣口與出氣口分布于樣品激發(fā)腔的側(cè)向位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的ICP離子源系統(tǒng)包括RF電源(7)、 ICP炬管(8)、RF線圈(9)和三維移動平臺(10) ；ICP離子源系統(tǒng)的RF電源(7)通過導(dǎo)線給RF線圈(9)供電；RF線圈(9)環(huán)繞于ICP炬管⑶外面，ICP炬管⑶和RF線圈(9)均用機械元件固定在三維移動平臺(10)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的接口系統(tǒng)由采樣錐(11)、截取錐 (12)和冷卻水套(13)組成；冷卻水套(13)包圍在采樣錐(11)四周；通過采樣錐(11)和截取錐(12)使儀器由大氣壓過渡到真空系統(tǒng)，同時從ICP等離子體中提取樣品離子進入質(zhì)譜儀中，冷卻水套(1 是冷卻采樣錐(11)保證不被高溫的ICP等離子體所熔化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的離子傳輸系統(tǒng)包括提取透鏡(14) 和離子透鏡組(15)，通過在提取透鏡(14)上加上相應(yīng)的電壓，形成一定的電場以提取樣品離子、散焦和聚焦樣品離子；提取透鏡(14)緊貼在截取錐(1 的后面，透鏡組(1 中的各透鏡均以陶瓷隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)由四極桿(16)、電子倍增器(17)、前置放大器(18)和采集卡(19)組成；樣品離子經(jīng)由離子傳輸系統(tǒng)后進入四極桿(16)，在其中進行質(zhì)量分析，使需要的離子進入電子倍增器(17)中響應(yīng)，通過前置放大器(18)對質(zhì)譜信號放大，最后由采集卡(19)進行信號采集發(fā)送給計算機0 進行處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的樣品移動/定位系統(tǒng)OO)由X-Y 軸移動平臺04)、Z軸調(diào)焦樣品臺(25)、步進電機06)組成，用來在三維方向上移動樣品， 并通過與上位機的通訊實現(xiàn)激發(fā)掃描和準確定位；樣品移動/定位系統(tǒng)的Z軸調(diào)焦樣品臺0 用機械元件固定在樣品激發(fā)腔(4)上，由一個步進電機06)通過絲杠調(diào)節(jié)樣品臺 (25)的升降，另外兩步進電機06)分別控制在X和Y方向的運動，構(gòu)成X-Y直角坐標掃描軌道。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號處理系統(tǒng)包括控制機(21)、 計算機(22)、打印機(23)，控制機接收質(zhì)譜高速采集板輸出的信號，并控制樣品移動 /定位系統(tǒng)的運動；計算機(22)，對控制機輸出的樣品信號進行分析，按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)學(xué)模型得到樣品化學(xué)成分、元素分布、表面缺陷的分析結(jié)果；打印機輸出上述分析結(jié)果。
全文摘要
一種激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜原位統(tǒng)計分布分析系統(tǒng)，屬于材料分析表征技術(shù)領(lǐng)域。包括激光燒蝕進樣系統(tǒng)、ICP離子源系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、離子傳輸系統(tǒng)、質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、連續(xù)激發(fā)同步掃描的樣品移動/定位系統(tǒng)和對采集到的質(zhì)譜信號進行數(shù)學(xué)解析的信號處理系統(tǒng)?；跇悠返倪B續(xù)激發(fā)同步掃描移動/定位和激光燒蝕ICP-MS的、可以實現(xiàn)金屬或非金屬材料非平整表面大尺度范圍內(nèi)化學(xué)成分及其狀態(tài)的原位統(tǒng)計分布分析。優(yōu)點在于，既可以用于金屬樣品，又適用于非金屬樣品；可分析低至0.1μg/g元素的含量和分布；比金屬原位分析儀的靈敏度提高3個數(shù)量級；既適用于表面規(guī)則平整的樣品，也適用于不規(guī)則或異型面樣品。
文檔編號G01N27/62GK102375022SQ20111030295
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者余興, 劉佳, 李宏偉, 李明, 王海舟, 袁良經(jīng), 趙英飛, 趙雷, 陳吉文, 陳永彥, 韓鵬程 申請人:北京納克分析儀器有限公司