用于遠(yuǎn)程化學(xué)材料分析的模塊化裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過(guò)激光誘導(dǎo)等離子體的光譜方法實(shí)現(xiàn)的用于遠(yuǎn)程化學(xué)材料分析的模塊化裝置的構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002]用于化學(xué)材料分析的方法之一是一種激光誘導(dǎo)等離子體的光譜方法，參照LIBS (激光誘導(dǎo)擊穿光譜)，其基于原子發(fā)射光譜(AES)的原理。針對(duì)元素組成的確定，通過(guò)聚焦的激光脈沖使用一種形成在樣品表面上的等離子體輻射的光譜分析。光譜中的尖銳的發(fā)射線(xiàn)使樣品材料中的對(duì)應(yīng)元素的存在信號(hào)化，而檢測(cè)限制大約幾個(gè)單位的ppm的范圍。該方法受歡迎是由于其相對(duì)于其它化學(xué)材料分析技術(shù)提供的優(yōu)點(diǎn)。尤其是在不經(jīng)任何特殊訓(xùn)練的情況下分析所有狀態(tài)和大小的樣品的能力，而測(cè)量結(jié)果實(shí)際上實(shí)時(shí)地自由處理。例如在公開(kāi) RADZIEMSKI, L.J.CREMERS, D.的 Handbook of Laser-1nduced BreakdownSpectroscopy (John ffiley&Sons.2006.283p./SBN 0-470_0g2gg-8)中描述了該方法的基本原理
[0003]通常，用于通過(guò)LIBS方法分析的裝置包括:脈沖激光器，其用于引入樣品表面上的等離子體；光學(xué)系統(tǒng)，其用于聚焦激光脈沖；光學(xué)系統(tǒng)，其用于手機(jī)等離子體輻射；檢測(cè)系統(tǒng)，其用于根據(jù)波長(zhǎng)及其記錄分散等離子體輻射；裝置，其用于將脈沖激光器與檢測(cè)系統(tǒng)同步。使用電磁輻射作為能量和信號(hào)載波的原理能夠修改用于遠(yuǎn)程分析和現(xiàn)場(chǎng)分析(即，實(shí)驗(yàn)室以外的條件)的LIBS方法。因此，甚至可分析可為工序(即取樣及其傳送)的經(jīng)典鏈(classical chain)的對(duì)象，僅在面對(duì)困難或危險(xiǎn)或許多其它原因不足的情況下是可行的。
[0004]利用LIBS方法用于遠(yuǎn)程分析的系統(tǒng)可分為兩組。第一組使用電磁輻射光纖的轉(zhuǎn)移，并且其被稱(chēng)作“遠(yuǎn)程LIBS”，第二組使用樣品的電磁輻射導(dǎo)向可見(jiàn)性，并且其被稱(chēng)作“遠(yuǎn)距離(Stand-Off)LIBS”?！斑h(yuǎn)程(Remote)LIBS”的特征在于較小的消融坑和可分析不直接可見(jiàn)的樣品，但是可利用光纖接近它們?！斑h(yuǎn)距離LIBS”分析提供了使用實(shí)際上無(wú)限高能量的可能性，并且同時(shí)增大小濃度的元素的檢測(cè)極限。可僅基于直接可見(jiàn)性分析光纖不能達(dá)到的樣品。缺點(diǎn)是關(guān)于噪聲和同時(shí)較高等級(jí)大小的消融坑的獲得的信號(hào)的值一般較低，這例如在公開(kāi) F0RIES, F.J.，LASERNA, J.J.的 The development of fieldablelaser-1nduced breakdown spectrometer:No limits on the horizon SpectrochimicaActa Part B-Atomic Spectroscopy (2010, vol.65n0.12, p.975-990)中有所描述。雖然兩種方法彼此合適地完善，但是通過(guò)它們的原理和優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有任何已知的裝置可簡(jiǎn)單地將兩種變形形式組合并且同時(shí)擴(kuò)展其活性領(lǐng)域。
[0005]存在已知的根據(jù)文件US 7092087的其它裝置，其描述了能夠從樣品中檢測(cè)癌癥的LIBS裝置的特定應(yīng)用，并且根據(jù)文件US 20030147072，描述了能夠檢測(cè)放射性污染的LIBS裝置的特定應(yīng)用。根據(jù)描述，這些裝置的構(gòu)造不允許利用兩種方法(即“遠(yuǎn)距離LIBS”和“遠(yuǎn)程LIBS”)分析，并且不含能夠按照使得這兩種方法能夠使用激光脈沖的公共源的方式規(guī)定激光脈沖的路線(xiàn)的激光束路由器。
[0006]在文件US8125627中，隨后描述了能夠利用“遠(yuǎn)距離LIBS”方法執(zhí)行分析的裝置，但是其不設(shè)計(jì)為模塊。其不含有能夠利用“遠(yuǎn)程LIBS”方法分析的部件，并且也不具有能夠按照能夠使用通過(guò)“遠(yuǎn)距離LIBS”或“遠(yuǎn)程LIBS”方法分析的激光脈沖的公共源的方式規(guī)定激光脈沖的路線(xiàn)的激光束路由器。該裝置配有輔助激光器、拉曼分光鏡和其它特殊組件，這導(dǎo)致其設(shè)計(jì)復(fù)雜度和增加的購(gòu)買(mǎi)成本。在文件US2011080577和US2012062874中，描述了利用兩種檢測(cè)器的裝置，其中的至少一個(gè)檢測(cè)拉曼光譜，這相似地導(dǎo)致更復(fù)雜的構(gòu)造和導(dǎo)致不可能使用這些裝置作為用于通過(guò)兩種方法進(jìn)行LIBS分析的模塊化單元。
[0007]本發(fā)明的目的是引入新的裝置，根據(jù)其模塊化設(shè)置并且根據(jù)激光束路由器的設(shè)計(jì)，其構(gòu)造能夠?qū)y(cè)量與“遠(yuǎn)距離LIBS”方法或“遠(yuǎn)程LIBS”方法組合，所述激光束路由器規(guī)定激光脈沖的路線(xiàn)，并且能夠針對(duì)兩種測(cè)量方法使用激光束的公共源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了限定的目標(biāo)，本發(fā)明是一種用于遠(yuǎn)程化學(xué)材料分析的模塊化裝置，其具有基本功能單元，該基本功能單元形成有傳送模塊，該傳送模塊部分地配有通過(guò)至少激光器的電源、根據(jù)波長(zhǎng)及其記錄針對(duì)等離子體輻射分布設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)、呈PC形式的控制和評(píng)價(jià)塊以及控制電子塊設(shè)置的移動(dòng)框架構(gòu)造，并且部分地與包含用作激光脈沖的源的激光器頭的激光器模塊連接，其中本發(fā)明的要點(diǎn)在于，激光器模塊配有可選地按照一定路線(xiàn)布置激光脈沖的激光光束路由器(laser beam router)，當(dāng)執(zhí)行“遠(yuǎn)距離LIBS”方法時(shí)，使激光脈沖進(jìn)入遠(yuǎn)距離模塊(stand-off module)，當(dāng)執(zhí)行“遠(yuǎn)程LIBS”方法時(shí)，使激光脈沖進(jìn)入纖維模塊。
[0009]在裝置的有利設(shè)計(jì)中，激光器模塊配有固定元件，其可以可拆卸地固定至傳送模塊的框架構(gòu)造或遠(yuǎn)距離模塊。
[0010]在從傳送模塊直接可見(jiàn)樣品的情況下，當(dāng)利用“遠(yuǎn)距離LIBS”方法分析時(shí)使用的遠(yuǎn)距離模塊形成有至少設(shè)計(jì)用于將激光脈沖聚焦到樣品的遠(yuǎn)距離主要光學(xué)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)為收集發(fā)射的電磁輻射的遠(yuǎn)距離輔助光學(xué)系統(tǒng)、掃描相機(jī)和距離計(jì)量系統(tǒng)，然而遠(yuǎn)距離模塊通過(guò)用于規(guī)定激光脈沖的路線(xiàn)的連接元件與激光器模塊不連通地連接，以及通過(guò)用于規(guī)定電磁輻射的遠(yuǎn)距離收集線(xiàn)纜與傳送模塊連接。
[0011]在裝置的優(yōu)選設(shè)計(jì)中，對(duì)于傳送模塊的框架構(gòu)造上的設(shè)置或可拆卸地設(shè)置的可能性，遠(yuǎn)距離模塊配有連接構(gòu)件，而傳送模塊獲得形狀和尺寸對(duì)應(yīng)的固定平臺(tái)。
[0012]另外，有利的是，用于通過(guò)“遠(yuǎn)程LIBS”方法進(jìn)行分析的裝置的纖維模塊由針對(duì)激光脈沖的聚焦設(shè)計(jì)的纖維主要光學(xué)系統(tǒng)和針對(duì)收集發(fā)射的電磁輻射設(shè)計(jì)的纖維輔助光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，而纖維模塊通過(guò)用于規(guī)定激光脈沖的路線(xiàn)的連接元件與激光器模塊不連通地連接，以及通過(guò)用于規(guī)定電磁輻射的線(xiàn)路的纖維收集線(xiàn)纜與傳送模塊連接。
[0013]本發(fā)明達(dá)到新的和較高的效率，其原因在于，通過(guò)能夠在不使用工具的情況下使傳送模塊和遠(yuǎn)距離或纖維模塊連接和斷開(kāi)的構(gòu)造構(gòu)件，該裝置能夠?qū)煞N遠(yuǎn)程變型形式“遠(yuǎn)距離LIBS”和“遠(yuǎn)程LIBS”組合，并且與現(xiàn)有解決方案相反的是，能夠基于直接可見(jiàn)性進(jìn)行對(duì)象的遠(yuǎn)程分析，并且同時(shí)通過(guò)纖維檢測(cè)探針進(jìn)行可訪(fǎng)問(wèn)性差的對(duì)象的分析。同時(shí)，所述裝置由于依賴(lài)于計(jì)劃的應(yīng)用因此可簡(jiǎn)單地設(shè)置有“遠(yuǎn)距離LIBS”模塊、“遠(yuǎn)程LIBS”模塊或二者。所述裝置相似地能夠針對(duì)兩種化學(xué)分析方法使用激光束的共同源，因此減小裝置的重量及其生產(chǎn)成本，并且其模塊性為用戶(hù)提供了僅將模塊中的一個(gè)傳送至分析地點(diǎn)的可能性，這也降低了傳送需求。
【附圖說(shuō)明】
[0014]在包括的附圖中示例性地示出了本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)，圖中:
[0015]圖1示出了裝置的總體方框圖，示出了用于實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)距離LIBS”方法以及“遠(yuǎn)程LIBS”方法的功能性模塊的可能連接與它們的相互連結(jié)；
[0016]圖2以簡(jiǎn)化的方框圖的形式示出了具有用于實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)距離LIBS”方法的遠(yuǎn)距離模塊的裝置的構(gòu)造；以及
[0017]圖3以簡(jiǎn)化的方框圖的形式示出了具有用于實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程LIBS”方法的纖維模塊的裝置的構(gòu)造。
[0018]示出本發(fā)明并最終描述了特定設(shè)計(jì)的示例的附圖不以任何形式任何方式限制明確描述的保護(hù)