专利名称：基于偏振降噪的脉冲激光粉状物质元素含量测量方法
技术领域：
本发明涉及一种物质所含元素的浓度的测量方法，属于原子发射光谱测量技术领域。
背景技术：
激光诱导击穿光谱(LIBS)是二十世纪后期发展起来的一种全新的物质元素分析技术，是一种典型的原子发射光谱测量技术。LIBS的工作原理是强激光脉冲作用下，样品表面的物质被激发成为等离子体并迅速衰减，在衰减过程中辐射出特 定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度信息包含了分析对象的元素种类和浓度信息。LIBS技术运行成本低，测量速度快，具有高灵敏度、无需或者需要很少的样品预处理和实现多元素测量等优点，并且无辐射�：Γ诠ひ瞪芯哂屑蟮姆⒄骨绷�。但是，由于LIBS的激光作用点很�。帐次镏实牧亢苌伲杂诓痪龋飨蛞煨缘奈镏驶逍вΨ浅Ｃ飨裕煌保す饽芰康牟ǘ壤胱犹逦露�、电子密度等物理参数的不同导致LIBS测量的重复精度较低；另外，环境参数的影响以及仪器内部元器件本身的电子噪声等都易对LIBS产生干扰；因此利用LIBS直接测量样品的测量精度不能得到保证，限制了 LIBS在生产实际中的应用。另外，由于连续背景辐射的存在，使得某些特征谱线的谱峰不能从连续背景中明显地区别开来，导致信噪比较低，从而影响了 LIBS测量的检测限，使得LIBS技术不能测量那些目标元素含量极低的样品。直接对粉末样品进行LIBS测量在重复性方面较差，这是因为一方面粉末样品受到激光脉冲的作用后会发生飞溅，样品表面不再平整，很难保证聚焦透镜到样品表面的距离恒定，这样会对激光烧蚀造成较大的不确定度；另一方面，粉末样品飞溅产生的气溶胶会吸收后续的激光脉冲，影响激光能量到达样品表面的比例，同样会对测量的重复性造成影响。在基于LIBS对粉末样品进行测量时，为了克服粉末样品测量的困难，常规的方法是用压片机对粉末样品压制成型从而形成平整表面(如申请号201110040537. 7和申请号201110210361. 5专利文献)，但该方法增加了额外的设备和材料，提高了测量成本，而且压制过程耗时较长，降低了测量效率，而且压制过程中可能会混入杂质从而导致测量误差增大。因而对粉末样品直接进行LIBS测量是一个非常有潜力的应用方向。另外粉末样品往往需要较大的激光能量才能充分激发出等离子体，但激光能量增大时会造成连续背景辐射较强，影响了 LIBS测量的信噪比和检测限，同时也干扰了元素特征谱线的精确分辨和计笪
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发明内容
本发明的目的是降低LIBS测量粉末样品的不确定度并提高测量信号的信噪比，本发明的技术方案是I)将样品中欲测量的元素定为目标元素，以目标元素质量浓度已知的一组粉末样品作为定标样品，各定标样品的目标兀素浓度记为Ci、C2、C3......;2)从步骤I)中的一组定标样品中任选一种平铺于透明的玻璃托盘上；3)利用激光诱导击穿光谱系统对步骤2)中已选定的定标样品进行检测将脉冲激光器置于玻璃托盘的正下方，从脉冲激光器出射的激光经过聚焦透镜聚焦后透过玻璃托盘，调整聚焦透镜的位置，使得聚焦后的激光在定标样品与玻璃托盘的接触面处的定标样品内部产生等离子体；4)等离子体产生的辐射光信号依次透过玻璃托盘、放置在玻璃托盘下部的偏振片和采集透镜后通过光纤进入光谱仪被转化为电信号，然后被计算机采集，得到步骤2)中所选定标样品的光谱图，从光谱图中得到目标元素的特征谱线强度和谱线强度的信噪比；5)重复步骤至3)和4)并不断调整偏振片的安放角度，直到谱线强度的信噪比达到最大值；
6)保持偏振片的安放角度不变，依次把步骤I)中的每一种定标样品放到玻璃托盘上并利用激光诱导击穿光谱系统对其进行测量，得到各个定标样品对应的目标元素特征谱线强度I^IyI3……；7)以目标元素浓度Cp C2, C3……为自变量，特征谱线强度I:、12、I3……为因变量通过拟合方法建立定标曲线，定标曲线方程为y = f (X)，其中X为自变量，y为因变量；8)保持激光诱导击穿光谱系统的设置以及偏振片安放角度不变，将目标元素质量浓度未知的待测样品放到玻璃托盘上并利用激光诱导击穿光谱系统对其进行测量，得到待测样品的目标元素的谱线强度I。，然后在定标曲线上查出I。对应的浓度值即为待测样品中目标元素的浓度。本发明具有以下优点及突出性效果本发明利用聚焦后的激光从玻璃托盘下方透过玻璃托盘击打到粉末样品，在粉末样品与玻璃托盘的接触面处的粉末样品内部产生等离子体，防止粉末受到激光脉冲作用后发生飞溅，最终降低测量的不确定度。与常规方法相比较，本发明不需要对粉末样品进行压制成型的操作，使得该方法能够更好地应用于快速在线测量上。另外，在粉末样品内部产生等离子体，由于粉末样品本身重力的影响，粉末层会对等离子体产生空间限制作用，这样能够在一定程度上增强等离子体发射光谱的谱线强度，增加特征谱线的信噪比，降低目标元素的检测限。而且由于等离子发出的光谱中特征谱线的信号和连续背景辐射的偏振特性不同，因此经过适当安放的偏振片后，连续背景可以被大大去除，增加了信噪比，改善了 LIBS测量的检测限。
图I是本发明的激光诱导击穿光谱系统结构框图。图中1 一脉冲激光器；2_聚焦透镜；3_玻璃托盘；4一样品；5_等离子体；6—偏振片-J-米集透镜；8—光纤；9_光谱仪；10_计算机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。一种基于偏振降噪的脉冲激光粉状物质元素含量测量方法，其特征是该方法包括了如下步骤I)将样品中欲测量的元素定为目标元素，以目标元素质量浓度已知的一组粉末样品作为定标样品，各定标样品的目标兀素浓度记为Ci、C2、C3......;2)从步骤I)中的一组定标样品中任选一种平铺于透明的玻璃托盘上；3)利用激光诱导击穿光谱系统对步骤2)中已选定的定标样品进行检测将脉冲激光器I置于玻璃托盘的正下方，从脉冲激光器出射的激光经过聚焦透镜2聚焦后透过玻璃托盘3，调整聚焦透镜的位置，使得聚焦后的激光在定标样品4与玻璃托盘的接触面处的定标样品内部产生等离子体5 ；4)等离子体产生的辐射光信号依次透过玻璃托盘3、放置在玻璃托盘下部的偏振 片6和采集透镜7后通过光纤8进入光谱仪9被转化为电信号，然后被计算机10采集，得到步骤2)中所选定标样品的光谱图，从光谱图中选出目标元素的特征谱线，并通过积分的方法得到谱线的峰面积，峰面积即为谱线强度，谱线强度与连续背景噪声的比值即为信噪比；5)重复步骤至3)和4)并不断调整偏振片6的安放角度，直到谱线强度的信噪比达到最大值；6)保持偏振片的安放角度不变，依次把步骤I)中的每一种定标样品放到玻璃托盘上并利用激光诱导击穿光谱系统对其进行测量，得到各个定标样品对应的目标元素特征谱线强度I^IyI3……；7)以目标元素浓度Cp C2, C3……为自变量，特征谱线强度Ip 12、I3……为因变量通过拟合方法建立定标曲线，定标曲线方程为y = f (X)，其中X为自变量，y为因变量；8)保持激光诱导击穿光谱系统的设置以及偏振片安放角度不变，将目标元素质量浓度未知的待测样品放到玻璃托盘上并利用激光诱导击穿光谱系统对其进行测量，得到待测样品的目标元素的谱线强度I。，然后在定标曲线上查出I。对应的浓度值即为待测样品中目标元素的浓度。实施例以利用LIBS测量煤中碳元素为例，对基于激光诱导击穿光谱的粉状物质元素含量在线测量方法进行阐述。I)首先使用各元素质量浓度已知的十种标准煤粉样品作为定标样品，各煤粉样品的主要元素的质量浓度如表I所示，将碳元素定为目标元素，各定标样品的目标元素浓度记为 CpCyC3......;表I.标煤样品成分
权利要求
1.一种基于偏振降噪的脉冲激光粉状物质元素含量测量方法，其特征是该方法包括了如下步骤 1)将样品中欲测量的元素定为目标元素，以目标元素质量浓度已知的一组粉末样品作为定标样品，各定标样品的目标元素浓度记为C1、C2、C3……； 2)从步骤I)中的一组定标样品中任选一种平铺于透明的玻璃托盘上； 3)利用激光诱导击穿光谱系统对步骤2)中已选定的定标样品进行检测将脉冲激光器(I)置于玻璃托盘的正下方，从脉冲激光器出射的激光经过聚焦透镜(2)聚焦后透过玻璃托盘(3)，调整聚焦透镜的位置，使得聚焦后的激光在定标样品(4)与玻璃托盘的接触面处的定标样品内部产生等离子体(5)； 4)等离子体产生的辐射光信号依次透过玻璃托盘(3)、放置在玻璃托盘下部的偏振片(6 )和采集透镜(7 )后通过光纤(8 )进入光谱仪(9 )被转化为电信号，然后被计算机(10 )采集，得到步骤2)中所选定标样品的光谱图，从光谱图中得到目标元素的特征谱线强度和谱线强度的信噪比； 5)重复步骤至3)和4)并不断调整偏振片(6)的安放角度，直到谱线强度的信噪比达到最大值； 6)保持偏振片的安放角度不变，依次把步骤I)中的每一种定标样品放到玻璃托盘上并利用激光诱导击穿光谱系统对其进行测量，得到各个定标样品对应的目标元素特征谱线强度 Ιι、！2、I3......; 7)以目标元素浓度CpCyC3……为自变量，特征谱线强度Ip12、I3……为因变量通过拟合方法建立定标曲线，定标曲线方程为y = f (X)，其中X为自变量，y为因变量； 8)保持激光诱导击穿光谱系统的设置以及偏振片安放角度不变，将目标元素质量浓度未知的待测样品放到玻璃托盘上并利用激光诱导击穿光谱系统对其进行测量，得到待测样品的目标元素的谱线强度I。，然后在定标曲线上查出I。对应的浓度值即为待测样品中目标元素的浓度。
全文摘要
基于偏振降噪的脉冲激光粉状物质元素含量测量方法，属于原子发射光谱领域。将粉末样品置于透明的玻璃托盘上，激光从玻璃托盘下面透过玻璃托盘聚焦在粉末底层从而烧蚀粉末物质并产生等离子体，等离子体发出的辐射光信号依次透过玻璃托盘和偏振片被采集透镜收集，然后通过光纤传输到光谱仪转化为电信号进入到计算机进行分析。该方法对粉末样品不需要压制成型而且同时克服了粉末层表面不平整导致的测量信号波动，提高了粉末状物质元素含量的检测速度和精确度。另外，该方法还利用偏振片过滤了辐射光信号中的连续背景辐射，提高了信噪比从而改善了测量的检测限。
文档编号G01N21/63GK102798618SQ201210246339
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者樊银虎, 侯宗余, 王哲, 李政 申请人:国电燃料有限公司, 清华大学
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