激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀及新式材料分析方法的研究_圖文

1、一項(xiàng)目的目的和意義材料的化學(xué)成分及其分布對(duì)材料的性能有很大的影響。冶金過程不僅需要了解材料的化學(xué)成分,更期望了解各種化學(xué)成分在材料中的分布狀況及形態(tài)等。掃描電子顯微鏡、電子探針等技術(shù)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)、是材料性能解析的十分重要的技術(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(xiàng)內(nèi)容。在現(xiàn)有技術(shù)中,采用硫印試驗(yàn)來檢驗(yàn)元素在鋼中偏析或分布,用酸浸試驗(yàn)來檢驗(yàn)中心疏松,采用金相法檢驗(yàn)夾雜物的形貌、分布,上述傳統(tǒng)方法手續(xù)繁鎖、分析速度慢,信息量少,結(jié)果無法定量化?；诨鸹ㄔ吹慕饘僭唤y(tǒng)計(jì)分布分析儀成功地解決了平整規(guī)則金屬

2、材料表面大尺度范圍內(nèi)化學(xué)成分及其狀態(tài)的原位統(tǒng)計(jì)分布分析表征問題,然而該儀器激發(fā)斑點(diǎn)較大,只適用于表面規(guī)則平整的導(dǎo)體樣品,不適用于微小缺陷樣品,涂鍍層材料,非導(dǎo)體材料以及非平面表面材料的分析。同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)樣品深度方向上的連續(xù)激發(fā),不能進(jìn)行深度分布分析。當(dāng)前激光光譜分析儀采用小束斑的激光進(jìn)行采樣,具有高靈敏度、高空間分辨率,高能量密度的特點(diǎn),使采樣不再受到樣品導(dǎo)電性和表面平整度的限制,即可實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)分析又可在樣品深度方向連續(xù)剝蝕,高空間分辨率為微小缺陷樣品和涂鍍層樣品的分析提供了新的技術(shù)手段。但目前商品化的激光光譜分析儀僅能測量局部采樣位置的成分信息,還不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面各化學(xué)元素的原位統(tǒng)計(jì)分布

3、表征,不能獲得材料表面任何位置空間坐標(biāo)與化學(xué)成分含量的對(duì)應(yīng)分布、最大偏析與最小偏析的空間定位、表觀致密度的統(tǒng)計(jì)解析、統(tǒng)計(jì)偏析度等材料解析以及材料深度方向上元素含量分布等新信息。而這些信息是材料性能全面、準(zhǔn)確表征所需要的。本項(xiàng)目的目的在于建立一種國際首創(chuàng)的材料較大尺度范圍內(nèi)各元素成分及其狀態(tài)的定量分布規(guī)律的新分析方法激光原位分析方法;建立高性能結(jié)構(gòu)材料中各元素成分的激光原位分析新方法體系;在新方法研究的基礎(chǔ)上,研制具有原創(chuàng)性的激光原位分析新儀器。激光原位分析儀是基于樣品的連續(xù)激發(fā)同步掃描移動(dòng)/定位和激光誘導(dǎo)擊穿光譜的、可以實(shí)現(xiàn)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)的原位統(tǒng)計(jì)分布分析的儀

4、器系統(tǒng),具備如下功能:材料中元素含量的定量分析;元素在深度方向上含量的分布分析;任何位置精確空間坐標(biāo)定位(x, y, z并與化學(xué)成分含量的逐點(diǎn)同步對(duì)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(jì)判定;表觀致密度的統(tǒng)計(jì)解析;含量-頻度分布以及統(tǒng)計(jì)偏析度;統(tǒng)計(jì)符合度的解析等。二項(xiàng)目的主要任務(wù)和目標(biāo)本項(xiàng)目針對(duì)高性能結(jié)構(gòu)材料等新材料領(lǐng)域?qū)υ爻煞址植己蜖顟B(tài)的準(zhǔn)確定量分析技術(shù)的迫切需求,采用非接觸式的高功率激光作用于材料表面,產(chǎn)生高溫等離子體,采集其發(fā)射光譜,進(jìn)行色散分光,進(jìn)而建立材料中各元素成分含量的定量模型;通過大范圍的掃描分析和微區(qū)深度分析,實(shí)現(xiàn)元素成分和狀態(tài)的分布分析,為新材料以

5、及新工藝研究提供質(zhì)量性能判據(jù)。1 工作任務(wù)總體目標(biāo)(1建立一種國際首創(chuàng)的材料較大尺度范圍內(nèi)各元素成分及其狀態(tài)的定量分布規(guī)律的新分析方法激光原位分析方法;(2建立高性能結(jié)構(gòu)材料中各元素成分的激光原位分析新方法體系;(3在新方法研究的基礎(chǔ)上,研制具有原創(chuàng)性的激光原位分析新儀器。2 工作內(nèi)容及任務(wù)分解2.1 激光脈沖的能量、焦距與寬度與激光原子化效率的相關(guān)性研究以高性能結(jié)構(gòu)材料為對(duì)象進(jìn)行激光剝蝕行為研究;不同元素激光光譜分餾效應(yīng)研究;激光光譜散焦技術(shù)研究。2.2 激光等離子體瞬態(tài)光譜信號(hào)的采集多通道光電信號(hào)的同時(shí)采集與激光器的同步技術(shù)研究激光等離子體瞬態(tài)光譜弱信號(hào)快速響應(yīng)技術(shù)研究;連續(xù)背景的過濾和積

6、分“時(shí)間窗口”技術(shù)研究。2.3 不同材料的激光等離子體光譜定量數(shù)學(xué)模型的研究不同材料的各元素激光光譜參比技術(shù)研究;基體干擾及校正方法研究;第三元素干擾及校正方法研究;不同材料的各元素激光光譜成分定量模型的研究。2.4 大尺度范圍內(nèi)(cm2級(jí)掃描分析研究激光光譜二維掃描分析技術(shù)研究;激光光譜三維掃描分析技術(shù)研究;激光光譜逐點(diǎn)掃描分析和連續(xù)掃描分析技術(shù)研究;激光原位圖像軟件編制。2.5 元素成分和狀態(tài)的分布分析新方法研究材料各元素成分均勻度和偏析度的定量分析研究;汽車板等涂鍍層材料深度方向各元素成分分布分析研究;斷口等異型材料元素成分和狀態(tài)的分布分析研究。2.6 激光原位分析新儀器的開發(fā)適用于激光

7、光譜分析用的高功率激光光源系統(tǒng)的搭建;惰性氣體保護(hù)的激光原位同步掃描裝置的開發(fā);真空型多通道光學(xué)系統(tǒng)的研制;激光瞬態(tài)光譜采集系統(tǒng)的開發(fā);激光原位分析軟件和圖像軟件的編制;激光原位分析新儀器的標(biāo)準(zhǔn)化、工程化研究,實(shí)現(xiàn)模塊化功能,為產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。3 項(xiàng)目成果考核指標(biāo)激光原位分析新方法和新裝置的可量化考核指標(biāo)如下:(1可材料中各元素進(jìn)行定量分析,高性能結(jié)構(gòu)材料中C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Al、Ti等主要元素的線性相關(guān)系數(shù)0.99;(2采用國際標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行精度驗(yàn)收,連續(xù)分析11次,考核精度應(yīng)小于等于下列精度驗(yàn)收指標(biāo):元素含量段1 C 濃度值(% 0.10.45驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.052 S

8、i 濃度值(% 0.12.0驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.23 Mn 濃度值(% 0.12.0驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.254 Cr 濃度值(% 0.11.0驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.095 Ni 濃度值(% 0.11.0驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.096 Cu 濃度值(% 0.11.0驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.17 Al 濃度值(% 0.050.20驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.058 Ti 濃度值(% 0.010.05驗(yàn)收指標(biāo)(% 0.05(3具備偏析度分析功能,三維立體顯示元素定量分布;(4申請(qǐng)發(fā)明專利不少于2項(xiàng)。三項(xiàng)目的技術(shù)路線和技術(shù)方案1 實(shí)施方案1.1 分析方法的建立激光原位分析儀儀采用小束斑的激光進(jìn)行采樣,具有高靈敏度、高空間分辨率,高

9、能量密度的特點(diǎn),使采樣不再受到樣品導(dǎo)電性和表面平整度的限制,高空間分辨率也為微小缺陷樣品和涂鍍層樣品的分析提供了新的技術(shù)手段。依靠樣品控制臺(tái)的精確運(yùn)動(dòng),激光器的準(zhǔn)確聚焦,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面各化學(xué)元素的原位統(tǒng)計(jì)分布表征,可獲得材料表面任何位置空間坐標(biāo)與化學(xué)成分含量的對(duì)應(yīng)分布、最大偏析與最小偏析的空間定位、表觀致密度的統(tǒng)計(jì)解析、統(tǒng)計(jì)偏析度等材料解析以及材料深度方向上元素含量分布的新信息。1.2 技術(shù)方案建立激光原位分析儀器一臺(tái),激光器采用大功率脈沖式固體激光器,保證激光器的穩(wěn)定性的同時(shí),保證了激光器的輸出能量。樣品放置在三維移動(dòng)平臺(tái)上,方便進(jìn)行取光角度的校正和激光在樣品表面聚焦位置的調(diào)整。激光等離子體

10、瞬態(tài)光譜分光系統(tǒng)中加入光纖和特定波長的濾波片,實(shí)現(xiàn)Li,Na,K元素譜線的采集。2 具體步驟文獻(xiàn)調(diào)研,總體方案設(shè)計(jì)。在勻度和偏析度的定量分析方法等的基礎(chǔ)上,建立激光原位統(tǒng)計(jì)分布分析新方法,實(shí)現(xiàn)金屬或非金屬材料非平面表面大尺度范圍內(nèi)的化學(xué)成分及其狀態(tài)的原位統(tǒng)計(jì)分布分析表征。激光等離子體光譜定量數(shù)學(xué)模型的研究建立激光等離子體瞬態(tài)光譜信號(hào)的采集系統(tǒng),采用激光光束整形系統(tǒng)、數(shù)據(jù)篩選、門控延時(shí)積分等技術(shù)能優(yōu)化采集數(shù)據(jù),提高激光數(shù)據(jù)穩(wěn)定性,提高工作曲線R2值。激光原位分析新儀器的開發(fā)。儀器的組裝,整機(jī)調(diào)試;短、長期穩(wěn)定性、分析精度、靈敏度和檢出限、測量范圍以及分析對(duì)象(材料種類的適用性的考核和驗(yàn)證。課題的

11、結(jié)題與驗(yàn)收。四項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容本項(xiàng)目針對(duì)材料領(lǐng)域?qū)υ爻煞址植己蜖顟B(tài)的準(zhǔn)確定量分析技術(shù)的迫切需求,研究一種國際首創(chuàng)的材料(金屬和非金屬較大尺度范圍內(nèi)各元素成分及其狀態(tài)的定量分布規(guī)律的新分析方法激光原位分析方法;并在新方法研究的基礎(chǔ)上,研制具有原創(chuàng)性的激光原位分析新儀器。1 激光原位分析方法的建立及儀器設(shè)計(jì)思路1.1激光原位分析方法的建立在研究了激光原子化效率、不同材料的激光等離子體光譜定量數(shù)學(xué)模型、材料各元素成分均勻度和偏析度的定量分析方法等的基礎(chǔ)上,初步建立了激光原位統(tǒng)計(jì)分布分析新方法,提出了一種可以實(shí)現(xiàn)金屬或非金屬材料非平面表面大尺度范圍內(nèi)的化學(xué)成分及其狀態(tài)的原位統(tǒng)計(jì)分布分析表征新方法。

12、采用小束斑的激光進(jìn)行采樣,具有高靈敏度、高空間分辨率的特點(diǎn),依靠樣品控制臺(tái)的精確運(yùn)動(dòng),激光器的準(zhǔn)確聚焦,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品非平面表面各化學(xué)元素的原位統(tǒng)計(jì)分布表征,可獲得材料非平面部位,任何位置空間坐標(biāo)與化學(xué)成分含量的對(duì)應(yīng)分布、最大偏析與最小偏析的空間定位、中位值的統(tǒng)計(jì)判定、表觀致密度的統(tǒng)計(jì)解析、含量-頻度分布以及統(tǒng)計(jì)偏析度、統(tǒng)計(jì)符合度的等材料解析的新信息。首次提出用二維投影含量等高圖、三維形貌含量等高圖等方法來表征樣品非平面表面各化學(xué)元素分布狀況。用(x,y,z來表示樣品非平面表面的空間位置,用含量(c來表示該位置的元素含量,通過提取樣品非平面表面大量的位置信息及其含量信息,用空間坐標(biāo)表示其位置,用

13、顏色來表示該位置的元素含量而繪制的三維空間圖形全面表征了樣品非平面表面的化學(xué)元素分布狀況。1.1.1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜的產(chǎn)生過程和激光原位分析方法激光光源具有單色性好,方向性強(qiáng),相干性好,能量密度高等特點(diǎn)。樣品表面在在激光束的作用下,表面原子,分子經(jīng)多光子電離作用產(chǎn)生自由電子從樣品表面逸出,電子在激光電場的加速作用下與其他原子碰撞,產(chǎn)生雪崩電離,原子、分子、離子、電子和團(tuán)簇等粒子沿著固體表面的法線方向高速擴(kuò)散開來,形成等離子體羽。與此同時(shí),固體表面附近的背景氣體也因受激光照射發(fā)生等離子體擊穿。高溫狀態(tài)的等離子體由于粒子間的碰撞,各種粒子將進(jìn)一步發(fā)生分解與復(fù)合,樣品的各種顆粒進(jìn)一步分解為分子、原

14、子,原子離解為離子,電子與離子復(fù)合為原子等。作用情況如圖所示: 圖 1.1 脈沖激光輻射產(chǎn)生等離子體過程模擬圖激光誘導(dǎo)等離子體是指脈沖激光輻射能在毫微秒持續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生等離子體。在激光脈沖的作用下,等離子體的產(chǎn)生過程大致可以分成兩個(gè)階段。在脈沖初期,由于多光子吸收在樣品表面產(chǎn)生初級(jí)等離子體。在脈沖晚期,隨著沖擊波的傳播等離子體擴(kuò)展使周圍氣體離子化,剝蝕材料原子化并且離子化。同時(shí)通過相反軔致輻射,激光被一個(gè)等離子體吸收,然后等離子被加熱,在等離子體內(nèi)再發(fā)生碰撞性激發(fā)和去激發(fā)。加熱過程結(jié)束后,產(chǎn)生的等離子體瞬時(shí)溫度可達(dá)1萬攝氏度以上。這樣的溫度下一切物質(zhì)都可以熔化,分解成原子和離子,各粒子的碰撞又可

15、以電離出離子,而且原子,離子都可以處在高能量態(tài),高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷能產(chǎn)生很強(qiáng)的發(fā)射光譜,這些譜線能反映樣品中元素種類和強(qiáng)度的信息。脈沖激光剝蝕樣品表面,形成等離子體光譜,光電二級(jí)管探測激光獲得的光電流信號(hào)經(jīng)變換整形形成的脈沖信號(hào)作為門控信號(hào)和數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號(hào),等離子體光譜經(jīng)透鏡進(jìn)入分光系統(tǒng)進(jìn)行分光。分光后的光譜信號(hào)經(jīng)光電倍增管由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào),通過門控積分器截取不同元素的有效信號(hào)進(jìn)行積分,積分后獲得的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過AD/DA轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到光譜強(qiáng)度。樣品室采用連續(xù)沖氬氣以提高等離子體光譜強(qiáng)度。在激光工作過程中由軟件控制移動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)樣品對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描剝離

16、,將每個(gè)剝離點(diǎn)的光譜強(qiáng)度與其位置對(duì)應(yīng)起來以建立樣品分析表面各化學(xué)元素的原位統(tǒng)計(jì)分布分析信息。1.1.2 激光原位分析方法相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其選擇依據(jù)從激光誘導(dǎo)擊穿產(chǎn)生等離子體的過程來看,激光等離子體光譜的性質(zhì)受到諸多因素的影響。激光器輸出激光的特點(diǎn)是影響激光等離子體光譜特征的第一個(gè)環(huán)節(jié)。脈沖激光的脈寬和形狀、激光波長、激光能量、發(fā)射頻率和輸出穩(wěn)定性等都能影響元素的蒸發(fā)激發(fā)情況,從而影響測量譜線的強(qiáng)度。除了激光本身的特點(diǎn)之外,被測物質(zhì)的化學(xué)特性和物理特性,樣品的密度,表面氧化層厚度,光滑和平整程度,對(duì)光線反射情況等樣品信息;激光衰減,勻束,聚焦,焦點(diǎn)與樣品表面的距離,光束與樣品表面的夾角,入射狹縫的

17、高度和入射光線角度等光路信息;樣品室環(huán)境氣體的組分和壓強(qiáng),光室溫度和真空度等環(huán)境信息;光電檢測器的類型和觀測角度、計(jì)算機(jī)控制和采集系統(tǒng)信息都會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。1激光能量大小和發(fā)射頻率激光單脈沖能量、激光發(fā)射重復(fù)頻率是激光器重要的特性參數(shù)。形成等離子體的前提條件是激光能量必須超過特定的閾值,不同類型的激光器擊穿樣品形成等離子體所需要的能量密度不同。納秒激光單脈沖能量約為每平方厘米幾個(gè)焦耳,而飛秒激光脈沖的能量閾值只要每平方厘米零點(diǎn)幾焦耳。激光發(fā)射頻率對(duì)LIBS結(jié)果也有一定的影響。由于等離子體的壽命為s級(jí), 單脈沖激光器的脈沖間隔為ms級(jí), 由激光的能量和頻率結(jié)合可以得到激光的單脈沖消融深度

18、, 因此其影響有可能可以疊加。頻率對(duì)于激光光譜強(qiáng)度是有一定影響的,激光發(fā)射頻率對(duì)樣品結(jié)果的影響程度和選擇需要考慮不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?積分延遲時(shí)間從LIBS形成過程來看,等離子體形成的初始階段,電子和激發(fā)態(tài)離子、原子大量劇烈碰撞產(chǎn)生強(qiáng)的連續(xù)背景譜,連續(xù)輻射可以通過時(shí)間延遲控制器或者改變激光與材料的作用機(jī)制來減小背景輻射。在等離子體形成初期, 自由電子、原子和離子的密度非常高, 溫度也在10000 K以上, 電子和離子之間強(qiáng)烈的復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很強(qiáng)的連續(xù)輻射背景譜,掩蓋了特征光譜影響信號(hào)的探測; 隨后, 原子譜線和離子譜線疊加在連續(xù)背景譜上開始出現(xiàn); 隨著等離子體膨脹和冷卻,背景輻射衰減迅速,原子譜線和離

19、子譜線衰減慢于連續(xù)輻射背景, 信噪比逐漸得到改善;隨著時(shí)間的推移, 原子光譜和離子光譜緩慢衰減, 元素譜線出現(xiàn)。信號(hào)-背景的不同衰減過程可以通過選擇延遲時(shí)間的方法改善實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但對(duì)于不同元素而言,其時(shí)間演變特征也不完全一致。隨著延時(shí)的增加, 特征譜線強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱,信噪比也隨延時(shí)的變化而變化,不同的元素及不同電離度的離子最佳延時(shí)不同。因此, 延時(shí)時(shí)間的選取對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。選擇合適的延遲時(shí)間,可以提高離子或原子譜線信噪比,從而提高信號(hào)與背景的強(qiáng)度比,從而提高LIBS技術(shù)分析元素的靈敏度和檢測限。3樣品室氣壓激光誘導(dǎo)等離子體輻射強(qiáng)度與周圍氣體的種類和壓強(qiáng)關(guān)系很大, 原因在于等離子體形成以后迅

20、速膨脹到很大的空間里, 壓強(qiáng)大小可以影響到自由電子與原子、離子的碰撞幾率, 從而影響激發(fā)態(tài)能級(jí)布和信號(hào)譜線強(qiáng)度。環(huán)境氣體種類很大程度的影響等離子體的屏蔽效應(yīng)。選擇合適的樣品室氣體種類和氣壓大小,可以起到提高靈敏度和穩(wěn)定性,改善分析結(jié)果的目的。4 聚焦透鏡與樣品之間的距離聚焦透鏡與樣品之間的距離變化,可以影響到激光激發(fā)斑點(diǎn)的大小,樣品上的相應(yīng)激光功率密度發(fā)生變化,影響激光從樣品上擊穿下的物質(zhì)量,改變了等離子體發(fā)射光譜的強(qiáng)度。樣品表面在焦點(diǎn)之前,激光光斑較大,樣品剝蝕深度較淺,剝蝕穩(wěn)定性好,但是樣品表面空間分辨率降低。樣品表面在焦點(diǎn)附近時(shí),雖然樣品表面空間分辨率高,但是得到的激光光譜信號(hào)波動(dòng)較大,

21、周圍暈狀剝蝕嚴(yán)重,不利于LIBS分析。當(dāng)樣品表面位于焦點(diǎn)之后時(shí),空氣可能首先被擊穿形成等離子體, 后續(xù)激光到達(dá)樣品表面時(shí)已經(jīng)耗損一部分能量, 此時(shí)光譜信號(hào)會(huì)比較弱,可能不利于樣品剝蝕。所以針對(duì)不同的樣品,選擇合適的聚焦透鏡樣品表面距離能夠調(diào)整激光斑點(diǎn)部位的能量密度,對(duì)激光光束的能量大小和分布起到重要作用。1.1.3 激光原位分析實(shí)驗(yàn)的分析步驟1將各系統(tǒng)按上述方式相互連接妥當(dāng),打開電源,穩(wěn)壓器,開啟激光器預(yù)熱。2開啟恒溫系統(tǒng),真空系統(tǒng),將惰性載氣通入樣品室,運(yùn)行儀器應(yīng)用軟件。3設(shè)置儀器參數(shù):激光器電壓,激光器調(diào)Q延遲時(shí)間,擴(kuò)束器,衰減器,透鏡聚焦位置,激發(fā)頻率等。4上述工作條件下利用待測元素含量

22、已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品或成分已知的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),繪制工作曲線;5投入待測樣品,啟動(dòng)樣品室真空系統(tǒng),在與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn);6按照預(yù)先設(shè)計(jì)的程序在三維方向自動(dòng)移動(dòng)樣品或深度方向上連續(xù)進(jìn)行激光剝蝕,并采集不同元素在此過程中的信號(hào)強(qiáng)度信息和位置信息;7根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行信號(hào)處理,對(duì)照工作曲線,計(jì)算并輸出樣品中待測元素的含量、深度分布分析結(jié)果或其他原位統(tǒng)計(jì)分布分析結(jié)果;1.1.4 激光光譜原位分析的特點(diǎn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜法LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy用高能量密度的激光脈沖擊打樣品表面,將樣品表面材料蒸發(fā),形成短壽命(10s的熱等離子體,用光譜儀來分析等離子

23、體的光發(fā)射。LIBS作為一種新興的材料成分分析檢測手段,具有傳統(tǒng)的光譜儀分析手段所具備的一切功能,而且其所特有的優(yōu)點(diǎn)是其它分析手段所無法比擬的。1、樣品消耗小:LIBS的激發(fā)斑點(diǎn)直徑通常小于0.5mm。隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展,激光光束直徑小于20m的激光光譜技術(shù)已有報(bào)道。激光單次剝離深度小于10m。與火花光譜、輝光光譜的激發(fā)斑點(diǎn)8mm×50m相比,激光光譜儀的樣品消耗很小,是一種微創(chuàng)分析手段,將激光光譜儀應(yīng)用于貴重金屬分析的技術(shù)已有報(bào)道。2、準(zhǔn)備樣品簡單便捷:固態(tài)樣品直接分析的方法(火花光譜儀、輝光光譜儀通常需要對(duì)分析表面進(jìn)行加工處理,除去金屬材料表面氧化層,形成一個(gè)平面,平面面積不

24、小于分析手段所要求的最小分析面積。但是LIBS的脈沖激光在很短的時(shí)間內(nèi)以很大的能量強(qiáng)度照射到樣品表面。樣品表面的原子由于受到激光燒蝕而被放發(fā)射,最終被激發(fā)電離。樣品受到激光照射,表面形成了初始擊穿等離子(擊穿區(qū),然后等離子體余輝向周圍氣體擴(kuò)展(擴(kuò)展區(qū)。在擊穿區(qū),一團(tuán)熱的密集的氣體形成,由高能氣體粒子,電子和樣品表面釋放的原子組成,這些粒子互相碰撞激發(fā)或重組,樣品立即釋放高強(qiáng)度光。因此LIBS 的激發(fā)能量非常高,而且樣品消耗量小,所以可以通過定點(diǎn)剝蝕掉樣品表面氧化物后直接對(duì)材料基質(zhì)進(jìn)行分析。3、遙感分析:傳統(tǒng)的光譜分析手段,分析樣品在分析過程中作為一個(gè)電極來使用的,所以必須與樣品有緊密接觸。由于

25、LIBS是使用光致激發(fā),樣品不參與儀器的電路過程,所以可以避免與樣品接觸。正是由于這種原因LIBS可以用于高溫樣品,甚至液態(tài)樣品的成分分析。4、在線分析:由于LIBS的快速、免制樣、非接觸分析等優(yōu)點(diǎn),因此可以將LIBS用于實(shí)時(shí)在線分析及惡劣環(huán)境的現(xiàn)場分析。1.2激光原位分析儀設(shè)計(jì)思路1.2.1 激光原位分析儀總體設(shè)計(jì)要求在激光原位統(tǒng)計(jì)分布分析新方法研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)激光等離子體瞬態(tài)光譜信號(hào)采集和大尺度范圍內(nèi)(cm2級(jí)掃描分析技術(shù),設(shè)計(jì)真空型多通道光學(xué)系統(tǒng),研制世界首臺(tái)激光原位分析儀。通過門控延時(shí)積分、基體干擾校正、取光角度調(diào)整研究提高儀器的定量準(zhǔn)確性,成果可用于應(yīng)用于材料各元素成分均勻度和偏析

26、度的定量分析;汽車板等涂鍍層材料深度方向各元素成分分布分析;斷口等異型材料元素成分和狀態(tài)的分布分析等方面。1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)框架采用自主研制的激光原位分析儀(LIBSOPA裝置的示意圖見圖1.2。 圖 1.2 激光原位分析儀(LIBSOPA實(shí)驗(yàn)裝置圖激光原位分析儀儀包括激發(fā)光源系統(tǒng)、激光光束整形系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、高速信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)解析系統(tǒng)、樣品室真空系統(tǒng)、連續(xù)激發(fā)同步掃描定位系統(tǒng)以及樣品表面成像系統(tǒng)。激光光源發(fā)出的激光光束通過光束整形系統(tǒng)處理后,最終聚焦在被分析樣品表面。樣品室真空系統(tǒng)給被分析樣品提供密閉環(huán)境以便充入保護(hù)氣。分光系統(tǒng)和高速信號(hào)采集系統(tǒng)通過光電倍增管相互連接,在樣品表

27、面產(chǎn)生的等離子體光譜經(jīng)過分光系統(tǒng)后產(chǎn)生的光信號(hào)通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的光電信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算,輸出材料中各元素含量、涂鍍層等材料深度方向各元素成分分布、大尺度范圍內(nèi)(cm2及以上元素的均勻度,偏析度和疏松度以及表面缺陷及夾雜物形貌、粒度和含量分析等結(jié)果。1.3 激發(fā)光源系統(tǒng)的選擇1.3.1 激光器的選擇本研究用的激光器為氙燈泵浦的固體激光器,所選用的激光器型號(hào)為Continuum公司的SuliteIII型固體激光器。圖1.3所示為本項(xiàng)目所用固體激光器的泵浦電源。 圖 1.3 SuliteIII型固體激光器泵浦電源SuliteIII型固體激光器的主要參數(shù):工作條件:220

28、240V,5060Hz,中性循環(huán)水冷卻。波長:1064nm最大單脈沖能量:1000mJ光脈沖寬度:57ns。泵浦頻率:10Hz1.3.2 固體激光器的工作原理激光的英文名稱,Laser(light amplication by stimulated emission of radiation,“通過受激發(fā)射的放大光”的縮寫。激光的形成是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果,有三個(gè)基本過程:光的自發(fā)發(fā)射、光的受激吸收和光的受激發(fā)射。固體激光器是用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。1960年,T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器,也是世界上第一臺(tái)激光器。這類激光器所采用的固體工作物質(zhì),是把具有能產(chǎn)生受激

29、發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體而制成的。Nd-YAG稱為摻釹的釔鋁石榴石。在室溫下,Nd-YAG的熒光發(fā)射波長在1064nm處最強(qiáng)。調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q值(品質(zhì)因數(shù)值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。在泵浦開始時(shí)使腔處在低Q值狀態(tài),即提高振蕩閾值,使振蕩不能生成,上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累,當(dāng)積累到最大值(飽和值時(shí),突然使腔的損耗減小,Q值突增,激光振蕩迅速建立起來,在極短的時(shí)間內(nèi)上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,在腔的輸出端以單一脈沖形式將能量釋放出來,于是就獲得峰值功率很高的巨脈沖激光輸出。圖1.4為固體激光器工作原理示意圖。 圖 1.4 固體激光器示意圖1.3.3 激

30、光勻束器通常激光剝蝕樣品時(shí)激光信號(hào)為一個(gè)高斯分布的尖峰,調(diào)節(jié)激光光束尖峰角度能夠控制剝蝕斑點(diǎn)的大小。尖峰角度越小,剝蝕斑點(diǎn)越小,空間分辨率越高;但是由于剝蝕斑點(diǎn)變小后,相應(yīng)剝蝕的樣品量也變小了,增加了樣品含量的不確定性,導(dǎo)致數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越差;尖峰角度越大,激發(fā)斑點(diǎn)越大,空間分辨率越低,但是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越好。如圖1.5激光示意圖。實(shí)際操作過程中采用勻束器,但是勻束器通常用于低能量脈沖激光器(激光輸出能量為20mJ,對(duì)于LIBS使用的高能量脈沖激光器鮮有報(bào)道。雖有文獻(xiàn)報(bào)道成功案例,但是實(shí)現(xiàn)該過程比較困難。激光光束大小也是影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素,激光光束越大,剝蝕點(diǎn)越大,采樣量大,利于數(shù)據(jù)穩(wěn)定,但

31、是犧牲了空間分辨率。激光光束小,剝蝕點(diǎn)小,采樣量小,空間分辨率高,但是不利于數(shù)據(jù)穩(wěn)定,因此需要找到一個(gè)平衡點(diǎn),在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性足夠的情況下盡量提高空間分辨率。精度分析所使用的激光光束直徑約為0.5mm。 圖1.5 勻束前后激光工作示意圖1.4激光等離子體瞬態(tài)光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的選擇1.4.1 門控積分的控制由圖1.6可知控制元素的采集積分開始時(shí)間和積分時(shí)間對(duì)提高靈敏度非常重要,但是每個(gè)元素的光譜行為是不一樣的,不能一同對(duì)待。為此開發(fā)了門控積分。主要工作流程是由軟件設(shè)置好各個(gè)元素的積分時(shí)間和延時(shí)時(shí)間,見圖1.6;經(jīng)Com口傳輸?shù)紺PLD,CPLD中的程序讀到傳送過來的積分時(shí)間和延時(shí)時(shí)間,再設(shè)置各個(gè)采集

32、通道的延時(shí)時(shí)間和積分時(shí)間從而使各個(gè)元素對(duì)應(yīng)的采集通道依據(jù)自身特性而截取不同的信號(hào)開始積分時(shí)間和信號(hào)積分時(shí)間,得到最佳信噪比。 圖1.6 門控設(shè)置1.4.2 數(shù)據(jù)采集和激光器的同步在脈沖階段,依賴于周圍氣體的原子和離子的輻射放射幾十微秒,激光脈沖后不久連續(xù)背景占主導(dǎo)地位。因此,使用觀察延遲1到10或20微秒可以清楚地觀察到放射線,見圖1.7。 圖1.7 脈沖激光工作原理圖由圖1.7可知,LIBS產(chǎn)生的等離子體的保持時(shí)間很短,在很短的時(shí)間內(nèi)用高速采集將等離子體的光譜信號(hào)采集下來是很困難的。所以數(shù)據(jù)采集和激光器同步技術(shù)顯得尤為重要。本項(xiàng)目中以激光器Q開關(guān)信號(hào)為同步信號(hào),把此信號(hào)通過標(biāo)準(zhǔn)電纜傳輸?shù)剿矐B(tài)

33、光譜信號(hào)采集系統(tǒng),經(jīng)D觸發(fā)器CD4538處理后傳輸給CPLD,作為門控延時(shí)的觸發(fā)信號(hào)之一。1.5分光系統(tǒng)的選擇 圖 1.8 分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖1.8為分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。激光等離子體瞬態(tài)光譜經(jīng)透鏡L聚焦后,進(jìn)入分光系統(tǒng),經(jīng)入射狹縫濾波后,由凹面光柵分光反射后,經(jīng)過出射狹縫,左后被光電倍增管吸收,把不同譜線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同強(qiáng)度的電流信號(hào)。1.5.1 光柵反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽,一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng),光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對(duì)某波長,在大多數(shù)方向消失,只在一定的有限方向出現(xiàn),這些方向確定了衍射級(jí)次。如圖所

34、示,光柵刻槽垂直輻射入射平面,輻射與光柵法線入射角為,衍射角為,衍射級(jí)次為 m,d 為刻槽間距,在下述條件下得到干涉的極大值:m=d(sin+sin1.5.2 閃耀波長閃耀波長為光柵最大衍射效率點(diǎn),因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)際需要波長附近。如實(shí)際應(yīng)用在可見光范圍,可選擇閃耀波長為 500 nm。1.5.3 光柵刻線光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率,刻線多,光譜分辨率高,刻線少,光譜覆蓋范圍寬,兩者要根據(jù)最終儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果靈活選擇。 圖 1.9 鋸齒形光柵圖 1.10 Paschen-Runge裝置1.6 樣品室真空系統(tǒng)的選擇 圖1.11 樣品室真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖1.11為樣品室真空系

35、統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖為了保證分析樣品時(shí),良好的工作環(huán)境,本課題經(jīng)調(diào)研,決定設(shè)置一種樣品室裝置,當(dāng)儀器工作時(shí),通過電氣接口的控制,保證儀器工作時(shí),有實(shí)驗(yàn)需要的工作環(huán)境。同時(shí),為了矯正取光角度及激光在樣品表面聚焦位置的需要,設(shè)計(jì)一個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái),承載樣品做三維運(yùn)動(dòng),通過控制三維移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),達(dá)到調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的目的。2 激光光譜原位分析儀的研制2.1 本項(xiàng)目用固體激光器本研究用的固體激光器為氙燈泵浦的固體激光器,所選用的固體激光器為Continuum 公司的SuliteIII型固體激光器。2.1.1所選用的固體激光器的技術(shù)特點(diǎn)本課題所使用的是氙燈泵浦電光晶體調(diào)Q固體激光器。此激光器工作原理:YAG晶體在氙

36、燈的光泵下發(fā)射自然光,通過偏振棱鏡后,變成沿x方向的線偏振光,若調(diào)制晶體上未加電壓,光沿光軸通過晶體,其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化,經(jīng)全反射鏡反射后,再次(無變化的通過調(diào)制晶體和偏振棱鏡,電光Q開關(guān)處于“打開”狀態(tài)。如果在調(diào)制晶體上施加電壓,由于縱向電光效應(yīng),當(dāng)沿x方向的線偏振光通過晶體后,經(jīng)全反鏡反射回來,再次經(jīng)過調(diào)制晶體,偏振面相對(duì)于入射光偏轉(zhuǎn)了90°,偏振光不能再通過偏振棱鏡,Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。如果在氙燈剛開始點(diǎn)燃時(shí),事先再調(diào)制晶體上所加電壓,使諧振腔處于“關(guān)閉”的低Q狀態(tài),阻斷激光振蕩形成。待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí),突然撤去晶體上的電壓,使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)

37、,產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩,就可輸出一個(gè)巨脈沖。整個(gè)激光器由激光器泵浦源和激光器諧振腔組成。 圖 2.1 激光器泵浦源實(shí)物圖 圖 2.2 激光器泵浦源實(shí)物圖本儀器的激光光源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):1. 采用簡單而高效的單振蕩器設(shè)計(jì)。為了保證高光束質(zhì)量,在激光器的設(shè)計(jì)中引入高斯鏡結(jié)構(gòu),高斯鏡耦合輸出諧振腔使得在最大能量輸出情況下也有滿意的輸出模式。2. 激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高:獨(dú)特的單棒設(shè)計(jì)、專有的 Q 開關(guān)技術(shù)和漫反射聚光腔技術(shù)保證了高效率。3. 使用方便:激光器采用了全封閉式的內(nèi)循環(huán)水冷系統(tǒng),外循環(huán)采用風(fēng)冷技術(shù),避免了外接冷卻水的麻煩。其主要技術(shù)特點(diǎn)如表2.1所示表 2.1 激光器主要技術(shù)特色及好處

38、本課題所用激光器主要裝置參數(shù)激光器: Nd-YAG激光器;激光器波長:1064nm;激光頻率:120Hz;激光脈沖寬度為10ns;激光輸出能量:90600mJ;2.1.2 固體激光器操作流程和時(shí)序激光器是精密儀器,正確的開關(guān)機(jī)順序?qū)ΡＷC激光器穩(wěn)定工作及壽命都起到至關(guān)重要的作用。激光器的開機(jī)操作都在前面板上,如圖2.3所示。 圖 2.3 激光器操作面板圖開機(jī)順序是先把面板左上角總電源開關(guān)扳起,等待5秒鐘后待LED面板出現(xiàn)“OFF”字樣,再把儀器右上角的鑰匙逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°,等待5秒鐘之后,LED顯示屏可以顯示出“Son”字樣,這表示儀器的串口控制功能已經(jīng)打開。但此時(shí)打開激光OPA的軟

39、件打開后,依然不能出射激光,原因是激光器設(shè)置了一段預(yù)熱時(shí)間20分鐘,20分鐘之后,激光器預(yù)熱完畢,便可完全開啟激光器。關(guān)機(jī)順序和開機(jī)順序正好相反。先關(guān)閉上位機(jī)OPA軟件。然后把激光器右上角的鑰匙順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度,然后再把左上角的電源開關(guān)扳下來即可。2.2 激光原位分析儀分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2.1 分光系統(tǒng)的工作原理本儀器的分光系統(tǒng)由入射狹縫、單色計(jì)和出射狹縫組成,其作用是把不同的輻射能(復(fù)合光進(jìn)行色散變成單色光,并按波長順序進(jìn)行空間排列,以獲取不同元素的光譜。入射狹縫和出射狹縫分別處于單色計(jì)的兩側(cè)。入射狹縫的寬度為(2030m,出射狹縫的寬度為(5080m,出射狹縫的狹縫個(gè)數(shù)n為355個(gè),可以形

40、 355個(gè)線狀譜線通道。同時(shí)分析樣品中的多個(gè)元素。單色計(jì)采用凹面光柵、帕邢-龍格(Paschen-Runge裝置。整個(gè)分光系統(tǒng)處于恒溫控制狀態(tài)之下。2.2.2 光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)光柵焦距:750 mm高發(fā)光全息光柵,刻線為2400 條/mm或 3600 條/mm譜線范圍:120800 mm色散率 (Dispersion一級(jí)色散率:0.55 nm/mm二級(jí)色散率:0.275 nm/mm分辨率:優(yōu)于 0.01 nm最多可檢測通道:55 個(gè) 240 條可選譜線恒溫控制系統(tǒng)(THERMOREGULATION光室和電子單元配有恒溫系統(tǒng)溫度波動(dòng)控制在±0.5 系統(tǒng)避免了溫度波動(dòng)對(duì)儀器穩(wěn)定性的影響

41、2.2.3 出射狹縫出射狹縫是原位分析儀中分光系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)之間相銜接的裝置,常用的有單體式和整體式兩種。本儀器采用整體式,出射狹縫板由三段組合而成,在各段狹縫板上,將絕大部分需要分析的元素譜線都刻制上,暫時(shí)不需要可以遮上,將來可以靈活調(diào)整。 圖 2.4 整體式出射狹縫2.2.4 真空系統(tǒng)由于 C、P、S 等元素的靈敏線位于 200 納米以下,處于真空紫外區(qū),例如 C 193.09nm, P 177.49nm,S 180.73nm,在此波段內(nèi)由于空氣中的氧對(duì)輻射有強(qiáng)烈的吸收。因此,必須將分光系統(tǒng)置于真空環(huán)境下。 圖 2.5 光室2.3 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理信號(hào)高速采集系統(tǒng)由光電倍增管、副高壓板、

42、積分放大板和高速采集板(A/D 板組成,其作用是將分光系統(tǒng)產(chǎn)生的分析元素的譜線光強(qiáng)信號(hào),通過光電轉(zhuǎn)換組件轉(zhuǎn)化為光電流信號(hào),然后經(jīng)過積分放大系統(tǒng)、高速 A/D 轉(zhuǎn)換,以數(shù)字方式存儲(chǔ)。相對(duì)于分光系統(tǒng)中出射狹縫的狹縫個(gè)數(shù)n,對(duì)應(yīng)的也有n組高速采集通道。每一組采集系統(tǒng)中光電倍增管、放大板和高速采集板均通過導(dǎo)線串聯(lián),各組之間則相互并聯(lián),而高壓板則通過導(dǎo)線與每一組中的光電倍增管相通。信號(hào)高速采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6所示。 圖 2.6 高速信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖光電轉(zhuǎn)換組件主要是利用光電效應(yīng)將不同波長的輻射能轉(zhuǎn)化為光電流信號(hào)。常用的有光電倍增管和固體成像器件。本儀器采用光電倍增管,主要考慮到鋼鐵材料中許多

43、重要元素(C、P、S 等處于真空紫外區(qū),在此波段光電倍增管的靈敏度遠(yuǎn)于 CCD 等固體檢測器。在本儀器中,分光系統(tǒng)產(chǎn)生的譜線強(qiáng)度的信號(hào),通過光電倍增管轉(zhuǎn)化成光電流的信號(hào),光電流向積分器充電,然后放大電路將微弱光電流信號(hào)實(shí)時(shí)放大后,經(jīng)高速采集板采樣,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)流程為光電倍增管放大板A/D。 圖 2.7 積分放大板在儀器中的安裝實(shí)物圖2.3.1 光電倍增管信號(hào)的直接放大由于光電倍增管的信號(hào)只有A級(jí),直接的信號(hào)采集比較困難,因此,必須先將它放大到 V 級(jí)。2.3.2 瞬態(tài)信號(hào)采集中的門控技術(shù)由激光激發(fā)物體表面形成等離子體瞬間,背景噪聲比較大,為了提高儀器分析的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,采用

44、了門控時(shí)間技術(shù)。圖2.8為信號(hào)采集流程示意圖。 圖 2.8 瞬態(tài)信號(hào)采集流程示意圖積分延時(shí)時(shí)間可以通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置,門控參數(shù)在 320s內(nèi)可調(diào)。2.3.3 數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換光電流信號(hào)經(jīng)過放大后就可以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的要求了。由于激光激發(fā)的等離子體持續(xù)時(shí)間比較短,通常在幾微秒到幾十微秒。本儀器采用的是PCI 2002 A/D板。該板卡是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡,可直接插在工控計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一 PCI插槽中,用于數(shù)據(jù)采集、波形的分析和處理。 PCI 2002 板上裝有16 Bit 分辨率的 A/D轉(zhuǎn)換器,提供了16 雙/32單的仿真輸入通道。輸入信號(hào)幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調(diào)整到合

45、適的范圍,保證最佳轉(zhuǎn)換精度。下面對(duì)PCI 2002板卡進(jìn)行詳細(xì)的說明。PCI2002 板卡的基本性能參數(shù)仿真輸入通道:32 路單端輸入模擬輸入電壓范圍:±10 V模擬輸入阻抗:100 MA/D 分辨率:16 位動(dòng)態(tài)范圍,有效分辨率:13.5 位系統(tǒng)精度:0.05 %(滿量程,增益為1多信道時(shí)每信道采樣速率:200K/通道數(shù)量轉(zhuǎn)換時(shí)間:5 sA/D 采集支持外觸發(fā)計(jì)算器:8254A/D 采樣通過率:200 K Hz 圖 2.9 板卡實(shí)物圖2.4 信號(hào)分析系統(tǒng)激光原位單次放電數(shù)字解析系統(tǒng)由控制機(jī)、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)組成;三者通過導(dǎo)線相連。為了提高程序的運(yùn)行效率,本儀器的控制軟件采用的是 C+

46、 Builder語言編制的Metal Lab 程序。整個(gè)軟件分為以下幾個(gè)模塊:平臺(tái)移動(dòng)控制模塊、位置檢測模塊、同步監(jiān)測模塊、光譜信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊、分析結(jié)果數(shù)據(jù)處理模塊和圖形顯示模塊。如下圖即為激光誘導(dǎo)燒蝕光譜分析儀 LIBSOPA-100 的控制框圖。 圖 2.10 原位分析系統(tǒng)控制空?qǐng)D2.5 激光外圍光路 圖 2.11 激光外圍光路系統(tǒng)圖 2.11為激光外圍光路示意圖。經(jīng)激光器輸出的激光光束束腰寬度較寬,并且波前能量呈現(xiàn)高斯分布。為了更好實(shí)現(xiàn)激光在樣品表面均勻聚焦的功能,設(shè)計(jì)了如下的光路。由激光諧振腔發(fā)出的激光波束,經(jīng)過激光衰減器衰減后,再通過光斑尺寸調(diào)控器和勻束器,經(jīng)過反射鏡反射后,再經(jīng)過

47、專門設(shè)計(jì)的聚焦透鏡,最后激光束可以在樣品表面聚焦成需要的斑點(diǎn)大小。2.6 樣品室真空裝置樣品室內(nèi)放置位移平臺(tái),樣品架等。樣品室真空系統(tǒng)主要由機(jī)械泵,開關(guān)閥,控制系統(tǒng)組成。開始抽真空系統(tǒng)總體控制流程。為了確保樣品室氣氛的純凈,程序設(shè)置的是先將樣品室的氣壓從大氣壓抽到一個(gè)比較低的氣壓,例如 500Pa 左右,然后在不停止抽氣的同時(shí),打開進(jìn)氬氣的閥門,使樣品室內(nèi)的樣品處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡過程中。儀器工作過程中,通過調(diào)節(jié)氣路面板上的壓力調(diào)節(jié)閥來改變樣品室的氣壓, 圖 2.12 氣壓控制流程圖 2.13 樣品室氣壓控制裝置實(shí)物圖2.7 連續(xù)激發(fā)同步掃描定位系統(tǒng)激光誘導(dǎo)燒蝕光譜分析儀 LIBSOPA-100

48、 采用連續(xù)激發(fā)同步掃描定位系統(tǒng),不但可以像傳統(tǒng)的激光光譜那樣分析樣品表面的固定位置,而且可以使樣品表面與激光激發(fā)斑點(diǎn)做相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)樣品的成分分部分析、缺陷分析和深度分析。該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)激發(fā)、同步掃描,是一種可編程的自動(dòng)化機(jī)械裝置,它由底部支架、升降臺(tái)、X 軸導(dǎo)軌、Y 軸導(dǎo)軌、樣品架,樣品夾底座,步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。底部支座固定在樣品室內(nèi)部底端,上面一次連接升降臺(tái),X 軸導(dǎo)軌、Y 軸導(dǎo)軌,均分別用螺絲擰緊固定。在導(dǎo)軌上面放置樣品架及樣品架底座。X 軸導(dǎo)軌和 Y 軸導(dǎo)軌疊放在一起,形成九十度直角。系統(tǒng)的主要功能如下:直線、圓弧插補(bǔ)功能參考點(diǎn)返回、坐標(biāo)系設(shè)定功能限位保護(hù)功能自

49、動(dòng)加減速功能程序的存儲(chǔ)和編輯功能圖像顯示功能系統(tǒng)參數(shù)指針:1機(jī)構(gòu)形式:平面直角坐標(biāo)形式 2. 軸數(shù):三軸聯(lián)動(dòng) 3. 行程:X 軸85 mm,Y 軸 85 mm,Z軸 50 mm4.數(shù)控步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 5. 機(jī)械定位精度:0.01 mm 6. 工件最大重量:12 kg7. 工件尺寸:直徑60 mm。 圖 4.14 原位分析儀掃描裝置實(shí)物圖樣品夾具被設(shè)計(jì)成活動(dòng)關(guān)節(jié)式。除了可以夾持常規(guī)的圓形和方形樣品外,也可以牢固地夾持不規(guī)則樣品。夾持樣品尺寸可在(1060mm之間調(diào)節(jié),可以滿足絕大多數(shù)薄板樣品的分析。該裝置和光譜儀控制計(jì)算機(jī)聯(lián)合使用,具有較大的靈活性。在信號(hào)分析系統(tǒng)中,工控機(jī)通過電纜發(fā)出運(yùn)動(dòng)命令,控

50、制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)框架在選定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描,運(yùn)動(dòng)范圍和軌跡可根據(jù)分析任務(wù)隨時(shí)調(diào)整,能夠?qū)崟r(shí)記錄激光等離子體激發(fā)的準(zhǔn)確位置。樣品的移動(dòng)速度可以達(dá)到(0.11mm/sec,可以進(jìn)行連續(xù)激發(fā)和同步掃描,得到樣品最原始狀態(tài)的性能參數(shù)。2.8 激光器諧振腔、分光系統(tǒng)、激光器外圍光路、樣品室真空系統(tǒng)的連接及工作過程 圖 2.15 儀器狀體結(jié)構(gòu)示意圖整個(gè)儀器啟動(dòng)以后,閉合樣品室門,對(duì)樣品室輸入抽氣命令,角閥(11開啟,真空泵(22開始對(duì)樣品室進(jìn)行抽真空,當(dāng)樣品室氣壓下降到一定氣壓值以下后,開關(guān)閥(12開啟,高純氬氣從鋼瓶中經(jīng)過減壓閥(20流入樣品室(10內(nèi)。經(jīng)過一段時(shí)間便可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,使樣品室(10內(nèi)氣壓穩(wěn)定

51、在一個(gè)定值上,樣品室內(nèi)最終氣壓大小可以通過調(diào)節(jié)減壓閥(20進(jìn)行改變。由上位機(jī)(19發(fā)出實(shí)施分析的指令后,激光器(1產(chǎn)生高能激光脈沖光束,此光束經(jīng)過衰減器(2衰減后得到適于實(shí)驗(yàn)的能量,然后此激光脈沖經(jīng)過由擴(kuò)束器鏡片I(3和擴(kuò)束器鏡片II(4組成的擴(kuò)束器,進(jìn)一步壓縮發(fā)散角,使激光光束更加近似于平行光。高能激光反射鏡片(6與水平面呈一定角度放置,這樣,水平方向入射的激光光束經(jīng)過反射鏡反射后,垂直向下進(jìn)入激光聚焦透鏡(7,最后在樣品表面附近形成超高能量密度的激光光斑。分光系統(tǒng)由濾波片(25、光纖(24、入射狹縫(13、光柵(14和出射狹縫(27組成,其作用是把不同的輻射能(復(fù)合光進(jìn)行色散變成單色光。不

52、同單色光通過光電倍增管陣列(16由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。整個(gè)分光系統(tǒng)放置在光室(15內(nèi),光室通過真空泵(26進(jìn)行抽真空。光電倍增管陣列(16通過光電倍增管管座放置在樣品室上。從入射狹縫(13進(jìn)入的復(fù)合光一少部分經(jīng)過光纖耦合傳輸至濾波片(25,經(jīng)濾波片濾波后,變成特定波長的單色光。由光電倍增管陣列產(chǎn)生的光電信號(hào)通過導(dǎo)線連接到高速信號(hào)采集裝置(17。高速信號(hào)采集裝置(17對(duì)初始電信號(hào)進(jìn)行積分放大,AD轉(zhuǎn)換,得到可存儲(chǔ)的數(shù)字信息。相對(duì)于分光系統(tǒng)出射狹縫(27的狹縫個(gè)數(shù)n,對(duì)應(yīng)的也有n組高速采集通道。每一組采集系統(tǒng)中光電倍增管、放大板和高速采集板均通過導(dǎo)線串聯(lián),各組之間則相互并聯(lián)。由高速信號(hào)采集裝置(1

53、7產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)列經(jīng)過導(dǎo)線(18傳送至19上位機(jī),由上位機(jī)進(jìn)行最終解析處理。局部微觀攝像頭(5固定在高能激光反射鏡(6正上方,樣品表面全景攝像頭(8在激光聚焦透鏡(7下方,激光光路一側(cè)。攝像頭采集到的視頻信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線(18傳輸?shù)缴衔粰C(jī),由上位機(jī)視頻轉(zhuǎn)換裝置處理后,最終形成樣品表面清晰圖像。3建立高性能結(jié)構(gòu)材料中各元素成分的激光原位分析新方法體系3.1 大尺度范圍內(nèi)(cm2級(jí)掃描分析研究采用激光剝蝕誘導(dǎo)擊穿光譜作為定量分析的主體手段,將激光在樣品表面耦合直接產(chǎn)生的等離子體發(fā)射譜線色散成設(shè)定波長的線狀光譜;對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行高速積分采集,獲得隨激發(fā)時(shí)間變化的時(shí)間分辨光譜,同時(shí)實(shí)時(shí)記錄激光掃描軌跡,將同時(shí)獲

54、得與材料非平面表面激發(fā)點(diǎn)的精確位置坐標(biāo)(x,y,z逐點(diǎn)對(duì)應(yīng)各元素的信號(hào)(含量。3.1.1 激光光譜二維掃描分析技術(shù)研究;1材料表面二維投影z坐標(biāo)等高圖材料表面上激發(fā)同步定位每個(gè)點(diǎn)的位置信息,在預(yù)設(shè)橫截面的二維投影圖(x,y上,z坐標(biāo)(表面每個(gè)點(diǎn)與預(yù)設(shè)橫截面的垂直深度距離以等高線或灰度標(biāo)識(shí),形成材料表面二維投影z坐標(biāo)等高圖,實(shí)現(xiàn)表面任一位置的坐標(biāo)x,y,z空間定位;2材料表面單元素分布二維投影z坐標(biāo)-含量等高圖通過在x-y-z三維改變樣品和激發(fā)光源的相對(duì)位置,并同步獲得的每一位置某一元素的含量(信號(hào)信息,在二維投影z坐標(biāo)等高圖上,以含量等高圖方式按不同色標(biāo)表征,形成的材料表面二維投影的z坐標(biāo)-含

55、量等高圖,可提取該元素分布的位置-含量的信息,即任意位置的坐標(biāo)(x,y,z所對(duì)應(yīng)的該元素(A含量,可用 C A(x,y,z表征;3材料表面多元素分布二維投影z坐標(biāo)-含量等高圖材料表面上每個(gè)點(diǎn),在預(yù)設(shè)橫截面的二維投影z坐標(biāo)等高圖上,z坐標(biāo)用灰度標(biāo)識(shí),實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)x,y,z定位;將材料表面每個(gè)元素分布的二維投影z坐標(biāo)-含量等高圖信息,逐點(diǎn)準(zhǔn)確疊合在對(duì)應(yīng)的材料表面解析部位z坐標(biāo)等高圖上,形成多元素分布二維投影z坐標(biāo)-含量等高圖,可提取多元素分布的位置-含量的信息,獲得每一位置(x,y,z坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的多個(gè)元素(A,B,C,含量;可用(C A,C B,C C,(x,y,z表征。3.1.2 激光光譜三維掃描分

56、析技術(shù)研究1材料表面三維形貌等高圖材料表面上激發(fā)同步定位每個(gè)點(diǎn)的位置信息,在其三維形貌等高圖上,z 坐標(biāo)以灰度直觀標(biāo)識(shí),實(shí)現(xiàn)表面任一位置的坐標(biāo)x,y,z空間定位;2材料表面單元素分布三維形貌z坐標(biāo)-含量等高圖在三維形貌等高圖上,對(duì)于某一元素的分布再以含量等高圖方式按不同色標(biāo)標(biāo)識(shí),形成的材料表面三維形貌z坐標(biāo)-含量等高圖,可提取該元素分布的位置-含量的信息,即任意位置的坐標(biāo)(x,y,z所對(duì)應(yīng)的該元素(A含量,可用 C A(x,y,z表征;3材料表面多元素分布三維形貌z坐標(biāo)-含量等高圖將材料表面每個(gè)元素分布三維形貌z坐標(biāo)-含量等高圖所有信息,逐點(diǎn)準(zhǔn)確疊合在對(duì)應(yīng)的在材料表面解析部位三維形貌等高圖上,

57、形成多元素分布三維形貌z坐標(biāo)-含量等高圖,可提取多元素分布的位置-含量的信息,獲得每一位置(x,y,z坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的多個(gè)元素(A,B,C,含量;可用(C A,C B,C C,(x,y,z表征。3.1.3 激光光譜逐點(diǎn)掃描分析和連續(xù)掃描分析技術(shù)研究;激光光譜逐點(diǎn)掃描分析和連續(xù)掃描分析技術(shù)都是采用三維移動(dòng)平臺(tái)精確定位技術(shù)復(fù)合激光剝蝕誘導(dǎo)擊穿光譜作為定量分析的主體手段,以更直觀、實(shí)時(shí)顯示各成分原位統(tǒng)計(jì)分布信息。其基本技術(shù)原理是激光聚焦于樣品表面附近,誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體;在激發(fā)過程中,樣品夾持在連續(xù)激發(fā)同步掃描定位系統(tǒng)(一種可編程的自動(dòng)化掃描平臺(tái)裝置上,同時(shí)通過檢測器實(shí)時(shí)記錄單次采集的位置,確定一個(gè)定位的相對(duì)零點(diǎn);相對(duì)光源,使樣品與光源之間能在XYZ軸三個(gè)方向上作相對(duì)運(yùn)動(dòng),或進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng),移動(dòng)速度為0.1 1mm/sec,通過在Z軸上