等离子体光谱检测方案
等离子体常被视为除去固、液、气外,物质存在的第四态,是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。
等离子体的形成通常认为有三种电离方式:
(1)   光电离   激光的单光子能量大于介质原子的电离能时,可发生单光子吸收电离,一般发生于激光的波长较短的情况下。若原子的电离势达到光子能量的数倍时,可发生多光子吸收效应而电离,即原子和分子吸收两个或两个以上的光子而电离。
(2)   热电离   在高温的情况下,原子的热运动速率很大,携带很高的能量,这样原子间相互碰撞,使原子的外层电子能够脱离核的束缚而电离。
(3)   碰撞电离   带电粒子在激光电场下加速获得能量,与其它原子发生碰撞,若原子中的电子获得足够多的能量脱离原子的束缚,发生电离,随着带电粒子的增多,最终发生雪崩电离,物质被击穿,形成致密等离子体。

         LIBS           等离子体

激光诱导击穿光谱法(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)简称为LIBS,是一种最为常用的激光烧蚀光谱分析技术。激光经透镜聚焦在气态、液态或固态样品上,当激光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时,就会在局部产生等离子体,称为激光诱导等离子体。用光谱仪直接收集样品表面等离子体的发射谱线信号,从理论上可以根据发射光谱的强度进行定量分析。
激光诱导等离子体光谱技术在近30年内取得长足发展,成为原子光谱分析阵营中的一颗明星,已被广泛地应用到多个领域,如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等,并且开发出了许多基于LIBS技术的小型化在线检测系统。
应用实例
美国国家航空和航天管理局(NASA)火星科学实验室于2011年11月26日在佛罗里达州卡纳维尔角发射了“好奇号火星探测车”,其中三台定制的HR2000光谱仪是该探测车上ChemCam仪器的一部分。ChemCam仪器天线杆组件上安装的激光器可对9米之外的目标开火,产生一系列的激光脉冲,光谱仪用于检测分析激光激发火星岩石和土壤产生的等离子体光谱。

  好奇号火星探测器车HR2000

 针对等离子体光谱检测,我们提供以下几种解决方案:
一.  LIBS2500+激光诱导击穿光谱系统 
该配置方案主要包含四个部件:光谱仪、激光器、光纤束及样品室等。      
1. 光谱仪及光纤束
LIBS2500+光谱仪使用七个线阵CCD探测器实现200-980nm带宽的分析。所有光谱仪将同时触发获取数据。探测器可以方便地通过USB接口连接到电脑上。为了降低成本,您可以使用小于七个探测器通道的系统,不过元素分析的范围也会相应变小。

LIBS2500

 

名称
描述
光纤束
LIBS2500-1PLUS
1通道LIBS系统,从A-G选择1个通道
根据波长范围选择QP系列光纤
LIBS2500-2PLUS
2通道LIBS系统,从A-G选择2个通道
根据波长范围选择BIF系列光纤
LIBS2500-3PLUS
3通道LIBS系统,从A-G选择3个通道
LIBS-BUN-3
LIBS2500-4PLUS
4通道LIBS系统,从A-G选择4个通道
LIBS-BUN-4
LIBS2500-5PLUS
5通道LIBS系统,从A-G选择5个通道
LIBS-BUN-5
LIBS2500-6PLUS
6通道LIBS系统,从A-G选择6个通道
LIBS-BUN-6
LIBS2500-7PLUS
7通道LIBS系统,包括所有A-G通道
LIBS-BUN-7
LIBS2500+光谱仪通道
LIBS组成
描述(波长范围)
分辨率
LIBS-CH-A
200-305nm
0.074nm
LIBS-CH-B
295-400nm
0.07nm
LIBS-CH-C
390-525nm
0.0923nm
LIBS-CH-D
520-635nm
0.074nm
LIBS-CH-E
625-735nm
0.070nm
LIBS-CH-F
725-820nm
0.067nm
LIBS-CH-G
800-980nm
0.126nm

2. 激光器
LIBS2500+的激光器可选进口Big Sky的产品或国产激光器。激光融化和等离子体的形成对不同样品都是非常独特的,因此对于不同的样品有不同的能量要求,在多数应用上我们采用Q开关的1064nm Nd:YAG激光器,同时也可提供532nm、355nm、266nm波长的激光器。根据不同的应用环境,激光器还可以配置为飞秒或双脉冲类型,以实现更好的等离子体激发效果。
3. 样品室
样品室是LIBS系统的重要部件,可以安全地对样品提供清晰视野的情况下进行各种操作,样品室有一个安全锁装置使得打开门时激光不会开启,还可以进行XYZ方向上的手动调整。
二. HR2000+模块化光谱仪
HR2000+有15款光栅及5μm,10μm至200μm宽度狭缝可选,可实现200-1000nm波段配置或者根据用户要求选配窄波段范围。搭配QP系列光纤及74或84系列准直镜实现等离子体光谱采集。

HR2000+

物理特性
 
尺寸
148.6 x 104.8x 45.1mm
重量
570g
探测器
 
探测器
线性阵列CCD
像元
2048像元
灵敏度
400nm: 75光子/计数值;600nm: 41光子/计数值
光学平台
 
设计
f/4,交叉Czerny-Turner光路
焦距
101.6nm输入和输出
光谱特性
 
波长范围
200-1100nm(由所选光栅决定)
信噪比
250:1
三. PlasCalc等离子监测控制仪
Plascalc等离子体监测控制仪,可以实现200-1100nm波段内的等离子体测量,通过高级过程控制系统及精密数据存取算法,可以快速获得测量结果。

Plascalc应用

光谱范围
200-1100nm
光学分辨率
1.0nm (FWHM)
D/A转换
14bit
数字I/O
8×TTL
模拟输出
4×[0-10V]
电源
90-240VAC 50/60 Hz
功耗
12 VDC@1.25A
三. 典型应用
LIBS的典型应用
* 环境领域: LIBS可实现实时快速分析土壤中的Cr、Cu、Fe、 Mn、Ni、Pb和Zn等7种重金属元素
* 宝石学:表面铍扩散后的蓝宝石、红宝石分析
* 冶金领域:液钢分析;炉渣分析和材料筛选
* 煤粉检测
* 古玩真伪鉴定
等离子体光谱检测典型应用
* 大气辉光放电(APGD)等离子体特性研究
* 薄膜微加工检测
* 等离子终点刻蚀