专利名称：基于超短高重复率激光脉冲实现铁合金微量元素检测方法
技术领域：
本发明涉及一种铁合金中的微量元素检测方法，特别涉及一种基于超短高重复率
激光脉冲实现铁合金微量元素的检测方法，该方法是以激光进行诱导非接触式实时检测， 将其用于对铁合金成分检测，尤其是微量元素铝、锰、钴、钼和钛的检测，能对整个铁合金冶 炼过程进行精确的控制，提高铁合金质量，可满足大型铁合金企业高速化、连续化、自动化、 节能化生产要求。
背景技术：
铁合金中微量元素含量影响到材料本身的机械性能、工艺性能和物理化学性能。 目前的铁合金微量元素分析方法有光电直读光谱法、射线荧光法、电感耦合等离子体原子 发射光谱法和火焰原子吸收光谱法等。这些方法需要倾炉后从铁水中取样，等待样品冷却， 碾碎，磨细样品，对样品表面进行处理，送到实验室里进行检测，消耗大量时间，无法实现有 效的在线测量。 现有的方法对影响等离子体特性的相关参数及其影响规律进行了试验分析，大多 在脉冲激光的脉宽和形状、激光波长、激光能量、测量物质的化学特性和物理特性等方面进 行了研究，但是对于含量小于100ug/g的微量元素却没有好的测量方法，特别是在高质量 合金钢微量元素的定量分析上，缺乏有效的检测手段。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于超短高重复率激光脉冲实现铁合金微量元素检测 方法，该方法是以激光进行诱导非接触式实时检测，将其用于对铁合金成分检测，尤其是微 量元素铝、锰、钴、钼和钛的检测，能对整个铁合金冶炼过程进行精确的控制，提高铁合金质 量，可满足大型铁合金企业高速化、连续化、自动化、节能化生产要求。
本发明的微量元素检测原理是 所说的超短激光脉冲是指"飞秒级"或"皮秒级"的短脉冲。采用超短高重复率激 光脉冲方法对铁合金中的微量元素进行检测，它是一种典型的原子发射光谱。分析对象在 强激光脉冲作用下，激光的聚焦区内的原子、分子等经多光子电离，产生初始的自由电子， 随着聚焦激光能量密度的增强，原子继续吸收光子而电离，产生大量的初始电子。当激光功 率足够强，脉冲持续时间足够长，自由电子在激光的作用下加速。当电子有足够的能量去轰 击原子时，原子电离产生新的电子，而这些电子在高能区被加速后，又会继续撞击其他的原 子导致原子继续电离，最终形成雪崩效应，从而在很短的时间内使发生电离的原子迅速倍 增，最终产生由大量的自由电子和离子组成、且在整体上表现为近似电中性的等离子体。
在激光脉冲作用结束之后，所形成的等离子体伴随着温度的降低不断膨胀。在冷 却过程中，处于激发态的原子与离子发生向低能级或基态的跃迁，同时发射出特定频率的 光子，产生特征谱线，其频率和强度分布代表了分析对象所包含的元素种类和浓度信息。
由于各种微量元素原子结构的不同，在激光的激发下，都可以产生系列特定波长的发射光谱，其波长是由每种元素的原子或离子性质所决定的，因此如果检测到某种元素的特征谱线，即可以定性判断激发样品内存在该元素。 超短高重复率激光脉冲分析方法的依据与其他原子光谱定量分析的依据相同，均是根据出现的分析元素的谱线强度信息来推导其对应的浓度含量。也就是说可以通过激发手段的变革来提高元素的可检测门限。 根据对激光脉冲能量组成的研究，使用一系列激光脉冲来烧蚀物质以激发更多等离子体，前面脉冲烧蚀产生等离子体，后续脉冲则加热等离子体，能够提高最低检测门限。
超短高重复率激光脉冲既可以用一个激光器来产生，也可以使用多个不同的激光器。在后一种情况中，相对激光脉冲的布置与间隔对等离子体的几何特性、能量和寿命更具适应性。但是，只用一个激光器可使系统紧凑，避免了两个脉冲列布置干扰的问题，重复性较好。如果将紫外脉冲和红外脉冲联用，前者可增强样品烧蚀效率，后者可达到最佳加热效率。多脉冲之间的间隔时间选取、各脉冲的能量分配以及波长选择对于检测的优化具有重要的影响。 短脉冲飞秒级或皮秒级可导致更高的质量烧蚀速率，因为在样品激发膨胀过程中降低的热量比在级脉冲中降低的热量要少，使得部分脉冲能量丢失较少，并且可以较好的避免等离子体屏蔽效应以及样品不同成分的分馏效应影响，对于降低分析的基体效应干扰、提高测量分析的浓度探测限也具有一定效果。 本发明之方法是利用激光器向被测铁合金发射超短高重复率激光脉冲，激光脉
冲对被测铁合金进行烧蚀并产生等离子体，等离子体产生发射光谱，光谱经过光导纤维传
输到ICCD中，并由分析处理器进行微量元素的光谱分析，测定微量元素的含量。 所述的激光器可以是二只，一只激光器发射紫外激光脉冲，另外一只激光器发射
红外激光脉冲，二只激光器的发射采用时间同步器进行时统控制，紫外激光脉冲对被测铁
合金进行烧蚀并产生等离子体，红外激光脉冲对等离子体进行加热。 本发明的有益效果是 1、具有实时性、快速性； 2、消耗的样品数量在纳克到毫克范围，基本上不破坏样品； 3、由于脉冲激光器发出的光经透镜可在远处聚焦产生等离子体，故可用于远距离、非接触式分析样品； 4、基本上对样品无需处理或直接由高功率激光本身对样品表面进行烧蚀处理。
5、本发明可以对含量小于100ug/g的微量元素进行检测。


图1是本发明第一实施例的结构及原理示意图。
图2是本发明第二实施例的结构及原理示意图。
具体实施例方式
请参阅图l所示，为本发明的第一实施例，该实施例是利用一只激光器l通过光学系统2向炼钢炉3中的被测钢液4发射超短高重复率激光脉冲光束，激光脉冲对被测钢液4进行烧蚀并产生等离子体，等离子体产生发射光谱，光谱经过光导纤维传输到ICCD5中，ICCD5与分析处理器6连接，由分析处理器6进行微量元素的光谱分析，测定微量元素的含 请参阅图2所示，为本发明的第二实施例，该实施例是利用二只激光器1、7通过光学系统2向炼钢炉3中的被测钢液4发射超短高重复率激光脉冲， 一只激光器1发射紫外激光脉冲，另外一只激光器7发射红外激光脉冲，二只激光器1、7的发射采用时间同步器8进行时统控制，紫外激光脉冲对被测钢液4进行烧蚀并产生等离子体，红外激光脉冲对等离子体进行加热，等离子体产生发射光谱，光谱经过光导纤维传输到ICCD5中，ICCD5与分析处理器6连接，分析处理器6控制时间同步器8，由分析处理器6进行微量元素的光谱分析，测定微量元素的含量。 所用的激光器1和激光器7为Nd: YAG调Q固体激光器 在二个实施例中，被测样品是炼钢炉中的钢液。也可以是固态金属。
权利要求
一种基于超短高重复率激光脉冲实现铁合金微量元素的检测方法，该方法是利用激光器向被测铁合金发射超短高重复率激光脉冲，激光脉冲对被测铁合金进行烧蚀并产生等离子体，等离子体产生发射光谱，光谱经过光导纤维传输到ICCD中，并由分析处理器进行微量元素的光谱分析，测定微量元素的含量。
2. 根据权利要求1所述的一种基于超短高重复率激光脉冲实现铁合金微量元素的检 测方法，其特征在于所述的激光器是二只，一只激光器发射紫外激光脉冲，另外一只激光 器发射红外激光脉冲，二只激光器的发射采用时间同步器进行时统控制，紫外激光脉冲对 被测铁合金进行烧蚀并产生等离子体，红外激光脉冲对等离子体进行加热。
全文摘要
本发明公开了一种基于超短高重复率激光脉冲实现铁合金微量元素的检测方法，该方法是利用激光器向被测铁合金发射超短高重复率激光脉冲，激光脉冲对被测铁合金进行烧蚀并产生等离子体，等离子体产生发射光谱，光谱经过光导纤维传输到ICCD中，并由分析处理器进行微量元素的光谱分析，测定微量元素的含量；本发明的检测具有实时性、快速性；消耗的样品数量在纳克到毫克范围，基本上不破坏样品；由于脉冲激光器发出的光经透镜可在远处聚焦产生等离子体，故可用于远距离、非接触式分析样品；基本上对样品无需处理或直接由高功率激光本身对样品表面进行烧蚀处理；本发明可以对含量小于100ug/g的微量元素进行检测。
文档编号G01N21/73GK101793831SQ20101014409
公开日2010年8月4日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者姚清华, 张德江, 林晓梅 申请人:长春工业大学