烟雾分析特性分析仪 |
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| 申请号 | CN201180052955.6 | 申请日 | 2011-10-27 | 公开(公告)号 | CN103189738A | 公开(公告)日 | 2013-07-03 |
| 申请人 | 原子能和替代能源委员会; | 发明人 | 希查姆·马斯克洛特; 让-巴普蒂斯特·西尔旺; 帕斯卡尔·德维尔; 班诺特·圭扎德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及采用光学 光谱 测定法的烟雾分析特性分析仪，其包括：反应室；入口孔(111)，用于将烟雾注入该反应室；出口孔(121)，用于从该反应室排出烟雾；分析窗口(131)，用于 激光束 (F激光)的进入，以便在反应室内生成 等离子体 ，该分析仪的特征在于，该系统还包括 风 机，用于吹走靠近分析窗口(131)的惰性气体；以及，屏蔽 气体喷射器 ，用于将烟雾屏蔽地注入反应室，这种屏蔽是在烟雾的周围喷射惰性气体实现的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种采用光学光谱测定法进行烟雾分析的特性分析仪，包括： |
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| 说明书全文 | 烟雾分析特性分析仪技术领域[0002] 更具体地说，本发明涉及光学分析系统领域，用以研究特性分析仪(Characterisation cell)内高温分解所形成的颗粒。 背景技术[0003] 可以把各种已知的特性分析方法与构成本发明主题的分析仪联系起来，如： [0004] -激光诱导荧光(laser-induced fluorescenece)； [0005] -荧光光谱测定法； [0006] -吸收光谱测定法； [0007] -拉曼光谱测定法； [0008] -红外光谱测定法。 [0009] 通过非限制性的示例方式，以下说明是基于激光诱导击穿光谱测定法(la ser-induced breakdown spectrometry)，即LIBS分析法的使用。这个方法主要在于将脉冲激光束在要进行分析的反应性混合物中聚焦，并生成用发射光谱进行分析的等离子体。由此确定上述反应性混合物的成份。将这种技术应用于下文的描述中，用以控制来自用激光高温分解产生纳米颗粒的烟雾。 [0010] 图1示出了用于LIBS分析的LIBS系统，该系统包括纳米颗粒合成反应器A5、LIBS分析仪A1、发射激光束的激光器A2、用于在LIBS分析仪A1内使激光束聚焦的透镜A3、用于收集来自LIBS分析仪A1信号的光学系统A4以及光谱仪A7。 [0011] 在反应器A5内纳米颗粒的产生是基于激光器(例如，二氧化碳CO2大功率激光)发射的光束和反应性混合物之间交叉气流的相互作用。该光束激发反应性混合物分子(所谓的初级粒子)的振动状态。通过碰撞，从该光束传输给分子的能量重新分配给整个反应性混合物。于是，反应性混合物的温度非常快速地升高，导致分子的热分解，产生所谓“过饱和”的自由基和高能量蒸汽。然后，从自由基通过均匀晶核化(homogeneous germination)生成纳米粒子。这种纳米粒子数通过粒子碰撞/聚结活动的增加而增加。 [0012] 通过在这时产生火焰的方式，在光束和可观察到的反应性混合物气流之间的重叠空间中发生纳米粒子的分裂与形成。 [0013] 当这些纳米粒子离开这个空间时，它们将经受阻止它们增加的淬灭效应(quenching effect)。 [0014] 这些纳米粒子然后通过输入导管A6被引导到LIBS分析仪A1。 [0015] LIBS分析仪A1由反应室和四根支管组成： [0016] -第一支管A11形成烟雾的入口孔A111； [0017] -第二支管A12面向该第一支管，形成用于排放烟雾的出口孔A121； [0018] -第三支管A13靠近窗口A131，旨在让激光束进入该窗口，以生成等离子体；以及[0019] -靠近存储器A141并面向该第三支管A13的第四支管A14尚未使用。 [0020] 该LIBS分析仪A1还包括用于用肉眼观察等离子体的观察窗口A15。 [0021] 在LIBS分析仪A1中，纳米粒子表现为气体，因此在反应室内部膨胀，占用所有的可用空间和生成烟雾。 [0022] 在反应室内，用透镜A3使激光器A2产生的激光束F激光聚焦。当激光束F激光在要进行分析的混合物中被聚焦时，纳米粒子的汽化导致喷射原子，并生成膨胀性的等离子体。在等离子体的膨胀过程中，原子释放能量，产生光的发射。于是，这种光被适配好并放置在激光器A2同侧的光学系统A4接收。然后，这种光由光谱仪A7进行分析，该光谱仪A7通过适配用于传送该信号的光纤A8与光学系统A4连接。 [0023] 这种LIBS分析仪的缺点由纳米粒子在反应室内表现为气体这个事实造成。这就是为什么第三支管A13的分析窗口A131变得堵塞的原因。堵塞的分析窗口A131作用像过滤器，其会封堵部分激光束F激光通过。因此，并不是激光束F激光的所有能量都是有效的，而是只有其中一部分能够用来生成等离子体。因此，所生成的等离子体能量较小并且发射较低的信号。这个已经被削弱的信号在通过朝向光学系统A4的第三支管的分析窗口A131向后传送时，信号强度被进一步地衰减。 [0024] 仍然与烟雾的气态行为相关的另一个缺点是堵塞观察窗口A15，这势必会妨碍用肉眼观察等离子体。 [0025] 还有另一个缺点是所形成的等离子体并不被限定在激光束F激光的焦点处，也就是说，焦点才是能量最高度集中的位置。事实上，如图2所示，当颗粒出现在整个反应室时，次级等离子体Plsec可以在生成主级等离子体Plpr的激光束的焦点处和分析窗A131(通过它激光束F激光进入反应室)之间生成。用该光学系统A4可以使次级等离子体Plsec位于观察区之外。 [0026] 上述LIBS分析仪A1的另一个缺点是由光学系统A4和由光谱仪A7采集信号的不稳定性，而这种信号的信号源数量是很多的。 发明内容[0027] 本发明的目的是要克服至少一个上文中以样例方式所体现的现有技术中的缺点。 [0028] 为了达到这个目的，本发明提供采用光学光谱测定法进行烟雾分析的特性分析仪，包括： [0029] -反应室； [0030] -入口孔，用作该反应室内烟雾的入口； [0031] -出口孔，用于从该反应室排出烟雾； [0032] -分析窗口，用于激光束的进入，以便在所述反应室内生成等离子体； [0033] 其特征在于，该系统还包括： [0035] -屏蔽喷射器，用于在该反应室内进行烟雾屏蔽喷注，这种屏蔽是通过在烟雾的周围喷射惰性气体来实现的。 [0036] 它的优点是在输出端获得的信号(用等离子体发射并且通过分析窗口的光)相对于现有技术是稳定的。 [0037] 该分析仪的其他可选和非限定性的特征是： [0038] -该分析仪还包括从该反应室延伸出来的支管和一个靠近该分析窗口的自由端，该支管由两个有不同直横截面的部件形成，最大横截面的部件设置在该分析窗口侧，而最小横截面的部件设置在该反应室侧，以形成文丘里管并确保对该窗口侧的超压； [0039] -由风扇和可选地文丘里管所产生的惰性气体流量是可调的； [0040] -由同轴屏蔽喷射器产生的惰性气体流量是可调的； [0041] -喷射器是具有两个同轴孔口的圆形双喷嘴，第一孔口具有用作烟雾入口的圆盘形横截面，而第二孔口具有包围所述第一个孔口的环形横截面，用于惰性气体的入口；以及[0042] -观察窗口，用于在操作期间观察该反应室内产生的等离子体。 [0043] 本发明还涉及包括上文所述分析仪在内的表征系统，同时还包括位于该分析仪出口孔下游的收集器，用于回收分析仪分析用过之后的粉末；以及一个压力调节器，用于保持分析仪的反应室中压力恒定。 [0044] 该系统的其他可选和非限定性的功能有： [0045] -压力调节器包括设置在收集器下游的调节阀，用于补偿因收集器的过滤器堵塞而产生的气量损失； [0048] 参考用图示和非限制性方式提供的附图，从下面的具体实施方式将体现出本发明的其他目的、特征和优点，其中： [0049] 图1示意性地示出传统的LIBS分析仪； [0050] 图2示意性地示出在传统的LIBS分析仪中次级等离子体的生成； [0051] 图3示意性地示出构成本发明主题并且已集成在表征系统中的特性分析仪的样例； [0052] 图4示意性地示出用于图3中特性分析仪中的文丘里管； [0053] 图5示意性地示出用于图3的特性分析仪中烟雾的屏蔽； [0054] 图6是个曲线图，示出信号强度通过图3特性分析仪内的扫描速度与烟雾的屏蔽流量之间的函数关系而测得；以及 [0055] 图7是个曲线图，示出信号可重复性通过图3特性分析仪内扫描速度与烟雾的屏蔽流量之间的函数关系而测得。 具体实施方式[0056] 参照图3和图4，下面对拟建特性分析仪的样例实施方式进行说明。在这个样例中，特性分析仪就是LIBS系统。 [0057] 该用于对激光生成的等离子体进行烟雾分析的LIBS分析仪包括LIBS分析仪1。 [0058] 该LIBS分析仪1包括在其中生成等离子体的反应室，在其自由端有用作反应室内烟雾入口的入口孔111的第一支管11，在其自由端有用于从反应室排出烟雾的出口孔121的第二支管12。该入口孔111和出口孔121可以相对地并且分别有利地设置在LIBS分析仪1的上部和下部。 [0059] 该LIBS分析仪1进一步包括靠近分析窗口131的第三支管13，旨在用于让激光束F激光进入，以便在反应室内生成等离子体。 [0060] 面对第三支管13，可以提供靠近存储器141的第四支管14。 [0061] 这四根支管11、12、13和14可以用交叉的方式进行有利地设置，即光束通过分析窗口131进入的地方与烟雾通过入口孔111进入的地方，以及与烟雾通过同入口孔相对的出口孔121被排出的地方交叉地布置。 [0062] 该激光束F激光可以烧蚀构成LIBS分析仪1的材料。因此，选用的第四支管14要比第三支管13长些。这样可以减少激光束F激光烧蚀第四支管14的存储器141产生的颗粒来污染用烟雾所作测量的机会。 [0063] 该LIBS分析仪1还可以包括观察窗口15，以使操作员能够用肉眼，或通过观看装置，例如连接到监视器的视频摄像机，来观察该反应室的内部。该观察窗口15可以用这样的方式设置在LIBS分析仪1上，以便通过观察窗口15的观察角垂直于反应室内激光束F激光的入射方向，和/或垂直于烟雾通过入口孔111的进入流。 [0064] 该LIBS分析仪还包括风扇16，以确保至少在分析窗口131附近的惰性气体的扫描。 [0065] 这会减少分析窗口131附近的烟雾数量，因此减少分析窗口131的堵塞。 [0066] 该风扇16可以是台通过管道连接的泵，在管道的一侧与惰性气体(例如，氩气)罐连接，而在另一侧与惰性气体的进气口132连接，而这个进气口132位于第三支管13之中，在它靠近分析窗口131的末端附近。 [0067] 要提高分析窗口131附近惰性气体流的效率，第三支管13可以有如图4中所示的文丘里管形式，即这个第三支管13被分离为两个不同的横截面部分S1和S2。第一部分134在它的自由端一侧，具有的横截面S1大于在反应室一侧的第二部分135的横截面S2。 然后，在第一部分134中产生超压ΔP，进一步限制在分析窗口131附近的烟雾数量。 [0068] 该风扇16也可以与进气口连接，该进气口位于靠近存储器的第四支管14的末端附近。这有助于平衡LIBS分析仪1内的氩气流。 [0069] 该风扇16还可以连接到位于观察窗口15附近的进气口。这还会减少观察窗口15的堵塞。在这种情况下，要平衡LIBS分析仪1内的惰性气体流，也可以在观察窗口15的相对一侧以同样的方式确保扫描。 [0070] 该风扇16的惰性气体的流量可以是可调的。 [0071] 该LIBS分析仪还进一步包括喷射器17，用于在反应室内进行烟雾的同轴屏蔽喷注，这种屏蔽是围绕烟雾同轴喷射惰性气体，并将烟雾包围起来实现的。 [0072] 烟雾的屏蔽限制了反应室内的烟雾。因此，纳米粒子烟雾将不会趋向于占据LIBS分析仪1中的所有可用空间，特别是在靠近分析窗口131和观察窗口15的地方。这也可以防止在激光束F激光的焦点以外形成次级等离子体。 [0073] 如图5所示，喷射器17可以是双喷嘴17，带有两个同轴孔口171和172的截断圆锥体形状，第一孔口171具有圆盘形横截面，用作烟雾Fu的入口，而第二孔口172具有包围第一孔口171的环形横截面，用作惰性气体的入口。 [0075] 该LIBS分析仪1可以构成LIBS系统的一部分，这个系统还包括该LIBS分析仪1的出口孔121下游的LIBS收集器18，以及用于保持反应室中压力恒定的压力调节器19。 [0076] 该压力调节器19可以是设置在LIBS收集器18下游的调节阀，用于补偿因收集器的过滤器堵塞而产生的气量损失。该调节阀LIBS19与设置在LIBS分析仪1内用于测量其中压力的压力探针S1连接。提供伺服控制，用于以LIBS分析仪1内所测压力的函数形式控制该调节阀LIBS19。该调节阀LIBS19随LIBS收集器18被烟雾堵塞而逐渐打开。 [0077] 该LIBS系统还进一步包括反应器5，用于生成如背景技术部分所描述的烟雾。这个反应器5的出口被连接到制造烟雾流的泵9。 [0078] 当烟雾离开反应器5时，部分烟雾被引导到LIBS分析仪1，部分烟雾被引导到反应器的收集器51。设置在收集器51的出口是调节阀52，用于调节反应器5内压力必须保持恒定。该调节阀52与反应器5内用于测量其中压力的压力探针S2连接。提供伺服控制，用于以反应器5内所测压力的函数形式控制该调节阀52。当反应器5的收集器51的过滤器因纳米粒子而被堵塞时，调节阀52逐渐地打开。 [0079] 该收集器18和51收集烟雾的纳米粒子，以便让他们不被拒绝排入大气中。 [0080] 将离开调节阀19和52的气体流混合，然后引导到泵9。 [0081] 需要有调节阀LIBS19来保持稳定的观测信号。事实上，如果没有调节阀LIBS19，则反应器中收集器51的堵塞会导致调节阀52的打开，这将增大在LIBS分析仪通路以外的流量，而减小LIBS分析仪通路之内的流量。同时，LIBS收集器18也堵塞，使LIBS分析仪通路内的压力发生变化，因而使LIBS分析仪1内的压力发生变化。这种LIBS分析仪通路内的流量减小和压力变化会导致等离子体不稳定。 [0082] 操作样例 [0083] 在操作中，反应器5内的压力保持为低于大气压力，以防止所产生的纳米粒子逸出而进入周围大气，例如，将压力伺服控制在900毫巴。 [0084] 该反应器5的参数设置为每小时生产400克的纳米粒子(400g/h)。泵9的流量设3 置为每小时160立方米(160m/h)。 [0085] 应该避免LIBS分析仪的外通路和LIBS分析仪的内通路之间气量的过度损失。事实上，这会有害于所产生的等离子体的稳定性。 [0086] 该LIBS分析仪1内的压力可以伺服控制在850毫巴。用于扫描窗口131和15以及屏蔽烟雾的惰性气体(氩气)的总流量是30升/分钟，其分配如下：20升/分钟的流量用于扫描窗口131和15，而10升/分钟的流量用于屏蔽烟雾。 [0087] 使用的激光器2是Nd:YAG型纳秒激光器。该激光器2的每个脉冲能量设定为50兆焦耳(mJ)。聚透镜3被设置在激光器2和分析窗口131之间。该激光器2和聚透镜3的定位是：激光器2发射的激光束F激光的焦点是在四根支管11、12、13和14的交会处，或在烟雾的入流下，但如果在LIBS分析仪2上提供后者，则相对于观察窗口15。 [0088] 通过等离子体发射的信号由设置在出口处、面对分析窗口131的光学系统4收集。该光学系统4将所采集到的信号发送给光谱仪7，该光谱仪7分析所发射信号(是等离子体的光)的光谱。 [0089] 分析仪的尺寸应该是(从支管的末端到分析仪的中心，也就是生成等离子体的地方)： [0090] -第一支管11： 53毫米 [0091] -第二支管12： 160毫米 [0092] -第三支管13： 50毫米 [0093] -第四支管14： 100毫米 [0094] 对比测试 [0095] 对比测试曾在LIBS分析仪上进行，其中的尺寸是按上述规定用于测量屏蔽和扫描的综合效果的尺寸。 [0097] 硅Si和氢H的信号强度显示在左边的纵坐标上。氩Ar和碳C的信号强度显示在右边的纵坐标上。 [0098] 屏蔽流量是这样选择的，屏蔽和扫描的综合流量是30升/分钟。 [0099] 因此，如果扫描的流量是0升/分钟，则屏蔽的流量就是30升/分钟。如果扫描的流量是10升/分钟，则屏蔽的流量就是20升/分钟。 [0100] 因此，图6表明：对于单独屏蔽(扫描流量为零)，四个元素的信号强度远低于屏蔽流量为10升/分钟(或扫描流量为20升/分钟)的信号强度。 [0101] 这个图6还表明：对于单独扫描(屏蔽流量为零)，四个元素的信号强度低于屏蔽流量为10升/分钟(或扫描流量为20升/分钟)的信号强度。 [0102] 屏蔽流量为10升/分钟和扫描流量为20升/分钟的状态接近最佳条件，并产生接近最大值的信号强度。 [0103] 图7示出了屏蔽和扫描对有关信号的可重复性的综合效果。 [0104] 在坐标上给出四个元素(与图6相同)的可重复性，并用强度的相对标准偏差线条表示，计算了五十光谱，一个光谱是用激光器发射30次的信号整合而得。标准偏差越低，可重复性越好。 [0105] 屏蔽流量是这样选择的，屏蔽和扫描的综合流量为30升/分钟。 [0106] 值得注意的是：对于转换相当大可重复性的低值来说，相对于单独采用屏蔽或单独采用扫描，当混合采用屏蔽和扫描时，被测信号的可重复性更好。当扫描流量为20升/分钟，屏蔽流量为10升/分钟时，其可重复性接近最小值。 [0107] 因此，图6和图7两个都表明，单独屏蔽的效果和单独扫描的效果是不能相加在一起的，而更多的是信号质量获得了意外地提高。 [0109] -激光诱导荧光； [0110] -荧光光谱测定法； [0111] -吸收光谱测定法； [0112] -拉曼光谱测定法；以及 [0113] -红外光谱测定法。 |
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