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基于激光诱导击穿光谱的氦气在线检测系统

阅读：591发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于激光诱导击穿光谱的氦气在线检测系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，包括脉冲激光器，产生高能量纳秒激光脉冲，用于击穿待测气体产生等离子体发光光子；气体腔，为待测气体样品的检测区域；光纤，一端固定于所述光纤耦合接口，其光纤头设置于所述透镜的焦平面上并对准透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子耦合进入光纤中；光谱仪，与所述光纤另一端相连，用于解析待测气体中是否含有氦气及氦气含量；抽气泵，通过管道与所述气体腔相连，相连接的管道上设置有出气阀；以及柔性采样头，用于对不同空间区域的气体进行采样，通过管道与所述气体腔相连，相连接的管道上设置有进气阀。本系统适合于工业领域的氦气检漏的现场检测。，下面是基于激光诱导击穿光谱的氦气在线检测系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，其特征在于包括：
脉冲激光器，用于产生纳秒激光脉冲击穿待测气体产生等离子体辐射，为激光诱导击穿光谱的激发光源；
气体测量腔，为待测气体样品的检测区域；所述的气体测量腔包括圆环柱体，在所述的圆环柱体的顶部固定有一个光学窗口透镜，用于聚焦激光束；所述的光学窗口透镜边缘与气体测量腔顶部内壁密封设置；在所述的圆环柱体的底部固定有一个玻璃窗口，允许脉冲激光穿过；所述玻璃窗口对脉冲激光束的透过率高于95％；
在所述的气体测量腔的侧壁上部分别安装有与气体测量腔连通的光纤耦合接口以及出气接口，在所述的气体测量腔的侧壁下部安装有与气体测量腔连通的进气接口；
反射镜，所述的反射镜的位置设置为：从脉冲激光器发出的水平激光束经反射镜的入射面沿竖直方向反射至光学窗口透镜并由光学窗口透镜沿竖直方向导入气体测量腔；
光纤，所述的光纤一端固定于所述光纤耦合接口，所述的光纤的光纤头设置于透镜的焦平面上并对准透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子收集并耦合进入光纤中；
光谱仪，所述的光谱仪与光纤另一端相连，用于探测等离子体辐射的光子；所述光谱仪包含有CCD相机；
抽气泵，所述的抽气泵的出口通过安装有出气阀的管道与出气接口相连，所述的抽气泵用于对气体测量腔进行抽气；
柔性采样头，所述的柔性采样头通过安装有进气阀的管道与进气接口连通，所述的柔性采样头用于对气体采样点进行采样。
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，其特征在于：所述脉冲激光器产生的纳秒激光脉冲宽度小于9ns、脉冲能量大于40mJ、激光脉冲的重复频率在1-
50Hz，脉冲功率稳定度优于3％。
3.根据权利要求1或者2所述的基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，其特征在于：
所述的光学窗口透镜焦距小于20mm、数值孔径高于0.2、聚焦后光斑直径小于6微米，峰值功率密度高达1013W/cm2左右。
4.根据权利要求1或者2所述的基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，其特征在于：
所述光谱仪的光谱分辨率为0.1nm，原子发射谱测量范围为300-800nm波段。

说明书全文

基于激光诱导击穿光谱的氦气在线检测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及氦气检测系统，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的氦气在线检测系统。

背景技术

[0002] 氦气是无色无味无毒惰性气体，具有低黏度和高扩散性等特征。基于以上特征氦气常被用做示踪气体、保护气体等。氦气在核电工业中得到广泛应用。核电厂将核能转换为热能最后转化为电力。此种发电方式发电成本较低，燃料费用较低，且没有污染。但是核电厂一旦发生放射性物质的泄漏将会导致设备和环境的污染，引起灾难性后果。因此核电厂必须采取严苛的检漏措施，确保核反应在完全安全、可控的状态下运行。氦气常常被作为核电厂检漏的示踪气体，应用于换热器的出厂验收、定期检测、氢气干燥器检漏等。

[0003] 目前氦气的主要检测方法为真空检漏法、吸枪累积比对法、正压检漏法等。真空检漏法灵敏度高，但是不方便移动，受湿度影响较大；吸枪累积比对法受湿度影响小，但是安全性、工作效率低；正压检漏法工作效率高，但是灵敏度低，安全性低。以上方法均难以有效满足氦气的在线检测需求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，该系统通过高能量、强聚焦的脉冲激光，在极小区域内实现了待测气体样品的等离子化，并准确捕获氦元素等离子体辐射光谱以实现精确的在线定量分析。

[0005] 基于上述问题，本发明提供了基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，包括：

[0006] 脉冲激光器，用于产生纳秒激光脉冲击穿待测气体产生等离子体辐射，为激光诱导击穿光谱的激发光源；

[0007] 气体测量腔，为待测气体样品的检测区域；所述的气体测量腔包括圆环柱体，在所述的圆环柱体的顶部固定有一个光学窗口透镜，用于聚焦激光束；所述的光学窗口透镜边缘与气体测量腔顶部内壁密封设置；在所述的圆环柱体的底部固定有一个玻璃窗口，允许脉冲激光穿过；所述玻璃窗口对脉冲激光束的透过率高于95％；

[0008] 在所述的气体测量腔的侧壁上部分别安装有与气体测量腔连通的光纤耦合接口以及出气接口，在所述的气体测量腔的侧壁下部安装有与气体测量腔连通的进气接口；

[0009] 反射镜，所述的反射镜的位置设置为：从脉冲激光器发出的水平激光束经反射镜的入射面沿竖直方向反射至光学窗口透镜并由光学窗口透镜沿竖直方向导入气体测量腔；

[0010] 光纤，所述的光纤一端固定于所述光纤耦合接口，所述的光纤的光纤头设置于透镜的焦平面上并对准透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子收集并耦合进入光纤中；

[0011] 光谱仪，所述的光谱仪与光纤另一端相连，用于探测等离子体辐射的光子；所述光谱仪包含有CCD相机；

[0012] 抽气泵，所述的抽气泵的出口通过安装有出气阀的管道与出气接口相连，所述的抽气泵用于对气体测量腔进行抽气；

[0013] 柔性采样头，所述的柔性采样头通过安装有进气阀的管道与进气接口连通，所述的柔性采样头用于对气体采样点进行采样。

[0014] 本发明的有益效果是：

[0015] (1)适合于工业领域的氦气检漏的现场检测；

[0016] (2)适合于资源勘探领域的氦气定量测量；

[0017] (3)柔性采样头，能够对狭窄空间进行气体采样；

[0018] (4)采用高重复率的激光脉冲，实现氦气的快速准确检测。附图说明

[0019] 图1为本发明一种基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统的结构示意图；

[0020] 图2为采用图1所示的系统检测出的氦气的激光诱导击穿光谱示意图。

具体实施方式

[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0022] 如图1所示，所述的基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，包括：

[0023] 脉冲激光器1，用于产生纳秒激光脉冲击穿待测气体产生等离子体辐射，为激光诱导击穿光谱的激发光源；优选的，所述脉冲激光器1产生的纳秒激光脉冲宽度小于9ns，脉冲能量大于40mJ。激光脉冲的重复频率1-50Hz，脉冲功率稳定度优于3％。这些条件保证了在相同脉冲能量下对氦气进行实时检测，数据稳定性高。

[0024] 气体测量腔3，为待测气体样品的检测区域；所述的气体测量腔3包括圆环柱体，在所述的圆环柱体的顶部固定有一个光学窗口透镜4，用于聚焦激光束。所述的光学窗口透镜4边缘与气体测量腔顶部内壁密封设置；所述的光学窗口透镜4的结构和形状只要保证透镜与气体测量腔顶端密封即可。

[0025] 优选的，所述光学窗口透镜4焦距小于20mm，数值孔径(用于衡量收集的光的立体角度范围)高于0.2，聚焦后光斑直径小于6微米，峰值功率密度高达1013W/cm2左右。这样，激光脉冲能量高，光斑小，保证激光击中氦气气流并产生等离子体，数据真实可靠。

[0026] 在所述的圆环柱体的底部固定有一个玻璃窗口11，允许脉冲激光穿过，在保证气体腔不受激光脉冲损坏的情况下，尽可能地减小气体测量腔的体积；所述玻璃窗口11对脉冲激光束的透过率高于95％。

[0027] 在所述的气体测量腔3的侧壁上部分别安装有与气体测量腔3连通的光纤耦合接口12以及出气接口5，在所述的气体测量腔3的侧壁下部安装有与气体测量腔3连通的进气接口8；

[0028] 反射镜2，所述的反射镜2的位置设置为：从脉冲激光器1发出的水平激光束经反射镜2的入射面沿竖直方向反射至光学窗口透镜4并由光学窗口透镜4沿竖直方向导入气体测量腔；

[0029] 光纤13，所述的光纤13一端固定于所述光纤耦合接口12，所述的光纤13设置于透镜4的焦平面上并对准透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子收集并耦合进入光纤13中；

[0030] 光谱仪14，所述的光谱仪14与光纤13另一端相连，用于探测等离子体辐射的光子，从而解析待测气体中是否含有氦气及氦气含量；所述光谱仪包含有CCD相机，用于探测经由光纤导入的光子；CCD相机记录的原子发射光谱中包含有待测气体中气体相对应的特征谱线，对照特征谱线的峰值位置和高度可以解析出待测气体中所含气体种类、是否含有氦气以及氦气在待测气体中含量等信息。所述光谱仪14用于将等离子体辐射的不同波长的光子分开并记录它们的光电信号，从而形成待测气体中氦气的原子发射光谱。所述光谱仪14的光谱分辨率为0.1nm，原子发射谱测量范围为300-800nm波段，能够覆盖氦原子整个发射光谱波段。光谱仪收集的光子分光后成像于光谱仪的CCD相机上。CCD具有门开关功能，能以脉冲激光器的Q开关信号作为外触发，进行具有时间分辨本领的光谱测量，能够通过触发延迟时间来阻挡等离子发光的连续谱部分光子，从而记录原子发射光谱中与氦原子相对应的分立特征谱线。从特征谱线的峰值位置对氦气进行快速检测，而从谱峰的高度可以解析出待测气体中氦气含量。

[0031] 抽气泵7，所述的抽气泵7的出口通过安装有出气阀6的管道与出气接口5相连，所述的抽气泵7用于对气体测量腔3进行抽气，使气体腔成为真空状态，排除气体腔内残留气体对检测数据的干扰；

[0032] 柔性采样头10，所述的柔性采样头10通过安装有进气阀9的管道与进气接口8连通，所述的柔性采样头10用于对气体采样点进行采样，与气体测量腔3连通。

[0033] 如图1所示，本发明提供了一种基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统，所述基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统利用强聚焦的纳秒脉冲激光击穿待测气体，产生高温、高密度的等离子体，等离子体发光由高分辨率的光谱仪记录。所述光谱仪采集的光谱中包含有氦气发射光谱的特征谱线，用于氦气的快速检测及定量评估。

[0034] 在本发明实施例中，图2为氦气的激光诱导击穿光谱示意图，通过与美国国家标准局的原子发射光谱数据库进行对比，可以发现本发明的基于激光诱导击穿光谱的氦气检测系统能够识别出氦气。

[0035] 采用本发明系统的工作过程如下：

[0036] (1)开启出气阀6，打开抽气泵7电源，通过出气口5对气体测量腔3进行抽气，使气体测量腔成为真空状态，排除气体测量腔内残留气体对检测数据的干扰；

[0037] (2)当气体测量腔变为真空时，柔性采样头对所需检测气体进行采样，开启进气阀，通过进气接口8进入气体测量腔；

[0038] (3)开启脉冲激光器1电源，发射水平激光，经反射镜2的入射面沿竖直方向反射至光学窗口透镜4并由光学窗口透镜4沿竖直方向导入气体测量腔；

[0039] (4)激光击中待测气体，所述光纤13经由光纤耦合接口12将等离子体发光的光子收集并传输给多通道光谱仪14，得到所测物质光谱图。

[0040] 高性能脉冲加光器产生的脉冲激光束经由透镜聚焦后产生的电场足以将气体腔中的待测气体分子瞬间电离，进而产生等离子体辐射。所述光纤经由光纤耦合接口将等离子体发光的光子收集并传输给多通道光谱仪14；与所述光纤13的光纤头连接的光纤耦合接口12位于所述透镜4的焦平面上并对准透镜4的焦点位置，尽可能地提高等离子体辐射的光子收集效率。

[0041] 以上说明及附图对本发明进行了详细描述。需要说明的是方向用语仅适用于本参考附图，在实际应用中方向可以进行相关变动；参考附图中的元件形状和尺寸并不代表实际部件大小及比例，不应用来限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员在不脱离本发明思路的前提下可以进行简单的替换或改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

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