[发明专利]一种行星开放环境下LIBS与MS的联用物质检测系统

摘要

本发明公开了一种行星开放环境下LIBS与MS的联用物质检测系统，该系统由主控制器、MS模组、LIBS模组、光质谱耦合模组和辅助模组组成。本发明的有益效果是，利用行星大气作为载气，以及毛细管的虹吸效应，将LIBS激光器诱导的等离子粒子，高效地传输进MS里进行分析；在质谱模块中，采用飞行时间质谱仪结构，避免ICP需要辅助气体的弊端；光谱仪采用CT结构结合ICCD探测器，可检出微弱飞秒LIBS信号，满足飞秒激光器的光质谱复用要求。

主权项

一种行星开放环境下LIBS与MS的联用物质检测系统，包括主控制器(5)、MS模组(1)、LIBS模组(13)、光质谱耦合模组(33)和辅助模组(32)；其特征在于：LIBS模组(13)由LIBS激光器(6)、扩束镜(10)、二维扫描振镜(12)、双色镜(15)、全反镜(4)、光纤耦合镜(20)组成；LIBS激光器(6)采用可调重频深紫外飞秒激光器，深紫外波长的选择，可有效减少质谱的分馏效应；飞秒脉宽的选择可使烧蚀孔光滑且解附粒子更小更均匀；在LIBS工作模式下，LIBS激光器(6)为低重频，可作为LIBS的激光源，进行常规的微区LIBS元素组成粗分析；在光质谱联用模式下，LIBS激光器(6)可发出数千赫兹及以上重频的飞秒级激光脉冲用于解附，在聚焦点(17)表面形成高温高压，进行烧蚀解附，激发出持续的等离子粒子气溶胶；扩束镜(10)对LIBS激光器(6)发出的飞秒激光束进行扩束准直，以便更好地聚焦；二维扫描振镜(12)将扩束镜(10)扩束后的激光沿转折光轴(14)进行反射；双色镜(15)可对LIBS激光(6)发出的激光束进行全反后沿主光轴(30)传输，全反后的激光束再经紫外显微物镜(16)聚焦至探测对象的聚焦点(17)；聚焦点(17)处激发出的LIBS光谱信号反向穿过紫外显微物镜(16)沿主光轴(30)传输，穿过双色镜(15)后，经全反镜(4)全反射后转向接收光轴(29)，经光纤耦合镜(20)耦合进光纤(8)，然后传输进ICCD光谱仪(9)进行分析；扫描驱动器(31)控制改变二维扫描振镜(12)角度，使得转折光轴(14)可在两维平面进行扫描；随着转折光轴(14)的两维扫描，带动主光轴(30)也做两维扫描，聚焦点(17)也在探测区(18)做两维扫描，从而实现两维微区分析；光质谱耦合模组(33)由截取锥(2)、取样锥(3)、分离锥(26)、质谱气泵(25)、毛细管(19)、回流管(21)、输运气泵(23)、流量计(22)组成；它可在行星开放环境下，把LIBS激光聚焦至探测区(18)聚焦点(17)所激发的高温等离子粒子气溶胶高效率地输运至MS模组(1)；其中截取锥(2)、取样锥(3)、分离锥(26)三者的锥顶都有锥孔，三者的锥孔都通过中心轴线(34)；截取锥(2)、取样锥(3)与质谱气泵(25)属于MS模组(1)的入口组成部件，主要完成粒子在进入MS模组(1)分析之前在富集区(24)的高效富集和沿中心轴线(34)穿过分离锥(26)的锥孔进入MS模组(1)；取样锥(3)与截取锥(2)之间连接有质谱气泵(25)，可被质谱气泵(25)抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流(35)输运；毛细管(19)、回流管(21)、输运气泵(23)三者利用抽气和虹吸效应，可实现LIBS激光器(6)激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在行星大气的承载下进入毛细管(19)，形成管内等离子体粒子流(35)，并进行高效输运；回流管(21)的作用是使进入毛细管(19)的行星大气承载分子与管内等离子体粒子流(35)分离，并通过输运气泵(23)抽出，重回行星大气环境；MS模组(1)由飞行时间质谱仪(27)、质谱探测器(28)组成，根据在飞行时间质谱仪(37)中飞行到达质谱探测器(28)的不同时间的粒子数记数，进行不同粒子的类别与含量分析；辅助模组(32)包括扫描驱动器(31)、ICCD光谱仪(9)和数字延迟器(7)；扫描驱动器(31)用来控制改变二维扫描振镜(12)角度；ICCD光谱仪(9)的结构为C‑T(即切尼‑特纳)光路，传感器采用ICCD，结构紧凑，灵敏度高，适合采集飞秒脉冲激光激发的微弱LIBS信号；数字延迟器(7)用来设定LIBS工作模式与光质谱联用模式下LIBS激光器(6)的脉冲频率，设定LIBS工作模式下ICCD光谱仪(9)开始采集信号的时刻与LIBS激光器(6)发射激光时刻的延时Δt；主控制器(5)内有主控软件，用于接收流量计(22)的流量值信息；控制质谱气泵(25)与输运气泵(23)的抽气速度；用于启动数字延迟器(7)；给扫描驱动器(31)发控制指令；设定ICCD光谱仪(9)的曝光时间并接收ICCD光谱仪(9)输出的LIBS光谱数据；启动并接收质谱探测器(28)输出的质谱数据；进行光质谱的信息分析与融合。