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专利号: 2022115608724
申请人: 金陵科技学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于:包括飞秒高能量脉冲激光器(1)、分束镜(2)、延时系统(3)、亚飞秒级条纹管探测器(4)、介质膜反射镜(5)、反射式望远镜(6)、样品室及废气回收装置(7)、光学聚焦透镜(8)、光纤(9)、光栅分光系统(10)、柱面聚焦透镜(11)、ICCD(12)及计算机系统(13);

其中,飞秒高能量脉冲激光器(1),用于发射所需波长的飞秒高能量脉冲激光;

分束镜(2),用于将飞秒高能量脉冲激光进行分束;

延时系统(3),用于同步飞秒高能量脉冲激光器(1)、条纹管探测器(4)同时工作;

条纹管探测器(4),用于接收经光栅分光系统(10)之后的光信号,并将输入高速时间信号转换为低速空间信号,形成具有高时间分辨的光谱信号;

介质膜反射镜(5),用于反射经分束镜(2)之后的飞秒高能量脉冲激光至反射式望远镜(6);

反射式望远镜(6),用于聚焦介质膜反射镜(5)反射的激光脉冲信号至样品室,且收集经样品的回波信号;

样品室及废气回收装置(7)的外部正对反射式望远镜(6);

光学聚焦透镜(8),用于聚焦回波信号至光纤(9);

光纤(9),用于将聚焦之后的光学信号出射至光栅分光系统(10);

光栅分光系统(10),用于将不同波长的光信号在空间上分离;

柱面聚焦透镜(11),用于将光栅分光系统(10)输出的光谱信号聚焦成一位信号并传送至条纹管探测器(4)的光电阴极;

ICCD(12),用于将微弱的时间分辨光谱信号进行放大;

计算机系统(13),用于处理光谱信息并进行分析;

所述条纹管探测器(4)为亚飞秒级时间分辨大探测范围条纹管,包括依次设置的光电阴极(41)、加速系统(42)、时间聚焦系统(43)、阳极系统(44)、扫描偏转系统(45)、空间聚焦系统(46)和荧光屏(47);

其中,光电阴极(41),用于将外界光学图像转换为电子图像;

加速系统(42),用于加速光电阴极(41)发射的电子图像;

时间聚焦系统(43),用于在时间方向聚焦电子图像;

阳极系统(44),用于加速电子、去除大角度电子并准直电子图像;

扫描偏转系统(45),用于将阳极系统(44)输出的电子图像的时间信息转换为空间信息;

空间聚焦系统(46),用于将出射扫描偏转系统(45)的电子图像沿空间方向聚焦;

荧光屏(47),用于将空间聚焦系统(46)聚焦之后的电子图像转化为可见光学图像;

所述样品室及废气回收装置(7)包括:装置本体、样品放置转台(78)、样品支撑杆(79)、样品(71)、样品放置凹槽(72)、法兰(77)、第一废气回收装置(74)和第二废气回收装置(76)、着火源装置(73)及助燃剂收纳装置(75);

其中,法兰(77)的数量为多个且安装在装置本体外壁上,一个法兰,用于与着火源装置(73)连接,一个法兰,用于与助燃剂收纳装置(75)连接,一个法兰,用于放置样品;另外两个法兰,用于与第一废气回收装置(74)和第二废气回收装置(76)连接;

装置本体通过样品支撑杆(79)与样品放置转台(78)连接;

样品放置转台(78)可沿水平方向旋转0~360度;

样品放置凹槽(72)可逆时针旋转0~45度;

样品放置凹槽(72)即样品托,为凹槽型,用于放置样品;

样品托上开设激光束斑尺寸大小的孔,用于光谱探测。

2.根据权利要求1所述的基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于,所述飞秒高能量脉冲激光器(1)为高功率高能量飞秒激光器,输出脉冲激光波长为515nm/343nm/257nm/206nm,能量为1mJ~200mJ级别;20fs~50fs脉宽可调。

3.根据权利要求1所述的基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于,所述光电阴极(41)为平面光电阴极;

所述加速系统(42)为高精度栅网结构加速系统,包括平面型高精度栅网结构(421),设置在高精度栅网结构(421)后端部的沿空间方向放置的防电子扩散上极板(422)和防电子扩散下极板(423),防电子扩散上极板(422)和防电子扩散下极板(423)平行放置;

所述时间聚焦系统(43)为平板型聚焦系统,包括两个对称放置的平行板,第一平行板(431)和第二平行板(432)采用长方体结构;

所述阳极系统(44)为平板型结构,其电子入口为平行板结构上极板(441)和平行板结构下极板(442),电子出口处设置与平行板结构上极板(441)互相垂直的第一挡板结构(443),且电子出口处设置与平行板结构下极板(442)互相垂直的第二挡板结构(444);

第一挡板结构(443)及第二挡板结构(444)之间的狭缝宽度可调;

所述扫描偏转系统(45)为平板型扫描偏转系统,包括上、下对称放置的上极板(451)和下极板(452),其电子入口靠近阳极第一挡板结构(443)和阳极第二挡板结构(444)之间的狭缝;

所述空间聚焦系统(46)为单透镜聚焦系统,包括沿电子传播方向依次排布的均为长方体板状电极,且与光轴的距离及轴向长度均相等的第一聚焦电极上极板(4611)和第一聚焦电极下极板(4612),第二聚焦电极上极板(4621)和第二聚焦电极下极板(4622),第三聚焦电极上极板(4631)和第三聚焦电极下极板(4632);

第一聚焦电极上极板(4611)和第一聚焦电极下极板(4612)平行放置,第二聚焦电极上极板(4621)和第二聚焦电极下极板(4622)平行放置,第三聚焦电极上极板(4631)和第三聚焦电极下极板(4632)平行放置。

4.根据权利要求3所述的基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于,所述光电阴极(41)、加速系统(42)、时间聚焦系统(43)、阳极系统(44)、扫描偏转系统(45)、空间聚焦系统(46)及荧光屏(47)之间依次通过陶瓷环或玻璃环连接;

所述加速系统(42)的平面型高精度栅网结构(421)与防电子扩散上极板(422)、防电子扩散下极板(423)电气连接;

所述阳极系统(44)的平行板结构上极板(441)和第一挡板结构(443)电气连接,平行板结构下极板(442)及第二挡板结构(444)电气连接;

所述空间聚焦系统(46)的第一聚焦电极上极板(4611)、第二聚焦电极上极板(4621)及第三聚焦电极上极板(4631)之间依次通过陶瓷环或玻璃环连接,第一聚焦电极下极板(4612)、第二聚焦电极下极板(4622)及第三聚焦电极下极板(4632)之间依次通过陶瓷环或玻璃环连接。

5.根据权利要求3所述的基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于,所述条纹管探测器(4)的光电阴极有效成像范围为4mm×40μm;

经柱面聚焦透镜(11)聚焦之后的一维光信号的空间长度小于4mm,宽度小于4μm;

加速系统防电子扩散上极板(422)和加速系统防电子扩散下极板(423)的间距为9mm~

13mm;沿光轴方向的长度为9mm~13mm;

阳极系统(44)的前端平行板结构上极板(441)和平行板结构下极板(442)的间距为2mm~5mm,宽度为30mm~40mm,沿光轴方向的长度为20mm~28mm;后端为第一挡板结构(443)和第二挡板结构(444),第一挡板结构(443)和第二挡板结构(444)之间的间隔为5μm~50μm;

所述第一聚焦电极上极板(4611)和第一聚焦电极下极板(4612)、第二聚焦电极上极板(4621)和第二聚焦电极下极板(4622),第三聚焦电极上极板(4631)和第三聚焦电极下极板(4632)的间隔均为10mm~30mm;沿光轴长度方向的尺寸为30mm~40mm;厚度为0.5mm;

所述荧光屏(47)的半径为15~25mm。

6.根据权利要求3所述的基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于,所述光电阴极(41)与加速系统(42)的电势差为10kV~16kV;

时间聚焦系统(43)与阳极系统(44)的电势差为8kV~13kV;

荧光屏(47)与空间聚焦系统(46)的电位差为6kV~11kV;

第一聚焦电极上极板(4611),与第一聚焦电极下极板(4612),与第三聚焦电极上极板(4631),与第三聚焦电极下极板(4632)之间的电势均为0V,所述第一聚焦电极上极板(4611)与第二聚焦电极上极板(4621)的电势差为3kV~5kV。

7.根据权利要求1所述的基于亚飞秒条纹相机的具有废气回收功能的LIBS光谱探测系统,其特征在于,所述着火源装置(73)与助燃剂收纳装置(75)在实验的初始阶段通过法兰(77)与样品室连通,实验之前和之后通过法兰(77)隔离开;

实验阶段第一废气回收装置(74)和第二废气回收装置(76)通过法兰(77)与样品室隔离开;

需要对燃烧灰烬进行LIBS探测时,启动样品放置凹槽(72)逆时针旋转30~45度。