由激光誘導等離子體以定量樣品分析的裝置及方法
【專利摘要】一種用于即時分類移動材料的系統，所述系統包含：一激光脈沖產生器，操作用以產生至少一第一及第二激光脈沖，于所述移動材料上的相同沖射位置進行沖射，所述第一及第二激光脈沖被分離的時間高達10微秒；及一吸收檢測器，操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達20毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
【專利說明】由激光誘導等離子體以定量樣品分析的裝置及方法
[0001]參考相關申請文件
[0002]參照于2011年6月9號提交的美國臨時專利申請案第61/494，956號，及標題為“通過激光誘導等離子體(LIP)用于定量分析樣品的方法及裝置”，其內容以參考文獻并入本文，并且是根據美國專利法施行細則37CFR1.78(a) (4)及(5) (i)所主張的優先權。
【技術領域】
[0003]本發明是大致有關于材料的即時分類。
【背景技術】
[0004]代表本領域現有狀態的公開文件如下:
[0005]M.里比埃(Ribiere)及B.G.昌隆(Cheron)，「通過吸收光譜法放寬激光誘導等離子體的分析；趨向一新定量診斷技術」，光譜化學學報B輯:原子光譜，65卷，編號7，第524至532頁，2010年7月；
[0006]Μ.里比埃(Ribiere), L.麥斯(Mees),D.安勒諾(Allano)及 B.G.昌隆(Cheron),「通過雙激光的光吸收光譜即時演變及激光燒蝕種類的空間」，應用物理雜志，104卷，編號4，第 43302 頁，2008 年 8 月 21 日；
[0007]約翰(John).科斯特洛(Costello),吉恩(Jean)-保羅(Paul) ?莫尼爾(Mosnier),尤金(Eugene) ?肯尼迪(Kennedy), P.K.卡羅爾(Carroll)及格里(Gerry).0，沙利文(Sullivan)，「具有激光等離子體的X-UV紫外吸收光譜；評論」，物理學報，T34卷，第77至92頁，1911年；
[0008]威廉(William).屈(Whitty),`約翰(John).科斯特洛(Costello),尤金(Eugene) ?肯尼迪(Kennedy),克里斯托弗(Christopher) ?莫洛尼(Moloney),吉恩(Jean)-保羅(Paul) ?莫尼爾(Mosnier)，「在極遠紫外光采用雙激光等離子體技術擴大激光鋰等離子體的吸收光譜」，應用表面科學，卷127至129，第686至691頁，1998年5月；
[0009]0.梅甘(Meighan), C.唐森(Danson), L.達迪斯(Dardis), C.L.S.劉易斯(Lewis), A.麥克菲(MacPhee), C.麥吉尼斯(McGuinness)，R.0’ 奧羅克(Rourke)，W.謝赫(Shaikh), 1.C E.圖爾蘇(Turcu)及J.T.科斯特洛(Costello)，「皮秒激光等離子體連續光源至雙激光等離子體光吸收實驗的應用」，物理學學報B輯:原子，分子和光學物理，卷33，編號6，第1159至1164頁，2000年3月28日；
[0010]L.奈葛林(Nagli),M.賈伏特(Gaft)及1.高爾紐斯基(Gornushkin),「在激光誘導等離子體最早階段的單及雙脈沖激發的比較」，分析和生物分析化學，400:3207至3216，2011年7月；
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[0014]美國專利第6，753，957 號，第 5，847，825 號，第 6，657，721 號及第 7，092，087 號。
【發明內容】
[0015]本發明的目的是提供高效率及有效成本的移動材料(例如在礦井里沿著輸送機進行輸送的礦石)的即時分類。
[0016]因此，根據本發明的一優選實施例提供一種用于即時分類移動材料的系統，所述系統包含:一激光脈沖產生器，操作用以產生至少一第一及第二激光脈沖，于所述移動材料上的相同沖射(impingement)位置進行沖射,所述第一及第二激光脈沖被分離的時間高達10微秒(miCToseconds);及一吸收檢測器，操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達20毫微秒(nanoseconds)的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
[0017]優選地，所述吸收檢測器操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達10毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。根據本發明的一個優選實施例，所述吸收檢測器操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達5毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
[0018]根據本發明的一個優選實施例，所述用于即時分類移動材料的系統還包含一即時測距機，測量至所述沖射位置的一目前距離；及一距離反應激光束聚焦器，操作用以因應來自所述即時測距機的一輸出值，以即時調整所述激光脈沖聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。另外，所述用于即時分類移動材料的系統還包含一即時測距機，測量至所述沖射位置的一目前距離；及一距離反應吸收檢測聚焦器，操作用于即時調整所述吸收檢測器聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
[0019]優選地，所述用于即時分類移動材料的系統還包含一距離反應吸收檢測聚焦器，操作用以因應來自所述即時測距機的輸出值，以即時調整所述吸收檢測器聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
[0020]根據本發明的一個優選實施例，產生所述第二激光脈沖的能量程度為所述第一激光脈沖的能量程度的至少5倍。
[0021]此外，產生所述第二激光脈沖的能量程度為所述第一激光脈沖的能量程度的5至10倍。
[0022]優選地，所述用于即時分類移動材料的系統還包含一光束調準器，操作用以調準所述第一激光脈沖及所述第二激光脈沖。
[0023]根據本發明的一個優選實施例，所述用于即時分類移動材料的系統還包含一計算機，一材料導引閘，所述計算機操作用以接收來自所述吸收檢測器的一輸出值，且提供一材料導引輸出值至所述材料導引閘。
[0024]根據本發明提供的另一個優選實施例，所述用于即時分類移動材料的方法包含步驟:產生至少一第一及第二激光脈沖，其于所述移動材料上的相同沖射位置進行沖射，所述第一及第二激光脈沖被分離的時間高達10微秒；及沿著所述第二激光脈沖于一高達20毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
[0025]優選地，所述感測位在所述沖射位置的吸收光譜的步驟是沿著所述第二激光脈沖發生于一高達10毫微秒的檢測期間。根據本發明的一個優選實施例，所述感測位在所述沖射位置的吸收光譜的步驟是沿著所述第二激光脈沖發生于一高達5毫微秒的檢測期間。
[0026]根據本發明的一個優選實施例，所述方法還包含步驟:測量至所述沖射位置的一目前距離；及即時調整所述激光脈沖聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。可選擇地或此外，所述方法還包含步驟:即時調整所述吸收檢測器聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
[0027]優選地，所述產生至少第一及第二激光脈沖的步驟包含:產生所述第二激光脈沖的能量程度設為所述第一激光脈沖的能量程度的至少5倍。根據本發明的一個優選實施例，所述產生至少第一及第二激光脈沖的步驟包含:產生所述第二激光脈沖的能量程度設為所述第一激光脈沖的能量程度的5至10倍。
[0028]根據本發明的一個優選實施例，所述產生至少第一及所述第二激光脈沖的步驟包含:調準所述第一激光脈沖及所述第二激光脈沖。
[0029]優選地，所述方法還包含步驟:基于所述吸收光譜的一函數而提供一材料導引輸出值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]連同下述附圖及以下的描述，本發明將可充分地獲得理解及領會。
[0031]圖1A是根據本發明的一個優選實施例移動時的用于即時分類材料系統的簡化示意圖；
[0032]圖1B是根據本發明的另一個優選實施例移動時的用于即時分類材料系統的簡化示意圖；
[0033]圖1C是根據本發明的又一個優選實施例移動時的用于即時分類材料系統的簡化示意圖；
[0034]圖2A，2B及2C是一系列的三維強度曲線圖，其根據本發明的一個優選實施例鉛礦石的特征分析，時間段分別取t為O至900暈微秒(ns), t為1000至1010暈微秒(ns)及t為1020至3000毫微秒(ns);及
[0035]圖3是參照圖1A，IB及IC的系統操作方面的簡化示意圖。
【具體實施方式】
[0036]本發明是關于一種用于固體定量分析的即時方法及裝置，液體及氣體樣品通過激光誘導等離子體(Laser Induced Plasma, LIP),使用無標定原子和離子吸收法。
[0037]參照圖1A所示，為根據本發明的在移動時的一優選實施例，用于即時分類材料的系統的簡化示意圖。如圖1A所示，散裝的材料100，例如取自于礦場的礦石、回收材料、放置于生產線上的食物或藥物，沿著輸送帶102移動，通常速度為每秒2至6米。
[0038]本發明能夠根據其量化的組合物將材料100即時分類。因此，例如礦場的礦石，在礦石中特定元素的量可確定是否及如何進一步被處理。例如，在鐵礦石的例子中，如果鐵氧化物的含量超過一預定門檻值，一般為60%，所述鐵礦石會被進一步處理，如果鐵氧化物的含量小于所述預定門檻值，所述鐵礦石則被丟棄。在另一個例子中，如果磷礦被分類，礦石具有的鎂氧化物的含量超過一預定門檻值，一般為2%，將被丟棄，礦石具有的鎂氧化物的含量小于所述預定門檻值，則被進一步處理。
[0039]根據本發明的一個優選實施例中，實施所述材料100的量化分類，是通過采用激光脈沖產生器操作用以產生至少一第一及第二激光脈沖，于所述移動材料100上的相同沖射位置進行沖射，所述第一及第二激光脈沖被分離的時間高達10微秒。一吸收檢測器，通常包含一光譜儀，其操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達20毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。另外，也可以采用多個光檢測器，操作在毫微秒的范圍中并且分別與不同的波長濾波器組合。
[0040]第一及第二激光脈沖在所述材料100上的沖射，產生互相嵌套的等離子體，其具有一特征吸收光譜，沿著所述第二激光脈沖優選高達10毫微秒的持續時間，參照圖2A至圖3，在所述沖射位置上，所述吸收光譜清楚地表示所述材料100組合物的定量。
[0041]如圖1所示，所述激光脈沖產生器優選地包含一第一及第二激光132、134，一般釹一乾鋁石榴石(Nd:YAG)激光各具有每脈沖50至200米焦耳的一能量輸出，其通過一光束調準器136輸出。所述激光132、134與所述光束調準器136 —起，市售于公司(Quantel)，太平洋(Pacifique) 二大街2號，BP2391941，雷祖里鎮(Les Ulis)企業特投(CEDEX), ^國(France)，商品名(TWINS BSL)。所述光束調準器136可操作用以使在不同物理位置的所述激光132、134互相對齊光束，以使所述光束被精確地同軸在微米的公差范圍內。
[0042]一般情況下，所述激光132、134的輸出波長為1064納米。可以理解的是，可用其他波長的光代替。另外，所述激光132、134也可以操作于不同的波長。一般而言，所述激光132、134操作在不同輸出能量程度，而有所述第二激光134。其產生的第二激光脈沖，其能量程度操作在高于所述第一激光132所產生的第一激光脈沖的能量程度的5至10倍。作為一種理論替代，如果一激光可能產生彼此相距10微秒的兩個脈沖，可以使用一個單一的激光。
[0043]所述光束調準器136的同軸光束輸出138優選地提供一介電鏡140,例如激光鏡(Y-Nd: YAG)，市售于公司(CVI Melles Griot)，多拉多廣場(Dorado Place SE)200 號，阿爾伯克基(Albuquerque)，新墨西哥州(NM)，87123，美國(USA)，其為用于所述同軸光束輸出138的反射，及通過所述第一及第二脈沖在所述材料100的沖射，從創造的等離子體接收穿透的輻射，其反映所述同軸光束輸出138至一光學模塊142，通常包含第一及第二激光144、146，其特性如下:Fl=+70毫米-116毫米，Dl=50毫米及F2=+80毫米-52毫米，D2=50毫米。
[0044]透鏡144、146優選安裝在一可變距離的安裝組件148上，其包含一個線性馬達150，使所述透鏡144、146的位置及所述透鏡144、146之間的距離基于一材料高度輸入152在反應中改變至一控制信號151。材料高度輸入152表示在所述材料100上所述同軸輸出光束138的一光束焦點位置154。
[0045]一計算機156優選地控制時間安排及第一及第二激光132、134的操作的其他特征，用以提供所需的時間安排和所述相應第一及第二激光脈沖的其他操作特征，以及在反應中還提供從一高感測器158至材料高輸出152的控制信號151，如超聲波測距裝置，例如一麥克風(+130/IU/TC)，市售于公 司(Microsome GmbH of Hauertl6)，44227，多特蒙德(Dortmund),德國(Germany),或一激光測距儀,如型號(LDM41/42A),市售于公司(ASTECHAngewandte Sensortechnik GmbH),街(Schonenf ahrerstr.) 5 號，D-18O55,羅斯托克(Rostock),德國(Germany)。[0046]光學模塊142是操作用以聚焦在所述光束焦點位置154的所述同軸光束輸出138，優選地以定義一光束焦點位置具有約為300微米的一直徑。所述光束焦點位置154被認為在材料100上與每一第一及第二激光光束的沖射位置相同，被理解的是，在第一及第二激光脈沖沖射的時間之間，由于輸送帶102上的材料100的運動，在所述材料100上的第一及第二光束的沖射位置中，約有10微米的輕微位移會存在。沖射位置具有不超過10微米的一共同中心偏移被認為是相同的沖射位置。
[0047]輻射從通過第一及第二脈沖沖射在所述材料100上而產生的等離子體通過光學模塊142部分被收集，其準直成一收集輻射光束160，其優選通過電介質140及在一折疊鏡162上沖射，其反過來又導引所述收集輻射光束160至一收集輻射聚焦光學模塊164。所述光學模塊164在一頻譜分析儀168的一輻射收集位置166上聚焦所述收集輻射光束。如光譜儀(Shamrock SR-303i_A spectrometer)結合一相機(fast Andor ICCD cameraDH720-25F-03),市售于公司(Andor Technology pic),千樓路(Millennium Way) 7 號，史賓威商業園(Springvale Business Park),貝爾法斯特(Belfast), BT127AL,英國(UnitedKingdom)。所述ICXD相機優選地具有一門控窗口，其開放持續時間優選地由計算機156通過一控制信號169進行控制。
[0048]所述光學模塊164優選地包含第一及第二透鏡170、172，其特征如下:Fl=+70毫米-116暈米，Dl=50暈米及F2=+80暈米-52暈米，D2=50暈米。
[0049]透鏡170、172優選地安裝在可變距離的一安裝組件174上，其包含一線性馬達176，其使所述透鏡170、172的位置及所述透鏡170、172之間的距離由計算機156通過控制信號151進行改變。
[0050]一般如圖2A至2C所示，從頻譜分析儀168的一譜分析輸出180優選地提供至計算機156。如圖2A至2C所示，為3個一系列的三維強度圖，分別在時間段t為O至900毫微秒，t為1000至1 0 10毫微秒及t為1020至3000毫微秒，其為根據本發明的一個優選實施例鉛礦石分析的特征。每一附圖顯示作為兩個波長函數和時間的發射強度。
[0051]計算機156通常執行以下計算功能:
[0052]1.在極小值及其相鄰的基線計算所述光學強度(Optical Density, 0.D.),其為所述逆強度比的對數(log)，在一強度圖中用于每一最小值，其表示一關注的元素。說明目白勺，如圖2B所不提到t為1000暈微秒。最小值(minimum)是指標記190及相鄰基準線(adjacent baseline)是指標記192。最小值190的所述強度在這個例子中被看作為10，000，基準線(baseline)的強度被看作為30，000。因此，所述最小值及其相鄰的基準線的比率倒數為3.0。在所述波長下所述吸收的光學強度，其代表特定元素，為log3而等于0.48。
[0053]本發明的特定特征，其采用的事實為在一波長下所述吸收光譜的光學強度，代表一給定元素，被直接且線性地相關于所述定量元素的濃度，在所述材料100中所導致的，優選的線性關系表示如下:
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[0054]Ni = -ODi
LOl
[0055]Ni表示所指定的元素i的濃度，I是被創建的所述等離子體羽狀物(plumes)的數個直徑的半徑中的差異，通過第一及第二激光光束的沖射，且通常在t為1000毫微秒上為400微米(如圖2B及3)，且為所述吸收截面，其給出的公式如下:
【權利要求】
1.一種用于即時分類移動材料的系統，所述系統包含: 一激光脈沖產生器，操作用以產生至少一第一及第二激光脈沖，于所述移動材料上的相同沖射位置進行沖射，所述第一及第二激光脈沖被分離的時間高達10微秒；及 一吸收檢測器，操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達20毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
2.如權利要求1所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述吸收檢測器操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達10毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
3.如權利要求1所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述吸收檢測器操作用以沿著所述第二激光脈沖于一高達5毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
4.如權利要求1至3任一項所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述系統還包含: 一即時測距機，測量至所述沖射位置的一目前距離 '及 一距離反應激光束聚焦器，操作用以因應來自所述即時測距機的一輸出值，以即時調整所述激光脈沖聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
5.如權利要求1至3任一項所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述系統還包含: 一即時測距機，測量至所述沖射位置的一目前距離 '及 一距離反應吸收檢測聚焦器，操作用于即時調整所述吸收檢測器聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
6.如權利要求4所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述系統還包含: 一距離反應吸收檢測聚焦器，操作用以因應來自所述即時測距機的輸出值，以即時調整所述吸收檢測器聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
7.如權利要求1至6任一項所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:產生所述第二激光脈沖的能量程度為所述第一激光脈沖的能量程度的至少5倍。
8.如權利要求1至6任一項所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:產生所述第二激光脈沖的能量程度為所述第一激光脈沖的能量程度的5至10倍。
9.如權利要求1至8任一項所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述系統還包含:一光束調準器，操作用以調準所述第一激光脈沖及所述第二激光脈沖。
10.如權利要求1至9任一項所述的用于即時分類移動材料的系統，其特征在于:所述系統還包含: 一計算機； 一材料導引閘， 所述計算機操作用以接收來自所述吸收檢測器的一輸出值，且提供一材料導引輸出值至所述材料導引閘。
11.一種用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:包含步驟: 產生至少一第一及第二激光脈沖，其于所述移動材料上的相同沖射位置進行沖射，所述第一及第二激光脈沖被分離的時間高達10微秒；及 沿著所述第二激光脈沖于一高達20毫微秒的檢測期間感測位在所述沖射位置的一吸收光譜。
12.如權利要求11所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述感測位在所述沖射位置的吸收光譜的步驟是沿著所述第二激光脈沖發生于一高達10毫微秒的檢測期間。
13.如權利要求11所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述感測位在所述沖射位置的吸收光譜的步驟是沿著所述第二激光脈沖發生于一高達5毫微秒的檢測期間。
14.如權利要求11至13任一項所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述方法還包含步驟: 測量至所述沖射位置的一目前距離；及 即時調整所述激光脈沖聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
15.如權利要求11至14任一項所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述方法還包含步驟: 即時調整所述吸收檢測器聚焦至所述沖射位置的焦距，盡管所述材料的高度有所改變。
16.如權利要求11至1 5任一項所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述產生至少第一及第二激光脈沖的步驟包含:產生所述第二激光脈沖的能量程度設為所述第一激光脈沖的能量程度的至少5倍。
17.如權利要求11至15任一項所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述產生至少第一及第二激光脈沖的步驟包含:產生所述第二激光脈沖的能量程度設為所述第一激光脈沖的能量程度的5至10倍。
18.如權利要求11至17任一項所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述產生至少第一及所述第二激光脈沖的步驟包含:調準所述第一激光脈沖及所述第二激光脈沖。
19.如權利要求11至18任一項所述的用于即時分類移動材料的方法，其特征在于:所述方法還包含步驟: 基于所述吸收光譜的一函數而提供一材料導引輸出值。
【文檔編號】G01N21/00GK103620374SQ201280027745
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年6月7日 優先權日:2011年6月9日
【發明者】列弗·納格, 邁克爾·塔夫脫 申請人:激光測距光譜有限公司
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