ПОРТАТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИСКРОВОЙ ЭМИССИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Портативный лазерный искровой эмиссионный спектрометр предназначен для измерения массовой доли химических элементов в сплавах, в том числе в соответствии с аттестованными методиками измерений.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Исторически известные спектрометры создавались с использованием оптических схем предшествующих им спектрографов, в которых они включали входную щель, вогнутую дифракционную решетку и фотопленку в качестве приемника излучения.
Из уровня техники известен спектрометр, описанный в A.M. Лившиц, А.В. Пелезнев, Ю.А. Левыкин «Передвижная автоматизированная система для сортировки металлических сплавов», Научно-технические достижения. Межотраслевой сборник ВИМИ, 1990, вып. 3. Этот спектрометр содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку и приемники излучения. Но в качестве приемников излучения используются линейные формирователи видеосигналов (ЛФВС), в частности линейные приборы с зарядовой связью (ПЗС-линейки). При этом регистрируется не ограниченный набор выделенных спектральных линий, а протяженные участки спектра, совпадающие по длине с фоточувствительной частью ПЗС-линейки.
Недостатком решения является образование «слепых зон» между последовательно расположенными на круге Роуланда ПЗС-линейками. Даже, если ПЗС-линейки расположить вплотную друг к другу, «слепая зона», т.е. отсутствие приема излучения, будет сохраняться между их фоточувствительными частями. Другим его недостатком является наличие значительных габаритов, определяемых радиусом кривизны вогнутой дифракционной решетки и, соответственно, диаметром круга Роуланда.
Известны приемы, описанные в патенте GB 631748 и в патенте DE 3621464, использования зеркала в оптической схеме, включающей входную щель, вогнутую дифракционную решетку и приемник излучения, которые позволили существенно уменьшить габариты приборов. В патенте DE 3621464 предусматривается установка плоского зеркала в центре круга Роуланда с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной плоскости круга Роуланда в его центре. Однако наличие механизма сканирования спектра путем поворота зеркала в свою очередь приводит к громоздкости, а, следовательно, к увеличению габаритов спектрометра и снижению его надежности. Кроме того, сканирование не позволяет измерять протяженный спектр одновременно.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Спектрометр лазерный искровой эмиссионный «Lazer-Z» производителя «SciAps, Inc.», США (номер записи в Госреестре средств измерений: 64624-16, дата утверждения методики поверки: 13.04.2016). Основными элементами конструкции спектрометра являются:
- корпус, служащий для размещения агрегатов спектрометра, стабилизации аналитических условий и для защиты пользователя от излучения;
- лазер, являющийся источником плазмы и эмиссионного спектра;
- детектор, служащий для преобразования квантов эмиссионного спектра в электронный сигнал - полупроводниковая матрица CCD;
- баллон с аргоном, служащий для определения химических элементов, которые нельзя определить в обычной воздушной среде без предварительной обдувки;
- литиевый аккумулятор, служащий для обеспечения всех частей спектрометра электроэнергией с определенными характеристиками;
- интегрированный компьютер, предназначенный для приема, обработки и выдачи информации под управлением специализированного программного обеспечения.
Недостатком наиболее близкого к заявляемой полезной модели аналога является то, что баллон с аргоном является основным элементом конструкции за счет чего:
- во-первых, утяжеляется конструкция самого портативного спектрометра;
- во-вторых, используемые баллоны с аргоном имеют особенности конструктивного исполнения, что не позволяет потребителю совмещать «Lazer-Z» с обычными баллонами с аргоном.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническая задача, положенная в основу полезной модели, заключается в расширении арсенала средств портативных лазерных искровых эмиссионных спектрометров.
Технический результат - снижение эксплуатационных затрат изделия, а именно, сохранение габаритов и веса устройства в рамках требований портативного, переносного оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что портативный лазерный искровой эмиссионный спектрометр, содержащий размещенные в корпусе лазер, схему управления лазером, осветительный оптический блок, спектрометр 1 и спектрометр 2, интегрированный компьютер, детекторную матрицу, источник питания, согласно полезной модели
осветительная оптика спектрометров 1 и 2 построена на базе зеркальной схемы, содержащей сферическое и плоское зеркала для каждого спектрометра;
фокусирующая оптика источника лазерного излучения имеет фиксированное фокусное расстояние;
для использования портативного лазерного искрового эмиссионного спектрометра с внешним источником аргона предусмотрен переходник на стандартный баллон;
на корпусе портативного лазерного искрового эмиссионного спектрометра расположены две ручки, ручка верхняя и ручка нижняя.
Детекторная матрица портативного лазерного искрового эмиссионного спектрометра матрица содержит три линейных датчика изображения в каждом спектрометре.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1 - общий вид портативного лазерного искрового эмиссионного спектрометра;
Фиг. 2 - функциональная схема устройства портативного лазерного искрового эмиссионного спектрометра;
Фиг. 3 - конструктивное исполнение осветительного оптического блока.
Заявляемое техническое решение содержит следующие ссылочные позиции на чертеже:
1 - кнопка запуска измерений;
2 - интегрированный компьютер;
3 - модуль синхронизации;
4 - схема управления лазером;
5 - лазер;
6 - фокусирующая оптика лазера;
7 - исследуемый образец;
8 - осветительный оптический блок;
9 - спектрометр 1;
10 - спектрометр 2;
11 - входное отверстие спектрометра 1;
12 - входное отверстие спектрометра 2;
13 - сферическое зеркало 1;
14 - сферическое зеркало 2;
15 - плоское зеркало 1;
16 - плоское зеркало 2;
17 - внешний корпус;
18 - ручка верхняя;
19 - ручка нижняя;
20 - источник питания;
21 - переходник на стандартный баллон.
Заявляемое устройство портативного лазерного искрового эмиссионного спектрометра работает следующим образом.
Для начала работы оператор нажимает на кнопку запуска измерения (1), затем сигнал поступает в интегрированный компьютер (2), который запускает работу модуля синхронизации (3) схемой управления лазером (4) запускающего работу лазера (5). Излучение генерируется лазером (4), и, пройдя через фокусирующую оптику лазера (6) попадает на объект исследования (7) и возбуждает на его поверхности лазерную плазму. Излучение плазмы пробоя направляется осветительным оптическим блоком (8) на спектрометры 1 (9) и 2 (10) через входное отверстие спектрометра 1 (11) и входное отверстие спектрометра 2 (12), за счет системы зеркал включающей сферические (13), (14) и плоские зеркала (15), (16). Излучение, проходящее через входные отверстия спектрометра (11), (12) попадая на дифракционную решетку, разлагается по длинам волн и фокусируется на фоточувствительном элементе, преобразуется в электрический сигнал и обрабатывается в интегрированном компьютере (2), где происходит обработка измерений с помощью специального программного обеспечения.
При этом все функциональные элементы, а именно: интегрированный компьютер (2), модуль синхронизации (3), схема управления лазером (4), лазер (5), фокусирующая оптика лазера (6), осветительный оптический блок (8), спектрометр 1 (9) и спектрометр 2 (10), расположены в едином корпусе, на котором размещены ручка верхняя (18) и ручка нижняя (19).
В интегрированном компьютере (2) происходит обработка измерений с помощью специального программного обеспечения. Программное обеспечение также служит для настройки спектрометров, проведения измерений, включая визуальный анализ экспериментальных данных, анализ и обработку полученных данных.
В качестве источника лазерного излучения субнаносекундных импульсов используется источник с выходной мощностью менее 100 мкДж.
В качестве линейных датчиков изображения используются датчики изображения типа CMOS.
В качестве источника питания (20) используются четыре стандартных аккумулятора типоразмера 18650.
Для работы используется внешний источник аргона с переходником (21) размещенным на корпусе (16) на стандартный промышленный баллон.
Следует отметить, что любая конкретная конфигурация и расположение различных элементов этой системы не ограничивают объем правовой охраны. Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами возможных деталей, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предлагаемый портативный лазерный искровой эмиссионный спектрометр промышленно применим для измерения массовой доли химических элементов в сплавах, проведенных в соответствии с аттестованными методиками.