СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ОБРАЗЦОВ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ (ЛИП)
METHOD AND DEVICE FOR QUANTITATIVE ANALYSIS OF SAMPLES USING LASER-INDUCED PLASMA (LIP)

Ссылка на родственные заявки
Настоящим делается ссылка на предварительную патентную заявку США № 61/494956, поданную 9 июня 2011 г. и озаглавленную "METHOD AND APPARATUS FOR QUANTITATIVE ANALYSIS OF SAMPLES BY LASER INDUCED PLASMA (LIP)", содержание которой настоящим включено посредством ссылки и приоритет которой настоящим испрашивается согласно 37 CFR 1.78(a)(4) и (5)(i).
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в основном относится к классификации материалов в реальном времени.
Уровень техники
Предполагается, что следующие публикации представляют современный уровень техники:
и патенты США №№ 6753957, 5847825, 6657721 и 7092087.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение стремится обеспечить высокоэффективную и эффективную по затратам классификацию материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, как например руды, перемещающиеся по конвейеру в шахте.
Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается система для классификации движущихся материалов в реальном времени, причем данная система включает в себя генератор лазерных импульсов, выполненный с возможностью создания по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов, которые воздействуют на одно и то же место воздействия на движущихся материалах, причем первый и второй лазерные импульсы отстоят во времени на вплоть до 10 микросекунд; и детектор поглощения, выполненный с возможностью восприятия спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 20 наносекунд, после второго лазерного импульса.
Предпочтительно, детектор поглощения выполнен с возможностью восприятия спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 10 наносекунд, после второго лазерного импульса. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения детектор поглощения выполнен с возможностью восприятия спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 5 наносекунд, после второго лазерного импульса.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения система для классификации движущихся материалов в реальном времени дополнительно включает в себя дальномер, работающий в реальном времени, измеряющий текущее расстояние до места воздействия, и чувствительный к расстоянию фокусирующий лазерный луч блок, выполненный с возможностью, в ответ на выходные данные от дальномера, работающего в реальном времени, регулирования фокуса лазерных импульсов в реальном времени, так чтобы они были сфокусированы на место воздействия, несмотря на непостоянную высоту материалов. Альтернативно, система для классификации движущихся материалов в реальном времени дополнительно включает в себя дальномер, работающий в реальном времени, измеряющий текущее расстояние до места воздействия, и чувствительный к расстоянию фокусирующий обнаружение поглощения блок, выполненный с возможностью регулирования фокуса детектора поглощения в реальном времени, так чтобы он был сфокусирован на место воздействия, несмотря на непостоянную высоту материалов.
Предпочтительно, система для классификации движущихся материалов в реальном времени дополнительно включает в себя чувствительный к расстоянию фокусирующий обнаружение поглощения блок, выполненный с возможностью, в ответ на выходные данные от дальномера, работающего в реальном времени, регулирования фокуса детектора поглощения в реальном времени, так чтобы он был сфокусирован на место воздействия, несмотря на непостоянную высоту материалов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения второй лазерный импульс создается с уровнем энергии, по меньшей мере в 5 раз превосходящим уровень энергии первого лазерного импульса. Дополнительно, второй лазерный импульс создается с уровнем энергии, в 5-10 раз превосходящим уровень энергии первого лазерного импульса.
Предпочтительно, система для классификации движущихся материалов в реальном времени дополнительно включает в себя выравнивающий лучи блок, выполненный с возможностью выравнивания первого лазерного импульса и второго лазерного импульса.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения система для классификации движущихся материалов в реальном времени дополнительно включает в себя компьютер и направляющую материал заслонку, причем компьютер выполнен с возможностью приема выходных данных от детектора поглощения и для предоставления направляющих материал выходных данных на направляющую материал заслонку.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения также предлагается способ классификации движущихся материалов в реальном времени, включающий в себя создание по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов, которые воздействуют на одно и то же место воздействия на движущихся материалах, причем первый и второй лазерные импульсы отстоят во времени на вплоть до 10 микросекунд, и получение спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 20 наносекунд, после второго лазерного импульса.
Предпочтительно, получение спектра поглощения в месте воздействия происходит в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 10 наносекунд, после второго лазерного импульса. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения получение спектра поглощения в месте воздействия происходит в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 5 наносекунд, после второго лазерного импульса.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения способ дополнительно включает в себя измерение текущего расстояния до места воздействия и регулирование фокуса лазерных импульсов в реальном времени, так чтобы они были сфокусированы на место воздействия, несмотря на непостоянную высоту материалов. Альтернативно или дополнительно, способ дополнительно включает в себя регулирование фокуса детектора поглощения в реальном времени, так чтобы он был сфокусирован на место воздействия, несмотря на непостоянную высоту материалов.
Предпочтительно, создание по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов включает в себя создание второго лазерного импульса с уровнем энергии, по меньшей мере в 5 раз превосходящим уровень энергии первого лазерного импульса. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения создание по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов включает в себя создание второго лазерного импульса с уровнем энергии, в 5-10 раз превосходящим уровень энергии первого лазерного импульса.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения создание по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов включает в себя выравнивание первого лазерного импульса и второго лазерного импульса.
Предпочтительно, способ дополнительно включает в себя предоставление направляющих материал выходных данных на основании функции спектра поглощения.
Краткое описание чертежей
Понимание и оценка настоящего изобретения будут более полными из следующего подробного описания, рассматриваемого в сочетании с чертежами, на которых:
Фиг.1A представляет собой упрощенную иллюстрацию системы для классификации материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.1B представляет собой упрощенную иллюстрацию системы для классификации материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.1C представляет собой упрощенную иллюстрацию системы для классификации материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, в соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2A, 2B и 2C представляют собой ряд из трех 3-мерных графиков интенсивности, полученных, соответственно, в периоды времени t=0-900 нс, t=1000-1010 нс и t=1020-3000 нс, которые являются типичными для анализа свинцовой руды в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.3 представляет собой упрощенную иллюстрацию аспектов функционирования систем с Фиг. 1A, 1B и 1C.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение относится к способу и аппарату реального времени для количественного анализа твердых, жидких и газообразных образцов с помощью лазерно-индуцированной плазмы (ЛИП) с применением способа калибровки поглощения свободных атомов и ионов.
Теперь рассмотрим Фиг.1A, которая представляет собой упрощенную иллюстрацию системы для классификации материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как видно на Фиг.1A, сыпучий материал 100, такой как руда, добытая из шахты, повторно используемый материал, пищевые продукты или лекарственные препараты на производственной линии, движется по конвейеру 102, обычно со скоростью, равной 2-6 метров в секунду.
Настоящее изобретение позволяет классифицировать материал 100 в реальном времени в соответствии с его количественным составом. Так, в примере руды, добытой из шахты, количество определенных элементов в руде может определять, подвергать ли руду дальнейшей обработке, и как именно. Например, в случае железной руды, если содержание оксида железа составляет более заранее определенного порога, обычно 60%, руду подвергают дальнейшей обработке, а если содержание оксида железа составляет менее заранее определенного порога, руду отбраковывают. В другом примере, если классифицируют фосфатную руду, руду, имеющую содержание оксида магния, превосходящее заранее определенный порог, обычно 2%, отбраковывают, а руду, имеющую содержание оксида магния, которое меньше, чем заранее определенный порог, подвергают дальнейшей обработке.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, количественная классификация материала 100 достигается с помощью использования генератора лазерных импульсов, выполненного с возможностью создания по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов, которые воздействуют на одно и то же место воздействия на материале 100, когда он находится в движении, причем первый и второй лазерные импульсы отстоят во времени на вплоть до 10 микросекунд. Детектор поглощения, обычно включающий в себя спектрометр, выполнен с возможностью восприятия спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 20 наносекунд, после второго лазерного импульса. Альтернативно, могут применяться несколько фотодетекторов, работающих в наносекундном диапазоне, и причем все они связаны с фильтрами различных длин волн.
Воздействие первого и второго лазерных импульсов на материал 100 производит наложенные друг на друга плазмы, имеющие характеристический спектр поглощения, в течение временного интервала, составляющего, наиболее предпочтительно вплоть до приблизительно 10 нс, после второго лазерного импульса, чей спектр поглощения прямо показывает количественный состав материала 100 в месте воздействия на него, как подробно описано ниже в данном документе со ссылкой на Фиг. 2A-3.
Как видно на Фиг.1A, генератор лазерных импульсов, предпочтительно, включает в себя первый и второй лазеры 132 и 134, обычно Nd:YAG лазеры, причем каждый имеет выход энергии, составляющий между 50 и 200 миллиджоулей на импульс, выходное излучение которых проходит через выравнивающий лучи блок 136. Лазеры 132 и 134 наряду с выравнивающим лучи блоком 136 вместе коммерчески доступны от Quantel, 2 bis avenue du Pacifique, BP23 91 941, Les Ulis CEDEX, Франция, под торговым наименованием TWINS BSL. Выравнивающий лучи блок 136 выполнен с возможностью взаимного выравнивания лучей от лазеров 132 и 134, которые расположены в различных физических местоположениях, так чтобы данные лучи были строго соосными с допусками в пределах микрон.
Обычно лазеры 132 и 134 излучают на длине волны, равной 1064 нм. Следует понимать, что альтернативно можно использовать другие длины волн. Также возможно, что лазеры 132 и 134 могут работать на различных длинах волн. Обычно лазеры 132 и 134 работают с различными уровнями выходной энергии, причем второй лазер 134, который производит второй лазерный импульс, работает с уровнем энергии, который в 5-10 раз выше, чем уровень энергии первого лазера 132, который производит первый лазерный импульс. В качестве теоретической альтернативы можно использовать единственный лазер, если такой лазер может производить два лазерных импульса с интервалом между ними не более 10 микросекунд.
Соосные выходные лучи 138 выравнивающего лучи устройства 136, предпочтительно, подаются на диэлектрическое зеркало 140, такое как лазерное зеркало Y-Nd:YAG, коммерчески доступное от CVI Melles Griot, 200 Dorado Place SE, Albuquerque, NM 87123, США, которое является отражающим для соосных выходных лучей 138 и прозрачным для излучения, получаемого от плазм, создаваемых на материале 100 посредством воздействия первого и второго импульсов, и которое отражает соосные выходные лучи 138 на оптический модуль 142, обычно содержащий первую и вторую линзы 144 и 146, имеющие следующие характеристики: F1=+80 мм -216 мм, D1=50 мм и F2=+108 мм -52 мм, D2=50 мм.
Линзы 144 и 146, предпочтительно, устанавливают на несущий узел 148 с изменяющимся расстоянием, включающий в себя линейный двигатель 150, который позволяет изменять положение линз 144 и 146, а также расстояние между линзами 144 и 146, в ответ на управляющий сигнал 151, основанный на вводе 152 высоты материала. Ввод 152 высоты материала представляет собой высоту местоположения 154 фокуса луча соосных выходных лучей 138 на материале 100.
Компьютер 156, предпочтительно, управляет временным режимом и другими характеристиками работы первого и второго лазеров 132 и 134, для того чтобы обеспечивать требуемые временной режим и другие рабочие характеристики соответствующих первого и второго лазерных импульсов, а также предоставляет управляющий сигнал 151 в ответ на ввод 152 высоты материала от датчика 158 высоты, такого как ультразвуковое устройство измерения расстояния, например mic+130/IU/TC, коммерчески доступное от Microsonic GmbH, Hauert 16, 44227, Dortmund, Германия, или лазерный дальномер, такой как LDM 41/42 A, коммерчески доступный от ASTECH Angewandte Sensortechnik GmbH, Schonenfahrerstr. 5, D-18055, Rostock, Германия.
Оптический модуль 142 выполнен с возможностью фокусирования соосных выходных лучей 138 на местоположение 154 фокуса луча, так чтобы, предпочтительно, определять местоположение фокуса луча с диаметром, равным приблизительно 300 микрон. Местоположение 154 фокуса луча рассматривается как идентичное местам воздействия как первого, так и второго лазерных лучей на материал 100, причем следует принимать во внимание, что будет существовать небольшой сдвиг, составляющий вплоть до приблизительно 10 микрон, в местах воздействия первого и второго лучей на материал 100 вследствие движения материала 100 на конвейере 102 между моментами воздействий первого и второго лазерных импульсов. Места воздействия, имеющие сдвиг центров друг относительно друга, составляющий не более чем приблизительно 10 микрон, рассматриваются как являющиеся одним и тем же местом воздействия.
Излучение от плазм, создаваемых на материале 100 посредством воздействия на него первого и второго импульсов, частично собирается оптическим модулем 142, который коллимирует его в луч 160 собранного излучения, который, предпочтительно, проходит сквозь диэлектрическое зеркало 140 и падает на отклоняющее зеркало 162, которое в свою очередь направляет луч 160 собранного излучения на фокусирующий собранное излучение оптический модуль 164. Оптический модуль 164 фокусирует луч собранного излучения на место 166 сбора излучения устройства 168 спектрального анализа, такого как спектрометр Shamrock SR-303i-A, соединенный с быстрой ICCD-камерой Andor DH720-25F-03, коммерчески доступной от Andor Technology pic, 7 Millennium Way, Springvale Business Park, Belfast, BT12 7AL, Великобритания. ICCD-камера, предпочтительно, имеет пропускающее окно, продолжительность открытия которого, предпочтительно, регулируется с помощью управляющего сигнала 169 от компьютера 156.
Оптический модуль 164, предпочтительно, содержит первую и вторую линзы 170 и 172, имеющие следующие характеристики: F1=+70 мм -116 мм, D1=50 мм и F2=+80 мм -52 мм, D2=50 мм.
Линзы 170 и 172, предпочтительно, устанавливают на несущий узел 174 с изменяющимся расстоянием, включающий в себя линейный двигатель 176, который позволяет изменять положение линз 170 и 172, а также расстояние между линзами 170 и 172, по управляющему сигналу 151 от компьютера 156.
Выходные данные 180 спектрального анализа, обычно, как показано на Фиг. 2A-2C, от устройства 168 спектрального анализа, предпочтительно, передаются на компьютер 156. Фиг. 2A-2C представляют собой ряд из трех 3-мерных графиков интенсивности, полученных, соответственно, в периоды времени t=0-900 нс, t=1000-1010 нс и t=1020-3000 нс, которые являются типичными для анализа свинцовой руды в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Каждый график демонстрирует интенсивность излучения как функцию и длины волны, и времени.
Компьютер 156, обычно, осуществляет следующие вычислительные функции:
1. Вычисляет оптическую плотность (O.D.), которая представляет собой логарифм (log) обратного отношения интенсивностей между минимумом и базовой линией, ближайшей к нему, для каждого минимума на графике интенсивности, который представляет интересующий элемент. Для целей иллюстрации сделана ссылка на график интенсивности, полученный при t=1000 нс, который можно видеть на Фиг.2B. Минимум здесь обозначен номером позиции 190, и ближайшая базовая линия здесь обозначена номером позиции 192. Видно, что интенсивность в минимуме 190 в данном примере составляет 10000, тогда как интенсивность на базовой линии 192 составляет 30000. Таким образом, обратное отношение между минимумом и базовой линией, ближайшей к нему, составляет 3,0. O.D. поглощения на длине волны, которая представляет определенный элемент, в данном случае свинец, составляет log 3, который равен 0,48.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что оно использует тот факт, что O.D. спектра поглощения на длине волны, которая представляет данный элемент, прямо и линейно связана с количественной концентрацией данного элемента, в данном случае свинца, в материале 100. Данное линейное соотношение, предпочтительно, представляют следующим образом:
,
i
i
где N представляет собой концентрацию для элемента, обозначенного "i", l представляет собой разницу в радиусе диаметров сгустков плазмы, создаваемых посредством воздействия соответствующих первого и второго лазерных лучей, и составляет, обычно, 400 микрон при t=1000 нс (Фиг. 2B и 3), и σ представляет собой поперечное сечение поглощения, определяемое выражением:
,
21
0i
1,
2
где A представляет собой коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения для определенного перехода между уровнями энергии, соответствующего центральной длине волны λ, а g g представляют собой известные константы, представляющие статистический вес нижнего и верхнего уровней энергии, которым соответствует данный переход.
При рассмотрении Фиг. 2A-2C следует заметить, что сравнение данных графиков демонстрирует, что поглощение отмечается только в момент воздействия второго лазерного импульса на материал 100 и непосредственно после него, обычно при t=1000 нс, а не перед ним и не в момент времени t=1020 нс или позже.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что концентрация, вычисляемая с помощью компьютера 156 на основании воспринятого поглощения на одной или нескольких длинах волн, характеристических для представляющего интерес элемента, используется непосредственно и без необходимости в какой-либо калибровке для предоставления направляющих материал выходных данных на направляющую материал заслонку 182, которая физически направляет материал 100 в одном из по меньшей мере двух направлений в зависимости от его количественного состава.
Теперь рассмотрим Фиг.1B, которая представляет собой упрощенную иллюстрацию системы для классификации материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как видно на Фиг.1B, материалы 200, такие как руда, добытая из шахты, повторно используемые материалы, пищевые продукты или лекарственные препараты на производственной линии, движутся по конвейеру 202, обычно со скоростью, равной 2-6 метров в секунду.
Настоящее изобретение позволяет классифицировать материалы 200 в реальном времени в соответствии с их количественным составом. Так в примере руды, добытой из шахты, количество определенных элементов в руде может определять, подвергать ли руду дальнейшей обработке, и как именно. Например, в случае железной руды, если содержание оксида железа составляет более заранее определенного порога, обычно 60%, руду подвергают дальнейшей обработке, а если содержание оксида железа составляет менее заранее определенного порога, руду отбраковывают. В другом примере, если классифицируют фосфатную руду, руду, имеющую содержание оксида магния, превосходящее заранее определенный порог, обычно 2%, отбраковывают, а руду, имеющую содержание оксида магния, которое меньше чем заранее определенный порог, подвергают дальнейшей обработке.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения количественная классификация материалов 200 достигается с помощью использования генератора лазерных импульсов, выполненного с возможностью создания по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов, которые воздействуют на одно и то же место воздействия на материалах 200, когда они находятся в движении, причем первый и второй лазерные импульсы отстоят во времени на вплоть до 10 микросекунд. Детектор поглощения, обычно включающий в себя спектрометр, выполнен с возможностью восприятия спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 20 наносекунд, после второго лазерного импульса. Альтернативно, могут применяться несколько фотодетекторов, работающих в наносекундном диапазоне, и причем все они связаны с фильтрами различных длин волн.
Воздействие первого и второго лазерных импульсов на материалы 200 производит наложенные друг на друга плазмы, имеющие характеристический спектр поглощения, в течение временного интервала, составляющего, наиболее предпочтительно вплоть до приблизительно 10 нс, после второго лазерного импульса, чей спектр поглощения прямо показывает количественный состав материалов 200 в месте воздействия на них, как подробно описано ниже в данном документе со ссылкой на Фиг. 2A-3.
Как видно на Фиг.1B, генератор лазерных импульсов, предпочтительно, включает в себя первый и второй лазеры 232 и 234, обычно Nd:YAG лазеры, причем каждый имеет выход энергии, составляющий между 50 и 200 миллиджоулей на импульс, выходное излучение которых проходит через выравнивающий лучи блок 236. Лазеры 232 и 234 наряду с выравнивающим лучи блоком 236 вместе коммерчески доступны от Quantel, 2 bis avenue du Pacifique, BP23 91 941, Les Ulis CEDEX, Франция, под торговым наименованием TWINS BSL. Выравнивающий лучи блок 236 выполнен с возможностью взаимного выравнивания лучей от лазеров 232 и 234, которые расположены в различных физических местоположениях, так чтобы данные лучи были строго соосными с допусками в пределах микрон.
Обычно лазеры 232 и 234 излучают на длине волны, равной 1064 нм. Следует понимать, что альтернативно можно использовать другие длины волн. Также возможно, что лазеры 232 и 234 могут работать на различных длинах волн. Обычно лазеры 232 и 234 работают с различными уровнями выходной энергии, причем второй лазер 234, который производит второй лазерный импульс, работает с уровнем энергии, который в 5-10 раз выше, чем уровень энергии первого лазера 232, который производит первый лазерный импульс. В качестве теоретической альтернативы можно использовать единственный лазер, если такой лазер может производить два лазерных импульса с интервалом между ними не более 10 микросекунд.
Соосные выходные лучи 238 выравнивающего лучи устройства 236, предпочтительно, направляют через апертуру, образованную в металлическом зеркале 240, таком как зеркало NT47-117, коммерчески доступное от Edmund Optics Inc., 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380, США, на оптический модуль 242, обычно содержащий первую и вторую линзы 244 и 246, имеющие следующие характеристики: F1=+80 мм -216 мм, D1=50 мм и F2=+108 мм -52 мм, D2 50 мм.
Линзы 244 и 246, предпочтительно, устанавливают на несущий узел 248 с изменяющимся расстоянием, включающий в себя линейный двигатель 250, который позволяет изменять положение линз 244 и 246, а также расстояние между линзами 244 и 246, в ответ на управляющий сигнал 251, основанный на вводе 252 высоты материала. Ввод 252 высоты материала представляет собой высоту местоположения 254 фокуса луча соосных выходных лучей 238 на материалах 200.
Компьютер 256, предпочтительно, управляет временным режимом и другими характеристиками работы первого и второго лазеров 232 и 234, для того чтобы обеспечивать требуемые временной режим и другие рабочие характеристики соответствующих первого и второго лазерных импульсов, а также предоставляет управляющий сигнал 251 в ответ на ввод 252 высоты материала от датчика 258 высоты, такого как ультразвуковое устройство измерения расстояния, например mic+130/IU/TC, коммерчески доступное от Microsonic GmbH, Hauert 16, 44227, Dortmund, Германия, или лазерный дальномер, такой как LDM 41/42 A, коммерчески доступный от ASTECH Angewandte Sensortechnik GmbH, Schonenfahrerstr. 5, D-18055, Rostock, Германия.
Оптический модуль 242 выполнен с возможностью фокусирования соосных выходных лучей 238 на местоположение 254 фокуса луча, так чтобы, предпочтительно, определять местоположение фокуса луча с диаметром, равным приблизительно 300 микрон. Местоположение 254 фокуса луча предполагается идентичным месту воздействия как первого, так и второго лазерных лучей на материалах 200, причем следует принимать во внимание, что будет существовать небольшой сдвиг, составляющий вплоть до приблизительно 10 микрон, в месте воздействия на материалах 200 вследствие движения материалов 200 на конвейере 202 между моментами воздействий первого и второго лазерных импульсов. Места воздействия, имеющие сдвиг центров друг относительно друга, составляющий не более чем приблизительно 10 микрон, рассматриваются как являющиеся одним и тем же местом воздействия.
Излучение от плазм, создаваемых на материалах 200 посредством воздействия на них первого и второго импульсов, частично собирается оптическим модулем 242, который коллимирует его в луч 260 собранного излучения, который, предпочтительно, отражается зеркалом 240 на фокусирующий собранное излучение оптический модуль 264, который фокусирует луч 260 собранного излучения на волоконнооптический конец 266 для сбора излучения оптического волокна 267 устройства 268 спектрального анализа, такого как спектрометр Shamrock SR-303i-A, соединенный с быстрой ICCD-камерой Andor DH720-25F-03, коммерчески доступной от Andor Technology pic, 7 Millennium Way, Springvale Business Park, Belfast, BT12 7AL, Великобритания. ICCD-камера, предпочтительно, имеет пропускающее окно, продолжительность открытия которого, предпочтительно, регулируется с помощью управляющего сигнала 269 от компьютера 256.
Оптический модуль 264, предпочтительно, содержит первую и вторую линзы 270 и 272, имеющие следующие характеристики: F1=+70 мм -116 мм, D1=50 мм и F2=+80 мм -52 мм, D2=50 мм.
Линзы 270 и 272, предпочтительно, устанавливают на несущий узел 274 с изменяющимся расстоянием, включающий в себя линейный двигатель 276, который позволяет изменять положение линз 270 и 272, а также расстояние между линзами 270 и 272, по управляющему сигналу 251 от компьютера 256.
Выходные данные 280 спектрального анализа, обычно, как показано на Фиг. 2A-2C, от устройства 268 спектрального анализа, предпочтительно, передаются на контроллер 256. Фиг. 2A-2C представляют собой ряд из трех 3-мерных графиков интенсивности, полученных, соответственно, в периоды времени t=0-900 нс, t=1000-1010 нс и t=1020-3000 нс, которые являются типичными для анализа свинцовой руды в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Каждый график демонстрирует интенсивность излучения как функцию и длины волны, и времени.
Компьютер 256, обычно, осуществляет следующие вычислительные функции:
1. Вычисляет оптическую плотность (O.D.), которая представляет собой логарифм (log) обратного отношения интенсивностей между минимумом и базовой линией, ближайшей к нему, для каждого минимума на графике интенсивности, который представляет интересующий элемент. Для целей иллюстрации сделана ссылка на график интенсивности, полученный при t=1000 нс, который можно видеть на Фиг. 2B. Минимум здесь обозначен номером позиции 190, и ближайшая базовая линия здесь обозначена номером позиции 192. Видно, что интенсивность в минимуме 190 в данном примере составляет 10000, тогда как интенсивность на базовой линии 192 составляет 30000. Таким образом, обратное отношение между минимумом и базовой линией, ближайшей к нему, составляет 3,0. O.D. поглощения на длине волны, которая представляет определенный элемент, в данном случае свинец, составляет log 3, который равен 0,48.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что оно использует тот факт, что O.D. спектра поглощения на длине волны, которая представляет данный элемент, прямо и линейно связана с количественной концентрацией данного элемента, в данном случае свинца, в материалах 200. Данное линейное соотношение, предпочтительно, представляют следующим образом:
,
i
i
где N представляет собой концентрацию для элемента, обозначенного "i", l представляет собой разницу в радиусе диаметров сгустков плазмы, создаваемых посредством воздействия соответствующих первого и второго лазерных лучей, и составляет, обычно, 400 микрон при t=1000 нс (Фиг. 2B и 3), и σ представляет собой поперечное сечение поглощения, определяемое выражением:
,
21
0i
1,
2
где A представляет собой коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения для определенного перехода между уровнями энергии, соответствующего центральной длине волны λ, а g g представляют собой известные константы, представляющие статистический вес нижнего и верхнего уровней энергии, которым соответствует данный переход.
При рассмотрении Фиг. 2A-2C следует заметить, что сравнение данных графиков демонстрирует, что поглощение отмечается только в момент воздействия второго лазерного импульса на материалы 200 и непосредственно после него, обычно при t=1000 нс, а не перед ним и не в момент времени t=1020 нс или позже.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что концентрация, вычисляемая с помощью компьютера 256 на основании полученного поглощения при одной или нескольких длинах волн, характеристических для представляющего интерес элемента, используется непосредственно и без необходимости в какой-либо калибровке для предоставления направляющих материал выходных данных 281 на направляющую материал заслонку 282, которая физически направляет материалы 200 в одном из по меньшей мере двух направлений в зависимости от их количественного состава.
Теперь рассмотрим Фиг.1C, которая представляет собой упрощенную иллюстрацию системы для классификации материалов в реальном времени, в то время как они находятся в движении, в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как видно на Фиг.1C, материалы 300, такие как руда, добытая из шахты, повторно используемые материалы, пищевые продукты или лекарственные препараты на производственной линии, движутся по конвейеру 302, обычно со скоростью, равной 2-6 метров в секунду.
Настоящее изобретение позволяет классифицировать материалы 300 в реальном времени в соответствии с их количественным составом. Так, в примере руды, добытой из шахты, количество определенных элементов в руде может определять, подвергать ли руду дальнейшей обработке, и как именно. Например, в случае железной руды, если содержание оксида железа составляет более заранее определенного порога, обычно 60%, руду подвергают дальнейшей обработке, а если содержание оксида железа составляет менее заранее определенного порога, руду отбраковывают. В другом примере, если классифицируют фосфатную руду, руду, имеющую содержание оксида магния, превосходящее заранее определенный порог, обычно 2%, отбраковывают, а руду, имеющую содержание оксида магния, которое меньше чем заранее определенный порог, подвергают дальнейшей обработке.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения количественная классификация материалов 300 достигается с помощью использования генератора лазерных импульсов, выполненного с возможностью создания по меньшей мере первого и второго лазерных импульсов, которые воздействуют на одно и то же место воздействия на материалах 300, когда они находятся в движении, причем первый и второй лазерные импульсы отстоят во времени на вплоть до 10 микросекунд. Детектор поглощения, обычно включающий в себя спектрометр, выполнен с возможностью восприятия спектра поглощения в месте воздействия в течение временного интервала обнаружения, составляющего вплоть до 20 наносекунд, после второго лазерного импульса. Альтернативно, могут применяться несколько фотодетекторов, работающих в наносекундном диапазоне, и причем все они связаны с фильтрами различных длин волн.
Воздействие первого и второго лазерных импульсов на материалы 300 производит наложенные друг на друга плазмы, имеющие характеристический спектр поглощения, в течение временного интервала, составляющего, наиболее предпочтительно вплоть до приблизительно 10 нс, после второго лазерного импульса, чей спектр поглощения прямо показывает количественный состав материалов 200 в месте воздействия на них, как подробно описано ниже в данном документе со ссылкой на Фиг. 2A-3.
Как видно на Фиг.1C, генератор лазерных импульсов, предпочтительно, включает в себя первый и второй лазеры 332 и 334, обычно Nd:YAG лазеры, причем каждый имеет выход энергии, составляющий между 50 и 200 миллиджоулей на импульс, выходное излучение которых проходит через выравнивающий лучи блок 336. Лазеры 332 и 334 наряду с выравнивающим лучи блоком 336 вместе коммерчески доступны от Quantel, 2 bis avenue du Pacifique, BP23 91 941, Les Ulis CEDEX, Франция, под торговым наименованием TWINS BSL. Выравнивающий лучи блок 336 выполнен с возможностью взаимного выравнивания лучей от лазеров 332 и 334, которые расположены в различных физических местоположениях, так чтобы данные лучи были строго соосными с допусками в пределах микрон.
Обычно лазеры 332 и 334 излучают на длине волны, равной 1064 нм. Следует понимать, что альтернативно можно использовать другие длины волн. Также возможно, что лазеры 332 и 334 могут работать на различных длинах волн. Обычно лазеры 332 и 334 работают при различных уровнях выходной энергии, причем второй лазер 334, который производит второй лазерный импульс, работает с уровнем энергии, который в 5-10 раз выше, чем уровень энергии первого лазера 332, который производит первый лазерный импульс. В качестве теоретической альтернативы можно использовать единственный лазер, если такой лазер может производить два лазерных импульса с интервалом между ними не более 10 микросекунд.
Соосные выходные лучи 338 выравнивающего лучи устройства 336, предпочтительно, отражаются зеркалом 340, таким как зеркало NT47-117, коммерчески доступное от Edmund Optics Inc., 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380, США, на оптический модуль 342, обычно содержащий первую и вторую линзы 344 и 346, имеющие следующие характеристики: F1=+80 мм -216 мм, D1=50 мм и F2=+108 мм -52 мм, D2 50 мм.
Линзы 344 и 346, предпочтительно, устанавливают на несущий узел 348 с изменяющимся расстоянием, включающий в себя линейный двигатель 350, который позволяет изменять положение линз 344 и 346, а также расстояние между линзами 344 и 346, в ответ на управляющий сигнал 351, основанный на вводе 352 высоты материала. Ввод 352 высоты материала представляет собой высоту местоположения 354 фокуса луча соосных выходных лучей 338 на материалах 300.
Компьютер 356, предпочтительно, управляет временным режимом и другими характеристиками работы первого и второго лазеров 332 и 334, для того чтобы обеспечивать требуемые временной режим и другие рабочие характеристики соответствующих первого и второго лазерных импульсов, а также предоставляет управляющий сигнал 351 в ответ на ввод 352 высоты материала от датчика 358 высоты, такого как ультразвуковое устройство измерения расстояния, например mic+130/IU/TC, коммерчески доступное от Microsonic GmbH, Hauert 16, 44227, Dortmund, Германия, или лазерный дальномер, такой как LDM 41/42 A, commercially available из ASTECH Angewandte Sensortechnik GmbH, Schonenfahrerstr. 5, D-18055, Rostock, Германия.
Оптический модуль 342 выполнен с возможностью фокусирования соосных выходных лучей 338 на местоположение 354 фокуса луча, так чтобы, предпочтительно, определять местоположение фокуса луча с диаметром, равным приблизительно 300 микрон. Местоположение 354 фокуса луча предполагается идентичным месту воздействия как первого, так и второго лазерных лучей на материалах 300, причем следует принимать во внимание, что будет существовать небольшой сдвиг, составляющий вплоть до приблизительно 10 микрон, в месте воздействия на материалах 300 вследствие движения материалов 300 на конвейере 302 между моментами воздействий первого и второго лазерных импульсов. Места воздействия, имеющие сдвиг центров друг относительно друга, составляющий не более чем приблизительно 10 микрон, рассматриваются как являющиеся одним и тем же местом воздействия.
Излучение от плазм, создаваемых на материалах 300 посредством воздействия на них первого и второго импульсов, частично собирается фокусирующим собранное излучение оптическим модулем 364, который фокусирует его у конца 366 оптического волокна 367, которое подает его на устройство 368 спектрального анализа, такое как спектрометр Shamrock SR-303i-A, соединенный с быстрой ICCD-камерой Andor DH720-25F-03, коммерчески доступной от Andor Technology pic, 7 Millennium Way, Springvale Business Park, Belfast, BT12 7AL, Великобритания. ICCD-камера, предпочтительно, имеет пропускающее окно, продолжительность открытия которого, предпочтительно, регулируется с помощью управляющего сигнала 369 от компьютера 356.
Оптический модуль 364, предпочтительно, содержит первую и вторую линзы 370 и 372, имеющие следующие характеристики: F1=+70 мм -116 мм, D1=50 мм и F2=+80 мм -52 мм, D2=50 мм.
Линзы 370 и 372, предпочтительно, устанавливают на несущий узел 374 с изменяющимся расстоянием, включающий в себя линейный двигатель 376, который позволяет изменять положение линз 370 и 372, а также расстояние между линзами 370 и 372, по управляющему сигналу 351 от компьютера 356.
Выходные данные 380 спектрального анализа, обычно, как показано на Фиг. 2A-2C, от устройства 368 спектрального анализа, предпочтительно, передаются на компьютер 356. Фиг. 2A-2C представляют собой ряд из трех 3-мерных графиков интенсивности, полученных, соответственно, в периоды времени t=0-900 нс, t=1000-1010 нс и t=1020-3000 нс, которые являются типичными для анализа свинцовой руды в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Каждый график демонстрирует интенсивность излучения как функцию и длины волны, и времени.
Компьютер 356, обычно, осуществляет следующие вычислительные функции:
1. Вычисляет оптическую плотность (O.D.), которая представляет собой логарифм (log) обратного отношения интенсивностей между минимумом и базовой линией, ближайшей к нему, для каждого минимума на графике интенсивности, который представляет интересующий элемент. Для целей иллюстрации сделана ссылка на график интенсивности, полученный при t=1000 нс, который можно видеть на Фиг. 2B. Минимум здесь обозначен номером позиции 190, и ближайшая базовая линия здесь обозначена номером позиции 192. Видно, что интенсивность в минимуме 190 в данном примере составляет 10000, тогда как интенсивность на базовой линии 192 составляет 30000. Таким образом, обратное отношение между минимумом и базовой линией, ближайшей к нему, составляет 3,0. O.D. поглощения на длине волны, которая представляет определенный элемент, в данном случае свинец, составляет log 3, который равен 0,48.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что оно использует тот факт, что O.D. спектра поглощения на длине волны, которая представляет данный элемент, прямо и линейно связана с количественной концентрацией данного элемента, в данном случае свинца, в материалах 300. Данное линейное соотношение, предпочтительно, представляют следующим образом:
,
i
i
где N представляет собой концентрацию для элемента, обозначенного "i", l представляет собой разницу в радиусе диаметров сгустков плазмы, создаваемых посредством воздействия соответствующих первого и второго лазерных лучей, и составляет, обычно, 400 микрон при t=1000 нс (Фиг. 2B и 3), и σ представляет собой поперечное сечение поглощения, определяемое выражением:
,
21
0i
1,
2
где A представляет собой коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения для определенного перехода между уровнями энергии, соответствующего центральной длине волны λ, а g g представляют собой известные константы, представляющие статистический вес нижнего и верхнего уровней энергии, которым соответствует данный переход.
При рассмотрении Фиг. 2A-2C следует заметить, что сравнение данных графиков демонстрирует, что поглощение отмечается только в момент воздействия второго лазерного импульса на материалы 300 и непосредственно после него, обычно при t=1000 нс, а не перед ним и не в момент времени t=1020 нс или позже.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что концентрация, вычисляемая с помощью компьютера 356 на основании полученного поглощения при одной или нескольких длинах волн, характеристических для представляющего интерес элемента, используется непосредственно и без необходимости в какой-либо калибровке для предоставления направляющих материал выходных данных 381 на направляющую материал заслонку 382, которая физически направляет материалы 300 в одном из по меньшей мере двух направлений в зависимости от их количественного состава.
Теперь рассмотрим Фиг.3, которая представляет собой упрощенную иллюстрацию аспектов работы систем с Фиг. 2A, 2B и 2C. Как видно на Фиг.3, начальный лазерный импульс, обычно импульс лазера Nd:YAG с длиной волны, равной 1064 нм, с типичной энергией, равной 5 миллиджоулей, и типичной длительностью 6-8 нс, воздействует в момент времени t=0 на материал, когда он находится в движении, обычно со скоростью, равной 2-10 метров в секунду, на место воздействия, имеющее типичный диаметр, равный 300 микрон, образуя сгусток плазмы, обозначенный буквой A, обладающий типичным спектром излучения, обычно при t=50 нс, символически показанным на A1.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения второй лазерный импульс, обычно импульс лазера Nd:YAG с длиной волны, равной 1064 нм, с типичной энергией, равной 50 миллиджоулей, и типичной длительностью 6-8 нс, воздействует, обычно в момент времени t=1000 нс, на образец материала, когда он находится в движении. Место воздействия второго лазерного импульса имеет типичный диаметр, равный 300 микрон. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения место воздействия второго лазерного импульса на материал в целом перекрывает место воздействия первого лазерного импульса, и центр места воздействия второго импульса имеет центр, который, обычно, находится в пределах 2-10 микрон от центра места воздействия первого лазерного импульса.
Второй лазерный импульс производит сгусток плазмы, обозначенный буквой B, обладающий типичным спектром излучения, обычно при t=1000 нс, символически показанным на B1.
В то же время сгусток A плазмы расширяется, как показано, и имеет типичный спектр излучения, обычно при t=1000 нс, символически показанный на A2.
Особенным признаком настоящего изобретения является то, что во время максимальной интенсивности второго лазерного импульса и затем в пределах окна обнаружения, составляющего 0-10 нс и, более предпочтительно, 0-5 нс, обнаруживают суммарный спектр излучения объединенных сгустков A и B плазмы. На данной стадии l составляет, обычно, 400 микрон. Данный суммарный спектр излучения символически показан на A2+B1, и он содержит резкие падения интенсивности, которые представляют поглощение характеристических длин волн веществ, предпочтительно элементов. Длины волн и логарифмы отношений интенсивностей в пиках поглощения обеспечивают ясное определение количественного состава материала, как описано подробно выше в настоящем документе.
Фиг.3 также демонстрирует, что в момент времени приблизительно 10 нс после второго лазерного импульса, т.е. приблизительно при t=1010 нс, оба сгустка A и B плазмы продолжают расширяться. Типичные спектры излучения для сгустков A, B и A+B плазмы в момент времени t=1010 нс символически показаны на A3, B2 и A3+B2 соответственно. Видно, что пики поглощения по существу меньше, чем при t=1000 нс.
Фиг.3 дополнительно демонстрирует, что в момент времени приблизительно 20 нс после второго лазерного импульса, т.е. приблизительно при t=1020 нс, оба сгустка A и B плазмы еще более расширены. Типичные спектры излучения для сгустков A, B и A+B плазмы в момент времени t=1020 нс символически показаны на A4, B3 и A4+B3 соответственно. Видно, что пики поглощения едва присутствуют.
На практике пиковая оптическая плотность, вычисляемая из интенсивностей плазменного излучение (PEI), измеренных на длинах волн, характеристических для веществ, присутствующих в материале, представляет характеристику поглощения плазмы таких материалов. График зависимости PEI от времени, который приведен на Фиг.3, ясно демонстрирует, что PEI, а значит и отношение сигнал-шум, и чувствительность обнаружения для данной длины волны, является наивысшим во время второго лазерного импульса и небольшой промежуток времени после него, обычно t=1000-1005 нс, и уменьшается почти до нуля при t=1010 нс.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничено тем, что конкретно было показано и описано выше в настоящем документе. Напротив, объем настоящего изобретения включает как комбинации, так и подкомбинации признаков, перечисленных в формуле изобретения, а также их модификации, которые могут прийти на ум специалисту в данной области техники после прочтения вышеизложенного, и которые отсутствуют в предшествующем уровне техники.