激光微区原位氧同位素分析装置

技术领域

本发明属于地球化学分析领域，具体涉及一种激光微区原位氧同位素分析装置。

背景技术

氧是地壳和地幔岩石以及流体的主要组成部分，氧的同位素被认为是研究许多地质作用过程的有效手段。常规氧同位素分析方法主要是针对全岩和单矿物粉末样，所需样品量较多，且只能应用于少数几个矿物，因此该方法采用越来越少。近些年发展起来的激光探针BrF5法和离子探针分析法各有优缺点，前者精度高，适用于各种造岩矿物和难熔副矿物，缺点是不能进行原位分析；后者适合于分析具有核边结构的硞石和橄榄石等矿物，但分析的精度稍低。

激光剥蚀进样技术与质谱分析技术相结合近年来在轻元素同位素进行原位分析中取得了较大进展，因此能否用LA-MC-ICP-MS(激光剥蚀多接收等离子体质谱仪)进行固体样品中氧的同位素分析成为关注的话题。而在岩石中氧常以硅酸盐等形式存在，需把其中的氧变为气体输送到气体质谱中进行分析。因此，需要发明一种激光原位微区氧同位素分析取样-制样装置，以实现将固体含氧化合物(如二氧化硅)中的氧变为气体并输送到气体质谱中进行分析。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种激光微区原位氧同位素分析装置，实现对样品微区原位氧同位素的分析。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种激光微区原位氧同位素分析装置，包括剥蚀池、短脉冲剥蚀激光器、长脉冲加热激光器、脉冲延迟控制发生器和同位素分析装置；

剥蚀池内置含氧同位素样品且充满还原性气体；

短脉冲剥蚀激光器用于产生短脉冲剥蚀激光，短脉冲剥蚀激光聚焦于样品表面产生剥蚀羽；

长脉冲加热激光器用于聚焦或准直平行光作用于样品表面上方短脉冲剥蚀激光产生的剥蚀羽(含等离子体)；

脉冲延迟控制发生器与长脉冲加热激光器和短脉冲剥蚀激光器相连，用于控制两种激光脉冲的相对延迟，使得长脉冲加热激光的脉冲宽度大于剥蚀羽的寿命，实现对剥蚀羽加热达到剥蚀羽与还原性气体充分反应生成氧气，并输送至同位素分析装置中进行分析。

进一步的，脉冲延迟控制发生器同步或异步控制长脉冲加热激光器和短脉冲剥蚀激光器。

进一步的，该装置还包括第一扩束镜和第一聚焦镜，第一扩束镜和第一聚焦镜依次设置于短脉冲剥蚀激光器的出光口，以对短脉冲剥蚀激光进行扩束和聚焦。

进一步的，该装置还包括第二扩束镜和第二聚焦镜，第二扩束镜和第二聚焦镜依次设置于长脉冲加热激光器的出光口，以对长脉冲加热激光进行扩束和聚焦。

进一步的，长脉冲加热激光器利用含氧同位素样品中与氧结合的化学键对某种波段的光有强烈的吸收，实现对剥蚀羽加热达到剥蚀羽与还原性气体充分反应生成氧气。

进一步的，同位素分析装置为气体质谱仪，由气体质谱仪检测出氧同位素的含量及比值，实现对样品微区原位氧同位素的分析。

进一步的，该装置还包括气体纯化装置，实现将剥蚀池中反应生成的多种非氧气气体滤除，使纯净的氧气进入同位素分析装置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明采用脉冲延时控制发生器同步或异步控制两台激光器——短脉冲剥蚀激光器和长脉冲加热激光器，短脉冲激光负责微区原位剥蚀含氧同位素样品产生剥蚀羽；利用含氧同位素样品中的化学键对长脉冲加热激光的强烈的吸收，实现对剥蚀产生的样品剥蚀羽加热达到与还原性气体充分反应，减少氧同位素分馏的目的。本发明可用于地球化学分析等领域，目前适用于微区原位氧同位素分析上，且可用于其它微量或痕量元素含量及同位素组成和比值分析。

附图说明

图1是本发明的激光微区原位氧同位素分析装置的结构示意图。

图中：1-剥蚀池，2-样品，3-剥蚀羽，4-进气口，5-出气口，6-脉冲延时控制发生器，7-短脉冲剥蚀激光器，71-第一扩束镜，72-第一聚焦镜，73-反射镜，8-长脉冲加热激光器，81-第二扩束镜，82-第二聚焦镜，9-三维控制平台，10-气体纯化装置，11-气体质谱仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的激光微区原位氧同位素分析装置采用脉冲延时控制发生器同步或异步控制两台激光器——短脉冲剥蚀激光器和长脉冲加热激光器，短脉冲激光负责微区原位剥蚀含氧同位素样品产生剥蚀羽流；长脉冲加热激光利用含氧同位素样品中的化学键对某种波段的光有强烈的吸收，实现对剥蚀产生的样品剥蚀羽加热达到与还原性气体充分反应生成氧分子实现氧同位素检测的目的；采用脉冲延迟控制发生器控制剥蚀激光脉冲和加热激光脉冲时间延迟，使得加热激光的脉冲宽度大于剥蚀羽的寿命，实现剥蚀羽与还原性气体充分反应，减少氧同位素分馏。因此，该装置可用于微区原位氧同位素分析上，使用不同波长的加热激光器可实现用于其它微量或痕量元素含量及同位素的组成和比值分析。

本发明的激光微区原位氧同位素分析装置主要包括延迟双脉冲激光剥蚀加热-微反应单元和专用激光样品剥蚀池，通过控制剥蚀激光和加热激光的时序促使离解后的还原性气体与含氧同位素样品在激光剥蚀过程中进行充分的化学反应，以生成能被气体质谱仪检测的氧分子，减少氧同位素分馏。其中，脉冲延迟控制发生器同步或异步控制两台激光器工作，长脉冲加热激光经过扩束后，聚焦在样品表面上方短脉冲激光产生的剥蚀羽(含等离子体)；短脉冲剥蚀激光经过扩束并垂直聚焦在样品表面形成剥蚀坑，并在样品表面产生剥蚀羽。通过脉冲延迟控制发生器设置两种激光脉冲的相对延迟，达到短脉冲激光剥蚀产生的样品剥蚀羽流能够被加热激光持续加热的目的，提高活性粒子类型、浓度和运动状态，实现还原性气体与固体样品中的氧发生充分的化学反应，以生成氧分子，再由一定流速的载气将其送入气体质谱仪中检测。

该装置的工作原理：聚焦于样品表面的激光脉冲能量密度超过含氧同位素的样品剥蚀阈值时，聚焦光斑区域内的物质会以原子、分子以及离子等形式瞬间脱离样品表面。随激光脉冲宽度在飞秒、纳秒、微秒量级变化时，样品中的物质从剥蚀喷发到重新凝结附着在样品表面，整个过程持续时间分别在纳秒、微秒甚至毫秒量级。选择不同参数(包含波长、能量、频率等)的纳秒、皮秒甚至飞秒级短脉冲剥蚀激光和微秒级长脉冲加热激光组合，在一定流速的还原性气体环境条件下，剥蚀激光聚焦于含氧同位素的样品表面产生剥蚀羽，由后续加热激光改变剥蚀羽的压力和温度，提高活性粒子类型、浓度和运动状态，促进剥蚀出的含氧同位素物质与还原性气体充分反应生成氧气，再通过纯化后消除其余杂质气体，经由气体质谱仪检测出氧同位素的含量及比值，实现对样品微区原位氧同位素的分析。

如图1所示，给脉冲延迟控制发生器6控制的两台激光器(短脉冲剥蚀激光器7和长脉冲加热激光器8)工作的两个通道设置相同的频率以及一定的相对延迟时间，其中短脉冲剥蚀激光的脉宽由激光器本身设定，可不用脉冲延迟控制发生器6去进行控制，而长脉冲加热激光器8由脉冲延迟控制发生器6设定其激光脉冲脉宽范围(几微秒至几百微秒)。含氧同位素的样品2放置在密闭的专用剥蚀池1内，剥蚀池1置于三维控制平台9上，将剥蚀池1中的空气排尽，持续通入还原性气体使其充满整个剥蚀池1。加热激光脉冲延迟经过第二扩束镜81和第二聚焦镜82后，透过光学玻璃窗口平行聚焦在样品2表面上方产生随频率与脉宽变化的加热区域后，再由剥蚀激光脉冲经过第一扩束镜71、反射镜73和第一聚焦镜72，并透过对应的光学玻璃窗口后垂直聚焦在样品2表面产生剥蚀羽3。加热激光脉冲聚焦形成的加热区域，使得短脉冲激光剥蚀含氧同位素样品产生的剥蚀羽3能够被加热激光持续不断地加热，实现还原性气体与剥蚀羽3中的氧发生充分的化学反应，反应生成的气体被通过进气口4高速吹入的载气由出气口5送入气体纯化装置10，实现将剥蚀池中反应生成的多种非氧气气体滤除，使纯净的氧气进入气体质谱仪11中进行分析。使用脉冲延迟控制发生器6控制剥蚀激光脉冲和加热激光脉冲相对时间延迟，使得每次加热激光的脉冲宽度完全覆盖未加热时剥蚀羽3的寿命时间，并且由于加热的激光波长选择的是对含氧同位素样品中与氧结合的化学键有强烈吸收的波段，从而能够实现样品2与还原性气体充分反应，减少氧同位素分馏。例如：五氟化溴液体汽化后形成的气体与二氧化硅固体样品反应，硅氧键对红外波段的光有较强的吸收，因此使用红外波段的激光进行加热能促使硅氧键的断裂，提高与五氟化溴蒸汽的反应效率。

综上所述，本发明采用脉冲延时控制发生器同步或异步控制两台激光器——短脉冲剥蚀激光器和长脉冲加热激光器，短脉冲激光负责微区原位剥蚀含氧同位素样品产生剥蚀羽流；长脉冲加热激光利用含氧同位素样品中的化学键对某种波段的光有强烈的吸收，实现对剥蚀产生的样品剥蚀羽加热达到与还原性气体充分反应，减少氧同位素分馏的目的。本发明可用于地球化学分析等领域，目前适用于微区原位氧同位素分析上，其它微量或痕量元素含量及同位素的组成和比值分析。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。