一种激光焊接中等离子体羽辉微粒子成分的质谱分析装置

摘要

本发明公开了一种激光焊接中等离子体羽辉微粒子成分的质谱分析装置，属于质谱分析技术领域。包括微粒子取样单元以及真空腔体系统，所述微粒子取样单元包括，同轴设置的取样锥、截取锥以及准直锥，所述取样锥、截取锥以及准直锥将真空腔体系统依次分隔为取样室，截取室以及离化采样室，所述取样室连接冷却系统和机械真空泵，所述截取室连接真空泵组A，所述离化采样室连接真空泵组B，激光电离装置位于离化采样室外侧，所述离化采样室内部依次设有离子提取系统、质量分析器以及离子探测器。本申请针对激光焊接过程中产生的羽辉的光谱信息的认识和理解上，进一步对其微粒子的成分准确而深入的认识和判断。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微粒子成分的质谱分析装置，属于质谱分析技术领域。

背景技术

质谱技术作为现代分析技术领域的一个重要分支，在基础科研如物理、化学、生物技术或者应用前沿领域比如食品质量检测、环境监测等与生活息息相关的诸多方面均有着重要的应用。其工作原理也较为简单，主要就是将离子根据其相互之间不同的荷质比来进行区分并且最终认定其相应的成分。质谱技术可以对离子通过质量分析器进行直接分析，而对于中性粒子则需要借助于外界的一些离子化方式，比如电子轰击，化学电离，激光电离等手段先将其离子化再进行分析。

高功率激光器在现代制造产业中发挥着及其重要的作用，其中一个非常重要的分支就是利用高功率激光器进行金属抑或合金等同质或者异质材料之间的焊接。同时，激光焊接业已被证明其具有高精度、高质量、高效率、高灵活性等诸多优点并被愈发广泛的应用。而当激光焊接过程中，由于巨大的能量瞬时作用于材料接口处使得其会在焊接接口的表面形成一个有不同成分构成的羽辉，该羽辉的主要成分包括离子、电子以及中性原子或者分子。并且该羽辉的存在在很大程度上会抑制焊接效率并且影响焊接的质量，这就需要深入的理解上述羽辉的详细构成信息以及状态，并且据此发展可靠的羽辉抑制方法，从而可以发展根本性的方法来抑制羽辉的产生并且提高焊接质量。但是，目前用来研究羽辉特性的往往采用的是光谱的方法，尽管该种方法可以获取羽辉内部的一些成分以及其所处的量子态分辨的信息。但是关于羽辉内部的离子的详细的构成却无法做到准确的判断，这就很大的限制了对羽辉整体特性的认识。

因此，如何在前期针对激光焊接过程中产生的羽辉的光谱信息的认识和理解上，进一步对其微粒子的成分准确而深入的认识和判断，是该领域所要面临的一个急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种激光焊接中等离子体羽辉微粒子成分的质谱分析装置，从整体上把握羽辉微粒子的详细构成。

本发明的技术方案是：一种激光焊接中等离子体羽辉微粒子成分的质谱分析装置，包括微粒子取样单元以及真空腔体系统，所述微粒子取样单元包括，同轴设置的取样锥、截取锥以及准直锥，所述取样锥、截取锥以及准直锥将真空腔体系统依次分隔为取样室，截取室以及离化采样室，所述取样室连接冷却系统和机械真空泵，所述截取室连接真空泵组A，所述离化采样室连接真空泵组B，激光电离装置位于离化采样室外侧，所述离化采样室内部依次设有离子提取系统、质量分析器以及离子探测器。

所述冷却系统为液氮冷却系统或低温循水环冷却系统，用于冷却取样锥。

所述取样锥、截取锥以及准直锥的锥顶开孔尺寸为0.1-1mm，椎体外侧角度为5°-179°，椎体内侧角度为5°-178°，材质为不锈钢或铜或镍。

所述取样室的工作真空度小于1000Pa，机械真空泵的抽速大于1L/s。

所述激光电离装置为是纳秒激光电离装置或飞秒激光电离装置。

所述离子提取系统包括，离子提取电极、离子加速电极、离子聚焦电极以及离子偏转电极，所述离子提取电极与离子加速施加的电压为直流高压或者是脉冲高压，所述离子聚焦电极以及离子偏转电极施加的是直流高压。

所述质量分析器的开口与延伸方向与微粒子的飞行方向相同。

所述质量分析器为飞行时间质谱离子质量分析器或四极杆离子质量分析器。

所述取样锥与截取锥之间的锥顶安装距离为1-20mm，所述准直锥与截取锥之间的锥顶安装距离大于1mm。

所述截取室工作的真空度小于1Pa，所述离化采样室工作的真空度小于0.1Pa。

本发明的有益效果是：离子提取系统内部通过施加脉冲高压，使其内部的离子获取动能并进入后续的无场飞行区域，由于其间的离子的动能一致而质量不同因此这些离子所获取的速度不同；在经过无场飞行区域之后会子不同的时刻到达离子探测系统，从而可以根据其具体时间与离子计数来确定具体的物质组分及其相应的浓度分布信息。本申请针对激光焊接过程中产生的羽辉的光谱信息的认识和理解上，进一步对其微粒子的成分准确而深入的认识和判断。

附图说明

图1为本发明工作示意图。

图中附图标记如下：1、取样室；1a、取样锥；1b、冷却系统；1c、机械真空泵；2、截取室；2a、截取锥；2b、真空泵组A；3、离化采样室；3a、准直锥；3b、离子提取系统；3c、离子探测器；3d、真空泵组B；3e、质量分析器；4、激光电离装置；5、待分析样品；6、激光焊接工件。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做进一步说明：

一种激光焊接中等离子体羽辉微粒子成分的质谱分析装置，包括微粒子取样单元以及真空腔体系统，所述微粒子取样单元包括，同轴设置的取样锥1a、截取锥2a以及准直锥3a，所述取样锥1a、截取锥2a以及准直锥3a将真空腔体系统依次分隔为取样室1，截取室2以及离化采样室3，所述取样室1连接冷却系统1b和机械真空泵1c，所述截取室2连接真空泵组A2b，所述离化采样室3连接真空泵组B3d，激光电离装置4位于离化采样室3外侧，所述离化采样室3内部依次设有离子提取系统3b、质量分析器3e以及离子探测器3c。

所述冷却系统1b为液氮冷却系统或低温循水环冷却系统，用于冷却取样锥1a。

所述取样锥1a、截取锥2a以及准直锥3a的锥顶开孔尺寸为0.1-1mm，椎体外侧角度为5°-179°，椎体内侧角度为5°-178°，材质为不锈钢或铜或镍。

所述取样室1的工作真空度小于1000Pa，机械真空泵1c的抽速大于1L/s。

所述激光电离装置4为是纳秒激光电离装置或飞秒激光电离装置。

所述离子提取系统3b包括，离子提取电极、离子加速电极、离子聚焦电极以及离子偏转电极，所述离子提取电极与离子加速施加的电压为直流高压或者是脉冲高压，所述离子聚焦电极以及离子偏转电极施加的是直流高压。

所述质量分析器3e的开口与延伸方向与微粒子的飞行方向相同。

所述质量分析器3e为飞行时间质谱离子质量分析器或四极杆离子质量分析器。

所述取样锥1a与截取锥2a之间的锥顶安装距离为1-20mm，所述准直锥3a与截取锥2a之间的锥顶安装距离大于1mm。

所述截取室2工作的真空度小于1Pa，所述离化采样室3工作的真空度小于0.1Pa。

实施例

基于液氮冷却，飞秒激光强场电离检测做为电离手段激光焊接过程中羽辉微粒子的质谱分析装置。本实施例中取样锥1a的开孔直径为0.5毫米，取样锥1a内部冷却系统通过一个铜排线与取样锥1a的侧壁相连接在仪器，而冷却系统1b则采用液氮进行冷却，因此这里可以确保在进行激光焊接过程中高温羽辉取样的时候取样锥1a的表面不被高温融化。与此同时取样室1的真空则采用一个4L/s抽速的真空泵进行真空的抽取。与取样室1相连的截取锥2a的开孔直径为0.3毫米，采用一个8L/s的机械泵做前级泵，而另外加一个1200L/s的涡轮分子泵进行真空的抽取。在这级真空中可以获得的真空度可以达到6.0×10^-2Pa。准直锥的开孔为0.2毫米，离化采样室3通过一个8L/s的前级机械泵结合600L/s的涡轮分子泵进行真空的抽取，从而保证其真空度维持在1.0×10^-4Pa以内，并且利于后续的质谱分析。在被取样后的待分析样品5经过飞秒激光强场电离之后，离子成分将经由离子提取系统3b进入离化采样室3的无场飞行区域。离子提取系统3b内部通过施加脉冲高压，使其内部的离子获取动能并进入后续的无场飞行区域，由于其间的离子的动能一致而质量不同，因此这些离子所获取的速度不同。在经过无场飞行区域之后会于不同的时刻到达离子探测器3c，从而可以根据其具体时间与离子计数来确定具体的物质组分及其相应的浓度分布信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。