أولاً: المبادئ الأساسية لـ LIBS

LIBS تعني مطيافية الانهيار المستحث بالليزر.

تستخدم تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) ليزرًا نبضيًا عالي الطاقة كمصدر إثارة، حيث يتم تركيزه بواسطة نظام بصري ويؤثر على سطح العينة. تتميز منطقة العينة التي تغطيها البقعة المركزة بكثافة طاقة عالية. عندما تتجاوز الطاقة عتبة الانهيار، يتولد بلازما موضعيًا، يُطلق عليه اسم البلازما المُستحثة بالليزر. يتميز هذا النوع من البلازما بدرجة حرارة وكثافة طاقة عاليتين. أثناء عملية تبريد البلازما، تخضع الذرات والأيونات المُثارة لانتقالات في مستويات الطاقة الإلكترونية، مُصدرةً فوتونات بأطوال موجية محددة. باستخدام مطياف لجمع الفوتونات المنبعثة والحصول على طيف، يمكن تحديد التركيب العنصري للعينة المختبرة من خلال تحليل مواقع الذروة وشدتها ومعلومات أخرى في الطيف. يوضح الشكل التخطيطي أدناه نظام LIBS. بعد تركيز الليزر بواسطة عدسة، يصطدم بسطح العينة، مُثيرًا البلازما. يدخل طيف البلازما إلى الألياف البصرية عبر عدسة التجميع، ثم يدخل إلى المطياف عبر الألياف البصرية. يقوم جهاز قياس الطيف بجمع الإشارة الطيفية، والتي تتم معالجتها بعد ذلك بواسطة المعالج، ومقارنتها بقاعدة البيانات، وتحليلها لتحديد تركيب عناصر العينة.

مخطط تخطيطي لنظام LIBS

تُستخدم تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) منذ سنوات عديدة، وتُستخدم بشكل رئيسي في النماذج المختبرية. وفي السنوات الأخيرة، ومع تطور الليزرات وأجهزة قياس الطيف وتصغير حجمها، ظهرت نماذج محمولة باليد. ومن خلال دمج الليزرات وأجهزة قياس الطيف المصغرة ووحدات التحكم الرئيسية والبطاريات في جهاز واحد على شكل مسدس، يُمكن إجراء اختبارات سريعة وغير مدمرة في الموقع دون الحاجة إلى معالجة مسبقة مثل تلميع العينات أو هضمها.

محلل LIBS محمول باليد

ثانيًا: المزايا والعيوب الأساسية لجهاز تحليل LIBS المحمول (مقارنة بجهاز تحليل XRF المحمول السائد)

ميزة
1. يُعدّ الكشف عن العناصر الخفيفة أفضل من تقنية الأشعة السينية الفلورية (XRF): إذ يمكنه الكشف بدقة عن الكربون والليثيوم والبورون والبريليوم والمغنيسيوم والألومنيوم والسيليكون، والتمييز بين الفولاذ 304/304L، ومحتوى الكربون في الفولاذ الكربوني، ومواد قطب الليثيوم الموجب. بينما تكاد تقنية الأشعة السينية الفلورية (XRF) تعجز عن الكشف عن عنصري الكربون والليثيوم.
2. لا يوجد مصدر مشع: ينتمي مستوى أمان الليزر إلى الفئة 3B، ولا يصدر عنه إشعاع سينيّ، ولا يتطلب تقديم ملفات إشعاعية أو موافقة على تقييم الأثر البيئي، ولا توجد قيود تنظيمية على استخدامه في مواقع متعددة أو مصانع مختلفة.
3. كشف فائق السرعة: يمكن الحصول على النتائج في غضون 1-3 ثوانٍ باستخدام بقع ضوئية صغيرة، يتراوح حجمها عادةً بين 50 و100 ميكرومتر. ويمكنها الكشف عن وصلات اللحام، والطلاءات، والمناطق الصغيرة، والأسطح الخشنة المتآكلة.
4. أضرار طفيفة: يقتصر التآكل السطحي على مستوى الميكرومتر، ويمكن فحص الآثار الثقافية والأجزاء الدقيقة دون إتلافها.
5. نطاق قياس واسع: يغطي جميع العناصر من الليثيوم إلى المعادن الثقيلة

عيب
1. الدقة الكمية الإجمالية أضعف من دقة تقنية الأشعة السينية الفلورية (XRF).
2. تكلفة الليزر وأجهزة قياس الطيف المصغرة مرتفعة، وسعر البيع الإجمالي أعلى من سعر أجهزة قياس الأشعة السينية المحمولة من نفس النوع.

ثالثًا: سيناريوهات التطبيق الشائعة لجهاز تحليل LIBS المحمول

1. التحقق من مواد إدارة المشاريع الصناعية (الحد الأقصى في المراحل اللاحقة، ويمثل حوالي 45٪)
أوعية الضغط، لحامات خطوط الأنابيب، الفولاذ المقاوم للصدأ/الفولاذ السبائكي، سبائك الألومنيوم، سبائك النحاس، إعادة فحص المواد الواردة، الفرز السريع لأفران مصانع الصلب، الكشف عن عيوب المعدات الخاصة
2. إعادة تدوير وفرز الخردة المعدنية
فرز سريع لخردة الصلب المختلطة، ونفايات الألومنيوم والمغنيسيوم، وشوائب النحاس والنيكل لحل مشاكل فرز سبائك الصلب المحتوية على الكربون
3. طاقة الليثيوم أيون الجديدة (المسار الأسرع نموًا)
فحص المكونات الواردة بحثًا عن فوسفات حديد الليثيوم، والمواد الثلاثية، وأملاح الليثيوم، ورقائق الألومنيوم، ورقائق النحاس، وتحديد مواد إعادة تدوير بطاريات الليثيوم.
4. الاستكشاف الجيولوجي والمعدني
الفحص السريع لدرجة الخام في الطبيعة والرصد الميداني لتلوث التربة بالمعادن الثقيلة
5. الطاقة البتروكيماوية
تحديد المواد المتآكلة في خطوط الأنابيب، وفحص وصلات السبائك في محطات الطاقة، والكشف عن محتوى السيليكون في وحدات الهدرجة.
6. فحص جودة المواد الواردة في حالات الطوارئ الثقافية والأثرية والأمنية والخاصة

رابعاً: تطورات واتجاهات أجهزة التحليل المحمولة بتقنية LIBS

في الوقت الراهن، تُعدّ النماذج المستوردة باهظة الثمن، وفي سوق المنتجات الراقية، تهيمن العلامات التجارية الأجنبية، مستحوذةً على طلبات ذات هامش ربح مرتفع في قطاعات البتروكيماويات والطاقة النووية والطيران، وذلك بفضل دقتها واستقرارها وقوة علامتها التجارية. أما في سوق المنتجات المتوسطة، فتُحقق المنتجات المحلية انتشارًا سريعًا، بفضل مزاياها الواضحة في فعالية التكلفة وخدمات ما بعد البيع المحلية. وتُساهم بطاريات الليثيوم والموارد المتجددة والشركات الصناعية الصغيرة والمتوسطة الحجم تدريجيًا في استبدال الواردات. وفي سوق المنتجات منخفضة التكلفة، ينصبّ التركيز الرئيسي على الطلب المبدئي على فرز الخردة المعدنية، حيث تستحوذ النماذج المحلية على غالبية السوق، ولا توجد نماذج مماثلة للمنتجات الأجنبية.

في الوقت الحالي، تمر تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) بفترة تطوير بطيئة، مع وجود تكنولوجيا وسياسات مواتية، ولكن هناك أيضًا اختناقات وتحديات في التطوير.

الفوائد التكنولوجية والسياسية:
1. لا يمكن لتقنية الأشعة السينية الفلورية (XRF) تلبية الاحتياجات العاجلة للكشف عن الكربون/الليثيوم
تخضع بطاريات الليثيوم الجديدة، والفولاذ السبائكي المحتوي على الكربون، والفولاذ المقاوم للصدأ منخفض الكربون 316L لفحص إلزامي، ولا يمكن الكشف عنها بسرعة في الموقع إلا باستخدام تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS). وهي لا غنى عنها في حالات الطوارئ.
2. عوائد سياسات الموارد المتجددة
توحيد معايير إعادة تدوير خردة الصلب وخردة الألومنيوم والمعادن غير الحديدية، وتعزيز استخدام معدات الفرز السريع لأسباب تتعلق بحماية البيئة والرقابة الضريبية.
3. اختبار السلامة الإلزامي للمعدات الخاصة
التحقق المنتظم من المواد باستخدام معهد إدارة المشاريع (PMI) لأوعية الضغط وخطوط أنابيب الضغط والغلايات، مع إمكانات استبدال هائلة في السوق
4. مزايا الامتثال غير الإشعاعي
تُعد عملية الإبلاغ عن الإشعاع باستخدام تقنية الأشعة السينية الفلورية (XRF) معقدة، وتُعطي المصانع والحدائق وعمليات التفتيش الإقليمية المشتركة الأولوية لشراء تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) لتجنب التكاليف التنظيمية.
5. سياسة الإحلال المحلي
دعم خاص للأجهزة العلمية المتطورة، واختراقات في تحديد موقع مكونات الليزر والمكونات الطيفية الدقيقة، وخفض مستمر لتكلفة الجهاز بأكمله

نقاط التفتيش والتحديات في التطوير:
1. عنق الزجاجة للمكون الأساسي
لا تزال ليزرات النبضات عالية الجودة ذات عرض الخط الضيق، وشبكات حيود عالية الدقة، وأجهزة الكشف عن التبريد تعتمد بشكل كبير على الواردات، مما يزيد التكاليف ويحد من حدود الأداء.
2. أوجه القصور في الدقة الكمية
تُعدّ صعوبة خوارزميات تصحيح تأثير المصفوفة وتداخل السطح عالية، ولا تزال من الصعب منافسة مطيافية القراءة المباشرة المكتبية وICP المختبري.
3. عدم كفاية الوعي بالسوق
لا تزال معظم المحطات الطرفية تعطي الأولوية لاستخدام أجهزة الأشعة السينية المحمولة القديمة، وتكلفة الترويج لتقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) والتعليم عليها مرتفعة نسبيًا.
4. معايير صناعية غير مكتملة
لا يُعدّ نظام التتبع القياسي والمعيار الوطني لاختبارات LIBS في الموقع مكتملاً مثل نظام XRF، كما أن بعض مؤسسات الاختبار التابعة لجهات خارجية تتمتع بموثوقية محدودة.
5. سعر مرتفع
سعر نفس التكوين أعلى من سعر جهاز XRF، كما أن الحد الأدنى للشراء الأولي للعملاء من الشركات الصغيرة والمتوسطة مرتفع.

خامساً: التغلب على تقنية الليزر المُكيَّفة مع أجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة

ريل لايت لطالما اهتمت الشركة بتطوير صناعة التحليل الطيفي بالليزر (LIBS). وبالاستناد إلى معايير الليزر في نماذج LIBS المحمولة عالية الجودة في الخارج، مثل Thermo Fisher Scientific، بالإضافة إلى المزايا التكنولوجية الخاصة بالشركة، أطلقت جهازًا مصغرًا ليزر عالي الطاقة بالنانوثانية بمعدل تكرار يصل إلى 50 هرتز وطاقة نبضة واحدة أكبر من 5 مللي جول. ليزر تعتمد هذه التقنية على ضخ طرفي، ويبلغ حجم الليزر في نظام الضخ الطرفي حوالي ثلث حجمه في نظام الضخ الجانبي، مما يلبي متطلبات التصغير للنماذج المحمولة. ويعتمد مصدر الضخ على مصدر ضوئي من مصفوفة مكدسة من إنتاج ريل لايتيتميز هذا النوع من مصادر الضوء بإمكانية تخصيصه بشكل كبير وفقًا للاحتياجات، كما أنه يتمتع بميزة التكلفة المطلقة، دون الحاجة إلى مصادر ضخ خارجية. مصدر الضوء المصفوفي المكدس هو مصدر ضوء سطحي يتكون من تكديس عدة قضبان من أشباه الموصلات معًا، مما يزيد بشكل كبير من ذروة الطاقة ويتميز بحجمه الصغير.

مصدر ضوء RealLight Stacked Array للضخ الطرفي

تصميم الضخ النهائي: مقطع عرضي صغير، مناسب لأجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة باليد

طريقة الضخ الجانبي: مقطع عرضي كبير، غير مناسبة لأجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة.

يعتمد الليزر على نظام تبديل Q سلبي، مع ربط بلورات Nd:YAG وCr:YAG. يتوافق المسار التقني مع خصائص ليزر الرقاقة الدقيقة لـ ريل لايتلدينا خبرة تقنية واسعة في العمليات ذات الصلة، مما يُمكّننا من تحقيق خصائص مثل العمر الطويل، والاستقرار العالي، والقدرة على العمل في نطاق واسع من درجات الحرارة. تتميز البلورات المُرتبطة بقدرة فائقة على التكيف مع البيئة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتعرض فيها الأجهزة المحمولة للاهتزازات والحركة بشكل متكرر، بل وتتحمل حتى خطر السقوط والتلف.

تم تجهيز الليزر بمبرد أشباه الموصلات، مما يسمح لليزر بالعمل في درجة حرارة ثابتة دون الخوف من بيئات درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة في الهواء الطلق.

كما يعتمد الليزر تقنية الختم المتوازي، حيث يتم إحكام غلقه في بيئة غاز خامل، مما يساعد على إطالة عمر الليزر ولا يتطلب براغي، مما يقلل الحجم بشكل أكبر.

ليزرات RealLight مُحسّنة لأجهزة LIBS المحمولة باليد

معايير ليزر RealLight المُحسّنة لأجهزة LIBS المحمولة باليد:

تنويه: بعض محتوى هذه المقالة مأخوذ من الإنترنت. وهي مخصصة لأغراض البحث التقني وتبادل المعلومات، وتُستخدم فقط كمرجع لكم وللتعلم. في حال وجود أي معلومات غير دقيقة أو أخطاء أكاديمية في الوصف، يُرجى إبلاغنا بها فورًا. في حال وجود أي مشاكل متعلقة بحقوق النشر، يُرجى التواصل معنا وسنقوم بالتحقق منها وإزالتها في أقرب وقت ممكن.