I. Kernprinzipien von LIBS

LIBS steht für Laser Induced Breakdown Spectroscopy (Laserinduzierte Plasmaspektroskopie).

Die LIBS-Technologie nutzt einen hochenergetischen gepulsten Laser als Anregungsquelle. Dieser wird mittels eines optischen Systems fokussiert und trifft auf die Probenoberfläche. Der vom Fokuspunkt erfasste Bereich der Probe weist eine hohe Energiedichte auf. Sobald die Energie die Durchbruchsschwelle überschreitet, entsteht lokal ein Plasma, das als laserinduziertes Plasma bezeichnet wird. Dieses Plasma zeichnet sich durch hohe lokale Temperaturen und Energiedichten aus. Während der Abkühlung des Plasmas durchlaufen angeregte Atome und Ionen Übergänge zwischen elektronischen Energieniveaus und emittieren dabei Photonen spezifischer Wellenlängen. Mithilfe eines Spektrometers werden die emittierten Photonen gesammelt und ein Spektrum erzeugt. Durch Analyse der Peakpositionen, Peakintensitäten und weiterer Informationen im Spektrum lässt sich die Elementzusammensetzung der untersuchten Probe bestimmen. Das Schema des LIBS-Systems ist unten dargestellt. Nachdem der Laser mittels einer Linse fokussiert wurde, trifft er auf die Probenoberfläche und regt das Plasma an. Das Plasmaspektrum gelangt durch die Sammellinse in die optische Faser und anschließend durch diese in das Spektrometer. Das Spektrometer erfasst das Spektralsignal, das anschließend vom Prozessor verarbeitet, mit der Datenbank verglichen und auf die Zusammensetzung der Probenelemente analysiert wird.

LIBS-System-Schema

Die LIBS-Technologie existiert seit vielen Jahren und wurde hauptsächlich in Laborgeräten eingesetzt. In den letzten Jahren wurden mit der Weiterentwicklung und Miniaturisierung von Lasern und Spektrometern tragbare Geräte eingeführt. Durch die Integration von Lasern, Miniaturspektrometern, Steuereinheiten und Akkus in ein pistolenförmiges Gehäuse sind zerstörungsfreie und schnelle Vor-Ort-Prüfungen möglich, ohne dass eine Probenvorbereitung wie Polieren oder Aufschluss erforderlich ist.

Hand-LIBS-Analysator

II. Wesentliche Vor- und Nachteile des tragbaren LIBS-Analysators (im Vergleich zum gängigen tragbaren Röntgenfluoreszenz-Analysator)

Vorteil
1. Die Detektion leichter Elemente ist der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) überlegen: Sie kann C, Li, B, Be, Mg, Al und Si präzise nachweisen, zwischen 304/304L unterscheiden, den Kohlenstoffgehalt von Kohlenstoffstahl bestimmen und Lithium-Positivelektrodenmaterialien identifizieren. Die RFA ist hingegen kaum in der Lage, Kohlenstoff und Lithium nachzuweisen.
2. Keine radioaktive Quelle: Die Lasersicherheit entspricht der Klasse 3B, es wird keine Röntgenstrahlung erzeugt, daher sind keine Strahlenschutzgenehmigungen oder Umweltverträglichkeitsprüfungen erforderlich und es bestehen keine behördlichen Beschränkungen für die standortübergreifende Nutzung.
3. Ultraschnelle Erkennung: Ergebnisse werden in 1–3 Sekunden mit kleinen Lichtpunkten erzielt, üblicherweise im Bereich von 50 bis 100 μm. Das Verfahren eignet sich zur Erkennung von Lötstellen, Beschichtungen, kleinen Bereichen und rauen, korrodierten Oberflächen.
4. Geringfügige Beschädigung: Die Oberflächenerosion liegt lediglich im Mikrometerbereich, und Kulturgüter sowie Präzisionsteile können ohne Beschädigung gesiebt werden.
5. Breiter Messbereich: deckt alle Elemente von Lithium bis zu Schwermetallen ab

Nachteil
1. Die quantitative Gesamtgenauigkeit ist geringer als bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA).
2. Die Kosten für Laser und Miniaturspektrometer sind hoch, und der Gesamtverkaufspreis ist höher als der von tragbaren Röntgenfluoreszenzanalysegeräten derselben Klasse.

III. Gängige Anwendungsszenarien des tragbaren LIBS-Analysators

1. Industrielle PMI-Materialprüfung (maximal nachgelagerte Prozesse, ca. 45 %)
Druckbehälter, Rohrleitungsschweißnähte, Edelstahl/legierter Stahl, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen – Wareneingangsprüfung, Schnellsortierung in Stahlwerksöfen, Fehlerprüfung an Spezialanlagen
2. Recycling und Sortierung von Altmetallen
Schnelle Sortierung von gemischtem Stahlschrott, Aluminium-Magnesium-Abfällen und Kupfer-Nickel-Verunreinigungen zur Lösung der Probleme bei der Sortierung von kohlenstoffhaltigem legiertem Stahl
3. Lithium-Ionen-Energie (am schnellsten wachsender Bereich)
Prüfung eingehender Komponenten auf Lithiumeisenphosphat, ternäre Materialien, Lithiumsalze, Aluminiumfolie und Kupferfolie sowie Identifizierung von Lithiumbatterie-Recyclingmaterialien
4. Geologische und mineralogische Erkundung
Schnelles Screening des Erzgehalts im Gelände und Vor-Ort-Überwachung der Schwermetallbelastung des Bodens
5. Petrochemische Energie
Identifizierung korrodierter Materialien in Rohrleitungen, Inspektion von Legierungsarmaturen in Kraftwerken und Bestimmung des Siliziumgehalts in Hydrieranlagen
6. Qualitätsprüfung von Kulturgütern, archäologischen Fundstücken, sicherheitsrelevanten Notfallgütern und besonderen eingehenden Materialien

IV. Entwicklung und Trends von tragbaren LIBS-Analysatoren

Importierte Modelle sind derzeit teuer, und im Premiumsegment dominieren ausländische Marken. Dank ihrer Präzision, Stabilität und Markenbekanntheit sichern sie sich hohe Gewinnmargen in der Petrochemie, der Kernenergie und der Luftfahrtindustrie. Im mittleren Preissegment gewinnen heimische Produkte rasant an Bedeutung und punkten mit deutlichen Vorteilen in puncto Kosteneffizienz und lokalem Kundendienst. Lithiumbatterien, erneuerbare Energien und kleine und mittlere Produktionsunternehmen ersetzen zunehmend Importe. Im Niedrigpreissegment liegt der Fokus auf der Nachfrage nach Einsteigerlösungen für die Schrottsortierung. Hier dominieren heimische Modelle den Markt, während es keine vergleichbaren ausländischen Produkte gibt.

Aktuell befindet sich LIBS in einer Phase langsamer Entwicklung, mit günstigen technologischen und politischen Rahmenbedingungen, aber es gibt auch Entwicklungsengpässe und Herausforderungen.

Technologische und politische Vorteile:
1. Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) kann den dringenden Bedarf an Kohlenstoff-/Lithium-Nachweismethoden nicht decken.
Neue Lithium-Ionen-Batterien, kohlenstoffhaltiger legierter Stahl und kohlenstoffarmer Edelstahl 316L unterliegen obligatorischen Prüfungen, und nur Lithium-Ionen-Batterien (LIBS) können schnell vor Ort erkannt werden. Sie sind für dringende Bedarfe unersetzlich.
2. Politische Vorteile erneuerbarer Ressourcen
Die Wiederverwertung von Stahlschrott, Aluminiumschrott und Nichteisenmetallen soll standardisiert und die Verbreitung von Schnellsortieranlagen aus Gründen des Umweltschutzes und der Steueraufsicht gefördert werden.
3. Obligatorische Sicherheitsprüfung für Spezialgeräte
Regelmäßige PMI-Materialprüfung für Druckbehälter, Druckleitungen und Kessel mit enormem Marktersatzpotenzial
4. Vorteile hinsichtlich der Einhaltung der Strahlenschutzbestimmungen
Das Verfahren zur Meldung von Röntgenfluoreszenzstrahlung ist umständlich, und Fabriken, Parks und regionale Inspektionen priorisieren die Beschaffung von LIBS, um regulatorische Kosten zu vermeiden.
5. Inländische Substitutionspolitik
Spezielle Unterstützung für wissenschaftliche High-End-Instrumente, Durchbrüche bei der Lokalisierung von Laser- und mikrospektralen Kernkomponenten sowie kontinuierliche Kostenreduzierung der gesamten Maschine

Entwicklungsmeilensteine ​​und Herausforderungen:
1. Engpass bei Kernkomponenten
Hochwertige, schmalbandige Pulslaser, hochpräzise Beugungsgitter und Kältedetektoren sind nach wie vor stark von Importen abhängig, was die Kosten erhöht und die Leistungsfähigkeit einschränkt.
2. Mängel in der quantitativen Genauigkeit
Die Schwierigkeit der Algorithmen zur Korrektur von Matrixeffekten und Oberflächeninterferenzen ist hoch, und es ist nach wie vor schwierig, mit der Desktop-Direktlesespektroskopie und der Labor-ICP-Spektroskopie zu konkurrieren.
3. Unzureichende Marktkenntnis
Die meisten Terminals setzen weiterhin auf die Nutzung ausgereifter tragbarer Röntgenfluoreszenz-Geräte, und die Kosten für die Förderung und Schulung von LIBS sind relativ hoch.
4. Unvollständige Branchenstandards
Die nationalen Standards für die Vor-Ort-Prüfung von LIBS und das metrologische Rückführbarkeitssystem sind nicht so umfassend wie bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), und die Zuverlässigkeit einiger externer Prüfinstitute ist eingeschränkt.
5. Hoher Preis
Der Preis für die gleiche Konfiguration ist höher als bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), und die anfängliche Kaufschwelle für kleine und mittlere Unternehmen ist hoch.

V. Überwindung der Lasertechnologie, angepasst an handgeführte LIBS

RealLight war schon immer an der Entwicklung der LIBS-Industrie interessiert. Unter Berücksichtigung der Laserparameter von High-End-Hand-LIBS-Modellen im Ausland, wie beispielsweise von Thermo Fisher Scientific, und in Kombination mit den eigenen technologischen Vorteilen, hat das Unternehmen ein miniaturisiertes Gerät auf den Markt gebracht. Hochenergetischer Nanosekundenlaser mit einer Wiederholrate von bis zu 50 Hz und einer Einzelimpulsenergie von mehr als 5 mJ. Laser Es nutzt Endpumptechnologie, wobei das Laservolumen bei der Endpumpmethode etwa ein Drittel des Volumens bei der Seitenpumpmethode beträgt, wodurch die Miniaturisierungsanforderungen handgeführter Modelle erfüllt werden. Als Pumpquelle dient eine gestapelte Array-Lichtquelle, die von [Herstellername] hergestellt wird. RealLightDiese Lichtquelle lässt sich optimal an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen und bietet einen deutlichen Kostenvorteil, da keine externen Pumpquellen benötigt werden. Eine gestapelte Array-Lichtquelle ist eine Oberflächenlichtquelle, die durch das Übereinanderstapeln mehrerer Halbleiterstäbe entsteht. Dadurch wird die Spitzenleistung erheblich gesteigert und gleichzeitig eine kompakte Bauweise erreicht.

RealLight gestapelte Array-Lichtquelle für Endpumpen

Endpumpenkonfiguration: Kleiner Querschnitt, geeignet für handgeführte LIBS-Instrumente

Seitliche Pumpmethode: Großer Querschnitt, nicht geeignet für handgeführte LIBS-Geräte

Der Laser nutzt ein passives Q-Schaltverfahren mit Nd:YAG- und Cr:YAG-Kristallbindung. Das technische Verfahren entspricht dem charakteristischen Mikrochip-Laser von RealLightWir verfügen über umfassendes technisches Know-how in den entsprechenden Prozessen, wodurch Eigenschaften wie lange Lebensdauer, hohe Stabilität und ein breiter Temperaturbereich erreicht werden können. Die Umweltverträglichkeit der gebundenen Kristalle ist hervorragend; sie eignen sich für Anwendungen, bei denen tragbare Geräte häufig transportiert werden und Vibrationen ausgesetzt sind und selbst Stürzen und Beschädigungen standhalten.

Der Laser ist mit einem Halbleiterkühler ausgestattet, der es dem Laser ermöglicht, bei einer konstanten Temperatur zu arbeiten, ohne dass hohe oder niedrige Außentemperaturen eine Rolle spielen.

Der Laser verwendet außerdem eine Parallelversiegelungstechnologie, bei der er in einer Inertgasatmosphäre versiegelt wird. Dies trägt zur Verlängerung der Lebensdauer des Lasers bei und macht Schrauben überflüssig, wodurch das Volumen weiter reduziert wird.

RealLight-Laser, optimiert für handgeführte LIBS-Geräte

Parameter von RealLight-Lasern, optimiert für tragbare LIBS-Geräte:

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