I. Principios básicos de LIBS

LIBS son las siglas de Espectroscopia de Ruptura Inducida por Láser.

La tecnología LIBS utiliza un láser pulsado de alta energía como fuente de excitación, el cual es enfocado por un sistema óptico e incide sobre la superficie de la muestra. El área de la muestra cubierta por el punto enfocado presenta una alta densidad de energía. Cuando la energía supera el umbral de ruptura, se genera plasma localmente, denominado plasma inducido por láser. Este tipo de plasma posee una alta temperatura local y densidad de energía. Durante el proceso de enfriamiento del plasma, los átomos e iones excitados experimentan transiciones de nivel de energía electrónica, emitiendo fotones de longitudes de onda específicas. Mediante un espectrómetro, se recogen los fotones emitidos y se obtiene un espectro. La composición elemental de la muestra analizada se puede determinar mediante el análisis de las posiciones e intensidades de los picos, así como otra información presente en el espectro. El diagrama esquemático del sistema LIBS se muestra a continuación. Tras ser enfocado por una lente, el láser incide sobre la superficie de la muestra, excitando el plasma. El espectro del plasma entra en la fibra óptica a través de la lente de recolección y, posteriormente, en el espectrómetro. El espectrómetro recoge la señal espectral, que luego es procesada por el procesador, comparada con la base de datos y analizada para determinar la composición de los elementos de la muestra.

Diagrama esquemático del sistema LIBS

La tecnología LIBS existe desde hace muchos años y se utiliza principalmente en modelos de laboratorio. En los últimos años, con el desarrollo y la miniaturización de láseres y espectrómetros, se han introducido modelos portátiles. Al integrar láseres, espectrómetros en miniatura, controladores principales y baterías en un cuerpo tipo pistola, se pueden realizar ensayos rápidos y no destructivos in situ sin necesidad de pretratamientos como el pulido y la digestión de las muestras.

Analizador LIBS portátil

II. Principales ventajas y desventajas del analizador LIBS portátil (en comparación con el analizador XRF portátil convencional)

ventaja
1. La detección de elementos ligeros es superior a la XRF: puede detectar con precisión C, Li, B, Be, Mg, Al, Si, distinguir 304/304L, el contenido de carbono del acero al carbono y los materiales del electrodo positivo de litio. La XRF es prácticamente incapaz de detectar elementos de carbono y litio.
2. Sin fuente radiactiva: El nivel de seguridad del láser pertenece a la Clase 3B, sin radiación de rayos X, sin necesidad de registro de radiación ni aprobación de evaluación de impacto ambiental, y sin restricciones reglamentarias para su uso entre plantas/ubicaciones.
3. Detección ultrarrápida: Los resultados se obtienen en 1-3 segundos con pequeños puntos de luz, que suelen oscilar entre 50 y 100 μm. Puede detectar juntas de soldadura, recubrimientos, áreas pequeñas y superficies rugosas corroídas.
4. Daños menores: La erosión superficial se limita al nivel micrométrico, y las reliquias culturales y las piezas de precisión pueden examinarse sin sufrir daños.
5. Amplio rango de medición: abarca todos los elementos, desde el litio hasta los metales pesados.

desventaja
1. La precisión cuantitativa general es menor que la de XRF.
2. El costo de los láseres y espectrómetros en miniatura es alto, y el precio de venta total es más alto que el de los XRF portátiles de la misma calidad.

III. Escenarios de aplicación principales del analizador LIBS portátil

1. Verificación de materiales PMI industriales (máximo en la fase posterior, que representa aproximadamente el 45%).
Recipientes a presión, soldaduras de tuberías, acero inoxidable/acero aleado, aleación de aluminio, reinspección de entrada de aleación de cobre, clasificación rápida de hornos de acerías, detección de fallas en equipos especiales
2. Reciclaje y clasificación de chatarra metálica
Clasificación rápida de chatarra mixta de acero, residuos de aluminio y magnesio e impurezas de cobre y níquel para solucionar los problemas de la clasificación de acero aleado que contiene carbono.
3. Energía nueva de iones de litio (sector de mayor crecimiento)
Análisis de los componentes entrantes para detectar fosfato de hierro y litio, materiales ternarios, sales de litio, lámina de aluminio y lámina de cobre, e identificación de materiales para el reciclaje de baterías de litio.
4. Exploración geológica y minera
Detección rápida del grado del mineral en el medio natural y monitoreo in situ de la contaminación del suelo por metales pesados.
5. Energía petroquímica
Identificación de materiales corroídos en tuberías, inspección de accesorios de aleación en centrales eléctricas y detección de contenido de silicio en unidades de hidrogenación.
6. Inspección de calidad de materiales culturales, arqueológicos, de emergencia de seguridad y especiales recibidos.

IV. Desarrollo y tendencias del analizador LIBS portátil

Actualmente, los modelos importados son caros y, en el mercado de gama alta, las marcas extranjeras dominan, obteniendo pedidos de alto margen de beneficio en las industrias petroquímica, nuclear y aeronáutica gracias a su precisión, estabilidad y prestigio de marca. En el mercado de gama media, los productos nacionales están ganando terreno rápidamente, con claras ventajas en cuanto a rentabilidad y servicio posventa local. Las baterías de litio, las energías renovables y las pequeñas y medianas empresas manufactureras están reemplazando gradualmente las importaciones. En el mercado de gama baja, la atención se centra en la demanda básica de clasificación de chatarra, donde los modelos nacionales ocupan la mayor parte del mercado y no existen modelos equivalentes para productos extranjeros.

Actualmente, LIBS se encuentra en un período de desarrollo lento, con tecnología y políticas favorables, pero también existen obstáculos y desafíos para su desarrollo.

Beneficios tecnológicos y políticos:
1. La XRF no puede satisfacer las necesidades urgentes de detección de carbono/litio.
Las nuevas baterías de litio de energía, el acero aleado con contenido de carbono y el acero inoxidable 316L con bajo contenido de carbono están sujetos a controles obligatorios, y solo las baterías de iones de litio (LIBS) pueden detectarse rápidamente in situ. Son insustituibles para necesidades urgentes.
2. Beneficios políticos de las energías renovables
Estandarizar el reciclaje de chatarra de acero, chatarra de aluminio y metales no ferrosos, y promover la popularización de equipos de clasificación rápida debido a la protección del medio ambiente y la supervisión fiscal.
3. Pruebas de seguridad obligatorias para equipos especiales
Verificación periódica de materiales PMI para recipientes a presión, tuberías a presión y calderas, con un enorme potencial de sustitución en el mercado.
4. Ventajas del cumplimiento de las normas de no radiación
El proceso de notificación de radiación XRF es engorroso, y las fábricas, los parques y las inspecciones interregionales priorizan la adquisición de LIBS para evitar costos regulatorios.
5. Política de sustitución interna
Soporte especial para instrumentos científicos de alta gama, avances en la localización de componentes centrales láser y microespectrales, y reducción continua del coste de toda la máquina.

Puntos de control y desafíos del desarrollo:
1. Cuello de botella del componente principal
Los láseres de pulsos de ancho de línea estrecho de gama alta, las rejillas de difracción de alta precisión y los detectores de refrigeración todavía dependen en gran medida de las importaciones, lo que aumenta los costos y limita los límites de rendimiento.
2. Deficiencias en la precisión cuantitativa
La dificultad de los algoritmos de corrección del efecto matriz y la interferencia superficial es alta, y aún resulta difícil competir con la espectroscopia de lectura directa de sobremesa y el ICP de laboratorio.
3. Conocimiento insuficiente del mercado
La mayoría de los terminales aún priorizan el uso de XRF portátil maduro, y el costo de la promoción y la capacitación en LIBS es relativamente alto.
4. Estándares industriales incompletos
El sistema nacional de trazabilidad metrológica y de estándares para ensayos in situ LIBS no es tan completo como el XRF, y algunas instituciones de ensayo de terceros tienen una fiabilidad limitada.
5. Precio elevado
El precio de la misma configuración es más alto que el de XRF, y el umbral de compra inicial para clientes pequeños y medianos es elevado.

V. Superación de la tecnología láser adaptada a LIBS portátiles

Luz real Siempre se ha preocupado por el desarrollo de la industria LIBS. Tomando como referencia los parámetros láser de modelos LIBS portátiles de alta gama en el extranjero, como Thermo Fisher Scientific y Thermo Fisher Scientific, combinados con las ventajas tecnológicas propias de la empresa, ha lanzado un modelo miniaturizado. láser de nanosegundos de alta energía con una frecuencia de repetición de hasta 50 Hz y una energía de pulso único superior a 5 mJ. láser adopta tecnología de bombeo final, y el volumen del láser del esquema de bombeo final es aproximadamente un tercio del del esquema de bombeo lateral, lo que puede satisfacer las necesidades de miniaturización de los modelos portátiles. La fuente de bombeo adopta la fuente de luz de matriz apilada producida por Luz real, que puede personalizarse en gran medida según las necesidades y ofrece una ventaja de costo absoluta, sin necesidad de fuentes de bombeo externas. La fuente de luz de matriz apilada es una fuente de luz de superficie formada por el apilamiento de múltiples barras semiconductoras, lo que aumenta considerablemente la potencia máxima y tiene un tamaño compacto.

Fuente de luz de matriz apilada RealLight para bombeo final

Configuración de bombeo final: Sección transversal pequeña, adecuada para instrumentos LIBS portátiles.

Método de bombeo lateral: Sección transversal grande, no apto para dispositivos LIBS portátiles.

El láser adopta un esquema de conmutación Q pasiva, con unión de cristales Nd:YAG y Cr:YAG. La ruta técnica es consistente con el láser de microchip característico de Luz realContamos con una sólida experiencia técnica en procesos relacionados, lo que nos permite lograr características como una larga vida útil, alta estabilidad y un amplio rango de temperatura de funcionamiento. La adaptabilidad ambiental de los cristales unidos es excelente, lo que los hace idóneos para aplicaciones donde los dispositivos portátiles se transportan y vibran con frecuencia, e incluso pueden soportar el riesgo de caídas y daños.

El láser está equipado con un enfriador semiconductor, lo que le permite funcionar a una temperatura constante sin temor a las temperaturas extremas que se producen en el exterior.

El láser también adopta una tecnología de sellado paralelo, que se realiza en un entorno de gas inerte, lo que contribuye a prolongar la vida útil del láser y no requiere tornillos, reduciendo aún más el volumen.

Láseres RealLight optimizados para dispositivos LIBS portátiles

Parámetros de los láseres RealLight optimizados para dispositivos LIBS portátiles:

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