I. Principes fondamentaux de LIBS

LIBS signifie spectroscopie de claquage induit par laser.

La technologie LIBS utilise un laser pulsé de haute énergie comme source d'excitation. Ce laser est focalisé par un système optique et agit sur la surface de l'échantillon. La zone de l'échantillon couverte par le point focal présente une densité d'énergie élevée. Lorsque l'énergie dépasse le seuil de claquage, un plasma est généré localement : c'est le plasma induit par laser. Ce type de plasma présente une température et une densité d'énergie locales élevées. Lors du refroidissement du plasma, les atomes et ions excités subissent des transitions de niveaux d'énergie électronique, émettant des photons de longueurs d'onde spécifiques. Un spectromètre collecte ces photons et obtient un spectre. La composition élémentaire de l'échantillon testé peut être déterminée par l'analyse de la position et de l'intensité des pics, ainsi que d'autres informations spectrales. Le schéma du système LIBS est présenté ci-dessous. Après focalisation par une lentille, le laser frappe la surface de l'échantillon, excitant le plasma. Le spectre du plasma pénètre dans la fibre optique à travers la lentille de collecte, puis dans le spectromètre par cette même fibre. Le spectromètre recueille le signal spectral, qui est ensuite traité par le processeur, comparé à la base de données et analysé pour déterminer la composition des éléments de l'échantillon.

Schéma du système LIBS

La technologie LIBS existe depuis de nombreuses années et était principalement utilisée en laboratoire. Ces dernières années, grâce au développement et à la miniaturisation des lasers et des spectromètres, des modèles portables ont vu le jour. L'intégration de lasers, de spectromètres miniatures, de contrôleurs principaux et de batteries dans un boîtier compact permet de réaliser des analyses non destructives et rapides sur site, sans prétraitement tel que le polissage ou la digestion des échantillons.

Analyseur LIBS portable

II. Principaux avantages et inconvénients de l'analyseur LIBS portable (comparé à l'analyseur XRF portable classique)

avantage
1. La détection des éléments légers est supérieure à la fluorescence X : elle permet de détecter avec précision le carbone, le lithium, le bore, le béryllium, le magnésium, l’aluminium et le silicium, de distinguer les aciers 304 et 304L, de mesurer la teneur en carbone de l’acier au carbone et d’identifier les matériaux d’électrode positive au lithium. La fluorescence X est quasiment incapable de détecter le carbone et le lithium.
2. Absence de source radioactive : Le niveau de sécurité du laser est de classe 3B, sans rayonnement X, sans obligation de déclaration de radioactivité ni d’approbation d’évaluation d’impact environnemental, et sans restriction réglementaire quant à son utilisation entre installations/sites.
3. Détection ultra-rapide : des résultats sont obtenus en 1 à 3 secondes grâce à de petits points lumineux, généralement de 50 à 100 µm. Cette technologie permet de détecter les joints de soudure, les revêtements, les petites zones et les surfaces corrodées rugueuses.
4. Dommages mineurs : L’érosion de surface est uniquement de l’ordre du micromètre, et les objets culturels et les pièces de précision peuvent être examinés sans dommage.
5. Large plage de mesure : couvrant tous les éléments, du lithium aux métaux lourds.

inconvénient
1. La précision quantitative globale est inférieure à celle de la fluorescence X (XRF).
2. Le coût des lasers et des spectromètres miniatures est élevé, et leur prix de vente global est supérieur à celui des spectromètres XRF portables de même qualité.

III. Principaux scénarios d'application de l'analyseur LIBS portable

1. Vérification des matériaux PMI industriels (maximum en aval, représentant environ 45 %)
Récipients sous pression, soudures de pipelines, acier inoxydable/acier allié, alliage d'aluminium, alliage de cuivre : réinspection à réception, tri rapide des fours d'aciérie, détection des défauts sur équipements spéciaux
2. Recyclage et tri des métaux de récupération
Tri rapide des déchets d'acier mélangés, des déchets d'aluminium et de magnésium et des impuretés de cuivre et de nickel pour résoudre les problèmes liés au tri des aciers alliés contenant du carbone
3. Nouvelle énergie lithium-ion (secteur à la croissance la plus rapide)
Contrôle des composants entrants pour détecter la présence de phosphate de fer lithié, de matériaux ternaires, de sels de lithium, de feuilles d'aluminium et de feuilles de cuivre, et identification des matériaux recyclables pour batteries au lithium
4. Exploration géologique et minière
Dépistage rapide de la teneur en minerai sur le terrain et surveillance in situ de la pollution des sols par les métaux lourds
5. Énergie pétrochimique
Identification des matériaux corrodés dans les pipelines, inspection des raccords en alliage dans les centrales électriques et détection de la teneur en silicium dans les unités d'hydrogénation
6. Inspection de la qualité des matériaux entrants : aspects culturels, archéologiques, d'urgence sécuritaire et spéciaux

IV. Développement et tendances des analyseurs LIBS portables

Actuellement, les modèles importés sont onéreux et, sur le marché haut de gamme, les marques étrangères dominent, s'adjugeant des commandes à forte marge brute dans les secteurs de la pétrochimie, du nucléaire et de l'aéronautique grâce à leur précision, leur fiabilité et leur image de marque. Sur le marché moyen de gamme, les produits nationaux gagnent rapidement du terrain, grâce à leurs avantages indéniables en termes de rapport qualité-prix et de service après-vente local. Les batteries au lithium, les énergies renouvelables et les PME manufacturières remplacent progressivement les importations. Sur le marché d'entrée de gamme, l'accent est mis sur la demande initiale de tri des métaux, les modèles nationaux occupant la majorité des parts de marché, sans équivalent pour les produits étrangers.

À l'heure actuelle, LIBS se trouve dans une phase de développement lent, avec des technologies et des politiques favorables, mais il existe également des obstacles et des défis en matière de développement.

Avantages technologiques et politiques :
1. La fluorescence X ne peut pas répondre aux besoins urgents de détection du carbone/lithium
Les nouvelles batteries au lithium, l'acier allié au carbone et l'acier inoxydable à faible teneur en carbone 316L font l'objet d'un contrôle obligatoire, et seules les batteries au lithium peuvent être détectées rapidement sur place. Elles sont irremplaçables en cas d'urgence.
2. Les retombées politiques des ressources renouvelables
Normaliser le recyclage des déchets d'acier, d'aluminium et de métaux non ferreux, et promouvoir la diffusion des équipements de tri rapide en raison des impératifs de protection de l'environnement et de contrôle fiscal.
3. Tests de sécurité obligatoires pour les équipements spéciaux
Vérification régulière des matériaux par le PMI pour les appareils à pression, les canalisations sous pression et les chaudières, avec un potentiel de remplacement de marché considérable.
4. Avantages liés à la conformité en matière de rayonnement
Le processus de déclaration des rayonnements XRF est complexe, et les usines, les parcs et les inspections interrégionales privilégient l'acquisition de LIBS pour éviter les coûts réglementaires.
5. Politique de substitution intérieure
Assistance spécifique pour les instruments scientifiques haut de gamme, avancées majeures dans la localisation des composants laser et microspectraux, et réduction continue du coût de l'ensemble de la machine

Points de contrôle et défis du développement :
1. Goulot d'étranglement du composant principal
Les lasers à impulsions à raie spectrale étroite haut de gamme, les réseaux de diffraction de haute précision et les détecteurs frigorifiques dépendent encore fortement des importations, ce qui augmente les coûts et limite les performances.
2. Lacunes en matière de précision quantitative
La complexité des algorithmes de correction des effets de matrice et des interférences de surface est élevée, et il reste difficile de rivaliser avec la spectroscopie à lecture directe de bureau et la spectroscopie ICP de laboratoire.
3. Connaissance insuffisante du marché
La plupart des terminaux privilégient encore l'utilisation de la fluorescence X portable mature, et le coût de la promotion et de la formation à la LIBS est relativement élevé.
4. Normes industrielles incomplètes
Le système national de normes et de traçabilité métrologique des tests LIBS sur site n'est pas aussi complet que celui de la fluorescence X (XRF), et la fiabilité de certains organismes de contrôle tiers est limitée.
5. Prix élevé
Le prix de la même configuration est supérieur à celui de la fluorescence X (XRF), et le seuil d'achat initial pour les petites et moyennes entreprises est élevé.

V. Surmonter les difficultés liées à l'adaptation de la technologie laser aux LIBS portables

RealLight a toujours porté une attention particulière au développement de l'industrie LIBS. S'appuyant sur les paramètres laser des modèles LIBS portables haut de gamme étrangers, tels que ceux de Thermo Fisher Scientific, et en tirant parti de ses propres atouts technologiques, l'entreprise a lancé un modèle miniaturisé. laser nanoseconde à haute énergie avec une fréquence de répétition allant jusqu'à 50 Hz et une énergie d'impulsion unique supérieure à 5 mJ. laser Elle adopte la technologie de pompage axial, et le volume laser de cette configuration est environ un tiers de celui de la configuration à pompage latéral, ce qui répond aux exigences de miniaturisation des modèles portables. La source de pompage utilise une source lumineuse à réseau empilé produite par RealLightCette source lumineuse, hautement personnalisable selon les besoins, présente un avantage économique indéniable, sans nécessiter de sources de pompage externes. La source lumineuse à réseau empilé est une source de lumière de surface constituée de plusieurs barres semi-conductrices empilées, ce qui augmente considérablement la puissance de crête tout en offrant une taille compacte.

Source lumineuse à matrice empilée RealLight pour pompage axial

Configuration à pompage axial : section transversale réduite, adaptée aux instruments LIBS portables

Méthode de pompage latéral : Section transversale importante, ne convient pas aux appareils LIBS portables

Le laser adopte un schéma de commutation Q passive, avec une liaison cristalline Nd:YAG et Cr:YAG. La voie technique est cohérente avec les caractéristiques des lasers à micropuce de RealLightNous possédons une solide expertise technique dans les procédés associés, permettant d'obtenir des caractéristiques telles qu'une longue durée de vie, une grande stabilité et une large plage de températures de fonctionnement. L'adaptabilité environnementale des cristaux liés est excellente, les rendant parfaitement adaptés aux applications où les appareils portables sont fréquemment transportés et soumis à des vibrations ; ils résistent même aux risques de chute et de dommages.

Le laser est équipé d'un refroidisseur à semi-conducteurs, ce qui lui permet de fonctionner à température constante sans craindre les environnements extérieurs à températures élevées ou basses.

Le laser adopte également une technologie de scellement parallèle, scellée dans un environnement de gaz inerte, ce qui contribue à prolonger sa durée de vie et ne nécessite pas de vis, réduisant ainsi davantage son volume.

Lasers RealLight optimisés pour les appareils LIBS portables

Paramètres des lasers RealLight optimisés pour les appareils LIBS portables :

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