I. Principi fondamentali di LIBS

LIBS è l'acronimo di Spettroscopia di Emissione Indotta da Laser.

La tecnologia LIBS utilizza un laser pulsato ad alta energia come sorgente di eccitazione, focalizzato da un sistema ottico e diretto sulla superficie del campione. L'area del campione coperta dal punto focale presenta un'elevata densità di energia. Quando l'energia supera la soglia di rottura, si genera localmente un plasma, chiamato plasma indotto da laser. Questo tipo di plasma ha un'elevata temperatura locale e densità di energia. Durante il processo di raffreddamento del plasma, gli atomi e gli ioni eccitati subiscono transizioni di livello energetico elettronico, emettendo fotoni di specifiche lunghezze d'onda. Utilizzando uno spettrometro per raccogliere i fotoni emessi e ottenere uno spettro, è possibile determinare la composizione elementare del campione analizzato esaminando le posizioni dei picchi, le intensità dei picchi e altre informazioni presenti nello spettro. Lo schema del sistema LIBS è mostrato di seguito. Dopo essere stato focalizzato da una lente, il laser colpisce la superficie del campione, eccitando il plasma. Lo spettro del plasma entra nella fibra ottica attraverso la lente di raccolta e quindi entra nello spettrometro attraverso la fibra ottica. Lo spettrometro raccoglie il segnale spettrale, che viene poi elaborato dal processore, confrontato con il database e analizzato per determinare la composizione degli elementi del campione.

Schema elettrico del sistema LIBS

La tecnologia LIBS esiste da molti anni ed è stata utilizzata principalmente in modelli da laboratorio. Negli ultimi anni, con lo sviluppo e la miniaturizzazione di laser e spettrometri, sono stati introdotti modelli portatili. Integrando laser, spettrometri miniaturizzati, unità di controllo principali e batterie in un corpo compatto a forma di pistola, è possibile effettuare analisi rapide e non distruttive sul campo, senza la necessità di pretrattamenti come la lucidatura e la digestione del campione.

Analizzatore LIBS portatile

II. Principali vantaggi e svantaggi dell'analizzatore LIBS portatile (rispetto ai comuni analizzatori XRF portatili)

vantaggio
1. Il rilevamento di elementi leggeri è superiore alla XRF: può rilevare con precisione C, Li, B, Be, Mg, Al, Si, distinguere 304/304L, il contenuto di carbonio dell'acciaio al carbonio e i materiali dell'elettrodo positivo al litio. La XRF è quasi incapace di rilevare gli elementi carbonio e litio.
2. Nessuna sorgente radioattiva: il livello di sicurezza del laser appartiene alla Classe 3B, senza radiazioni X, senza necessità di documentazione sulle radiazioni o approvazione della valutazione di impatto ambientale e senza restrizioni normative sull'utilizzo tra impianti/siti diversi.
3. Rilevamento ultraveloce: i risultati si ottengono in 1-3 secondi con piccoli punti luminosi, generalmente compresi tra 50 e 100 μm. È in grado di rilevare giunzioni di saldatura, rivestimenti, piccole aree e superfici ruvide e corrose.
4. Danni lievi: l'erosione superficiale è solo a livello micrometrico e i reperti culturali e le parti di precisione possono essere esaminati senza subire danni.
5. Ampio intervallo di misurazione: copre tutti gli elementi, dal litio ai metalli pesanti.

svantaggio
1. L'accuratezza quantitativa complessiva è inferiore a quella della XRF
2. Il costo dei laser e degli spettrometri miniaturizzati è elevato e il prezzo di vendita complessivo è superiore a quello degli XRF portatili della stessa categoria.

III. Scenari di applicazione principali dell'analizzatore LIBS portatile

1. Verifica dei materiali PMI industriali (massimo a valle, pari a circa il 45%)
Recipienti a pressione, saldature di condotte, acciaio inossidabile/acciaio legato, lega di alluminio, lega di rame, ispezione in entrata, selezione rapida del forno dell'acciaieria, rilevamento di difetti di attrezzature speciali
2. Riciclaggio e selezione dei rottami metallici
Smistamento rapido di rottami misti di acciaio, scarti di alluminio e magnesio e impurità di rame e nichel per risolvere i problemi di smistamento dell'acciaio legato contenente carbonio.
3. Nuove energie agli ioni di litio (settore in più rapida crescita)
Controllo dei componenti in entrata per la presenza di fosfato di ferro e litio, materiali ternari, sali di litio, fogli di alluminio e fogli di rame, e identificazione dei materiali riciclabili delle batterie al litio.
4. Esplorazione geologica e mineraria
Analisi rapida del tenore del minerale in natura e monitoraggio in loco dell'inquinamento del suolo da metalli pesanti.
5. Energia petrolchimica
Identificazione di materiali corrosi nelle condotte, ispezione di raccordi in lega nelle centrali elettriche e rilevamento del contenuto di silicio nelle unità di idrogenazione.
6. Ispezione di qualità dei materiali in entrata relativi a beni culturali, archeologici, emergenze di sicurezza e casi speciali.

IV. Sviluppo e tendenze degli analizzatori LIBS portatili

Attualmente, i modelli importati sono costosi e, nel mercato di fascia alta, dominano i marchi esteri, che si accaparrano gli ordini ad alto margine di profitto lordo nei settori petrolchimico, nucleare e aeronautico grazie a precisione, stabilità e barriere di marca; nel mercato di fascia media, i prodotti nazionali si stanno rapidamente affermando, con evidenti vantaggi in termini di rapporto qualità-prezzo e assistenza post-vendita localizzata. Le batterie al litio, le energie rinnovabili e le piccole e medie imprese manifatturiere stanno gradualmente sostituendo le importazioni; nel mercato di fascia bassa, l'attenzione principale è rivolta alla domanda di base per la selezione di rottami metallici, con i modelli nazionali che occupano la maggior parte del mercato e senza modelli corrispondenti per i prodotti esteri.

Attualmente, la tecnologia LIBS si trova in una fase di lento sviluppo, favorita da tecnologie e politiche favorevoli, ma permangono anche ostacoli e sfide.

Vantaggi tecnologici e politici:
1. La spettrometria a fluorescenza di raggi X (XRF) non è in grado di soddisfare le esigenze urgenti di rilevamento di carbonio/litio.
Le nuove batterie al litio, l'acciaio legato contenente carbonio e l'acciaio inossidabile 316L a basso tenore di carbonio sono soggetti a controlli obbligatori e solo le batterie agli ioni di litio possono essere rilevate rapidamente in loco. Sono insostituibili per esigenze urgenti.
2. Dividendi politici delle risorse rinnovabili
Standardizzare il riciclaggio di rottami di acciaio, rottami di alluminio e metalli non ferrosi e promuovere la diffusione di apparecchiature di selezione rapida nell'ottica della tutela ambientale e del controllo fiscale.
3. Prove di sicurezza obbligatorie per attrezzature speciali
Verifica periodica dei materiali PMI per recipienti a pressione, condotte in pressione e caldaie, con un enorme potenziale di sostituzione sul mercato.
4. Vantaggi derivanti dalla non conformità alle normative sulle radiazioni
Il processo di segnalazione delle radiazioni XRF è macchinoso e fabbriche, parchi e ispezioni interregionali danno priorità all'acquisto di LIBS per evitare costi normativi.
5. Politica di sostituzione interna
Supporto speciale per strumenti scientifici di fascia alta, progressi nella localizzazione dei componenti principali laser e microspettrali e continua riduzione dei costi dell'intera macchina.

Punti di controllo e sfide dello sviluppo:
1. Collo di bottiglia del componente principale
I laser a impulsi a larghezza di riga stretta di fascia alta, i reticoli di diffrazione ad alta precisione e i rivelatori a refrigerazione dipendono ancora fortemente dalle importazioni, il che aumenta i costi e limita le prestazioni.
2. Lacune nell'accuratezza quantitativa
La difficoltà degli algoritmi di correzione dell'effetto matrice e dell'interferenza superficiale è elevata, ed è ancora difficile competere con la spettroscopia a lettura diretta da tavolo e l'ICP da laboratorio.
3. Insufficiente conoscenza del mercato
La maggior parte dei terminali continua a privilegiare l'uso di spettrometri XRF portatili consolidati, e il costo della promozione e della formazione sulla tecnologia LIBS è relativamente elevato.
4. Standard di settore incompleti
Lo standard nazionale per le prove in loco LIBS e il sistema di tracciabilità metrologica non sono completi quanto quelli XRF, e alcuni istituti di prova di terze parti hanno un'affidabilità limitata.
5. Prezzo elevato
Il prezzo della stessa configurazione è superiore a quello dell'XRF e la soglia di acquisto iniziale per i clienti di piccole e medie dimensioni è elevata

V. Superamento della tecnologia laser adattata ai LIBS portatili

Luce reale è sempre stata interessata allo sviluppo del settore LIBS. Facendo riferimento ai parametri laser dei modelli LIBS portatili di fascia alta all'estero, come Thermo Fisher Scientific e Thermo Fisher Scientific, combinati con i vantaggi tecnologici propri dell'azienda, ha lanciato un miniaturizzato laser ad alta energia a nanosecondi con una frequenza di ripetizione fino a 50 Hz e un'energia di impulso singolo superiore a 5 mJ. laser adotta la tecnologia di pompaggio terminale e il volume laser dello schema di pompaggio terminale è circa un terzo di quello dello schema di pompaggio laterale, che può soddisfare le esigenze di miniaturizzazione dei modelli portatili. La sorgente di pompaggio adotta la sorgente luminosa a matrice impilata prodotta da Luce realeche può essere altamente personalizzata in base alle esigenze e presenta un vantaggio assoluto in termini di costi, senza la necessità di sorgenti di pompaggio esterne. La sorgente luminosa a matrice impilata è una sorgente luminosa di superficie formata impilando insieme più barre semiconduttrici, aumentando notevolmente la potenza di picco e avendo dimensioni compatte.

Sorgente luminosa RealLight Stacked Array per End-Pumping

Configurazione con pompaggio terminale: sezione trasversale ridotta, adatta per strumenti LIBS portatili

Metodo di pompaggio laterale: ampia sezione trasversale, non adatto per dispositivi LIBS portatili

Il laser adotta uno schema di Q-switching passivo, con legame cristallino Nd:YAG e Cr:YAG. Il percorso tecnico è coerente con il laser a microchip caratteristico di Luce realePossediamo una solida esperienza tecnica nei processi correlati, che ci consente di ottenere caratteristiche quali lunga durata, elevata stabilità e ampio intervallo di temperature di funzionamento. L'adattabilità ambientale dei cristalli legati è eccellente, rendendoli adatti ad applicazioni in cui i dispositivi portatili vengono trasportati e sottoposti a vibrazioni frequentemente, e possono persino resistere al rischio di cadute e danni.

Il laser è dotato di un sistema di raffreddamento a semiconduttore che gli consente di funzionare a una temperatura costante, indipendentemente dalle variazioni di temperatura esterna.

Il laser adotta inoltre una tecnologia di sigillatura parallela, che prevede la sigillatura in un ambiente di gas inerte, contribuendo a prolungarne la durata e a non richiedere viti, riducendone ulteriormente il volume.

Laser RealLight ottimizzati per dispositivi LIBS portatili

Parametri dei laser RealLight ottimizzati per dispositivi LIBS portatili:

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