I. LIBSの基本原則

LIBSとは、レーザー誘起ブレークダウン分光法の略称です。

LIBS技術は、高エネルギーパルスレーザーを励起光源として使用し、光学系によって集光され、試料表面に照射されます。集光スポットで覆われた試料領域は、高いエネルギー密度を持ちます。エネルギーが破壊閾値を超えると、局所的にプラズマが生成され、これをレーザー誘起プラズマと呼びます。このタイプのプラズマは、局所的に高い温度とエネルギー密度を持ちます。プラズマの冷却過程で、励起された原子やイオンは電子エネルギー準位遷移を起こし、特定の波長の光子を放出します。放出された光子を分光器で収集してスペクトルを取得し、スペクトルのピーク位置、ピーク強度、その他の情報を分析することで、試験試料の元素組成を決定できます。LIBSシステムの概略図を以下に示します。レーザーはレンズによって集光された後、試料表面に照射され、プラズマを励起します。プラズマスペクトルは集光レンズを通して光ファイバーに入り、その後、光ファイバーを通して分光器に入ります。分光計はスペクトル信号を収集し、その信号はプロセッサによって処理され、データベースと比較され、試料の元素組成が分析される。

LIBSシステム概略図

LIBS技術は長年にわたり存在し、主に実験室モデルで使用されてきました。近年、レーザーと分光計の開発と小型化に伴い、携帯型モデルが登場しました。レーザー、小型分光計、メインコントローラー、バッテリーをガン型の本体に統合することで、試料の研磨や分解といった前処理を必要とせずに、現場での非破壊的かつ迅速な検査が可能になりました。

携帯型LIBS分析装置

II．携帯型LIBS分析装置の主な利点と欠点（主流の携帯型XRFとの比較）

アドバンテージ
1. 軽元素検出はXRFよりも優れています。C、Li、B、Be、Mg、Al、Siを正確に検出でき、304/304L、炭素鋼の炭素含有量、リチウム正極材料を識別できます。XRFでは炭素とリチウム元素をほとんど検出できません。XRFでは炭素とリチウム元素をほとんど検出できません。
2. 放射性物質なし：レーザーの安全レベルはクラス3Bに属し、X線放射線はなく、放射線届出や環境影響評価の承認は不要で、工場間／敷地間での使用に関する規制上の制限もありません。
3. 超高速検出：50～100μm程度の小さな光スポットでも、1～3秒で結果が得られます。はんだ接合部、コーティング、小さな領域、粗い腐食面などを検出できます。
4. 軽微な損傷：表面の浸食はマイクロメートルレベルにとどまり、文化財や精​​密部品は損傷なく選別できます。
5. 幅広い測定範囲：リチウムから重金属まで、あらゆる元素を網羅

不利
1. 全体的な定量精度はXRFよりも劣る
2. レーザーや小型分光計のコストが高く、全体的な販売価格は同グレードの携帯型XRFよりも高い。

III. 携帯型LIBS分析装置の主な応用シナリオ

1. 工業用PMI材料検証（最大下流工程、約45%を占める）
圧力容器、パイプライン溶接部、ステンレス鋼／合金鋼、アルミニウム合金、銅合金の受入再検査、製鉄所炉の迅速選別、特殊装置による欠陥検出
2．金属くずのリサイクルと分別
混合スクラップ鋼、アルミニウムマグネシウム廃棄物、銅ニッケル不純物の迅速な選別により、炭素含有合金鋼の選別における課題を解決する。
3．リチウムイオン新エネルギー（最も急速に成長している分野）
入荷部品のリン酸鉄リチウム、三元系材料、リチウム塩、アルミ箔、銅箔のスクリーニング、およびリチウム電池リサイクル材料の特定
4. 地質・鉱物探査
野外での鉱石品位の迅速なスクリーニングと土壌の重金属汚染の現場モニタリング
5. 石油化学発電
パイプライン内の腐食材料の特定、発電所における合金継手の検査、および水素化装置におけるシリコン含有量の検出
6. 文化、考古学、安全保障上の緊急事態、および特別な入荷資材の品質検査

IV．携帯型LIBS分析装置の開発と動向

現在、輸入品は高価であり、ハイエンド市場では海外ブランドが優勢で、精密性、安定性、ブランド力によって石油化学、原子力、航空業界などの高収益受注を獲得しています。中級市場では、国内製品が急速に台頭しており、コスト効率と地域密着型のアフターサービスで明らかな優位性を発揮しています。リチウムイオン電池、再生可能エネルギー、中小製造企業が徐々に輸入品に取って代わっています。低価格市場では、スクラップ金属選別機の入門レベルの需要が主な焦点となっており、国内モデルが市場の大部分を占め、海外製品には対応するモデルがありません。

現在、LIBSは技術的にも政策的にも有利な状況にあるものの、緩やかな発展段階にあり、同時に発展上のボトルネックや課題も存在する。

技術的および政策的な利点：
1. XRFは炭素/リチウム検出の緊急ニーズを満たすことができない
新エネルギーのリチウム電池、炭素含有合金鋼、および316L低炭素ステンレス鋼は、義務的な検査の対象となっており、LIBSのみが現場で迅速に検出可能です。これらは緊急のニーズには欠かせないものです。
2. 再生可能資源の政策的恩恵
環境保護と税務監督の観点から、鉄くず、アルミニウムくず、非鉄金属のリサイクルを標準化し、迅速選別装置の普及を促進する。
3．特殊機器に対する義務的な安全検査
圧力容器、圧力配管、ボイラーに対する定期的なPMI材料検証は、大きな市場代替可能性を秘めている。
4. 非放射線準拠の利点
XRF放射線報告プロセスは煩雑であり、工場、工業団地、および地域横断的な検査では、規制コストを回避するためにLIBSの調達を優先している。
5. 国内代替政策
ハイエンド科学機器への特別なサポート、レーザーおよびマイクロスペクトルコアコンポーネントの局所化におけるブレークスルー、そして装置全体の継続的なコスト削減。

開発上のチェックポイントと課題：
1. コアコンポーネントのボトルネック
高性能狭線幅パルスレーザー、高精度回折格子、冷凍検出器などは依然として輸入に大きく依存しており、それがコスト増と性能制限につながっている。
2. 定量的精度の欠点
マトリックス効果や表面干渉補正アルゴリズムの難易度は高く、卓上型直接読み取り分光法や実験室用ICPと競合するのは依然として困難である。
3. 市場認識の不足
ほとんどの端末では依然として成熟した携帯型XRFの使用が優先されており、LIBSの普及と教育にかかる費用は比較的高額である。
4. 業界標準が不完全
LIBSの現場試験における国家標準および計量トレーサビリティシステムはXRFほど完全ではなく、一部の第三者試験機関の信頼性は限られている。
5. 高価格
同じ構成の価格はXRFよりも高く、中小規模の顧客にとっての初期購入ハードルが高い。

V. 携帯型LIBSに適合したレーザー技術の克服

リアルライト LIBS産業の発展に常に関心を寄せてきた当社は、Thermo Fisher ScientificやThermo Fisher Scientificなどの海外のハイエンド携帯型LIBSモデルのレーザーパラメータを参考に、自社の技術的優位性を活かして小型化を実現しました。 高エネルギーナノ秒レーザー 繰り返し周波数は最大50Hz、単一パルスエネルギーは5mJ以上である。 レーザ エンドポンプ技術を採用しており、エンドポンプ方式のレーザー体積はサイドポンプ方式の約3分の1で、ハンドヘルドモデルの小型化ニーズを満たすことができる。ポンプ光源には、積層アレイ光源を採用している。 リアルライトニーズに合わせて高度にカスタマイズでき、外部ポンプ光源を必要としないため、絶対的なコスト優位性があります。スタックアレイ光源は、複数の半導体バーを積み重ねて形成される表面光源であり、ピーク出力が大幅に向上し、コンパクトなサイズを実現しています。

エンドポンピング用RealLightスタックアレイ光源

エンドポンピング構成：断面積が小さく、携帯型LIBS装置に適しています。

サイドポンプ方式：断面積が大きいため、携帯型LIBS装置には適していません。

このレーザーは、Nd:YAGとCr:YAG結晶の接合による受動Qスイッチング方式を採用している。この技術経路は、マイクロチップレーザーの特性と一致している。 リアルライト当社は関連プロセスにおいて豊富な技術蓄積を有しており、長寿命、高安定性、広い動作温度範囲といった特性を実現できます。接合結晶の環境適応性は非常に優れており、携帯機器が頻繁に持ち運びや振動を受ける用途に適しており、落下や損傷のリスクにも耐えることができます。

このレーザーには半導体冷却器が搭載されており、屋外の高温・低温環境を気にすることなく、一定温度で動作させることができる。

このレーザーは、不活性ガス環境下で密封される平行シール技術を採用しており、レーザーの寿命を延ばすのに役立ち、ネジを必要としないため、さらに体積を削減できます。

RealLight社のレーザーは、携帯型LIBS装置向けに最適化されています。

携帯型LIBS装置向けに最適化されたRealLightレーザーのパラメータ：

免責事項：この記事の内容の一部はインターネットから引用しています。技術的な調査および情報交換を目的としており、あくまで参考および学習のためのものです。記述に誤りや学術的な間違いがある場合は、速やかにご指摘ください。著作権に関する問題がある場合は、ご連絡いただければ速やかに確認し、削除いたします。