I. Princípios Essenciais do LIBS

LIBS significa Espectroscopia de Emissão Óptica Induzida por Laser.

A tecnologia LIBS utiliza um laser pulsado de alta energia como fonte de excitação, que é focalizado por um sistema óptico e atua sobre a superfície da amostra. A área da amostra coberta pelo ponto focalizado apresenta alta densidade de energia. Quando a energia excede o limiar de ruptura, um plasma é gerado localmente, denominado plasma induzido por laser. Esse tipo de plasma possui alta temperatura e densidade de energia locais. Durante o processo de resfriamento do plasma, átomos e íons excitados sofrem transições de nível de energia eletrônica, emitindo fótons de comprimentos de onda específicos. Utilizando um espectrômetro para coletar os fótons emitidos e obter um espectro, a composição elementar da amostra analisada pode ser determinada pela análise das posições dos picos, intensidades dos picos e outras informações presentes no espectro. O diagrama esquemático do sistema LIBS é mostrado abaixo. Após o laser ser focalizado por uma lente, ele incide sobre a superfície da amostra, excitando o plasma. O espectro do plasma entra na fibra óptica através da lente de coleta e, em seguida, entra no espectrômetro através da mesma fibra óptica. O espectrômetro coleta o sinal espectral, que é então processado pelo processador, comparado com o banco de dados e analisado para determinar a composição dos elementos da amostra.

diagrama esquemático do sistema LIBS

A tecnologia LIBS existe há muitos anos, sendo utilizada principalmente em modelos de laboratório. Nos últimos anos, com o desenvolvimento e a miniaturização de lasers e espectrômetros, foram introduzidos modelos portáteis. Ao integrar lasers, espectrômetros miniaturizados, controladores principais e baterias em um corpo compacto, é possível realizar testes não destrutivos e rápidos no local, sem a necessidade de pré-tratamento, como polimento e digestão da amostra.

Analisador LIBS portátil

II. Principais vantagens e desvantagens do analisador LIBS portátil (em comparação com os analisadores XRF portáteis convencionais)

vantagem
1. A detecção de elementos leves é superior à fluorescência de raios X (XRF): ela pode detectar com precisão C, Li, B, Be, Mg, Al, Si, distinguir entre aços 304/304L, determinar o teor de carbono e identificar materiais de eletrodo positivo de lítio. A XRF é praticamente incapaz de detectar carbono e lítio.
2. Sem fonte radioativa: O nível de segurança do laser pertence à Classe 3B, sem radiação de raios X, sem necessidade de registro de radiação ou aprovação de avaliação de impacto ambiental e sem restrições regulamentares para uso em diferentes instalações/locais.
3. Detecção ultrarrápida: Os resultados podem ser obtidos em 1 a 3 segundos com pequenos pontos de luz, geralmente variando de 50 a 100 μm. É capaz de detectar juntas de solda, revestimentos, pequenas áreas e superfícies corroídas e ásperas.
4. Danos menores: A erosão superficial ocorre apenas em nível micrométrico, e relíquias culturais e peças de precisão podem ser inspecionadas sem danos.
5. Ampla faixa de medição: abrangendo todos os elementos, do lítio aos metais pesados.

desvantagem
1. A precisão quantitativa geral é inferior à da XRF.
2. O custo dos lasers e dos espectrômetros em miniatura é elevado, e o preço de venda total é superior ao dos espectrômetros de fluorescência de raios X portáteis da mesma categoria.

III. Principais cenários de aplicação do analisador LIBS portátil

1. Verificação de materiais PMI industriais (máximo a jusante, representando aproximadamente 45%)
Vasos de pressão, soldas de dutos, aço inoxidável/aço-liga, liga de alumínio, reinspeção de materiais recebidos em liga de cobre, triagem rápida em fornos de siderurgia, detecção de falhas em equipamentos especiais.
2. Reciclagem e triagem de sucata metálica
Triagem rápida de sucata mista de aço, resíduos de alumínio e magnésio e impurezas de cobre e níquel para solucionar os principais problemas da triagem de aço-liga contendo carbono.
3. Nova energia de íon-lítio (setor de crescimento mais rápido)
Triagem de componentes recebidos para fosfato de ferro-lítio, materiais ternários, sais de lítio, folha de alumínio e folha de cobre, e identificação de materiais para reciclagem de baterias de lítio.
4. Exploração geológica e mineral
Triagem rápida da qualidade do minério em campo e monitoramento in loco da poluição do solo por metais pesados.
5. Energia petroquímica
Identificação de materiais corroídos em dutos, inspeção de conexões de liga metálica em usinas de energia e detecção do teor de silício em unidades de hidrogenação.
6. Inspeção de qualidade de materiais recebidos em contextos culturais, arqueológicos, de emergência de segurança e especiais.

IV. Desenvolvimento e Tendências do Analisador LIBS Portátil

Atualmente, os modelos importados são caros e, no mercado de alto padrão, as marcas estrangeiras dominam, conquistando grandes encomendas com alta margem de lucro bruto nos setores petroquímico, de energia nuclear e aeroespacial, graças à precisão, estabilidade e à força da marca. No mercado de gama média, os produtos nacionais estão ganhando espaço rapidamente, com vantagens evidentes em termos de custo-benefício e serviço pós-venda local. Baterias de lítio, recursos renováveis ​​e pequenas e médias empresas de manufatura estão gradualmente substituindo as importações. No mercado de baixo custo, o foco principal está na demanda inicial por triagem de sucata metálica, com os modelos nacionais ocupando a maior parte do mercado, e não há modelos equivalentes para produtos estrangeiros.

Atualmente, a LIBS encontra-se em um período de desenvolvimento lento, com tecnologia e políticas favoráveis, mas também apresenta gargalos e desafios.

Benefícios tecnológicos e políticos:
1. A fluorescência de raios X (XRF) não consegue atender às necessidades urgentes de detecção de carbono/lítio.
As baterias de lítio de nova geração, o aço-liga contendo carbono e o aço inoxidável 316L de baixo carbono estão sujeitos a inspeção obrigatória, e somente as baterias de lítio podem ser detectadas rapidamente no local. Elas são insubstituíveis para necessidades urgentes.
2. Benefícios políticos dos recursos renováveis
Padronizar a reciclagem de sucata de aço, sucata de alumínio e metais não ferrosos, e promover a popularização de equipamentos de triagem rápida devido à proteção ambiental e à fiscalização tributária.
3. Testes de segurança obrigatórios para equipamentos especiais
Verificação regular de materiais PMI para vasos de pressão, tubulações pressurizadas e caldeiras, com enorme potencial de substituição no mercado.
4. Vantagens da não conformidade com a radiação
O processo de emissão de relatórios de radiação XRF é complexo, e fábricas, parques industriais e inspeções inter-regionais priorizam a aquisição de LIBS para evitar custos regulatórios.
5. Política de substituição interna
Suporte especializado para instrumentos científicos de ponta, avanços na localização de componentes essenciais de laser e microespectrais e redução contínua de custos de toda a máquina.

Pontos de verificação e desafios do desenvolvimento:
1. Gargalo do componente principal
Lasers de pulso de alta resolução com largura de linha estreita, grades de difração de alta precisão e detectores de refrigeração ainda dependem fortemente de importações, o que aumenta os custos e limita o desempenho.
2. Deficiências na precisão quantitativa
A complexidade dos algoritmos de correção de efeitos de matriz e interferências de superfície é elevada, e ainda é difícil competir com a espectroscopia de leitura direta de mesa e o ICP de laboratório.
3. Conhecimento insuficiente do mercado
A maioria dos terminais ainda prioriza o uso de espectrômetros de fluorescência de raios X portáteis já consolidados, e o custo da promoção e do treinamento em LIBS é relativamente alto.
4. Padrões industriais incompletos
O padrão nacional de testes in loco LIBS e o sistema de rastreabilidade metrológica não são tão completos quanto o XRF, e algumas instituições de teste terceirizadas têm confiabilidade limitada.
5. Preço elevado
O preço da mesma configuração é superior ao da XRF, e o limite inicial de compra para clientes de pequeno e médio porte é alto.

V. Superando a tecnologia laser adaptada a LIBS portáteis

RealLight A empresa sempre se preocupou com o desenvolvimento da indústria LIBS. Com base nos parâmetros de laser de modelos LIBS portáteis de alta qualidade estrangeiros, como os da Thermo Fisher Scientific, e combinando-os com suas próprias vantagens tecnológicas, lançou um dispositivo miniaturizado. laser de nanossegundos de alta energia com uma taxa de repetição de até 50 Hz e uma energia de pulso único superior a 5 mJ. laser Adota a tecnologia de bombeamento final, e o volume do laser no esquema de bombeamento final é cerca de um terço do volume no esquema de bombeamento lateral, o que atende às necessidades de miniaturização de modelos portáteis. A fonte de bombeamento utiliza a fonte de luz de matriz empilhada produzida por RealLight, que pode ser altamente personalizada de acordo com as necessidades e possui uma vantagem de custo absoluta, sem a necessidade de fontes de bombeamento externas. A fonte de luz de matriz empilhada é uma fonte de luz de superfície formada pelo empilhamento de múltiplas barras semicondutoras, aumentando consideravelmente a potência de pico e apresentando um tamanho compacto.

Fonte de luz RealLight Stacked Array para bombeamento final

Configuração de bombeamento final: Seção transversal pequena, adequada para instrumentos LIBS portáteis.

Método de bombeamento lateral: Grande seção transversal, não adequado para dispositivos LIBS portáteis.

O laser adota um esquema de comutação Q passiva, com ligação de cristais Nd:YAG e Cr:YAG. A rota técnica é consistente com o laser de microchip característico de RealLightPossuímos profundo conhecimento técnico em processos relacionados, o que nos permite alcançar características como longa vida útil, alta estabilidade e operação em ampla faixa de temperatura. A adaptabilidade ambiental dos cristais aglomerados é excelente, sendo adequados para aplicações em que dispositivos portáteis são frequentemente transportados e sujeitos a vibrações, podendo inclusive suportar riscos de quedas e danos.

O laser está equipado com um refrigerador semicondutor, o que permite que ele opere a uma temperatura constante, independentemente das variações de temperatura externas, sejam elas altas ou baixas.

O laser também adota a tecnologia de vedação paralela, que é selada em um ambiente de gás inerte, o que contribui para prolongar a vida útil do laser e não requer parafusos, reduzindo ainda mais o volume.

Lasers RealLight otimizados para dispositivos LIBS portáteis

Parâmetros dos lasers RealLight otimizados para dispositivos LIBS portáteis:

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