I. Основные принципы LIBS

LIBS расшифровывается как спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя.

Технология LIBS использует высокоэнергетический импульсный лазер в качестве источника возбуждения, который фокусируется оптической системой и воздействует на поверхность образца. Область образца, покрываемая сфокусированным пятном, обладает высокой плотностью энергии. Когда энергия превышает порог пробоя, локально генерируется плазма, называемая лазерно-индуцированной плазмой. Этот тип плазмы имеет высокую локальную температуру и плотность энергии. В процессе охлаждения плазмы возбужденные атомы и ионы претерпевают электронные энергетические переходы, испуская фотоны определенных длин волн. Используя спектрометр для сбора испускаемых фотонов и получения спектра, можно определить элементный состав исследуемого образца путем анализа положения пиков, интенсивности пиков и другой информации в спектре. Схема системы LIBS показана ниже. После фокусировки лазера линзой он попадает на поверхность образца, возбуждая плазму. Спектр плазмы поступает в оптическое волокно через собирающую линзу, а затем через оптическое волокно в спектрометр. Спектрометр собирает спектральный сигнал, который затем обрабатывается процессором, сравнивается с базой данных и анализируется на предмет элементного состава образца.

Схема системы LIBS

Технология LIBS существует уже много лет и в основном используется в лабораторных условиях. В последние годы, с развитием и миниатюризацией лазеров и спектрометров, появились портативные модели. Интеграция лазеров, миниатюрных спектрометров, основных контроллеров и батарей в корпус пистолетного типа позволяет проводить неразрушающий и быстрый контроль на месте без необходимости предварительной обработки, такой как полировка и растворение образцов.

Портативный LIBS-анализатор

II. Основные преимущества и недостатки портативных LIBS-анализаторов (по сравнению с распространенными портативными рентгенофлуоресцентными анализаторами)

преимущество
1. Метод обнаружения легких элементов превосходит рентгенофлуоресцентный анализ (XRF): он позволяет точно определять C, Li, B, Be, Mg, Al, Si, а также различать марки стали 304/304L, содержание углерода в углеродистой стали и материалы литиевого положительного электрода. XRF практически не способен обнаруживать углерод и литий.
2. Отсутствие радиоактивного источника: уровень безопасности лазера относится к классу 3B, отсутствует рентгеновское излучение, не требуется подача документов о радиационной безопасности или одобрение оценки воздействия на окружающую среду, а также отсутствуют нормативные ограничения на использование на разных объектах/площадках.
3. Сверхбыстрое обнаружение: Результаты можно получить за 1-3 секунды с помощью небольших световых пятен, обычно размером от 50 до 100 мкм. Позволяет обнаруживать паяные соединения, покрытия, небольшие участки и шероховатые корродированные поверхности.
4. Незначительные повреждения: Поверхностная эрозия происходит лишь на микрометровом уровне, поэтому культурные реликвии и прецизионные детали можно просеивать без повреждений.
5. Широкий диапазон измерений: охватывает все элементы от лития до тяжелых металлов.

недостаток
1. Общая количественная точность ниже, чем у рентгенофлуоресцентного анализа (XRF).
2. Стоимость лазеров и миниатюрных спектрометров высока, и общая продажная цена выше, чем у портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов того же класса.

III. Основные сценарии применения портативных LIBS-анализаторов

1. Промышленная проверка материалов методом PMI (максимум на последующих этапах производства, примерно 45%)
Сосуды под давлением, сварные швы трубопроводов, нержавеющая сталь/легированная сталь, алюминиевые сплавы, медные сплавы, входной контроль, быстрая сортировка в печах металлургических заводов, дефектоскопия с использованием специального оборудования.
2. Переработка и сортировка металлолома.
Быстрая сортировка смешанного стального лома, отходов алюминия, магния и примесей меди и никеля позволяет решить проблемы, возникающие при сортировке легированной стали, содержащей углерод.
3. Литий-ионные новые источники энергии (самое быстрорастущее направление)
Проверка поступающих компонентов на наличие фосфата лития-железа, тройных материалов, солей лития, алюминиевой и медной фольги, а также идентификация материалов для переработки литиевых батарей.
4. Геологическая и минеральная разведка
Экспресс-анализ содержания руды в природных условиях и мониторинг загрязнения почвы тяжелыми металлами на месте добычи.
5. Нефтехимическая энергетика
Выявление корродированных материалов в трубопроводах, проверка фитингов из сплавов на электростанциях и определение содержания кремния в установках гидрирования.
6. Контроль качества поступающих материалов культурного, археологического, связанного с чрезвычайными ситуациями в сфере безопасности и специального назначения.

IV. Развитие и тенденции в разработке портативных LIBS-анализаторов

В настоящее время импортные модели дороги, и на рынке высокого класса доминируют зарубежные бренды, занимающие лидирующие позиции по валовой прибыли в нефтехимической, атомной и авиационной отраслях благодаря точности, стабильности и узнаваемости бренда; на рынке среднего ценового сегмента быстро набирает популярность отечественная продукция, обладающая очевидными преимуществами в экономичности и локализованном послепродажном обслуживании. Литиевые батареи, возобновляемые ресурсы и малые и средние производственные предприятия постепенно вытесняют импорт; на рынке низкого ценового сегмента основное внимание уделяется начальному спросу на сортировку металлолома, при этом отечественные модели занимают большую часть рынка, а соответствующих моделей зарубежной продукции нет.

В настоящее время технология LIBS находится в стадии медленного развития, несмотря на благоприятные технологические и политические условия, существуют также препятствия и проблемы, мешающие ее развитию.

Технологические и политические преимущества:
1. Рентгенофлуоресцентный анализ (XRF) не может удовлетворить насущные потребности в обнаружении углерода/лития.
Новые энергетические литий-ионные батареи, легированная сталь, содержащая углерод, и низкоуглеродистая нержавеющая сталь 316L подлежат обязательной проверке, и только литий-ионные батареи могут быть быстро обнаружены на месте. Они незаменимы в случае неотложных нужд.
2. Политические дивиденды от использования возобновляемых ресурсов
Стандартизировать переработку стального, алюминиевого и цветного металлолома, а также содействовать распространению оборудования для быстрой сортировки в целях защиты окружающей среды и налогового контроля.
3. Обязательные испытания на безопасность специального оборудования.
Регулярная проверка материалов методом PMI для сосудов под давлением, трубопроводов высокого давления и котлов, обладающая огромным потенциалом замены на рынке.
4. Преимущества, не связанные с радиационным соответствием.
Процесс составления отчетов по радиационному анализу с помощью рентгенофлуоресцентного анализа (XRF) сложен, и заводы, парки и региональные инспекции отдают приоритет закупке LIBS-анализаторов, чтобы избежать дополнительных расходов, связанных с соблюдением нормативных требований.
5. Политика замещения отечественных товаров
Специализированная поддержка высококлассных научных приборов, прорывные решения в локализации основных компонентов лазера и микроспектрального модуля, а также постоянное снижение стоимости всей установки.

Контрольные точки и проблемы развития:
1. Узкое место, связанное с основным компонентом.
Высокопроизводительные лазеры с узкой шириной импульса, высокоточные дифракционные решетки и детекторы для холодильных установок по-прежнему в значительной степени зависят от импорта, что увеличивает затраты и ограничивает возможности их применения.
2. Недостатки в количественной точности
Алгоритмы коррекции матричного эффекта и поверхностных помех представляют собой сложную задачу, и по-прежнему трудно конкурировать с настольной спектроскопией прямого считывания и лабораторной ИСП-спектрометрией.
3. Недостаточная осведомленность о рынке.
Большинство терминалов по-прежнему отдают приоритет использованию устаревших портативных рентгенофлуоресцентных анализаторов, а затраты на популяризацию и обучение работе с LIBS относительно высоки.
4. Неполные отраслевые стандарты
Система национальных стандартов и метрологической прослеживаемости, обеспечиваемая методом LIBS при проведении полевых испытаний, не так полна, как система XRF, а надежность некоторых сторонних испытательных учреждений ограничена.
5. Высокая цена
Цена аналогичной конфигурации выше, чем у рентгенофлуоресцентного анализатора (XRF), и начальный порог покупки для малых и средних клиентов высок.

V. Преодоление трудностей, связанных с лазерными технологиями, адаптированными для портативных LIBS.

Реальный свет Компания всегда проявляла интерес к развитию индустрии LIBS. Опираясь на параметры лазеров высококачественных портативных LIBS-систем, выпускаемых зарубежными производителями, такими как Thermo Fisher Scientific, и используя собственные технологические преимущества, компания разработала миниатюрную версию. высокоэнергетический наносекундный лазер с частотой повторения до 50 Гц и энергией одиночного импульса более 5 мДж. лазер В схеме используется технология торцевой накачки, при этом объем лазера в схеме торцевой накачки составляет примерно одну треть от объема лазера в схеме боковой накачки, что позволяет удовлетворить потребности в миниатюризации портативных моделей. В качестве источника накачки используется многослойный массив источников света, производимый компанией... Реальный светЭтот источник света может быть в значительной степени адаптирован под нужды пользователя и обладает абсолютным преимуществом в стоимости, поскольку не требует внешних источников накачки. Многослойный источник света представляет собой поверхностный источник света, образованный путем объединения нескольких полупроводниковых полос, что значительно увеличивает пиковую мощность и обеспечивает компактные размеры.

Источник света RealLight Stacked Array для торцевой накачки

Конфигурация с торцевым насосом: малое поперечное сечение, подходит для портативных LIBS-инструментов.

Метод бокового насоса: большое поперечное сечение, не подходит для портативных LIBS-устройств.

В лазере используется схема пассивной модуляции добротности с соединением кристаллов Nd:YAG и Cr:YAG. Технологический подход соответствует характеристикам микрочиповых лазеров. Реальный светМы обладаем глубокими техническими знаниями в соответствующих областях, что позволяет достигать таких характеристик, как длительный срок службы, высокая стабильность и широкий диапазон рабочих температур. Кристаллы, полученные методом склеивания, обладают превосходной адаптивностью к окружающей среде, что делает их подходящими для применений, где портативные устройства часто транспортируются и подвергаются вибрации, и даже выдерживают риск падения и повреждения.

Лазер оснащен полупроводниковым охладителем, что позволяет ему работать при постоянной температуре, не опасаясь воздействия высоких и низких температур окружающей среды.

В лазере также используется технология параллельной герметизации, при которой герметизация осуществляется в среде инертного газа, что способствует продлению срока службы лазера и не требует использования винтов, что дополнительно снижает его габариты.

Лазеры RealLight, оптимизированные для портативных LIBS-устройств.

Параметры лазеров RealLight, оптимизированные для портативных LIBS-устройств:

Предупреждение: Часть информации в этой статье взята из интернета. Она предназначена для технических исследований и обмена информацией и предназначена исключительно для ознакомления и обучения. Если в описании обнаружены какие-либо неточности или академические ошибки, пожалуйста, незамедлительно укажите на них. Если возникли вопросы, связанные с авторскими правами, пожалуйста, свяжитесь с нами, и мы проверим и удалим их в кратчайшие сроки.