iSpec-LIBS-IND

El principio

El principio de la espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) implica el uso de láseres de alta intensidad para excitar y expulsar unos pocos microgramos de material de la superficie de la muestra. Este proceso, a menudo llamado ablación láser, produce simultáneamente un plasma con una vida útil muy corta pero de alto brillo, alcanzando temperaturas de hasta 10.000 ℃. En este plasma caliente, el material expulsado se disocia en átomos e iones excitados. Después de que finaliza el pulso láser, el plasma se enfría rápidamente a medida que se expande a velocidades supersónicas. Durante este período, los átomos e iones excitados pasan de estados de energía superior a inferior, emitiendo radiación lumínica de longitudes de onda específicas. Los espectrómetros de alta sensibilidad se utilizan para detectar y analizar esta radiación lumínica, proporcionando información sobre la composición elemental de la muestra.

La esencia de los espectros LIBS es la espectroscopia de plasma. Basándonos en las teorías básicas del diagnóstico de plasma, podemos utilizar datos de experimentos físicos y químicos sobre luminiscencia de materiales para realizar análisis teóricos, determinar las temperaturas de electrones e iones del plasma, la densidad numérica y la composición de partículas.

Los aspectos clave de la espectroscopia LIBS incluyen:

(1) Longitud de onda máxima: los espectros de línea sirven como huella dactilar de las especies de partículas. Si existe radiación de huellas dactilares en el plasma, se puede confirmar la presencia de la especie. Para mejorar la precisión, se utilizan comúnmente múltiples líneas de huellas dactilares.

(2) Intensidad máxima: según la ecuación de Saha, la intensidad de la línea espectral es una función de la concentración. En condiciones de equilibrio térmico local (LTE), existe una relación lineal entre la concentración atómica y la intensidad de la línea espectral.

(3) Ampliación de línea espectral: El perfil de línea espectral incluye ensanchamiento natural, ensanchamiento Doppler, ensanchamiento Stark, ensanchamiento de presión, ensanchamiento de resonancia, ensanchamiento van der Waals y ensanchamiento instrumental. El ensanchamiento instrumental es un factor significativo en todos los tipos de ensanchamiento, excepto en el caso de ultra-high-resolution espectrómetros.

Principio de LIBS

Como se ilustra, un analizador LIBS típicamente consiste en un láser, un sistema óptico de enfoque láser, un sistema óptico de recolección de espectros y un espectrómetro de alta resolución. Además, a menudo incluye un sistema de control de tiempo especialmente diseñado, una cámara de muestra y software de análisis de datos.

La dinámica del proceso de espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS)

El espectro LIBS es un proceso complejo que implica la excitación e interacción de electrones negativos, electrones libres, iones, átomos y moléculas. El uso de espectrómetros de alta resolución de tiempo para analizar señales LIBS revela diferencias significativas en los espectros LIBS recolectados en diferentes momentos. Esta diferencia se debe a la presencia de radiación de bremsstrahlung en el proceso de emisión de espectros de plasma, principalmente como resultado de interacciones de Coulomb en lugar de transiciones electrónicas que crean líneas espectrales características.

El Espectro LIBS de Cu en diferentes momentos

Para la recopilación precisa de espectros LIBS de relación señal-ruido óptimos, es esencial controlar la sincronización del espectrómetro para capturar espectros en tiempos de retardo específicos, generalmente con una precisión de 10 microsegundos o mejor.

Las diferencias del espectro LIBS en diferentes lag

Además, el tiempo de exposición del espectrómetro es un factor crucial: los tiempos de exposición más cortos evitan la saturación durante las señales LIBS fuertes, mientras que los tiempos de exposición más largos mejoran la relación señal-ruido durante las señales más débiles.

Para lograr señales espectrales de plasma estables del láser que golpea la superficie del material, es necesario ajustar con precisión la energía del láser y emplear sistemas ópticos precisos y eficientes de enfoque y recolección. Esto requiere un láser de energía estable, sistemas ópticos de precisión, un sistema de control de tiempo preciso, un espectrómetro con excelente precisión de tiempo y relación señal-ruido, y algoritmos especiales de procesamiento de datos. Estos requisitos técnicos son vitales para los elementales cualitativos y cuantitativos.

Aplicaciones

El sistema LiSen Optics industrial en línea LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) es un componente fundamental en el sistema de detección inteligente para la producción de sinterización de una empresa de tecnología de ingeniería metalúrgica de renombre en China. Este sistema se aplica en la fase de sinterización antes de la fabricación de hierro en alto horno para realizar la detección en línea en tiempo real de la composición del sinterizado. Obtiene parámetros críticos del sinterizado, como el grado y la alcalinidad, para ajustar a tiempo la relación de mezcla y controlar la producción.

El polvo de mineral de hierro, debido a su pequeño tamaño de partícula, pobre permeabilidad al aire y tendencia a causar colapso en altos hornos, se forma típicamente en sinterización antes de ser utilizado en la fabricación de hierro en altos hornos. Sinter, caracterizado por un mayor tamaño de partícula, una estructura porosa y una mayor resistencia, asegura el buen funcionamiento del alto horno. La sinterización implica un proceso donde varios materiales de hierro en polvo, junto con con cantidades apropiadas de combustible y fundente, se mezclan, se ensanchan y luego se someten a una serie de cambios físicos y químicos en el equipo de sinterización, lo que hace que las partículas de polvo se unan en grumos.

Dos parámetros importantes del sinterizado son el grado y la alcalinidad. El grado se refiere al contenido de hierro (Fe), mientras que la alcalinidad es la relación de óxido de calcio (CaO) a dióxido de silicio (SiO2). Un cambio del 1% en el grado puede alterar la relación de combustible del alto horno en un 1% -1,5% y la producción en un 2% -2,5%. Si la alcalinidad cae por debajo de 1,85, cada disminución de 0,1 puede dar lugar a un aumento del 3,0% -3,5% en la relación de combustible y a una disminución de la producción. Por el contrario, una alcalinidad demasiado alta (> 2,3) también puede reducir la producción. Al detectar elementos como Fe, Si y Ca, se puede calcular el grado y la alcalinidad (con elementos opcionales de Mg y Al).

El sistema LIBS industrial en línea de LiSen Optics se compone de tres partes principales: la sonda óptica (para la colección espectral LIBS en línea), el control de gestión y el algoritmo de análisis. LiSen Optics es el principal responsable de la colección espectral y el control de gestión LIBS en línea. La estructura del sistema de la colección espectral LIBS en línea se describe a continuación.

Controlado por software del sistema, el láser emite luz que, a través de una sonda LIBS especialmente diseñada y un módulo de seguimiento de distancia focal inteligente, se enfoca en la superficie de la muestra de sinterización para generar una señal LIBS. Simultáneamente, el espectrómetro, a través de circuitos de control de tiempo y software especialmente diseñados, logra una recolección de disparos sincrónicos, obteniendo información espectral LIBS. Los datos se procesan previamente y luego se analizan utilizando algoritmos para calcular las cantidades de Fe, CaO y SiO2 para la medición cuantitativa.