iSpec-LIBS-IND

Le principe

Le principe de la spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS) consiste à utiliser des lasers à haute intensité pour exciter et éjecter quelques microgrammes de matériau de la surface de l'échantillon. Ce processus, souvent appelé ablation laser, produit simultanément un plasma d'une durée de vie très courte mais d'une luminosité élevée, atteignant des températures allant jusqu'à 10 000 ℃. Dans ce plasma chaud, le matériau éjecté se dissocie en atomes et ions excités. Une fois l'impulsion laser terminée, le plasma se refroidit rapidement à mesure qu'il se dilate à des vitesses supersoniques. Pendant cette période, les atomes et ions excités passent d'états d'énergie supérieure à inférieure, émettant un rayonnement lumineux de longueurs d'onde spécifiques. Des spectromètres haute sensibilité sont utilisés pour détecter et analyser ce rayonnement lumineux, fournissant des informations sur la composition élémentaire de l'échantillon.

L'essence des spectres LIBS est la spectroscopie plasma. Sur la base des théories de base du diagnostic plasma, nous pouvons utiliser les données d'expériences physiques et chimiques sur la luminescence des matériaux pour effectuer des analyses théoriques, déterminer les températures électroniques et ioniques du plasma, la densité numérique et la composition des particules.

Les aspects clés de la spectroscopie LIBS comprennent :

(1) Longueur d'onde maximale : les spectres de raie servent d'empreinte digitale des espèces de particules. Si un rayonnement d'empreinte digitale existe dans le plasma, la présence de l'espèce peut être confirmée. Pour améliorer la précision, plusieurs raies d'empreinte digitale sont couramment utilisées.

(2) Intensité maximale : Selon l'équation de Saha, l'intensité de la raie spectrale est fonction de la concentration. Dans les conditions d'équilibre thermique local (LTE), il existe une relation linéaire entre la concentration atomique et l'intensité de la raie spectrale.

(3) Élargissement de la raie spectrale : Le profil de la raie spectrale comprend l'élargissement naturel, l'élargissement Doppler, l'élargissement Stark, l'élargissement de la pression, l'élargissement de la résonance, l'élargissement de van der Waals et l'élargissement instrumental. L'élargissement instrumental est un facteur important dans tous les types d'élargissement, sauf dans le cas des spectromètres ultra-high-resolution .

Le principe de LIBS

Comme illustré, un analyseur LIBS se compose généralement d'un laser, d'un système optique de focalisation laser, d'un système optique de collecte de spectres et d'un spectromètre haute résolution. De plus, il comprend souvent un système de contrôle de synchronisation spécialement conçu, une chambre d'échantillonnage et un logiciel d'analyse de données.

La dynamique du processus de spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS)

Le spectre LIBS est un processus complexe impliquant l'excitation et l'interaction d'électrons négatifs, d'électrons libres, d'ions, d'atomes et de molécules. L'utilisation de spectromètres à haute résolution temporelle pour analyser les signaux LIBS révèle des différences significatives dans les spectres LIBS collectés à différents moments. Cette différence est due à la présence d'un rayonnement bremsstrahlung dans le processus d'émission des spectres plasma, résultant principalement d'interactions coulombiennes plutôt que de transitions électroniques créant des raies spectrales caractéristiques.

Le spectre LIBS de Cu à un moment différent

Pour une collecte précise des spectres LIBS du rapport signal sur bruit optimal, il est essentiel de contrôler la synchronisation du spectromètre pour capturer les spectres à des temps de retard spécifiques, généralement avec une précision de 10 µs ou plus.

Les différences du spectre LIBS dans différents décalages

De plus, le temps d'exposition du spectromètre est un facteur crucial : des temps d'exposition plus courts empêchent la saturation lors de signaux LIBS forts, tandis que des temps d'exposition plus longs améliorent le rapport signal / bruit lors de signaux plus faibles.

Pour obtenir des signaux spectraux plasma stables à partir du laser frappant la surface du matériau, il est nécessaire d'ajuster précisément l'énergie du laser et d'utiliser des systèmes optiques de focalisation et de collecte précis et efficaces. Cela nécessite un laser à énergie stable, des systèmes optiques de précision, un système de contrôle de synchronisation précis, un spectromètre avec une excellente précision de synchronisation et un excellent rapport signal / bruit, et des algorithmes spéciaux de traitement des données. Ces exigences techniques sont vitales pour l'élémentaire qualitatif et quantitatif.

Applications

Le LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) industriel en ligne de LiSen Optics est un composant essentiel du système de détection intelligent pour la production de frittage par une société de technologie d'ingénierie métallurgique renommée en Chine. Ce système est appliqué dans la phase de frittage avant la fabrication du fer au haut fourneau pour effectuer une détection en ligne en temps réel de la composition du fritté. Il obtient des paramètres critiques du fritté, tels que la qualité et l'alcalinité, pour ajuster en temps opportun le rapport de mélange et contrôler la production.

La poudre de minerai de fer, en raison de sa petite taille de particules, de sa faible perméabilité à l'air et de sa tendance à provoquer l'effondrement du haut fourneau, est généralement formée en frittage avant d'être utilisée dans la fabrication du fer dans les hauts fourneaux. Le frittage, caractérisé par une plus grande taille de particules, une structure poreuse et une plus grande résistance, assure le bon fonctionnement du haut fourneau. Le frittage implique un processus dans lequel divers matériaux de fer en poudre, ainsi que des quantités appropriées de combustible et de flux, sont mélangés, mis en boules, puis subissent une série de changements physiques et chimiques dans l'équipement de frittage, provoquant la liaison des particules de poudre en grumeaux.

Deux paramètres importants du fritté sont la qualité et l'alcalinité. La qualité fait référence à la teneur en fer (Fe), tandis que l'alcalinité est le rapport entre l'oxyde de calcium (CaO) et le dioxyde de silicium (SiO2). Un changement de qualité de 1 % peut modifier le rapport combustible du haut fourneau de 1 % -1,5 % et la production de 2 % -2,5 %. Si l'alcalinité tombe en dessous de 1,85, chaque diminution de 0,1 peut entraîner une augmentation de 3,0 % -3,5 % du rapport combustible et une diminution de la production. Inversement, une alcalinité excessivement élevée (> 2,3) peut également réduire la production. En détectant des éléments comme Fe, Si et Ca, la qualité et l'alcalinité (avec des éléments Mg et Al facultatifs) peuvent être calculées.

Le système LIBS industriel en ligne de LiSen Optics est composé de trois parties principales : la sonde optique (pour la collecte spectrale LIBS en ligne), le contrôle de gestion et l'algorithme d'analyse. LiSen Optics est principalement responsable de la collecte spectrale LIBS en ligne et du contrôle de gestion. La structure du système de la collection spectrale LIBS en ligne est décrite ci-dessous.

Contrôlé par un logiciel système, le laser émet de la lumière qui, via une sonde LIBS spécialement conçue et un module intelligent de suivi de la distance focale, se concentre sur la surface de l'échantillon fritté pour générer un signal LIBS. Simultanément, le spectromètre, via des circuits et un logiciel de contrôle de la synchronisation spécialement conçus, réalise une collecte synchrone des déclencheurs, obtenant des informations spectrales LIBS. Les données sont prétraitées puis analysées à l'aide d'algorithmes pour calculer les quantités de Fe, CaO et SiO2 pour une mesure quantitative.