iSpec-LIBS-IND

Принцип

Принцип лазерной спектроскопии разрушения (LIBS) включает использование высокоинтенсивных лазеров для возбуждения и извлечения нескольких микрограммов материала с поверхности образца. Этот процесс, часто называемый лазерной абляцией, одновременно производит плазму с очень коротким сроком службы, но высокой яркостью, достигающую температуры до 10 000 ℃. В этой горячей плазме выбрасываемый материал диссоциирует на возбужденные атомы и ионы. После окончания лазерного импульса плазма быстро охлаждается по мере расширения со сверхзвуковой скоростью. В течение этого периода возбужденные атомы и ионы переходят из более высоких в более низкие энергетические состояния, излучая световое излучение определенной длины волн. Высокочувствительные спектрометры используются для обнаружения и анализа этого светового излучения, предоставляя информацию об элементном составе образца.

Суть спектров LIBS заключается в спектроскопии плазмы. Основываясь на основных теориях диагностики плазмы, мы можем использовать данные физических и химических экспериментов по люминесценции материала для проведения теоретических анализов, определения электронной и ионной температуры плазмы, численной плотности и состава частиц.

Ключевые аспекты спектроскопии LIBS включают:

(1) Пиковая длина волны: спектры линий служат отпечатками пальцев видов частиц. Если излучение отпечатков пальцев существует в плазме, присутствие видов может быть подтверждено. Для повышения точности обычно используются несколько линий отпечатков пальцев.

(2) Пиковая интенсивность: согласно уравнению Саха, интенсивность спектральной линии является функцией концентрации. В условиях локального теплового равновесия (LTE) существует линейная связь между атомной концентрацией и интенсивностью спектральной линии.

(3) Расширение спектральной линии: профиль спектральной линии включает естественное расширение, доплеровское расширение, расширение Штарка, расширение давления, резонансное расширение, расширение Ван-дер-Ваальса и инструментальное расширение. Инструментальное расширение является важным фактором во всех типах расширения, за исключением ultra-high-resolution спектрометров.

Принцип ЛИБС

Как показано, анализатор LIBS обычно состоит из лазера, оптической системы лазерной фокусировки, оптической системы сбора спектров и спектрометра высокого разрешения. Кроме того, он часто включает в себя специально разработанную систему контроля времени, камеру для образцов и программное обеспечение для анализа данных.

Динамика процесса лазерной спектроскопии разрушения (LIBS)

Спектр LIBS представляет собой сложный процесс, включающий возбуждение и взаимодействие отрицательных электронов, свободных электронов, ионов, атомов и молекул. Использование спектрометров с высоким временным разрешением для анализа сигналов LIBS показывает значительные различия в спектрах LIBS, собранных в разное время. Эта разница связана с наличием тормозного излучения в процессе излучения спектров плазмы, в основном в результате кулоновских взаимодействий, а не электронных переходов, создающих характерные спектральные линии.

Спектр LIBS Cu в разные моменты

Для точного сбора спектров LIBS с оптимальным отношением сигнал / шум необходимо контролировать синхронизацию спектрометра для захвата спектров в определенные моменты времени задержки, обычно с точностью до 10 мкс или выше.

Различия спектра LIBS в разном лагом

Кроме того, время экспозиции спектрометра является решающим фактором: более короткое время экспозиции предотвращает насыщение при сильных сигналах LIBS, а более длительное время экспозиции улучшает отношение сигнал / шум при более слабых сигналах.

Для получения стабильных спектральных сигналов плазмы от лазера, попадающего на поверхность материала, необходимо точно настроить энергию лазера и использовать точные и эффективные фокусирующие и собирающие оптические системы. Для этого требуется лазер стабильной энергии, прецизионные оптические системы, точная система управления синхронизацией, спектрометр с отличной точностью синхронизации и отношением сигнал-шум, а также специальные алгоритмы обработки данных. Эти технические требования жизненно важны для качественного и количественного элемента.

Приложения

Промышленная онлайн-система LiSen Optics LIBS (лазерная спектроскопия разрушения) является ключевым компонентом интеллектуальной сенсорной системы для производства агломерата известной металлургической технологической компанией в Китае. Эта система применяется на этапе спекания перед производством доменного железа для выполнения оперативного определения состава агломерата в режиме реального времени. Он получает критические параметры агломерата, такие как сорт и щелочность, для своевременной корректировки соотношения смесей и контроля производительности.

Порошок железной руды из-за его небольшого размера частиц, плохой воздухопроницаемости и тенденции вызывать коллапс доменной печи, как правило, формируется в агломерат перед использованием в доменном производстве железа. Агломерат, характеризующийся большим размером частиц, пористой структурой и большей прочностью, обеспечивает плавную работу доменной печи. Спекание включает в себя процесс, в котором различные порошкообразные железные материалы, а также соответствующее количество топлива и флюса смешиваются, уплотняются, а затем претерпевают ряд физических и химических изменений в спекающем оборудовании, в результате чего частицы порошка соединяются в комки.

Двумя важными параметрами агломерата являются сорт и щелочность. Оценка относится к содержанию железа (Fe), а щелочность - это отношение оксида кальция (CaO) к диоксиду кремния (SiO2). Изменение сорта на 1% может изменить соотношение топлива доменной печи на 1% -1,5% и производство на 2% -2,5%. Если щелочность падает ниже 1,85, каждое снижение на 0,1 может привести к увеличению топливного коэффициента на 3,0% -3,5% и снижению производства. И наоборот, чрезмерно высокая щелочность (> 2,3) также может снизить выход. Обнаружив такие элементы, как Fe, Si и Ca, можно рассчитать сорт и щелочность (с дополнительными элементами Mg и Al).

Промышленная онлайн-система LIBS LiSen Optics состоит из трех основных частей: оптического зонда (для онлайн-спектральной коллекции LIBS), управленческого контроля и алгоритма анализа. LiSen Optics в первую очередь отвечает за онлайн-спектральную коллекцию LIBS и управленческий контроль. Системная структура онлайн-спектральной коллекции LIBS описана ниже.

Управляемый системным программным обеспечением лазер излучает свет, который с помощью специально разработанного зонда LIBS и интеллектуального модуля наблюдения за фокусным расстоянием фокусируется на поверхности образца агломерата для генерации сигнала LIBS. Одновременно спектрометр с помощью специально разработанной схемы управления синхронизацией и программного обеспечения обеспечивает синхронный сбор триггера, получая спектральную информацию LIBS. Данные предварительно обрабатываются, а затем анализируются с помощью алгоритмов для расчета количеств Fe, CaO и SiO2 для количественного измерения.