In vielen Bereichen wie der Materialwissenschaft, der Geoforschung, der Umweltüberwachung, dem Schutz von Kulturgut, der Metallurgie und sogar der Planetenforschung ist die schnelle, genaue und vor Ort Identifizierung der Zusammensetzung materieller Elemente eine grundlegende und entscheidende Anforderung. Traditionelle chemische Analysemethoden sind zwar sehr genau, erfordern jedoch häufig eine komplexe Vorbehandlung, zerstören Proben und dauern länger. Und die Entstehung der Laser-induzierten Spektralbruchtechnologie hat diese Situation verändert. Laserinduziertes Spektrometer, das auf dem LIBS-Prinzip basiert, mit seinen einzigartigen Vorteilen wie Probenfreiheit, gleichzeitige Multi-Element-Analyse, geringe oder sogar nahezu unbeschädigte, fern-/online-Erkennung. In diesem Artikel werden ihre Arbeitsprinzipien, technische Merkmale, typische Anwendungen und zukünftige Entwicklungsrichtungen systematisch erläutert.

1. Arbeitsprinzip: Fingerabdruck-Licht des Atoms mit dem Laser "entzünden"

Das Kernprinzip des Laserinduzierten Spektrometers ist sehr fein:

Zunächst konzentriert sich ein hochenergetischer Pulslaser (in der Regel im Nanosekundgrad mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder 532 nm) auf die Probenoberfläche und erzeugt in sehr kurzer Zeit (<1 μs) ein hochtemperaturiges Hochdruckplasma (bis zu 10.000-20.000 K). Unter diesen Bedingungen wird das Mikrogramm-Maß der Oberfläche der Probe sofort vergastet, atomisiert und angeregt.

Wenn das Plasma dann abkühlt, springen die angeregten Atome oder Ionen zurück in den Grundzustand und emittieren ein charakteristisches Spektrum für eine bestimmte Wellenlänge. Jedes Element hat seinen "spektralen Fingerabdruck" - z. B. Eisen bei 358,12 nm, Kupfer bei 324,75 nm und Natrium bei 589,0 nm.

Schließlich können diese optischen Signale durch ein hochauflösendes Spektrometer (z. B. Mittelstufenraster + ICCD-Detektor) erfasst und mit Datenbankvergleichs- und quantitativen Algorithmen schnell die Elementart und -gehalt in der Probe bestimmt werden.

Der gesamte Prozess dauert nur wenige Sekunden und verursacht fast keinen sichtbaren Schaden an den meisten festen Proben, um wirklich "einen Lichtstrahl zu treffen, um die Zusammensetzung aller Dinge zu kennen".

2. Kerntechnische Vorteile

Echte Analysefähigkeit vor Ort und vor Ort

Keine Probenahme, Auflösung oder Preßung erforderlich, um Felsen, Metalle, Boden, Artefakte, biologische Gewebe usw. direkt zu untersuchen. Handheld-LIBS-Geräte können sogar in Echtzeit in der Wildnis, im Bergwerk oder am Unfallort betrieben werden.

2. Volle Elementabdeckung

Von leichten Elementen (wie Li, Be, B, C, N, O) bis hin zu Schwermetallen (wie Pb, U, Hg) können fast alle Elemente detektiert werden, was die Grenzen der Unempfindlichkeit der Röntgenfluorescenz (XRF) gegen leichte Elemente durchbricht.

Mikrozonenanalyse und Tiefenanalyse

Der Laserfleck kann bis zu 10-50 μm klein sein und eignet sich für die Komponentenkartierung in kleinen Bereichen; Durch kontinuierliche Impulsbombardierung kann auch eine schichtweise Abstreifung erfolgen und die Tiefenverteilung von Beschichtungen, Oxidschichten oder Korrosionsprodukten analysiert werden.

4. Für alle Arten von Gegenständen

Nicht nur messbare Feststoffe, sondern auch Flüssigkeiten (spezielle Pools erforderlich), Gase (wie Plasmadiagnose) und sogar hochtemperaturgeschmolzene Metalle.

Typische Anwendungsszenarien

1. Geologie und Bergbau

Schnelle Untersuchung der Erzgrade (z. B. Fe-, Cu- und Al-Gehalt); Bildgebung von Feld-Elementen des Kerns, die Bohrentscheidungen leiten; Planetenforschung: Der ChemCam der NASA-Raumsonde Curiosity, das LIBS-System, hat erfolgreich Hunderte von Marsgesteinen analysiert.

Metallurgie und Metallverarbeitung

Sortierung von Metallschrott (Unterscheidung zwischen der Marke Edelstahl 304 und 316); Online-Überwachung der Komponente des Schmelzpools zur Optimierung des Stahlherstellungsprozesses; Prüfung der Dicke und der Komponente der Luftfahrtmotorenblattbeschichtung.

3. Umwelt und Sicherheit

Vor Ort-Screening von Schwermetallverschmutzung des Bodens (As, Cd, Cr); Identifizierung von Uran und Plutonium in Atomabfällen; Schnelle Detektion von Sprengstoffresten (einschließlich N, K, Cl usw.).

4. Schutz des Kulturerbes

Zerstörungsfreie Analyse der Zusammensetzung von antiken Keramiken, Wandmalerien und Bronzepigmenten; Authentizitätserkennung, Rückverfolgung des Herkunftsortes und Reparaturen.

5. Biologie und Landwirtschaft

Untersuchung der Verteilung von Pflanzenblattnehrstoffen (K, Ca, Mg); Analyse von Spurenelementen in tierischen Knochen in Zusammenhang mit der Gesundheit.