Во многих областях, таких как материаловедение, геологоразведка, мониторинг окружающей среды, защита культурных реликвий, металлургическая промышленность и даже планетарные исследования, быстрое, точное и локализованное определение состава элементов материала является фундаментальной и ключевой потребностью. Традиционные методы химического анализа, несмотря на высокую точность, часто требуют сложной предварительной обработки, разрушения образцов и занимают больше времени. Появление лазерной индуцированной спектроскопии пробоев изменило ситуацию. Лазерный индуцированный спектрометр, основанный на принципе LIBS, обладает уникальными преимуществами, такими как отсутствие образцов, многоэлементный simultaneous анализ, микро - и даже почти неразрушающийся, удаленный / онлайн - детектор. В этой статье систематически описывается его принцип работы, технические характеристики, типичное применение и будущее направление развития.

I. Принцип работы: "зажечь" лазером дактилоскопический свет атомов

Основные принципы лазерного индуцированного спектрометра чрезвычайно сложны:

Во - первых, пучок высокоэнергетических импульсных лазеров (обычно наносекундный уровень, длина волны 1064 нм или 532 нм) фокусируется на поверхности образца, создавая высокотемпературную плазму высокого давления (температура до 10000 - 20000 К) за очень короткое время (< 1 мкс). В этих условиях материал микрограммового класса на поверхности образца мгновенно газифицируется, атомизируется и возбуждается.

Затем, когда плазма охлаждается, возбужденный атом или ион переходит обратно в базовое состояние и излучает характерный спектр определенной длины волны. Каждый элемент имеет свои « спектральные отпечатки» - например, железо имеет сильные лучи на 358,12 нм, медь на 324,75 нм и натрий на 589,0 нм.

Наконец, сбор этих световых сигналов с помощью спектрометров с высоким разрешением (например, среднеступенчатой решетки + детектора ICCD) и использование алгоритмов сравнения баз данных и количественной оценки позволяют быстро определить тип и содержание элементов в образце.

Весь процесс занимает всего несколько секунд и практически не наносит видимого ущерба большинству твердых образцов, по - настоящему реализуя « удар пучком света, зная все компоненты».

II. Основные технологические преимущества

Подлинное местоположение и аналитические возможности на месте

Без отбора проб, дезактивации или прессования можно непосредственно обнаружить породы, металлы, почву, культурные реликвии, биологическую ткань и т.д. Портативные устройства LIBS могут работать в режиме реального времени даже в полевых условиях, на шахтах и на месте аварии.

2.Полное покрытие элементов

От легких элементов (таких как Li, Be, B, C, N, O) до тяжелых металлов (таких как Pb, U, Hg), почти все элементы могут быть обнаружены, преодолевая ограничения, которые рентгеновская флуоресценция (XRF) не чувствительна к легким элементам.

3. Микрозональный и глубокий анализ

Лазерные пятна могут быть размером от 10 до 50 мкм и подходят для mapping, крошечного регионального компонента; Благодаря непрерывной импульсной бомбардировке также может быть достигнута стратификация, анализ распределения глубины покрытия, оксидного слоя или продуктов коррозии.

4. Применяется ко всем видам объектов

Не только измеряется твердое тело, но и анализируется жидкость (требуется специальный бассейн), газ (например, плазменная диагностика) и даже высокотемпературный расплавленный металл.

III. Типичный сценарий применения

1. Геология и горнодобывающая промышленность

Быстрый скрининг сортности руды (например, содержание Fe, Cu, Al); Изображение элементов на месте керна для руководства принятием решений по бурению; Исследование планет: ChemCam, который находится на борту марсохода NASA Curiosity, является системой LIBS и успешно проанализировал сотни марсианских пород.

2. Металлургия и металлообработка

сортировка металлолома (отличительная марка нержавеющей стали 304 vs 316); Мониторинг состава плавильного бассейна в режиме онлайн, оптимизация процесса производства стали; Определение толщины и состава покрытия лопастей авиационных двигателей.

3. Окружающая среда и безопасность

Загрязнение почвы тяжелыми металлами (As, Cd, Cr) скрининг на месте; идентификация урана и плутония в ядерных отходах; Остатки взрывчатых веществ (включая N, K, Cl и т.д.) быстро обнаруживаются.

4. Охрана культурного наследия

Анализ компонентов древней керамики, фресок, бронзовых красок без потерь; Идентификация подлинности, прослеживание происхождения, руководство ремонтом.

5. Биология и сельское хозяйство

Исследование распределения питательных элементов листьев растений (K, Ca, Mg); Анализ связи микроэлементов со здоровьем в костях животных.