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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung der
Fluoreszenz- und Emissionsspektrometrie. Bevorzugte Anwendungsgebiete
sind solche, bei denen eine Elementanalyse von inhomogen zusammengesetzten
Messobjekten durchgeführt
werden soll.
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Stand der Technik
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Bei
der Laser-Emissionsspektrometrie (LIBS, laser-induced breakdown
spectroscopy) werden die Konzentrationen verschiedener chemischer Elemente
in einem Messobjekt dadurch bestimmt, dass mit Hilfe eines kollimierten
oder eines fokussierten Laserstrahls ein Plasma auf der Oberfläche des Messobjekts
erzeugt wird und die Konzentrationen dieser chemischen Elemente
in dem Messobjekt durch Analyse der elementspezifischen Emissionen des
laserinduzierten Plasmas bestimmt werden.
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Sind
die Messobjekte inhomogen zusammengesetzt, wie es beispielsweise
bei Mineralien oder Erzen bei der Rohstoffgewinnung der Fall ist, muss
im allgemeinen an verschiedenen Orten des Messobjekts eine Elementanalyse
durchgeführt
werden, um ein für
das gesamte Messobjekt repräsentatives
Ergebnis gewinnen zu können.
Für die
Laser-Emissionsspektrometrie bedeutet dies, dass an mehreren Oberflächenpositionen
ein Plasma gezündet
und anschließend
ein Durchschnittswert der Signale gebildet werden muss, wobei die
Verteilung und Anzahl der Messpositionen von der individuellen Zusammensetzung
des Messobjektes abhängt.
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Diese
Aufgabe wird meist so gelöst,
dass mehrere Messungen nacheinander an verschiedenen Orten des Messobjektes
durchgeführt
werden. Insbesondere für
Anwendungen, bei denen die Messungen online stattfinden müssen, kommt
eine systematische Analyse des gesamten Messobjektes durch viele,
eng beieinanderliegende Messorte aus Zeitgründen allerdings nicht in Frage.
Dies gilt vor allem auch für
Anwendungen, bei denen ein hoher Teilchendurchsatz vorliegt, wie
etwa für
Messaufgaben bei der Rohstoffgewinnung, z. B. für die Analyse von Gesteinen,
Mineralien, Erzen oder Schüttgütern. Stattdessen
muss für
derartige Anwendungen die Anzahl der Messorte pro Messobjekt minimal
gehalten werden.
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Zur
Erhöhung
der Messrate ist es bereits bekannt, eine Vorauswahl der Messorte
vorzunehmen, an denen eine LIBS-Messung durchgeführt wird. Möglich ist dies bei Messobjekten
inhomogener Zusammensetzung jedoch nur in speziellen Fällen, so etwa
bei Materialien, bei denen eindeutige Merkmale der Geometrie oder
der optischen Oberflächenbeschaffenheit
(Farbe, Glanz, Verschmutzung etc.) vorliegen, so dass eine Charakterisierung
und Lokalisierung der Inhomogenitäten auf der Oberfläche des Messobjekts
mit gängigen
Methoden und Mitteln (z. B. Kameras oder Laser-Geometriesensoren)
möglich ist.
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Zur
Materialanalyse kann auch die laser-induzierte Fluoreszenzspektrometrie
(LIF, laser-induced fluorescence) verwendet werden. Dafür wird gepulste
ultraviolette Laserstrahlung auf ein Messobjekt gelenkt und auf
diese Weise das Material zur Fluoreszenz angeregt. Durch die spektrale
Analyse des emittierten Lichtes und anhand der Abklingzeit des Fluoreszenzsignals
(typischerweise ca. 10 ns bis einige 100 ns) können Rückschlüsse auf die chemische Materialzusammensetzung
gezogen werden. Bei der LIF handelt es sich nicht um eine Elementanalyse,
vielmehr werden die LIF-Signale, die man von einem Messort auf dem
Messobjekt erhält,
maßgeblich
durch die chemisch-physikalische Bindungsform beeinflusst, so dass
das LIF-Signal in erster Linie eine integrale Aussage über die
Bestandteile und Bindungsformen liefert, im allgemeinen jedoch nicht die
elementaren Bestandteile auflösen
kann. In speziellen Fällen
kann aus diesen Informationen dennoch ein Rückschluss auf die elementare
Zusammensetzung gezogen werden.
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Die
WO 02/46710 A1 offenbart
ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Analyse des künstlerischen und
historischen Wertes von Gemälden
und Monumenten. Dabei wird das zu untersuchende Objekt mit Licht
bestrahlt und die diffuse Reflektivität und/oder Fluoreszenz detektiert.
Ein Ergebnis wird erzielt durch Vergleich der detektierten Signale
mit denen eines bekannten Vergleichsobjekts.
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Die
US 6,407,811 B1 beschreibt
ein Spektroskopieverfahren zur Bestimmung des Anteils einer Minoritätenspezies
in einem Messobjekt. Dabei wird mit einer ersten auf das Messobjekt
fokussierten, gepulsten Laserstrahlung ein Mikroplasma erzeugt.
Anschließend
wird eine zweite gepulste Laserstrahlung in das entstandene Mikroplasma
hineinfokussiert, wobei die Laserstrahlung resonant auf einen elektronischen Übergang
der zu detektierenden Minoritätenspezies
abgestimmt ist. Die von den angeregten freien Atomen bzw. Ionen
des Mikroplasmas abgegebene Fluoreszenzstrahlung wird detektiert
und daraus der Anteil der Minoritätenspezies in dem Messobjekt
bestimmt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Durchführung einer
Elementanalyse inhomogener Messobjekte anzugeben, womit eine hohe
Messgenauigkeit bei gleichzeitig kurzer Analysedauer und hoher Messrate erzielt
wird.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Lösung
dieses technischen Problems erfolgt durch eine Vorrichtung und Verfahren
zur Durchführung
der Fluoreszenz- und Emissionsspektrometrie gemäß der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass sich das technische Problem durch ein Verfahren zur Durchführung der
Fluoreszenz- und Emissionsspektrometrie lösen lässt, bei dem eine laser-induzierte Fluoreszenzmessung
(LIF-Messung) erfolgt, wobei eine erste gepulste Laserstrahlung
zur Generierung laser-induzierter Fluoreszenz auf ein Messobjekt
gerichtet wird und das vom Messobjekt abgegebene Fluoreszenzsignal
detektiert und einer Analyse unterzogen wird, und bei dem nach der
LIF-Messung eine emissionsspektrometrische Messung (LIBS-Messung)
erfolgt, wobei eine zweite gepulste Laserstrahlung zur Generierung
eines laser-induzierten Plasmas auf dasselbe Messobjekt fokussiert,
die vom Plasma emittierte Strahlung detektiert und mit dem erfassten
Strahlungsspektrum eine Elementanalyse durchgeführt wird.
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Indem
man die Messergebnisse der Fluoreszenz- und der Emissionsspektrometrie
kombiniert, ist auf diese Weise eine Materialklassifizierung auch
in solchen Fällen
möglich,
in denen dies eines der Messverfahren allein nicht erlaubt. Insbesondere kann
durch eine Korrelationsanalyse der Ergebnisse aus beiden Messverfahren
die Analysesicherheit beträchtlich
erhöht
werden. Die Zahl der Laserpulse, die für die beiden Messverfahren
jeweils abgegeben werden sollten, und damit die Zahl der LIF- und LIBS-Messungen
pro Messobjekt ist abhängig
von der gewünschten
Messgenauigkeit und der gewünschten
Messrate sowie der Größe, Form
und Beschaffenheit der zu untersuchenden Messobjekte. Es kann genügen, nur
eine LIF- und eine LIBS-Messung durchzuführen. Im Allgemeinen sind im
Hinblick auf die Messgenauigkeit und insbesondere für Messobjekte
inhomogener Zusammensetzung jedoch mehrere LIF- und/oder LIBS-Messungen
vorzunehmen.
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Zur
Erzeugung laser-induzierter Fluoreszenz wird ein aufgeweiteter Laserstrahl
auf das Messobjekt gerichtet und die von dem dabei beaufschlagten Messbereich
abgestrahlte Fluoreszenz detektiert. Die Größe dieses durch einen von einem
einzelnen Laserpuls initiierten LIF-Messvorgang analysierbaren Bereichs
kann dabei mehrere Quadratzentimeter betragen. Damit kann die Größe dieses
Bereichs um zwei oder mehr Größenordnungen über der
Größe eines
durch eine LIBS-Messung analysierbaren Bereichs, welcher typischerweise
kleiner als ein Quadratmillimeter ist, liegen. Mit LIF-Messungen
ist pro Zeiteinheit somit ein deutlich größerer Anteil der Oberfläche des
Messobjekts analysierbar als mit LIBS-Messungen. Die Ergebnisse
der LIF-Messungen sind jedoch für
eine eindeutige Materialklassifizierung im Allgemeinen nicht ausreichend.
Daher werden zusätzlich
zu einer oder mehreren LIF-Messungen erfindungsgemäß eine oder
mehrere LIBS-Messungen durchgeführt.
Insgesamt wird durch die Erfindung im Vergleich zu einem Verfahren, das
allein auf LIBS-Messungen basiert, die Messrate deutlich erhöht ohne
die Messgenauigkeit einzuschränken.
Mit Hilfe der Erfindung sind im Vergleich zum Stand der Technik
weniger LIBS-Messungen notwendig, um die Zusammensetzung des Messobjekts
detailliert ermitteln zu können.
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Besonders
von Vorteil ist es, eine LIBS-Messung nach einer LIF-Messung, und
zwar nach Analyse des erfassten Fluoreszenzsignals durchzuführen. Ein
typischer, sich daraus ergebender zeitlicher Abstand zwischen LIF-
und LIBS-Laserpuls liegt bei einigen Millisekunden. Auf diese Weise
kann mit Hilfe der LIF-Messung ein geeigneter Messort bzw. mehrere
geeignete Messorte für
LIBS-Messungen ermittelt werden. Eignung eines Messortes meint dabei
einerseits, dass ein möglichst
fehlerfreies Analyseergebnis durch eine dort vorgenommene LIBS-Messung
erwartet werden kann, und andererseits, dass eine LIBS-Messung an
dieser Stelle für
das Erzielen einer vorgegebenen Genauigkeit bei der Klassifizierung
des Messobjekts notwendig ist.
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Zu
betonen ist, dass die Einstrahlung der LIF-Laserstrahlung in diesem
Verfahren nichtresonant erfolgt. So wird bei den typischerweise
eingesetzten Laserwellenlängen
von 266 nm oder 355 nm eine Linienbreite von höchstens ca. einem GHz vorgesehen.
Die Laserstrahlung dient hier zur Erzeugung von Fluoreszenz des
Messobjektes, unabhängig
davon, ob sie vor, während
oder nach der Einstrahlung des LIBS-Laserpulses erfolgt. Eine Wechselwirkung
mit einer durch einen gegebenenfalls vorangegangenen LIBS-Laserpuls
erzeugten Materialwolke ist nicht beabsichtigt und findet dadurch,
dass die Lasereinstrahlung nichtresonant erfolgt, nicht statt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Durchführung der
Fluoreszenz- und Emissionsspektrometrie, bei dem eine erste gepulste
Laserstrahlung zur Generierung laser-induzierter Fluoreszenz auf
ein Messobjekt gerichtet wird, das vom Messobjekt abgegebene Fluoreszenzsignal
erfasst und einer Analyse unterzogen wird, derart vorzusehen, dass
abhängig
vom Ergebnis der Analyse einer oder mehrerer an diesem und/oder
einem anderen Messobjekt durchgeführten Messungen der laser-induzierten
Fluoreszenz an diesem Messobjekt zusätzlich eine laser-induzierte
emissionsspektrometrische Messung durchgeführt wird.
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Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung wird somit stets eine LIF-Messung vorgenommen
und analysiert. Eine LIBS-Messung findet dagegen nicht für jedes
Messobjekt in jedem Fall statt. Die Entscheidung, ob eine LIBS-Messung
erfolgt, wird automatisch in Abhängigkeit
des Ergebnisses der Analyse einer oder mehrerer an dem Messobjekt
durchgeführten
LIF-Messungen und/oder einer oder mehrerer an einem anderen, bereits
untersuchten Messobjekt durchgeführten
LIF-Messungen getroffen.
Ist ein Messobjekt beispielsweise anhand des Ergebnisses einer oder
mehrerer an diesem Messobjekt bereits durchgeführten LIF-Messungen bereits hinreichend genau
klassifizierbar, so ist eine LIBS-Messung in einem solchen Fall überflüssig und
wird daher erfindungsgemäß vermieden,
wodurch die erreichbare Messrate erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die
Entscheidung, ob eine LIBS-Messung erfolgt, auch in Abhängigkeit
einer oder mehrerer an einem anderen, bereits untersuchten Messobjekt
durchgeführten
LIF-Messungen getroffen
werden.
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Vorzugsweise
wird in Abhängigkeit
des Ergebnisses der Analyse einer oder mehrerer an dem Messobjekt
durchgeführten
LIF-Messungen und/oder einer oder mehrerer an einem anderen, bereits
untersuchten Messobjekt durchgeführten LIF-Messungen die Anzahl
der Messorte auf diesem Messobjekt bestimmt, an denen eine LIBS-Messung durchgeführt wird.
Insbesondere kann dabei das Vorsehen einer bestimmten Anzahl der
Messorte darin bestehen, dass ein bestimmter Abstand zwischen den
LIBS-Messorten, d. h. eine bestimmte Dichte von LIBS-Messorten auf der
Oberfläche
des Messobjektes eingestellt wird. Konnte das Messobjekt oder konnten
einige Bereiche des Messobjekts durch eine oder mehrere LIF-Messungen
nicht oder nicht hinreichend genau klassifiziert werden, so wird
an diesem Messobjekt automatisch eine vergleichsweise große Anzahl
von LIBS-Messungen vorgenommen, insbesondere wird eine größere Anzahl
von LIBS-Messungen vorgenommen als für ein Messobjekt, für das eine
im Vergleich genauere Klassifizierung der Materialzusammensetzung
des Messobjekts durch die LIF-Messung(en) vorliegt. Neben der Genauigkeit der
Klassifizierung kann auch der Grad der durch die LIF-Messung(en)
ermittelten Inhomogenität
der Zusammensetzung des Messobjekts zu einer automatischen Bestimmung
der Anzahl der Messorte, an denen eine LIBS-Messung durchgeführt wird,
herangezogen werden. Je inhomogener die durch die LIF-Messung(en)
ermittelte Zusammensetzung eines Messobjekts ist, desto mehr LIBS-Messungen
werden an diesem Messobjekt durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann
die Entscheidung, wie viele LIBS-Messungen an einem Messobjekt erfolgen
sollen, auch in Abhängigkeit
einer oder mehrerer an einem anderen, bereits untersuchten Messobjekt durchgeführten LIF-Messungen
getroffen werden.
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Auf
diese Weise lässt
sich die Messrate im Vergleich zu einem nur auf LIBS-Messungen basierenden
Verfahren stark erhöhen.
Für ein
derartiges Verfahren ist aufgrund der geringen Größe der pro LIBS-Messung
analysierbaren Fläche
eine sehr große
Anzahl von LIBS-Messungen durchzuführen, um für Messobjekte sehr inhomogener
Zusammensetzung ein hinreichend genaues aussagekräftiges Ergebnis
erzielen zu können.
Im erfindungsgemäßen Verfahren
wird diese Anzahl stark reduziert.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn in Abhängigkeit vom Ergebnis der Analyse
einer oder mehrerer an diesem und/oder einem anderen Messobjekt
durchgeführten
LIF-Messungen automatisch eine Auswahl eines Messortes oder mehrerer Messorte
auf diesem Messobjekt stattfindet, an dem oder an denen jeweils
eine LIBS-Messung durchgeführt
wird. Es werden für
die LIBS-Messungen somit gezielt Messorte ausgewählt, die für eine genaue Klassifizierung
des Messobjektes benötigt
werden, also z. B. solche Messorte, für die durch die LIF-Messungen keine hinreichend
genauen Ergebnisse erzielbar sind. Dadurch wird die Qualität des Messergebnisses
und die Messrate erhöht.
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Typischerweise
kann durch die Analyse einer LIF-Messung (oder mehrerer LIF-Messungen) verschiedene
Bereiche des Messobjektes unterschieden werden. Es können Bereiche
ermittelbar sein, die durch die LIF-Messung bereits eindeutig charakterisierbar
sind, des weiteren Bereiche, in denen dies nicht eindeutig möglich ist,
sowie Bereiche, für
die keine Messergebnisse vorliegen, z. B. da von ihnen keine Fluoreszenz
abgegeben wird. Die Messorte, an denen eine LIBS-Messung durchgeführt wird, werden derart ausgewählt, dass
in einem Bereich diese Messorte um so dichter beiander liegen, je
weniger eindeutig das LIF-Ergebnis
in diesem Bereich ausgefallen ist. Vorteilhafterweise werden insbesondere
LIBS-Messungen lediglich in solchen Bereichen des Messobjektes durchgeführt, für die keine
eindeutige Materialklassifizierung durch LIF-Messungen vorliegt.
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Die
für die
LIF-Messung verwendete erste gepulste Laserstrahlung beaufschlagt
das Messobjekt vorzugsweise in aufgeweiteter Form. Die Fläche des
durch einen Laserpuls analysierbaren Bereichs ist vorzugsweise größer als
1 Quadratzentimeter, wenn erforderlich beträgt sie mehrere Quadratzentimeter.
Für ein
entsprechend kleines Messobjekt kann der gesamte der Laserstrahlung
zugewandte Teil der Oberfläche
durch einen einzigen Laserpuls erfasst werden. Es muss in diesem
Fall nur eine einzige LIF-Messung durchgeführt werden. Bei einem größeren Messobjekt
müssen
mehrere LIF-Messungen vorgenommen werden, um eine inhomogene Zusammensetzung
des Messobjekts weitestmöglich erfassbar
zu machen. Vorzugsweise wird annähernd die
gesamte, der ersten gepulsten Laserstrahlung zugewandte Oberfläche des
Messobjekts mit Laserstrahlung beaufschlagt. Zur Durchführung der LIF-Messungen
an verschiedenen Stellen eines Messobjekts kann eine Kamera zur
Lokalisierung des Messobjekts und eine Laserstrahlablenkungseinheit
eingesetzt werden.
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Besondere
Vorzüge
weist das erfindungsgemäße Verfahren
dann auf, wenn die laser-induzierte Fluoreszenz ortsaufgelöst detektiert
wird.
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Dies
kann z. B. dadurch geschehen, dass der von der ersten gepulsten
Laserstrahlung beleuchtete Bereich auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet
wird. Dieser kann beispielsweise als CCD-Chip oder als ortsauflösendes Spektrometer ausgestaltet
sein. Mit einem CCD-Chip kann eine gute Ortsauflösung erzielt werden. Ein ortsauflösendes Spektrometer
ermöglicht
darüber
hinaus eine gute spektrale Auflösung.
Möglich
ist auch die Abbildung auf mehrere Detektoren, denen jeweils ein
Ort des beleuchteten Bereichs der Messobjektsoberfläche zugeordnet
ist. Realisiert werden kann dies durch ein Lichtwellenleiterbündel, dessen
einzelne Lichtwellenleiter jeweils zu einem Detektor führen. Letzterer
kann z. B. ein Photomultiplier sein, womit eine hohe Lichtempfindlichkeit
erreicht werden kann, oder ein Kompaktspektrometer, womit ein besonders einfacher
Aufbau mit spetraler Auflösung
realisiert wird. Denkbar ist auch die Verwendung mehrerer Kameras
jeweils versehen mit einem vorgeschalteten schmalbandigen Filter.
Diese Lösung
bietet eine gute Ortsauflösung
bei immerhin einfacher spektraler Auflösung.
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Mit
einem der genannten ortsauflösenden Detektoren
ist neben der ortsaufgelösten
Messung des Fluoreszenzsignals auch die ortsaufgelöste Bestimmung
der Abklingzeit des Fluoreszenzsignals sowie die ortsaufgelöste Analyse
des Spektrums der Fluoreszenz möglich.
Vorzugsweise werden im Rahmen einer LIF-Messung die Messung und
Analyse dieser Größen vorgenommen.
Je nach Anwendungsfall liegt die beim erfindungsgemäßen Verfahren
mit Hilfe des ortsauflösenden
Detektors erzielte Ortsauflösung
im Bereich von einem Millimeter bis zu 10 Zentimetern, vorzugsweise
zwischen einem und 10 Millimetern.
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Durch
die ortsaufgelöste
Detektion des LIF-Signals haben die Vorteile der LIF-Messungen mit aufgeweiteter
Laserstrahlung besonderes Gewicht, da die Inhomogenität eines
Messobjektes mit vergleichsweise wenig Messungen detailliert analysierbar
ist. Auf diese Weise kann schnell eine gute Auswahl der Messorte
für die
LIBS-Messungen vorgenommen werden oder aber die Messorte von LIBS-Messungen
nachträglich
hinsichtlich ihrer Eignung bewertet werden.
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In
vielen Anwendungsfällen
ist es für
eine effiziente Messweise mit hoher Messrate vorteilhaft, die Messobjekte
an den Laserstrahleinrichtungen für die LIF- und LIBS-Messungen vorbeizuführen, beispielsweise
durch ein Transportband. In derartigen Fällen kann auch auf eine Laserstrahlablenkungseinheit
für die
erste gepulste Laserstrahlung, welche für die LIF-Messungen eingesetzt
wird, verzichtet werden. Stattdessen kann ein örtlich stationärer Laserstrahl
z. B. durch eine spezielle Optik zu einem schmalen Laserlichtband
geformt werden. In diesem Fall ist der Laserstrahl somit nur in
einer Richtung, allerdings besonders stark, z. B. auf 400 mm aufgeweitet,
in der anderen Richtung wird dagegen eine Fokussierung vorgenommen,
mit einer Breite des Laserlichtbandes von typischerweise weniger
als 1 mm. Die Laserstrahlung wird so auf das Messobjekt gerichtet,
dass die schmale Seite des Laserstrahlquerschnitts in Bewegungsrichtung
des Messobjekts und die lange Seite senkrecht dazu ausgerichtet
ist. Die gesamte, der ersten gepulsten Laserstrahlung zugewandte
Oberfläche
des Messobjekts kann vermessen werden, wenn die Ausdehnung des Messobjekts in
Richtung der langen Seite des Laserstrahlquerschnitts kleiner ist
als die Länge
der langen Seite des Laserstrahlquerschnitts.
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Eine
ortsaufgelöste
Detektion ist bei dieser Vorgehensweise für eine einzelne LIF-Messung lediglich
senkrecht zur Bewegungsrichtung des Messobjektes, d. h. in Richtung
der langen Seite des Laserstrahlquerschnitts gegeben. Durch die
Zusammenschau mehrerer aufeinanderfolgenden LIF-Messungen kann jedoch
auch eine Ortsauflösung
in Bewegungsrichtung des Messobjekts erreicht werden. Diese hängt von
der Geschwindigkeit des Messobjektes und der Messrate ab. Eine besonders
vollständige
Charakterisierung des Messobjekts ist möglich, wenn die Flächen eines
Messobjekts, welche von zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen bestrahlt werden,
abstandslos benachbart sind oder sich überlappen.
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Es
ist möglich
im Messaufbau einen Detektor zur Erfassung des LIF-Signals und einen
Detektor zur Erfassung des LIBS-Signals vorzusehen. Ein besonders
kompakter Messaufbau ist realisierbar, wenn das LIF-Signal und das
LIBS-Signal mit dem selben Detektor erfassbar sind und die Messvorrichtung
somit nicht durch einen weiteren Detektor ergänzt werden muss.
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Möglich ist
es außerdem,
sowohl die für
die LIF-Messung vorgesehene erste als auch die für die LIBS-Messung vorgesehene
zweite gepulste Laserstrahlung mit der selben Laserquelle zu erzeugen. Beispielsweise
kann die fundamentale Wellenlänge eines
Nd:YAG-Lasers (1064 nm) für
die LIBS-Messungen vorgesehen werden und UV-Strahlung (266 nm oder
355 nm) für
die LIF-Messungen
durch Ausnutzung eines Frequenzvervielfachers erzeugt werden. Durch
Trennung der Strahlungsanteile in bekannter Weise kann durch einen
einzigen von der Laserquelle erzeugten Laserpuls sowohl die LIF-
als auch die LIBS-Messung initiiert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die chemische
Elementanalyse von inhomogen zusammengesetzten Messobjekten, insbesondere
von Gesteinen, Mineralien, Erzen und Schüttgütern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1:
LIF-Messung nach Stand der Technik ohne Ortsauflösung
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2:
Abbildung der Fluoreszenz auf einen ortsauflösenden Detektor
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3:
Schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 sind
die zur Erzeugung der Fluoreszenz auf einem Messobjekt bedeutsamen
Größen dargestellt.
Der Laserstrahl (1) wird von einer Optik zur Strahlformung
(2) aufgeweitet und auf das Oberflächenelement (3) des
Messobjekts (10) in Richtung der Propagationsrichtung (4)
des Laserstrahls gelenkt. In dem Bereich (5) auf der Probenoberfläche, welcher
der Projektion des Laserstrahlquerschnitts auf die Probenoberfläche entspricht,
wird Fluoreszenz angeregt und von der Detektoreinheit (6)
aufgenommen. Das aus dem vom Laser bestrahlten Bereich (5)
der Probenoberfläche
stammende Fluoreszenzsignal wird integral detektiert, so dass keine
ortsaufgelöste
Information für
diesen Bereich (5) erhalten wird. Eine Ortsauflösung wird
nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik nur dadurch erhalten, dass das Messobjekt (10)
an dem Laserstrahl (1) und der Detektoreinheit (6)
vorbeigeführt
wird – beispielsweise
mit einem Transportband (11) – und so der Laserstrahl nacheinander
verschiedene Stellen des Messobjekts überstreicht. Die erreichte
Auflösung
hängt von
der Größe der Projektion
(5) des Laserstrahlquerschnitts auf die Probenoberfläche ab und
bewegt sich dabei typischerweise im Bereich von einigen Quadratzentimetern.
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In 2 wird
schematisch eine ortsaufgelöste
LIF-Messung dargestellt. Dabei wird der von der ersten gepulsten
Laserstrahlung bestrahlte Bereich (5) mit einer Abbildungsoptik
(7) auf einen ortsauflösenden
Detektor (8) gemäß dem beispielhaften Strahlengang
(9) des Fluoreszenzsignals abgebildet. Die Detektorfläche kann
beispielsweise aus den Eingangsaperturen mehrerer in einer Ebene
nebeneinanderliegender Lichtwellenleiter bestehen (dargestellt sind
hier aus Gründen
der Übersichtlichkeit ohne
Einschränkung
der Allgemeinheit nur drei in einer Reihe angeordnete Lichtwellenleiter),
die ihrerseits das Licht zu einzelnen photoelektronischen Detektoren
leiten.
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3 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das Messobjekt (10) wird von einem Transportband (11)
an einer Detektoranordnung vorbeigeführt, die eine Kamera (12),
ein LIF-Analysemodul (13), ein Modul (14) zur
laser-induzierten Emissionsspektrometrie und eine Steuereinheit
(15) aufweist. Die Steuereinheit (15) bestimmt
anhand der Messergebnisse der Kamera und des LIF-Moduls geeignete
Punkte auf dem Messobjekt zur Durchführung der laserinduzierten Emissionspektrometrie
und lenkt den Laserstrahl zum Zünden
des Plasmas auf diese Punkte. Anschließend kann durch Verarbeitung
der Messergebnisse aller beteiligten Sensoren zum Beispiel eine Sortierentscheidung
getroffen und ein entsprechendes Ausschleusemodul (16)
zum Austragen des Materials in verschiedene Fraktionen angesteuert
werden. Das LIF-Analysemodul (13) und das Modul (14) zur
laser-induzierten
Emissionsspektrometrie können
auch in einem Modul integriert und die Vorrichtungen zur Durchführung der
LIF- bzw. LIBS-Messung koaxial aufgebaut sein.
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- 1
- Laserstrahl
- 2
- Optik
zur Strahlaufweitung
- 3
- Element
der Probenoberfläche
- 4
- Propagationsrichtung
des Laserstrahls
- 5
- Projektion
des Laserstrahlquerschnitts auf das Oberflächenelement
- 6
- Detektoreinheit
- 7
- abbildende
Optik
- 8
- Detektoreinheit
zur ortsaufgelösten
LIF-Detektion
- 9
- Strahlengang
des detektierten Fluoreszenzsignals
- 10
- Messobjekt
- 11
- Transportband
- 12
- Kamera
- 13
- Modul
für die
laser-induzierte Fluoreszenzspektrometrie (LIF)
- 14
- Modul
für die
laser-induzierte Emissionspektrometrie (LIBS)
- 15
- Steuereinheit
- 16
- Austragseinheit