DE4426475A1 - Anordnung und Verfahren zur Anwendung von Lasern in der Laserplasmaspektroskopie zur Materialerkennung bewegter Teile, die statistisch aufeinanderfolgen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren, der das Prinzip der laserinduzierten Plasma­ spektroskopie (laser induced breakdown spectroscopy, LIBS) zugrunde liegt.

In an sich bekannter Weise wird bei der laserindu­ zierten Plasmaspektroskopie der Lichtimpuls eines Hoch­ leistungslasers auf die Materialoberfläche fokussiert, wodurch eine geringe Materialmenge verdampft und in ein Plasma überführt wird. Das Plasma strahlt beim Abkühlen innerhalb der ersten Mikrosekunden nach dem Laserschuß die charakteristische Atomemission ab, aus deren Spektrum nach den Methoden der klassischen Atomemissionsspektroskopie auf die Materialzusammen­ setzung geschlossen werden kann.

Mithilfe dieser Technik ist es möglich, die materielle Zusammensetzung bewegter Werkstoffe, die beispielsweise auf einem Transportband gefördert werden, zu bestimmen.

So geht aus der DE-OS 40 04 627 ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften polymerer Werkstoffe und eine diesbezügliche Vorrichtung hervor, die mit Hilfe eines Laserstrahls, der in aufgefächerter Weise über den zu untersuchenden Werkstoff geführt wird und stichprobenartig Oberflächenplasmen erzeugt und auf diese Weise mit Hilfe üblicher spektroskopischer Un­ tersuchungsmethoden auf Element-Molekülkonzentrationen schliefen läßt. Die Auswahl der einzelnen auf der Werkstückoberfläche vorgenommenen Meßpunkte erfolgt dabei im wesentlichen statistisch, so daß mit einer sehr hohen Laserpulsrepititionsrate gearbeitet werden muß, um aussagekräftige Ergebnisse über die Zusam­ mensetzung der Werkstoffe zu erhalten.

Eine weitere Möglichkeit das Grundmaterial in dem vorstehend geschilderten Fall spektroskopisch zu er­ fassen ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 41 38 157 zu entnehmen, aus der ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer Beschichtung hervorgeht. Hierzu wird ein Laserstrahl in gepulster Form auf eine zu untersuchende Werkstückoberflächenstelle gerichtet, der mögliche Beschichtungs- bzw. Verschmutzungs­ schichten solange mit Strahlungsenergie beaufschlagt, bis sich das Reflexionsverhalten der auf die Werkstück­ oberfläche auftreffende Laserstrahlung charakteristisch ändert. Hierzu ist es erforderlich, den Laserstrahl möglichst lange auf ein und die gleiche Stelle zu fokussieren, um vorhandene oberflächliche Ablagerungen zu verbrennen.

Insbesondere bei der Schrottsortierung werden die zu analysierenden Teile in unregelmäßigen Abständen auf einem schnell laufenden Band transportiert (beispiels­ weise 50 Teile/Sekunde) und eine der wesentlichen hier­ bei auftretenden technischen Problemstellungen ist es, jedes Teil zielsicher mit dem Laser zu beaufschlagen und die Spektren mit hoher Geschwindigkeit auszuwerten. Ein zusätzliches Problem besteht darin, daß das LIBS- Verfahren eine Oberflächenanalyse vornimmt, die Oberfläche des Teiles jedoch insbesondere bei Ver­ schmutzungen oder Beschichtungen nicht repräsentativ für die Gesamtzusammensetzung ist.

Beim derzeitigen Stand der Technik wird die Kante des zu untersuchenden und in Z-Richtung = Bandrichtung bewegten Teiles mit einem optischen Trigger ähnlich einer Lichtschranke detektiert. Dieser Trigger löst den Laserschuß aus, dessen Strahl in X-Richtung verläuft und daher senkrecht von oben auf das Band gelangt. Hierdurch entsteht ein Plasmafunken der in Y- und Z- Richtung (Bandebene) ortsfest und aufgrund der Teilehö­ he in X-Richtung (senkrecht zum Band) variabel ist. Da die Teile jedoch in Z-Richtung in unregelmäßigen Ab­ ständen auf dem Transportband verteilt sind, bedingt diese technische Lösung, daß ein Laser verwendet werden muß, dessen Strahleigenschaften von der Schußfolgefre­ quenz unabhängig sind und der daher unter Beibehaltung der Energiedichte oberhalb des Bandes beliebig ge­ triggert werden kann. Dies stellt eine starke Ein­ schränkung für die Auswahl des Lasersystems dar. Bei­ spielsweise können die im industriellen Einsatz bewähr­ ten Festkörperlaser, die sich prinzipiell für die LIBS- Technologie eignen (z. B. Nd : YAG-Laser), nicht zum Ein­ satz kommen, da sie nur festfrequent betrieben werden können.

Derzeit werden Gaslaser, insbesondere Excimerlaser, für die beschriebene asynchrone Anwendung des LIBS-Verfah­ rens benutzt, wobei diese Laser den Nachteil haben, daß sie hohe Betriebskosten (Gase, Reinigung) verursachen.

Zur Vorreinigung der Teileoberfläche vor der Analyse kann ebenfalls ein Laser eingesetzt werden. Derzeit müssen hierzu die Strahlen zweier Excimerlaser übereinander­ gelegt und auf dieselbe Stelle gerichtet werden. Die Auslöse­ zeitpunkte liegen nur einige 100 Mikrosekunden auseinan­ der, so daß die Bewegung des Teiles durch das Band zwischen den beiden Laserschüssen vernachlässigbar ist und daher beide denselben Oberflächenpunkt treffen. Der Schub des einen Lasers dient zur Reinigung der Oberflä­ che mittels Laserablation, der Schub des zweiten Lasers zur Analyse nach LIBS. Der Einsatz zweier Laser erhöht allerdings die Anschaffungs- und Betriebskosten pro analysiertem Teil erheblich. Sollte für hartnäckige Oberflächenschichten mehr als ein Reinigungsschuß not­ wendig werden, so ist dies - wenn überhaupt mit mehre­ ren Lasern möglich - mit einem erheblichen weiteren Kostenaufwand verbunden.

Es existiert hierzu das Patent EP 29 39 83 der Metall­ gesellschaft AG, das die gesamte Schrottsortierung umfaßt und die LIBS-Analyse auf diesem Stand ein­ schließt.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Anordnung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß auf einer Transporteinrichtung geführte, zu untersuchende und vorher entsprechend zu reinigende Teile nicht den Einsatz mehrerer frei triggerbarer Lasersysteme für eine Materialanalyse erfordern, um somit die Anwendung derartiger Anordnungen erheblich günstiger zu ge­ stalten. Desweiteren soll die Möglichkeit gegeben werden, daß auch Lasersysteme mit fester Repetitionsrate für die vorstehend genannte Anwendung zum Einsatz kommen können.

Die Lösung der, der Erfindung gestellten Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Aufgabe der Forderung, daß der Punkt der Plasmaent­ stehung in Z-Richtung fest ist, ausreicht, mit nur einem einzigen Laser für die bewegten Teile zu erkennen und einen Reinigungseffekt mittels mehrerer Laserschüsse, sei es mit einem festfrequenten oder einem frei­ triggerbaren Laser, zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das zu reini­ gende und zu analysierende Teil, das statistisch auf einem Förderband plaziert ist, über eine Triggervor­ richtung mit dem Laserstrahl zu erfassen und sodann gesteuert über eine Scannerspiegeleinrichtung bewe­ gungssynchron mitzuverfolgen. Auf diese Weise bleibt der Laserstrahl quasi auf dem sich mit konstanter Förderbandgeschwindigkeit bewegenden Teil ortsfest haften, so daß eine mehrfache Laserschußabfolge auf ein und dieselbe Stelle des Teils mit nur einem ein­ zigen Laser möglich ist.

Die bewegungssynchrone Mitführung des Laserstrahls auf der Teileoberfläche ermöglicht neben der Verwendung eines frei-triggerbaren Lasers, bspw. Excimer-Laser, auch den Einsatz von Lasern mit einer fest vorgegebenen Repetitionsrate, bspw. Nd : YAG-Laser, die ohnehin in der werkstückverarbeitenden Industrie in vielzähligen An­ wendungsbereichen Verwendung finden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

Die einzige Fig. 1 zeigt eine schematisierte Anordnung der für die Untersuchung der Teile erforderlichen Einzelkomponenten.

Hierzu wird der Strahlengang des Lasers wie folgt ge­ lenkt: Gemäß Fig. 1 gelangt der Laserstrahl durch einen dichroitischen 45-Grad-Spiegel S1 (durchlässig für die Laserwellenlänge) und durch eine Fokussierlinse L1 auf einen drehbaren Umlenkspiegel S2, dessen Drehachse ein Verfolgen des Teiles in Z-Richtung er­ möglicht. Der Drehantrieb ist in der Lage, nach elektronischer Ansteuerung in kurzer Zeit eine be­ liebige Winkelposition anzufahren. Durch Überschreiten des Triggerpunktes wird die Vorderkante des Teiles registriert und der Strahlengang des Lasers mit dem Umlenkspiegel S2 auf das Teil gerichtet. Der Um­ lenkspiegel S2 verfolgt das Teil solange, bis ein Laserschuß des mit konstanter Schußwiederholrate be­ triebenen Lasers erfolgt ist, bzw. bis im Falle einer groben Verschmutzung des Teils mehrere Laserpulse auf ein und dieselbe Stelle mit einem Laser mit fester Repititionsrate oder eines frei-triggerbaren Lasers erfolgt sind. Danach stellt er sich wieder auf ein neues Teil ein bzw. fährt in die Ausgangsstellung zu­ rück.

Das an seinem Entstehungsort in Z-Richtung nicht mehr ortsfeste Plasmalicht gelangt ebenfalls über den Umlenkspiegel S2 auf den dichroitischen Spiegel S1. Dort wird es reflektiert und mit Linse L2 in eine Lichtleitfaser eingekoppelt. Dadurch, daß Laser und Plasmalicht über denselben beweglichen Umlenkspiegel S2 geführt werden, bleibt die Anordnung unabhängig von der Z-Position des Plasmafunkens justiert. Die Lichtleit­ faser leitet die Atomemission an ein Spektrometer weiter, wo das Spektrum detektiert und anschließend weiterverarbeitet wird.

Ist im Falle der Verwendung eines Lasers mit fester Repetitionsrate die Teile-Folgefrequenz geringer als die Schußfolgefrequenz so werden die nicht benötigten Laserschüsse im Laser nicht abgerufen, z. B. durch Nichtöffnen des Q-switch beim Nd : YAG-Laser, oder ander­ weitig abgeleitet.

Diese Lösung hat folgende Vorteile:

• a) Laser mit fester Schußfolgefrequenz können zum Ein­ satz kommen, welche gegenüber dem Excimerlaser Vorteile wie z. B. geringere Betriebskosten oder höhere Standzeit haben.
• b) Steht ein geeigneter hochrepetierender Laser zur Verfügung, können auch mehrere nachfolgende Schüsse auf ein und demselben Oberflächenpunkt des Teiles plaziert werden. Damit wird es möglich, mit einem einzigen Laser und damit bei geringeren Beschaffungs- und Be­ triebskosten Oberflächenschichten zu ablatieren und das darunter befindliche Material zu analysieren. Hierdurch werden, wie erwähnt, Fehlanalysen durch Verschmutzung vermieden. Auf diese Weise ist auch der Betrieb nur eines einzigen Excimer-Lasers interessant, da keine Mehrkos­ ten durch einen weiteren Laser entstehen.
• c) Die unter b) beschriebene Mehrfachschußoption eröff­ net außerdem die Möglichkeit, pro Teil mehrere Spektren aufzuzeichnen und auszuwerten, was über Mittelungs- oder Extrapolationsverfahren zu einer Erhöhung der Genauig­ keit des LIBS-Verfahrens führt.

Claims (3)

1. Anordnung zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie mit einem Laser mit konstanter oder frei-triggerbarer Impulsfolgefrequenz und einem optischen System, das den Laserstrahl auf ein Teil richtet, das auf einer Transporteinheit geführt ist, so daß der Laser mehrfach hintereinander auf die gleiche Stelle des Teils auftrifft.

2. Verfahren zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie mit einem Laser mit konstanter oder frei-triggerbarer Impulsfolgefrequenz und einem optischen System, das den Laserstrahl auf ein Teil richtet, das auf einer Transporteinheit geführt ist, so daß der Laser mehrfach hintereinander auf die gleiche Stelle des Teils auftrifft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Neodym-YAG- Laser oder ein Excimer-Laser ist.