DE4426475C2 - Vorrichtung zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie für die Materialanalyse von auf einer Transporteinheit geführten Teilen - Google Patents
Vorrichtung zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie für die Materialanalyse von auf einer Transporteinheit geführten TeilenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
laserinduzierten Plasmaspektroskopie (laser induced
breakdown spectroscopy, LIBS)
für die Materialanalyse von auf einer Transporteinheit
geführten Teilen, mit einem Laser mit
konstanter oder frei triggerbarer Impulsfolgefrequenz,
einem optischen System zum Ausrichten
des gepulsten Laserstrahls auf das jeweilige zu untersuchende Teil und zur Erzeugung
einer Bewegung des gepulsten Laserstrahls auf dem
Teil und mit einem Detektor und einer Auswerteeinheit, wie
aus der DE 40 04 627 A1 bekannt.
In an sich bekannter Weise wird bei der laserinduzierten
Plasmaspektroskopie der Lichtimpuls eines Hochleistungslasers
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 Materialzusammensetzung
geschlossen werden kann.
Mit Hilfe dieser Technik ist es möglich, die materielle
Zusammensetzung bewegter Werkstoffe, die beispielsweise
auf einem Transportband gefördert werden, zu bestimmen.
Aus der eingangs genannten DE 40 04 627 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung
von Materialeigenschaften polymerer Werkstoffe und eine
diesbezügliche Vorrichtung bekannt, die mit Hilfe eines
Laserstrahls, der über einen Scannerspiegel schnell über
den zu untersuchenden Werkstoff geführt wird, Oberflächenplasmen
erzeugt und auf diese Weise mit Hilfe üblicher
spektroskopischer Untersuchungsmethoden auf Element-Molekülkonzentrationen
des polymeren Werkstoffes schließen
läßt. Bei den zu untersuchenden Werkstoffen handelt es
sich vorwiegend um Meterware, die zur Qualitätskontrolle
bandförmig durch den Bereich des Meßstrahls geführt wird.
Die Auswahl der einzelnen auf der Werkstückoberfläche
vorgenommenen Meßpunkte erfolgt gemäß einer durch die
Laserpulsfolge und der Tansportgeschwindigkeit
festgelegten Rasterlinie, so daß mit einer sehr hohen
Laserpulsrepetitionsrate gearbeitet werden muß, um aussagekräftige
Ergebnisse über die Zusammensetzung der
Werkstoffe zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit, das Grundmaterial in dem
vorstehend geschilderten Fall spektroskopisch zu erfassen,
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE
41 38 157 A1 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. Verschmutzungsschichten
solange mit Strahlungsenergie beaufschlagt,
bis sich das Reflexionsverhalten der auf die Werkstückoberfläche
auftreffenden Laserstrahlung charakteristisch
ändert. Hierzu ist es erforderlich, den Laserstrahl
möglichst lange auf ein und dieselbe Stelle zu
fokussieren, um vorhandene oberflächliche Ablagerungen
zu ablatieren. Bei diesem Untersuchungsverfahren ruht
jedoch das zu untersuchende Objekt, so daß
Laserstrahlnachführbewegungen nicht erforderlich sind.
Insbesondere bei der Schrottsortierung werden die zu
analysierenden Teile in unregelmäßigen Abständen auf
einem schnell laufenden Band transportiert (beispielsweise
50 Teile/Sekunde) und eine der wesentlichen hierbei
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 Verschmutzungen
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 Teilehöhe
in X-Richtung (senkrecht zum Band) variabel ist. Da
die Teile jedoch in Z-Richtung in unregelmäßigen Abständen
auf dem Transportband verteilt sind, bedingt
diese technische Lösung, daß ein Laser verwendet werden
muß, dessen Strahleigenschaften von der Schußfolgefrequenz
unabhängig sind und der daher unter Beibehaltung
der Energiedichte oberhalb des Bandes beliebig getriggert
werden kann. Dies stellt eine starke Einschränkung
für die Auswahl des Lasersystems dar. Beispielsweise
können die im industriellen Einsatz bewährten
Festkörperlaser, die sich prinzipiell für die LIBS-
Technologie eignen (z. B. Nd : YAG-Laser), nicht zum Einsatz
kommen, da sie nur festfrequent betrieben werden
können.
Derzeit werden Gaslaser, insbesondere Excimerlaser, für
die beschriebene asynchrone Anwendung des LIBS-Verfahrens
benutzt, wobei diese Laser den Nachteil haben, daß
diese 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 übereinandergelegt
und auf dieselbe Stelle gerichtet werden. Die
Auslösezeitpunkte liegen nur einige 100 Mikrosekunden
auseinander, so daß die Bewegung des Teiles durch das
Band zwischen den beiden Laserschüssen vernachlässigbar
ist und daher beide denselben Oberflächenpunkt treffen.
Der Schuß des einen Lasers dient zur Reinigung der Oberfläche
mittels Laserablation, der Schuß 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 notwendig
werden, so ist dies - wenn überhaupt mit mehreren
Lasern möglich - mit einem erheblichen weiteren
Kostenaufwand verbunden.
Es existiert hierzu die EP 0 293 983 A1 der Metallgesellschaft
AG, die die gesamte Schrottsortierung
umfaßt und die LIBS-Analyse auf diesem Stand einschließt.
In diesem Zusammenhang sei auf die DE 40 28 102 A1 hingewiesen,
die ein Verfahren zur Analyse von Metallteilchen
mittels LIBS-Technik beschreibt. Hierbei wird ein Excimer-
Laser verwendet, der durch zweimalige Laserschußbeaufschlagung
auf das zu untersuchende Teilchen auf die
stoffliche Zusammensetzung des Teilchens schließen läßt.
Eine mehrmalige Laserschußbeaufschlagung kann jedoch mit
diesem Verfahren nicht erfolgen, da die Transporteinheit
die Teilchen aus dem Meßbereich, innerhalb dem der Laserstrahl
auftrifft, wegführt.
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, so daß derartige Anordnungen
erheblich günstiger angeboten werden
können. Des weiteren soll die Möglichkeit bestehen, daß
auch Lasersysteme mit fester Repetitionsrate für die
vorstehend genannte Anwendung zum Einsatz kommen
können.
Die Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe ist im
Anspruch 1 angegeben.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß es mit einem
einzigen festfrequenten oder frei triggerbaren Laser
möglich ist, die in Z-Richtung transportierten Teile mit
einem Laserschuß oder zur Erzielung eines Reinigungseffekts
an derselben Stelle mit mehreren Laserschüssen
zu beaufschlagen, wenn man die Forderung aufgibt,
daß der Punkt der Plasmentstehung in Z-Richtung fest über
der Transporteinrichtung liegt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das zu analysierende
und evtl. vorher zu reinigende Teil, das in Z-Richtung
statistisch auf einer Transporteinrichtung plaziert ist,
über eine Triggereinrichtung mit dem Laserstrahl zu erfassen
und sodann gesteuert über eine bewegliche Optik bewegungssynchron
mitzuverfolgen. Auf diese Weise wird der
Strahlengang von Laser und Beobachtungsoptik fest auf eine
Stelle auf dem sich mit konstanter Fördergeschwindigkeit
bewegenden Teil gerichtet und dort gehalten. Damit wird
einerseits neben frei triggerbaren Lasern, z. B. Excimer-
Lasern, auch der Einsatz von Lasern mit fester Repetitionsrate,
z. B. der in der werkstoffverarbeitenden Industrie
in vielzähligen Anwendungsbereichen eingesetzten Nd : YAG-
Lasern, möglich. Bei einem derartigen Laser bleibt der
Strahlengang dann solange auf das Teil gerichtet, bis der
laserintern ausgelöste Schuß das Teil getroffen hat.
Andererseits kann eine mehrfache Laserschußfolge aus
einem Laser, dessen Pulswiederholrate langsam ist im
Vergleich zur Bandgeschwindigkeit, z. B. Excimer- oder
Nd : YAG-Laser, auf ein und dieselbe Stelle des Teiles
gerichtet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung
exemplarisch beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Anordnung
der für die Untersuchung der Teile erforderlichen
Einzelkomponenten.
Hierzu gelangt der Strahlengang des Lasers 1 durch einen
dichroitischen Spiegel 2 und durch eine Fokussierlinse 3
auf einen drehbaren Umlenkspiegel 4, dessen Drehachse das
Verfolgen des in Z-Richtung bewegten Teiles 4 ermöglicht.
Der Drehantrieb ist in der Lage, nach elektronischer
Ansteuerung in kurzer Zeit eine beliebige Winkelposition
anzufahren. Durch Überschreiten des Triggerpunktes 6 wird
die Vorderkante des Teiles registriert und der Strahlengang
des Lasers mit dem Umlenkspiegel 4 auf das Teil
gerichtet. Der Umlenkspiegel 4 verfolgt das Teil solange,
bis ein Laserschuß des mit konstanter Repetitionsrate
betriebenen Lasers erfolgt ist, bzw. bis mehrere Laserpulse
auf ein und dieselbe Stelle mit einem Laser mit
konstanter Repetitionsrate oder eines frei triggerbaren
Lasers erfolgt sind. Danach stellt er sich wieder auf ein
neues Teil ein bzw. fährt in die Ausgangsstellung zurück.
Das an seinem Entstehungsort in Z-Richtung nicht mehr
ortsfeste Plasmalicht gelangt ebenfalls über den Umlenkspiegel
4 auf den dichroitischen Spiegel 2. Dort wird
es reflektiert und mit Linse 7 in eine Lichtleitfaser 8
eingekoppelt. Dadurch, daß Laser und Plasmalicht über
denselben Umlenkspiegel 4 geführt werden, bleibt die
Anordnung unabhängig von der Z-Position des Plasmafunkens
justiert. Die Lichtleitfaser leitet die Atomemission an
ein Spektrometer 9 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 anderweitig
abgeleitet.
Diese Lösung hat folgende Vorteile:
- a) Laser mit fester Schußfolgefrequenz können zum Einsatz kommen, welche gegenüber dem Excimer-Laser 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 Betriebskosten 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 Mehrkosten durch einen weiteren Laser entstehen.
- c) Die unter b) beschriebene Mehrfachschußposition eröffnet außerdem die Möglichkeit, pro Teil mehrere Spektren aufzuzeichnen und auszuwerten, was über Mittelungs- oder Extrapolationsverfahren zu einer Erhöhung der Genauigkeit des LIBS-Verfahrens führt.
Claims (2)
1. Vorrichtung zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie
für die Materialanalyse von auf
einer Transporteinheit geführten Teilen, mit einem Laser
mit konstanter oder frei triggerbarer Impulsfolgefrequenz, einem
optischen System zum Ausrichten des gepulsten
Laserstrahls auf das jeweilige zu untersuchende Teil und zur Erzeugung einer
Bewegung des gepulsten Laserstrahls auf dem Teil und
mit einem Detektor und einer Auswerteeinheit,
dadurch gekennzeichnet, daß das optische System derart
ausgebildet ist, daß die Bewegung des gepulsten
Laserstrahls in Bewegungsrichtung des Teils und mit
einer derartigen Geschwindigkeit erfolgt, daß der
gepulste Laserstrahl mehrmals nacheinander auf dieselbe
Stelle des Teils auftrifft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Neodym-YAG-
Laser oder ein Excimer-Laser ist.
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