DE4426475C2 - Vorrichtung zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie für die Materialanalyse von auf einer Transporteinheit geführten Teilen - Google Patents

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.