EP1716407A1 - Device and method for determination of the chemical composition of solid liquid or gaseous materials - Google Patents

Device and method for determination of the chemical composition of solid liquid or gaseous materials

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Publication number
EP1716407A1
EP1716407A1 EP05700034A EP05700034A EP1716407A1 EP 1716407 A1 EP1716407 A1 EP 1716407A1 EP 05700034 A EP05700034 A EP 05700034A EP 05700034 A EP05700034 A EP 05700034A EP 1716407 A1 EP1716407 A1 EP 1716407A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
laser light
optical components
laser
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05700034A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johann Gruber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innsitec Laser Technologies GmbH
Original Assignee
Innsitec Laser Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innsitec Laser Technologies GmbH filed Critical Innsitec Laser Technologies GmbH
Publication of EP1716407A1 publication Critical patent/EP1716407A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma

Definitions

  • the subject of the invention is a device for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances, in particular metal melts, by means of laser-induced plasma spectroscopy.
  • the invention further relates to a method for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances, in particular metal melts, by laser-induced plasma spectroscopy, laser light being directed onto a surface of the solid or liquid substance or via a focusing device along a first optical axis directed into the gaseous substance and a plasma is ignited there and the radiation emitted by the plasma is spectrally analyzed to determine the chemical composition.
  • LIPS Laser-induced plasma spectroscopy
  • composition of a substance For example, the chemical composition of a molten metal located in a metallurgical vessel and, if appropriate
  • Changes in the composition of the melt can in principle be determined or tracked quickly. Since the measurements can be carried out directly on or in the case of a gas in the substance to be examined, it is not necessary to take a sample. Therefore, with this spectroscopic method, substances of all physical states can be investigated without any significant loss of material.
  • a known device for performing laser-induced plasma spectroscopy comprises a laser source for generating laser light and a focusing device with which the generated laser light is focused, for example, on a metal melt to be examined in the form of a laser spot. If the power of the laser light focused on the material reaches a threshold value, material is evaporated on the surface of the molten metal in the area of the laser spot and a plasma is ignited. This plasma emits electromagnetic radiation, which is characteristic of the chemical composition of the molten metal at the location of the laser spot. With a suitable analysis device, which is another component of such devices, a qualitative and quantitative spectral analysis, the radiation emitted by the plasma are carried out and so a chemical composing Obergurig ⁇ be errriittelt.
  • additional optical components can be provided which guide laser light to the material or emitted plasma light to the analysis device.
  • the laser beam diameter or the power density of the laser light on the examined sample is constant during a measurement. If the laser light output is not constant, the plasma properties are influenced, which can lead to considerable variations in the analysis results and the reproducibility is negatively influenced.
  • a main source of error for incorrect measurement results is a variation in the distance from the focusing device to the substance or material to be examined. If this distance changes, the laser light output on a surface or in the material also changes, which can result in the falsification of analysis results.
  • US Pat. No. 4,986,658 proposes to use a diode laser and a phototransistor which cooperates with it to determine a distance between a focusing device and a metal melt in a Ll PS device.
  • Laser light is directed or directed by the diode laser at an angle of incidence onto the metal surface, reflected by it and fed to the phototransistor.
  • the stated distance should be determinable from the intensity of the reflected laser light measured with the phototransistor.
  • a disadvantage of this method is, however, that when the melt surface moves, the incident laser light is reflected in different directions in an uncontrolled manner and consequently does not reach the phototransistor as desired and required.
  • the object of the invention is to eliminate these disadvantages and to provide a device of the type mentioned at the outset with which changes in a distance from sample material to focusing device can be observed quickly, reliably and in a simple manner and with high accuracy. It is also the object of the invention to provide a method of the type mentioned at the outset with which changes in a distance from sample material to focusing device can be determined quickly, reliably and in a simple manner with high accuracy.
  • a position-sensitive detector according to the invention for radiation emitted by the plasma does not require any further devices for distance measurement, especially no further lasers used specifically for distance measurement, and the device is therefore of a simpler design than known devices can be.
  • the position-sensitive detector is a photodiode array or a line-scan camera system, because such detectors are robust and can be used in a small design and can thus contribute to a space-saving construction of a device.
  • Optical components of a device according to the invention advantageously comprise mirrors and / or prisms in order to guide laser light from the laser onto or into a substance to be examined.
  • laser light can be guided over long distances without a high divergence of the laser light occurring and / or large intensity losses.
  • the polarization of the light can be lost when the laser light is guided via glass fiber optics.
  • radiation emitted by the plasma can be fed to the analysis device via the optical components.
  • Laser light and emitted radiation can then be directed via the same optical components and there is little expenditure on optical components.
  • laser light can be conducted from the laser to the sample and emitted radiation from the plasma to the analysis device along a first optical axis by means of optical components and, on the other hand, radiation emitted with the same optical components can be fed to a position-sensitive detector along a second optical axis
  • lasers and examination units can be at a safe distance be arranged to the measuring location or to the sampling point, which is of great advantage particularly when using a device according to the invention in the metallurgical industry.
  • an antireflection layer With regard to a loss-free conduction of laser light from the laser onto or into a sample, it has proven to be very expedient if at least some of the optical components are provided with an antireflection layer. Otherwise, there will be losses due to reflections if laser light is incident vertically on optical components. In particular if a large number of optical components are provided, the losses resulting therefrom can be considerable, for example in the air and when laser light is incident vertically on an optical component made of glass, back reflections of about 4% in each case. Antireflection layers now largely prevent laser light from coupling back into the laser source. It goes without saying that in a very favorable embodiment, all optical components are provided with an anti-reflective layer. In this context, it is particularly advantageous if an antireflection layer consists of a layer which is transparent to radiation in the wavelength range from 120 nm to 1500 nm, because in this case the same optical components can also be used to conduct plasma-emitted radiation.
  • prisms made of calcium fluoride have proven particularly useful for guiding light. Fluoride compounds with sufficient transparency down to the UV range of up to 120 nanometers can be deposited easily and with high optical quality on prisms made of this material.
  • An advantage of a deposition of fluorides on calcium fluoride is that a great adhesive strength of the deposited layer and a high thermal and mechanical stability of prisms overall can be achieved with these material pairs.
  • the optical components have at least one mirror provided with a dielectric layer and a metallic coating, laser light on the one hand and on the other hand with the aid of the dielectric layer radiation emitted by the plasma can be effectively directed in any direction with the aid of the metallic coating.
  • a mirror is advantageously provided with a metallic coating on one surface and with a dielectric layer on an opposite surface, the dielectric layer and the parts of the mirror located between the surfaces in the
  • Wavelength ranges from 120 nm to 1500 nm are transparent. Such a design prevents the dielectric layers from splintering in the event of temperature fluctuations, which, if a dielectric layer is applied directly to a metallic layer, can occur because of significantly different coefficients of thermal expansion of the layers. If a device according to the invention is to be used to control metallurgical processes, it is advantageous if at least some of the optical components and the focusing device are arranged in an arm which has a cavity. The optical components are thus protected from dust and dirt in a simple manner.
  • a high degree of flexibility in the conduction of laser light and at most radiation emitted by the plasma is achieved if the arm has segments which can be displaced and / or rotated relative to one another.
  • the arm has one or more joints and a mirror or prism is provided at the respective joint points for deflecting laser light or emitted radiation.
  • the focusing device is movable, in particular displaceable.
  • a control device is provided for a movement of the focusing device depending on a position or intensity of the emitted radiation measured by the position-sensitive detector or depending on a spectrum measured by the analysis device. This configuration makes it possible to keep the laser power on or in the sample constant during a measurement.
  • the device has a correction device for setting a beam diameter of laser light.
  • Control device for automatic adjustment of the beam diameter depending on a position measured by the position sensitive detector or intensity of the emitted radiation or as a function of a spectrum measured by the analysis device offers the advantage of controlled constant laser power on or in the sample during a measurement.
  • the optical components form a first light guide system and further optical components form at least one second light guide system, the device having a light switch through which laser light and / or emitted radiation can pass through the respective light guide systems or from the light guide systems of the analysis device and / or can optionally be fed to the detector.
  • chemical analyzes can be carried out quickly at different locations, which can be very important, in particular, for seamless process control.
  • the same laser source and the same analysis device or the same position-sensitive detector can be used regardless of the measurement location. Equipment expenditure is therefore minimized.
  • the procedural aim of the invention is achieved in that, in a method of the type mentioned at the outset, the intensity of radiation emitted by the plasma is measured in a position-sensitive manner on a second optical axis that differs from the optical axis of the laser light, and from this a distance of the focusing device from the surface of the fixed or liquid substance or a position of the plasma in the gaseous substance is determined.
  • the method also enables position changes to be determined very precisely. This applies in particular if a device as described above is used to carry out the method.
  • an optical path from the plasma to a position-sensitive detector can be one or more meters. Small changes in the position of the plasma then result in large shifts in the detector. In other words: a measurement is made with particular accuracy.
  • a further advantage of a method according to the invention is given in that changes in a plasma position can be observed with little outlay on equipment, because emissions of the plasma which is anyway necessary for analyzing a chemical composition are used.
  • An advantage lies in particular in the fact that a method according to the invention can also be used in the investigation of metallic melts, in which conventional methods of distance measurement are unreliable or not applicable.
  • the distance of the focusing device from the surface of the solid or liquid substance or from the plasma in the gaseous substance is continuously determined and automatically regulated.
  • Beam diameter of the laser light is regulated.
  • changes in the distance from the plasma to the focusing device and the associated changes in the laser power on the sample can be compensated for by widening or narrowing the laser beam. Since a variation of the laser beam diameter is possible immediately after the laser light emerges from the laser source, the laser light output can be far from that Sampling point can be easily readjusted.
  • the focusing device located near the sample can be kept stationary.
  • the laser light and the emitted radiation are guided at least partially over the same optical components.
  • devices such as the laser source, analysis device and detector can be set up at a safe distance from the measuring location. This also enables simple maintenance or, if necessary, repair of the facilities mentioned.
  • incident laser light is scanned over the surface or guided over a surface.
  • an average value is obtained when determining a chemical composition, for example of a metal melt, and measurement falsifications, which are caused by inhomogeneities on the melt surface, are reduced.
  • Scanning can be carried out in a simple manner by rotating a mirror or prism in the beam path, as a result of which the laser light changes its direction.
  • Figure 1a is a schematic representation of a device according to the invention
  • Figure 1 b an arm for beam guidance
  • Figure 1c is a schematic representation of the discovery of a
  • Figure 2 shows a coated prism
  • Figure 3a shows a mirror coated on one side.
  • Figure 3b shows a mirror coated on both sides
  • Figure 4 shows a beam switch with several arms for beam guidance
  • FIG. 5a shows a jet switch with a swivel joint 5b shows the jet switch from FIG. 5a in a side view
  • FIG. 1a shows an embodiment of a device 1 according to the invention, which is particularly suitable for examining metallic melts.
  • FIG. 1 a shows a laser source 11 suitable for generating high-energy laser light 41.
  • the laser source 11 can be a pulsed Nd: YAG laser, the 1064 nm laser line of which is used in the further course of the measurement.
  • the laser light 41 strikes a diverging lens 14, which is arranged in the beam path in front of other optical components and with which the beam parameters such as diameter and divergence of the laser light can be adjusted by shifting.
  • the laser light 41 then passes through a beam guidance system 2, which is subdivided into a plurality of segments which can be displaced and / or rotated relative to one another, and strikes a focusing device 15, with which it is focused or focused on a surface 31 of a sample 3.
  • the plasma 31 ignited on the sample 3 emits characteristic radiation 51, which is guided over the beam guidance system 2 and along the same optical axis 4 as the laser light 41 and is fed to an analysis device 12 with the aid of a transparent mirror 17.
  • the analysis device 12 can be, for example, a commercially available wavelength-dispersive spectrometer. Emitted radiation is guided along a second optical axis 5 to a converging lens 16 and directed onto a position-sensitive detector 13.
  • the parts of the device 1 lying within a housing area 6 can be accommodated in a single housing and can thus be operated far from the sample 3 to be examined and, if necessary, serviced.
  • the radiation guidance system 2 is shown in more detail in one embodiment in FIG. 1b.
  • Individual arm segments 21 are connected to form an arm which is hollow on the inside and inside which laser light 41 and radiation 51 emitted by a plasma can be conducted.
  • the arm segments 21 have an axis of rotation A, A 'or A "about which they can be rotated relative to one another.
  • Prisms 22 are located at intersections of the axes of rotation A, A' and A" and each rotate with an arm segment 21.
  • extendable and retractable segments can of course also be provided in order to bring an arm closer to a sample 3.
  • FIG. 1c The effects of a change in position of a plasma 32 are shown in FIG. 1c. If, at the start of a measurement, a plasma 32 is ignited on a surface of a molten metal 81 by a laser beam 41 incident along an optical axis, this emits radiation, which is focused along a second optical axis by means of a lens onto a position-sensitive detector 13, such as a photodiode array, and is detected there with photodiode 13a. If a level of the molten metal 81 now rises during a measurement, an emission of the plasma 32 ′ results in a signal at the photodiode 13b.
  • a position-sensitive detector 13 such as a photodiode array
  • FIG. 2 shows an embodiment of a prism 22 as it is advantageously used in a device according to the invention.
  • the prima 22 has a prism base body 22a made of calcium fluoride (CaF 2 ) which is transparent to both laser light and radiation 51 emitted by a plasma 32.
  • Anti-reflective coatings 22b made of a fluoride are applied to the prism base body 22a and reduce the proportion of reflected laser light 41. Among other things, this can prevent significant portions of laser light 41 from being coupled back into the laser 11, which can lead to damage or even render the laser 11 unusable.
  • FIGS. 3a and 3b show mirrors 23 which are particularly suitable for use in a device according to FIG. 1.
  • a mirror 23 has a mirror base body 23a, on which a metallic coating 23b for reflecting radiation 51 emitted by the plasma is applied.
  • a dielectric coating 23c is applied to the metallic coating 23b, which effectively reflects laser light 41, but is transparent to emitted radiation 51.
  • FIG. 3b An alternative arrangement of coatings on the mirror base body 23a is shown in FIG. 3b. In this alternative, they are metallic
  • Coating 23b on one side of the mirror base body 23a and a dielectric coating 23c applied on an opposite side This proves to be an advantage when a device 1 according to the invention is used at high temperatures, for example when determining the chemical composition of a molten steel.
  • Metallic coating 23b and dielectric coating 23c, which have significantly different coefficients of thermal expansion, are then insulated from one another. Therefore, the metallic coating 23b can expand with increasing temperature without influencing the dielectric coating 23b.
  • a jet switch 7, its mode of operation and various configurations are illustrated in FIGS. 4 to 6.
  • laser light can be fed from a device through a beam splitter 7 to different beam arms 2, 2 ', 2 ", which guide the laser light to metal melts 81, 81', 81" located in metallurgical vessels 8, 8 ', 8 "
  • Plasma emissions can also be directed to a device 1 via beam arms 2 and beam splitter 7 and analyzed there.
  • a prism 22 is provided in the beam splitter 7, which can be rotated about an axis A and thus can feed light to different beam arms 2 or can feed light from individual beam arms 2 to a device 1.
  • a beam splitter 7 can also have a linearly displaceable prism 22 with which individual beam arms 2 can be used to supply or remove light.

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Abstract

The invention relates to a device and a method for determination of the chemical composition of solid, liquid or gaseous compositions, in particular, fused metals, by means of laser-induced plasma spectroscopy (LIPS). According to the invention, a device is disclosed, permitting rapid, reliable, simple and highly accurate changes to a separation of sample materials (3) from a focussing device (15) for laser light, in particular, for the observation of fused metals with prevention of erroneous measurements, said device comprising a laser source (11), for the generation of laser light, selected optical components (22) and a focussing device for focussing the laser light on a surface of the solid or liquid material, or for introduction thereof into the gaseous material and to generate a plasma therein, an analytical device (12), for determining the chemical composition of the material by means of spectral analysis of the radiation emitted by said plasma and a position-sensitive detector (13) for the radiation emitted by the plasma. Furthermore, the laser light and the plasma radiation emitted for determining the chemical composition are directed along a first optical axis (4) and the additional plasma radiation, required for determination of the separation is directed along a second optical axis (5), different to the first optical axis, to the position sensitive detector.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen StoffenDevice and method for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, insbesondere Metallschmelzen, durch Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie zum Gegenstand.The subject of the invention is a device for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances, in particular metal melts, by means of laser-induced plasma spectroscopy.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, insbesondere Metallschmelzen, durch Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie, wobei Laserlicht über eine Fokussiereinrichtung entlang einer ersten optischen Achse auf eine Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. in den gasförmigen Stoff gelenkt und dort ein Plasma gezündet wird und wobei die vom Plasma emittierte Strahlung zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung spektral analysiert wird.The invention further relates to a method for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances, in particular metal melts, by laser-induced plasma spectroscopy, laser light being directed onto a surface of the solid or liquid substance or via a focusing device along a first optical axis directed into the gaseous substance and a plasma is ignited there and the radiation emitted by the plasma is spectrally analyzed to determine the chemical composition.
II
In großtechnischen Prozessen kann eine chemische Analyse von Stoffen oder Materialien, welche an einer bestimmten Stelle im Prozessablauf vorliegen, für eine Prozesskontrolle und Prozesssteuerung wichtige Erkenntnisse wieIn industrial processes, a chemical analysis of substances or materials that are present at a certain point in the process flow can provide important insights such as for process control and process control
Reaktionsumsatz, Reinheit eines Produktes oder Kinetik einer Reaktion liefern. Spezielle spektroskopische Verfahren, welche es ermöglichen, die chemische Zusammensetzung eines Materials genau zu bestimmen, werden heute dazu in vielen Bereichen der industriellen Chemie und Metallurgie eingesetzt.Provide reaction sales, purity of a product or kinetics of a reaction. Special spectroscopic methods that make it possible to determine the chemical composition of a material precisely are used today in many areas of industrial chemistry and metallurgy.
Während es bei einer Prozesskontrolle viele Jahre üblich war, an verschiedenen Stellen eines Prozessablaufes Probenmaterial zu entnehmen und dieses anschließend zum Zwecke einer spektroskopischen Untersuchung in ein Labor zu bringen, geht nunmehr der Trend dahin, derartige Untersuchungen unmittelbar vor Ort durchzuführen, um eine Analysenzeit zu verkürzen und im Prozess auftretende Probleme allenfalls schneller erkennen zu können. Eine spektroskopische Methode, die sich zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Stoffes an einer beliebigen Stelle eines Prozesses grundsätzlich besonders eignet, ist die Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie (kurz: LIPS). Mit dieser Methode lässt sich in kurzer Zeit mit vernachlässigbarem Verbrauch an Analysenmaterial die chemischeWhile it was common for process control for many years to take sample material at various points in a process sequence and then bring it to a laboratory for the purpose of spectroscopic analysis, the trend is now to carry out such analyzes directly on site in order to shorten an analysis time and to be able to recognize problems occurring in the process more quickly at best. Laser-induced plasma spectroscopy (short: LIPS) is a spectroscopic method that is particularly suitable for determining the composition of a substance at any point in a process. With this method, the chemical can be used in a short time with negligible consumption of analysis material
Zusammensetzung eines Stoffes bestimmen. So kann beispielsweise die chemische Zusammensetzung einer in einem metallurgischen Gefäß befindlichen Metallschmelze und gegebenenfallsDetermine the composition of a substance. For example, the chemical composition of a molten metal located in a metallurgical vessel and, if appropriate
Zusammensetzungsänderungen der Schmelze prinzipiell rasch ermittelt bzw. verfolgt werden. Da die Messungen unmittelbar am bzw. im Falle eines Gases in dem zu untersuchenden Stoff durchgeführt werden können, ist eine Probenentnahme nicht notwendig. Deswegen können mit dieser spektroskopischen Methode Stoffe aller Aggregatzustände ohne nennenswerten Materialverlust untersucht werden.Changes in the composition of the melt can in principle be determined or tracked quickly. Since the measurements can be carried out directly on or in the case of a gas in the substance to be examined, it is not necessary to take a sample. Therefore, with this spectroscopic method, substances of all physical states can be investigated without any significant loss of material.
Eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma- Spektroskopie umfasst eine Laserquelle zur Erzeugung von Laserlicht und eine Fokussiereinrichtung mit welcher das erzeugte Laserlicht beispielsweise auf eine zu untersuchende Metallschmelze in Form eines Laserspots fokussiert wird. Erreicht die Leistung des auf das Material fokussierten Laserlichts einen Schwellwert, so wird an der Oberfläche der Metallschmelze im Bereich des Laserspots Material verdampft und ein Plasma gezündet. Dieses Plasma emittiert elektromagnetische Strahlung, welche für die chemische Zusammensetzung der Metallschmelze an der Stelle des Laserspots charakteristisch ist. Mit einer geeigneten Analyseeinrichtung, welche ein weiterer Bestandteil solcher Vorrichtungen ist, kann eine qualitative und quantitative spektrale Analyse der vom Plasma emittierten Strahlung durchgeführt werden und so eine chemische Zusammensetzurig~errriittelt werden. Je nach Lage und Entfernung von Laser und Analyseeinrichtung zum untersuchten Material können zusätzlich optische Komponenten vorgesehen sein, welche Laserlicht zum Material oder emittiertes Plasmalicht zur Analyseeinrichtung leiten. Damit mittels Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie korrekte und reproduzierbare Aussagen über die chemische Zusammensetzung eines Stoffes gemacht werden können, ist es erforderlich, dass während einer Messung der Laserstrahldurchmesser bzw. die Leistungsdichte des Laserlichts an der untersuchten Probe konstant ist. Ist die Laserlichtleistung nicht konstant, so werden die Plasmaeigenschaften beeinflusst, wodurch es zu erheblichen Variationen von Analyseergebnissen kommen kann und die Reproduzierbarkeit negativ beeinflusst wird.A known device for performing laser-induced plasma spectroscopy comprises a laser source for generating laser light and a focusing device with which the generated laser light is focused, for example, on a metal melt to be examined in the form of a laser spot. If the power of the laser light focused on the material reaches a threshold value, material is evaporated on the surface of the molten metal in the area of the laser spot and a plasma is ignited. This plasma emits electromagnetic radiation, which is characteristic of the chemical composition of the molten metal at the location of the laser spot. With a suitable analysis device, which is another component of such devices, a qualitative and quantitative spectral analysis, the radiation emitted by the plasma are carried out and so a chemical composing Obergurig ~ be errriittelt. Depending on the position and distance of the laser and the analysis device from the material being examined, additional optical components can be provided which guide laser light to the material or emitted plasma light to the analysis device. So that correct and reproducible statements about the chemical composition of a substance can be made by means of laser-induced plasma spectroscopy, it is necessary that the laser beam diameter or the power density of the laser light on the examined sample is constant during a measurement. If the laser light output is not constant, the plasma properties are influenced, which can lead to considerable variations in the analysis results and the reproducibility is negatively influenced.
Das vorstehende Erfordernis ist bei Anwendung von LIPS in einer industriellen Umgebung selbstredend schwer zu erfüllen. Mechanische Störungen wie Erschütterungen und thermische Beanspruchungen sowie temporär auftretende Hindernisse in der optischen Wegstrecke für das Laserlicht wie aufgewirbelter Schmutz und Staub stellen nicht nur für die sensiblen optischen Geräte Schädigungsquellen dar, sondern können auch in unerwünschten Veränderungen der Laserlichtleistung während einer Messung resultieren, z.B. durch Verstellung der Position einzelner optischer Komponenten. Dies trifft insbesondere für Umgebungen zu, in denen die vorgenannten Belastungen und Beanspruchungen allesamt sehr hoch sind, wie in der Hüttenindustrie.The above requirement is of course difficult to meet when using LIPS in an industrial environment. Mechanical disturbances such as vibrations and thermal stresses as well as temporarily occurring obstacles in the optical path for the laser light such as whirled up dirt and dust are not only sources of damage for the sensitive optical devices, but can also result in undesired changes in the laser light output during a measurement, e.g. by adjusting the position of individual optical components. This is particularly true for environments in which the aforementioned loads and strains are all very high, such as in the metallurgical industry.
In diesem Zusammenhang ist besonders zu erwähnen, dass eine Hauptfehlerquelle für nicht korrekte Messergebnisse eine Variation des Abstandes von Fokussiereinrichtung zum zu untersuchenden Stoff bzw. Material darstellt. Ändert sich dieser Abstand, so ändert sich damit auch die Laserlichtleistung an einer Oberfläche bzw. im Material, was in der Folge eine Verfälschung von Analysenergebnissen bedingen kann.In this context, it should be mentioned that a main source of error for incorrect measurement results is a variation in the distance from the focusing device to the substance or material to be examined. If this distance changes, the laser light output on a surface or in the material also changes, which can result in the falsification of analysis results.
Bei Untersuchungen von Metallschmelzen in Konvertern durch Unterbaddüsen ist dieses Problem in besonderem Maße ausgeprägt, weil zu den vorstehend angeführten Belastungen hinzukommt, dass auf Grund eines Abtrags von feuerfester Auskleidungsmasse ein Abstand der Fokussiereinrichtung zur Schmelzenoberfläche variabel ist. Speziell die Tatsache, dass sich ein Füllstand von Gefäßen im Zuge eines Produktionsprozesses auch ständig ändern kann, stellt ein Problem bei Messungen dar. Man ist daher bestrebt, möglicht exakt den erwähnten Abstand zu bestimmen, so dass Abweichungen von einem Sollwert registrierbar sind und gegebenenfalls korrigiert werden können.This problem is particularly pronounced in the investigation of molten metal in converters by underbath nozzles, because in addition to the above-mentioned loads there is a distance between the focusing device and the refractory lining material due to removal Melt surface is variable. In particular, the fact that a fill level of vessels can change constantly in the course of a production process represents a problem with measurements. The aim is therefore to determine the distance mentioned exactly, so that deviations from a target value can be registered and corrected if necessary can be.
In US 4,986,658 ist vorgeschlagen, bei einer Ll PS-Vorrichtung einen Diodenlaser und einen mit diesem zusammenarbeitenden Phototransistor zur Ermittlung eines Abstandes einer Fokussiereinrichtung zu einer Metallschmelze einzusetzen. Dabei wird Laserlicht vom Diodenlaser in einem Einfallswinkel auf die Metalloberfläche gerichtet bzw. gelenkt, von dieser reflektiert und dem Phototransistor zugeleitet. Aus der mit dem Phototransistor gemessen Intensität des reflektierten Laserlichts soll der genannte Abstand bestimmbar sein. Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass bei Bewegungen der Schmelzeoberfläche das einfallende Laserlicht unkontrolliert in verschiedene Richtungen reflektiert wird und in der Folge nicht, wie gewünscht und erforderlich, zum Phototransistor gelangt.US Pat. No. 4,986,658 proposes to use a diode laser and a phototransistor which cooperates with it to determine a distance between a focusing device and a metal melt in a Ll PS device. Laser light is directed or directed by the diode laser at an angle of incidence onto the metal surface, reflected by it and fed to the phototransistor. The stated distance should be determinable from the intensity of the reflected laser light measured with the phototransistor. A disadvantage of this method is, however, that when the melt surface moves, the incident laser light is reflected in different directions in an uncontrolled manner and consequently does not reach the phototransistor as desired and required.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass mit Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik eine genaue Ermittlung eines Abstandes von Fokussiereinrichtung zu einer untersuchten Probenstelle insbesondere bei in hohem Maße reflektierenden und gegebenenfalls in Bewegung befindlichen Proben wie metallischen Schmelzen Probleme bereitet, weshalb die Bestimmung einer chemischen Zusammensetzung von Stoffen mit Laser-induzierter-Plasma- Spektroskopie zu falschen Ergebnissen führen kann.In practice, it has been shown that with devices according to the prior art, a precise determination of a distance from the focusing device to an examined sample location is problematic, in particular in the case of highly reflective and possibly moving samples such as metallic melts, which is why the determination of a chemical composition of substances with laser-induced plasma spectroscopy can lead to incorrect results.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der rasch, zuverlässig und in einfacher Weise sowie mit hoher Genauigkeit Veränderungen eines Abstands von Probenmaterial zu Fokussiereinrichtung beobachtbar sind. Weiters ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem rasch, zuverlässig und in einfacher Weise mit hoher Genauigkeit Veränderungen eines Abstands von Probenmaterial zu Fokussiereinrichtung bestimmt werden kann.The object of the invention is to eliminate these disadvantages and to provide a device of the type mentioned at the outset with which changes in a distance from sample material to focusing device can be observed quickly, reliably and in a simple manner and with high accuracy. It is also the object of the invention to provide a method of the type mentioned at the outset with which changes in a distance from sample material to focusing device can be determined quickly, reliably and in a simple manner with high accuracy.
Die gestellte Aufgabe löst eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 19.The object is achieved by a device according to claim 1. Advantageous embodiments of a device according to the invention are the subject of claims 2 to 19.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass Veränderungen in der Position eines emittierenden Plasmas mittels eines positionsempfindlichen Detektors exakt beobachtbar sind. Dies trifft sowohl auf eine Änderung einer lateralen Position des Plasmas als auch auf eine Verschiebung des Plasmas entlang einer Richtung von einfallendem Laserlicht zu. Es ist nun auch möglich, rasch und zuverlässig den Abstand des Plasmas zur Fokussiereinrichtung festzustellen und bei einer Abweichung vom Sollwert diesen Abstand nachzujustieren; alternativ kann dazu die Laserleistung nachgeregelt werden, um eine Leistungsdichte des Laserlichts auf bzw. in der Probe konstant zu halten.The advantages achieved with the invention can be seen in particular in the fact that changes in the position of an emitting plasma can be precisely observed by means of a position-sensitive detector. This applies both to a change in a lateral position of the plasma and to a shift of the plasma along a direction of incident laser light. It is now also possible to quickly and reliably determine the distance between the plasma and the focusing device and to adjust this distance if there is a deviation from the target value; alternatively, the laser power can be readjusted in order to keep a power density of the laser light on or in the sample constant.
Von Vorteil ist weiters auch, dass durch einen erfindungsgemäß vorgesehenen positionsempfindlichen Detektor für eine vom Plasma emittierte Strahlung keine weiteren Einrichtungen für eine Abstandsmessung, vor allem auch keine weiteren eigens zur Abstandsmessung eingesetzten Laser, erforderlich sind und die Vorrichtung daher im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen einfacher aufgebaut sein kann.It is also advantageous that a position-sensitive detector according to the invention for radiation emitted by the plasma does not require any further devices for distance measurement, especially no further lasers used specifically for distance measurement, and the device is therefore of a simpler design than known devices can be.
Insbesondere in Bezug auf metallische Schmelzen kommt als weiterer Vorteil zum Tragen, dass mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Abstandsmessung durch Ermittlung der Position des Plasmas durchgeführt wird, weswegen ein hohes Reflexionsvermögen von Metallschmelzen im Hinblick auf eine Messung ohne Belang ist. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung und außerdem aus den anhand von Figuren erläuterten Ausführungsformen.In particular with regard to metallic melts, it is a further advantage that a distance measurement is carried out with a device according to the invention by determining the position of the plasma, which is why a high reflectivity of metal melts is irrelevant with regard to a measurement. Further advantages of the invention result from the context of the description and also from the embodiments explained with reference to figures.
Es ist bevorzugt, wenn der positionsempfindliche Detektor ein Photodiodenarray oder ein Zeilenkamerasystem ist, weil derartige Detektoren robust und in Kleinbauweise einsetzbar sind und somit zu einem platzsparenden Aufbau einer Vorrichtung beitragen können.It is preferred if the position-sensitive detector is a photodiode array or a line-scan camera system, because such detectors are robust and can be used in a small design and can thus contribute to a space-saving construction of a device.
Optische Komponenten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung umfassen mit Vorteil Spiegel und/oder Prismen, um Laserlicht vom Laser auf bzw. in einen zu untersuchenden Stoff zu führen. Laserlicht kann in diesem Fall über weite Wegstrecken geleitet werden, ohne dass eine hohe Divergenz des Laserlichts auftritt und/oder große Intensitätsveriuste gegeben sind. Im Vergleich dazu sind bei Lichtleitung über eine Glasfaseroptik Intensitätsverluste gegeben und es kann zu erheblichen Divergenzerscheinungen kommen. Es ist auch problematisch, hohe Laserleistungen über eine Glasfaser zu leiten. Überdies kann bei Leitung des Laserlichtes über Glasfaseroptik die Polarisation des Lichtes verloren gehen.Optical components of a device according to the invention advantageously comprise mirrors and / or prisms in order to guide laser light from the laser onto or into a substance to be examined. In this case, laser light can be guided over long distances without a high divergence of the laser light occurring and / or large intensity losses. In comparison, there is a loss of intensity in the case of light conduction via glass fiber optics and considerable divergence phenomena can occur. It is also problematic to conduct high laser powers over an optical fiber. In addition, the polarization of the light can be lost when the laser light is guided via glass fiber optics.
In einer vorteilhaften Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vom Plasma emittierte Strahlung über die optischen Komponenten zur Analyseneinrichtung zuführbar. Laserlicht und emittierte Strahlung können dann über dieselben optischen Komponenten gelenkt werden und ein Aufwand an optischen Komponenten ist gering.In an advantageous embodiment of a device according to the invention, radiation emitted by the plasma can be fed to the analysis device via the optical components. Laser light and emitted radiation can then be directed via the same optical components and there is little expenditure on optical components.
Ähnlich ist es von Vorteil, wenn diffus reflektiertes Laseriicht über die optischen Komponenten einem Messgerät zuführbar ist. Es können dann weitere spektroskopische Informationen gewonnen werden, ohne dass zusätzliche Einrichtungen wie Glasfaserkabel notwendig sind. Letzteres trifft insbesondere auch dann zu, wenn vom Plasma emittierte Strahlung über die optischen Komponenten zum Detektor zuführbar ist. In dieser Variante der Erfindung kann mit einer einzigen Anordnung optischer Komponenten Laserlicht vom Laser zur Probe und emittiertes Licht vom Plasma zum positionsempfindlichen Detektor geleitet werden.Similarly, it is advantageous if diffusely reflected laser cannot be fed to a measuring device via the optical components. Further spectroscopic information can then be obtained without the need for additional devices such as glass fiber cables. The latter also applies in particular if radiation emitted by the plasma can be fed to the detector via the optical components. In this variant of the invention, laser light can be guided from the laser to the sample and emitted light from the plasma to the position-sensitive detector with a single arrangement of optical components.
Ist mittels optischer Komponenten einerseits entlang einer ersten optischen Achse Laseriicht vom Laser zur Probe und emittierte Strahlung vom Plasma zur Analyseneinrichtung leitbar und ist andererseits mit denselben optischen Komponenten emittierte Strahlung entlang einer zweiten optischen Achse einem positionssensitiven Detektor zuführbar, so können Laser und Untersuchungseinheiten in sicherer Distanz zum Messort bzw. zur Beprobungsstelle angeordnet sein, was insbesondere bei Gebrauch einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Hüttenindustrie von großem Vorteil ist. Solchenfalls ist es auch möglich, die in Bezug auf Staub und Schmutz sensiblen optischen Geräte in einem einzigen Gehäuse unterzubringen und somit gegen allfällige Umwelteinflüsse wirkungsvoll zu schützen.If, on the one hand, laser light can be conducted from the laser to the sample and emitted radiation from the plasma to the analysis device along a first optical axis by means of optical components and, on the other hand, radiation emitted with the same optical components can be fed to a position-sensitive detector along a second optical axis, lasers and examination units can be at a safe distance be arranged to the measuring location or to the sampling point, which is of great advantage particularly when using a device according to the invention in the metallurgical industry. In such a case, it is also possible to accommodate the optical devices, which are sensitive to dust and dirt, in a single housing and thus effectively protect them against any environmental influences.
Hinsichtlich einer möglichst verlustfreien Leitung von Laserlicht vom Laser auf bzw. in eine Probe, hat es sich als sehr zweckmäßig erwiesen, wenn zumindest ein Teil der optischen Komponenten mit einer Antireflexschicht versehen ist. Andernfalls kommt es bei einem senkrechten Einfall von Laserlicht auf optische Komponenten zu Verlusten durch Reflexionen. Insbesondere wenn eine Vielzahl von optischen Komponenten vorgesehen ist, können die daraus resultierenden Verluste erheblich sein, weil sich beispielsweise in Luft und bei senkrechten Einfall von Laserlicht auf eine optische Komponente aus Glas Rückreflexionen von jeweils etwa 4 % ergeben. Durch Antireflexschichten ist nun weitgehend verhindert, dass Laseriicht in die Laserquelle zurück einkoppelt. Es versteht sich, dass in einer sehr günstigen Ausführungsform alle optischen Komponenten mit einer Antireflexschicht versehen sind. Im Kontext damit ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Antireflexschicht aus einer im Wellenlängenbereich von 120 nm bis 1500 nm strahlungsdurchlässigen Schicht besteht, weil in diesem Fall dieselben optischen Komponenten auch zur Leitung von Plasma emittierter Strahlung verwendet werden können.With regard to a loss-free conduction of laser light from the laser onto or into a sample, it has proven to be very expedient if at least some of the optical components are provided with an antireflection layer. Otherwise, there will be losses due to reflections if laser light is incident vertically on optical components. In particular if a large number of optical components are provided, the losses resulting therefrom can be considerable, for example in the air and when laser light is incident vertically on an optical component made of glass, back reflections of about 4% in each case. Antireflection layers now largely prevent laser light from coupling back into the laser source. It goes without saying that in a very favorable embodiment, all optical components are provided with an anti-reflective layer. In this context, it is particularly advantageous if an antireflection layer consists of a layer which is transparent to radiation in the wavelength range from 120 nm to 1500 nm, because in this case the same optical components can also be used to conduct plasma-emitted radiation.
Im weiteren Zusammenhang haben sich zur Lichtleitung Prismen aus Calciumfluorid besonders bewährt. Auf Prismen aus diesem Material können Fluoridverbindungen, welche bis in den UV-Bereich bis zu 120 Nanometer ausreichende Transparenz aufweisen, einfach und in hoher optischer Güte abgeschieden werden. Ein Vorteil einer Abscheidung von Fluoriden auf Calciumfluorid besteht darin, dass bei diesen Materialpaarungen eine große Haftfestigkeit der abgeschiedenen Schicht und eine hohe thermische und mechanische Stabilität von Prismen insgesamt erzielt werden kann.In the broader context, prisms made of calcium fluoride have proven particularly useful for guiding light. Fluoride compounds with sufficient transparency down to the UV range of up to 120 nanometers can be deposited easily and with high optical quality on prisms made of this material. An advantage of a deposition of fluorides on calcium fluoride is that a great adhesive strength of the deposited layer and a high thermal and mechanical stability of prisms overall can be achieved with these material pairs.
Wenn die optischen Komponenten zumindest einen mit einer dielektrischen Schicht und einer metallischen Beschichtung versehenen Spiegel aufweisen, so kann einerseits mit Hilfe der metallischen Beschichtung Laserlicht und andererseits mit Hilfe der dielektrischen Schicht vom Plasma emittierte Strahlung effektiv in eine beliebige Richtung gelenkt werden.If the optical components have at least one mirror provided with a dielectric layer and a metallic coating, laser light on the one hand and on the other hand with the aid of the dielectric layer radiation emitted by the plasma can be effectively directed in any direction with the aid of the metallic coating.
Dabei ist ein Spiegel vorteilhaft auf einer Oberfläche mit einer metallischen Beschichtung und auf einer gegenüberliegenden Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht versehen, wobei die dielektrische Schicht sowie die zwischen den Oberflächen befindlichen Teile des Spiegels imIn this case, a mirror is advantageously provided with a metallic coating on one surface and with a dielectric layer on an opposite surface, the dielectric layer and the parts of the mirror located between the surfaces in the
Wellenlängenbereich von 120 nm bis 1500 nm transparent sind. Durch eine solche Ausbildung wird ein Absplittern von dielektrischen Schichten bei Temperaturschwankungen verhindert, welches, wenn eine dielektrische Schicht unmittelbar auf einer metallischen Schicht aufgebracht ist, wegen deutlich unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichten auftreten kann. Wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrolle metallurgischer Prozesse eingesetzt werden soll, ist es günstig, wenn zumindest ein Teil der optischen Komponenten und die Fokussiereinrichtung in einem einen Hohlraum aufweisenden Arm angeordnet sind. Die optischen Komponenten sind so in einfacher Weise vor Staub und Schmutz geschützt.Wavelength ranges from 120 nm to 1500 nm are transparent. Such a design prevents the dielectric layers from splintering in the event of temperature fluctuations, which, if a dielectric layer is applied directly to a metallic layer, can occur because of significantly different coefficients of thermal expansion of the layers. If a device according to the invention is to be used to control metallurgical processes, it is advantageous if at least some of the optical components and the focusing device are arranged in an arm which has a cavity. The optical components are thus protected from dust and dirt in a simple manner.
Eine hohe Flexibilität der Leitung von Laserlicht und allenfalls von vom Plasma emittierter Strahlung wird erreicht, wenn der Arm relativ zueinander verschiebbare und/oder drehbare Segmente aufweist.A high degree of flexibility in the conduction of laser light and at most radiation emitted by the plasma is achieved if the arm has segments which can be displaced and / or rotated relative to one another.
Dabei ist es im Hinblick auf eine große Bewegungsfreiheit des Armes in allen Raumrichtungen bei gleichzeitig einfacher Lichtleitung günstig, wenn der Arm ein oder mehrere Gelenke aufweist und an den jeweiligen Gelenkstellen ein Spiegel oder Prisma zur Umlenkung von Laserlicht bzw. emittierter Strahlung vorgesehen sind.In view of a large freedom of movement of the arm in all spatial directions with simultaneous simple light conduction, it is advantageous if the arm has one or more joints and a mirror or prism is provided at the respective joint points for deflecting laser light or emitted radiation.
Um allfällige Änderungen einer Laserintensität auf der Probe bzw. in der Probe kompensieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Fokussiereinrichtung bewegbar, insbesondere verschiebbar, ist.In order to be able to compensate for any changes in a laser intensity on the sample or in the sample, it is advantageous if the focusing device is movable, in particular displaceable.
Bevorzugt ist, wenn eine Regeleinrichtung für eine Bewegung der Fokussiereinrichtung in Abhängigkeit einer vom positionsempfindlichen Detektor gemessenen Position oder Intensität der emittierten Strahlung oder in Abhängigkeit eines von der Analyseeinrichtung gemessenen Spektrums vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Laserleistung auf bzw. in der Probe während eines Messung konstant zu halten.It is preferred if a control device is provided for a movement of the focusing device depending on a position or intensity of the emitted radiation measured by the position-sensitive detector or depending on a spectrum measured by the analysis device. This configuration makes it possible to keep the laser power on or in the sample constant during a measurement.
Für den Fall, dass eine Fokussiereinrichtung ortsfest gehalten oder fixiert ist, ist es bevorzugt, wenn die Vorrichtung eine Korrektureinrichtung zur Einstellung eines Strahldurchmessers von Laserlicht aufweist. Eine zusätzlicheIn the event that a focusing device is held or fixed in place, it is preferred if the device has a correction device for setting a beam diameter of laser light. An additional
Regeleinrichtung zur automatischen Anpassung des Strahldurchmessers in Abhängigkeit einer vom positionsempfindlichen Detektor gemessenen Position oder Intensität der emittierten Strahlung oder in Abhängigkeit eines von der Analyseeinrichtung gemessenen Spektrums bietet während einer Messung den Vorteil geregelt konstanter Laserleistung auf bzw. in der Probe.Control device for automatic adjustment of the beam diameter depending on a position measured by the position sensitive detector or intensity of the emitted radiation or as a function of a spectrum measured by the analysis device offers the advantage of controlled constant laser power on or in the sample during a measurement.
In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung bilden die optischen Komponenten ein erstes Lichtleitsystem und weitere optische Komponenten zumindest ein zweites Lichtleitsystem, wobei die Vorrichtung eine Lichtweiche aufweist, durch welche Laserlicht und/oder emittierte Strahlung den jeweiligen Lichtleitsystemen bzw. von den Lichtleitsystemen der Analyseneinrichtung und/oder dem Detektor wahlweise zuleitbar ist. Mit einer Vorrichtung gemäß dieser Variante können zum einen chemische Analysen rasch an verschiedenen Orten durchgeführt werden, was insbesondere für eine lückenlose Prozesskontrolle sehr wichtig sein kann. Zum anderen kann unabhängig vom Messort dieselbe Laserquelle und dieselbe Analyseneinrichtung bzw. derselbe positionsempfindliche Detektor eingesetzt werden. Ein apparativer Aufwand ist daher minimiert.In a particularly preferred variant of the invention, the optical components form a first light guide system and further optical components form at least one second light guide system, the device having a light switch through which laser light and / or emitted radiation can pass through the respective light guide systems or from the light guide systems of the analysis device and / or can optionally be fed to the detector. With a device according to this variant, on the one hand, chemical analyzes can be carried out quickly at different locations, which can be very important, in particular, for seamless process control. On the other hand, the same laser source and the same analysis device or the same position-sensitive detector can be used regardless of the measurement location. Equipment expenditure is therefore minimized.
Das verfahrensmäßige Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Intensität von vom Plasma emittierter Strahlung an einer von der optischen Achse des Laserlichtes verschiedenen zweiten optischen Achse positionsempfindlich gemessen und daraus ein Abstand der Fokussiereinrichtung von der Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. eine Position des Plasmas im gasförmigen Stoff bestimmt wird.The procedural aim of the invention is achieved in that, in a method of the type mentioned at the outset, the intensity of radiation emitted by the plasma is measured in a position-sensitive manner on a second optical axis that differs from the optical axis of the laser light, and from this a distance of the focusing device from the surface of the fixed or liquid substance or a position of the plasma in the gaseous substance is determined.
Die verfahrensmäßig erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass Veränderungen im Abstand von Fokussiereinrichtung zum Plasma bzw. laterale Positionsänderungen des Plasmas einfach und rasch erkennbar sind und daher korrigierbar sind.The advantages achieved in terms of the method can be seen in particular in the fact that changes in the distance from the focusing device to the plasma or lateral changes in the position of the plasma can be recognized easily and quickly and can therefore be corrected.
Das Verfahren ermöglicht es weiters Positionsänderungen sehr genau festzustellen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben eingesetzt wird. In diesem Fall kann eine optische Wegstrecke vom Plasma zu einem positionsempfindlichen Detektor ein oder mehrere Meter betragen. Kleine Änderungen in der Position des Plasmas ergeben dann große Verschiebungen am Detektor. Anders ausgedrückt: Eine Messung erfolgt mit besonderer Genauigkeit.The method also enables position changes to be determined very precisely. This applies in particular if a device as described above is used to carry out the method. In In this case, an optical path from the plasma to a position-sensitive detector can be one or more meters. Small changes in the position of the plasma then result in large shifts in the detector. In other words: a measurement is made with particular accuracy.
Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gegeben, dass Veränderungen einer Plasmaposition mit geringem apparativen Aufwand beobachtet werden können, weil Emissionen des für eine Analyse einer chemischen Zusammensetzung ohnehin notwendigen Plasmas ausgenützt werden.A further advantage of a method according to the invention is given in that changes in a plasma position can be observed with little outlay on equipment, because emissions of the plasma which is anyway necessary for analyzing a chemical composition are used.
Ein Vorteil liegt insbesondere darin, dass ein Verfahren gemäß der Erfindung auch bei einer Untersuchung von metallischen Schmelzen anwendbar ist, bei denen herkömmliche Methoden einer Abstandsmessung unzuverlässig oder nicht anwendbar sind.An advantage lies in particular in the fact that a method according to the invention can also be used in the investigation of metallic melts, in which conventional methods of distance measurement are unreliable or not applicable.
Hinsichtlich einer hohen Genauigkeit einer Messung und einer Ausschaltung möglicher Messfehler ist es günstig, wenn der Abstand der Fokussiereinrichtung von der Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. vom Plasma im gasförmigen Stoff kontinuierlich bestimmt und automatisch geregelt wird.With regard to the high accuracy of a measurement and the elimination of possible measurement errors, it is advantageous if the distance of the focusing device from the surface of the solid or liquid substance or from the plasma in the gaseous substance is continuously determined and automatically regulated.
Besonders günstig ist es, wenn über die gemessene Intensität der vom Plasma emittierten Strahlung eine Korrektureinrichtung zur Variation einesIt is particularly expedient if, via the measured intensity of the radiation emitted by the plasma, a correction device for varying a
Strahldurchmessers des Laserlichts geregelt wird. In diesem Fall können Änderungen im Abstand von Plasma zu Fokussiereinrichtung und damit einhergehende Änderungen in der Laserleistung an der Probe durch Aufweitung oder Einengung des Laserstrahls kompensiert werden. Da eine Variation des Laserstrahldurchmessers unmittelbar nach Austritt des Laserlichts aus der Laserquelle möglich ist, kann die Laserlichtleistung weitab der Beprobungsstelle einfach nachjustiert werden. Die in Probennähe befindliche Fokussiereinrichtung kann ortfest gehalten werden.Beam diameter of the laser light is regulated. In this case, changes in the distance from the plasma to the focusing device and the associated changes in the laser power on the sample can be compensated for by widening or narrowing the laser beam. Since a variation of the laser beam diameter is possible immediately after the laser light emerges from the laser source, the laser light output can be far from that Sampling point can be easily readjusted. The focusing device located near the sample can be kept stationary.
Bevorzugt ist es verfahrensmäßig weiters, wenn das Laserlicht und die emittierte Strahlung zumindest teilweise über dieselben optischen Komponenten geführt werden. Einrichtungen wie Laserquelle, Analyseeinrichtung sowie Detektor können in diesem Fall in sicherer Entfernung zum Messort aufstellt werden. Dies ermöglicht auch eine einfache Wartung bzw. gegebenenfalls Reparatur der genannten Einrichtungen.In terms of the method, it is further preferred if the laser light and the emitted radiation are guided at least partially over the same optical components. In this case, devices such as the laser source, analysis device and detector can be set up at a safe distance from the measuring location. This also enables simple maintenance or, if necessary, repair of the facilities mentioned.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird einfallendes Laserlicht über die Oberfläche gerastert bzw. über eine Fläche geführt. Dadurch wird bei einer Bestimmung einer chemischen Zusammensetzung beispielsweise einer Metallschmelze ein Mittelwert erhalten und Messverfälschungen, welche durch Inhomogenitäten an der Schmelzenoberfläche verursacht sind, reduziert. Ein Rastern kann in einfacher Weise durchgeführt werden, indem ein Spiegel oder Prisma im Strahlengang gedreht wird, wodurch das Laserlicht seine Richtung ändert.In a preferred variant of the method, incident laser light is scanned over the surface or guided over a surface. As a result, an average value is obtained when determining a chemical composition, for example of a metal melt, and measurement falsifications, which are caused by inhomogeneities on the melt surface, are reduced. Scanning can be carried out in a simple manner by rotating a mirror or prism in the beam path, as a result of which the laser light changes its direction.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von beispielhaften Ausführungsformen noch weiter erläutert.The invention is further explained below using exemplary embodiments.
Es zeigenShow it
Figur 1a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Figur 1 b einen Arm zur StrahlführungFigure 1a is a schematic representation of a device according to the invention Figure 1 b an arm for beam guidance
Figur 1c eine schematische Darstellung der Feststellung einerFigure 1c is a schematic representation of the discovery of a
Positionsänderung eines PlasmasChange of position of a plasma
Figur 2 ein beschichtetes PrismaFigure 2 shows a coated prism
Figur 3a einen einseitig beschichteten Spiegel Figur 3b eine zweitseitig beschichteten SpiegelFigure 3a shows a mirror coated on one side. Figure 3b shows a mirror coated on both sides
Figur 4 eine Strahlweiche mit mehreren Armen zur StrahlleitungFigure 4 shows a beam switch with several arms for beam guidance
Figur 5a eine Strahlweiche mit einem Drehgelenk Figur 5b die Strahlweiche aus Figur 5a in einer Seitenansicht5a shows a jet switch with a swivel joint 5b shows the jet switch from FIG. 5a in a side view
Figur 6 eine Strahlweiche mit verschiebbaren optischen Komponenten6 shows a beam switch with displaceable optical components
Soweit Bezugzeichen verwendet sind, haben sie die in nachstehender Liste angegebene Bedeutung.Insofar as reference symbols are used, they have the meaning given in the list below.
Liste der BezugszeichenList of reference numbers
1... Ll PS-Vorrichtung1 ... Ll PS device
11... Laserquelle11 ... laser source
12... Analyseneinrichtung12 ... analysis device
13... positionsempfindlicher Detektor13 ... position sensitive detector
13a, 13b... Photodiode13a, 13b ... photodiode
14... Zerstreuungslinse14 ... diverging lens
15... Fokussiereinrichtung15 ... focusing device
16... Sammellinse16 ... converging lens
17... halbdurchlässiger Spiegel17 ... semi-transparent mirror
2, 2', 2"... Strahlführungssystem2, 2 ', 2 "... beam guidance system
21... Armsegemente21 ... arm segments
22... Prisma22 ... prism
22a... Prismagrundkörper22a ... prism base
22b... Antireflexbeschichtung22b ... anti-reflective coating
23... Spiegel23 ... mirror
23a... Spiegelgrundkörper23a ... mirror body
23b... metallische Beschichtung23b ... metallic coating
23c... dielektrische Beschichtung23c ... dielectric coating
3, 3'... Probe3, 3 '... sample
31... Probenoberfläche31 ... sample surface
32, 32'... Plasma32, 32 '... plasma
4... optische Achse Laser4 ... optical axis laser
41... Laserlicht41 ... laser light
5... optische Achse emittierte Strahlung 51... emittierte Strahlung5 ... optical axis emitted radiation 51 ... emitted radiation
6... Gehäusebereich6 ... housing area
7... Strahlweiche7 ... jet switch
71... Umlenkeinrichtung71 ... deflection device
8... Metallurgisches Gefäß8 ... metallurgical vessel
81... Metallschmelze81 ... molten metal
A, A', I A F " • • • DrehachseA, A ', I A F "• • • axis of rotation
In Figur 1a ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt, welche sich besonders für eine Untersuchung von metallischen Schmelzen eignet.FIG. 1a shows an embodiment of a device 1 according to the invention, which is particularly suitable for examining metallic melts.
In Figur 1a ist eine Laserquelle 11, geeignet um hochenergetisches Laserlicht 41 zu generieren, dargestellt. Die Laserquelle 11 kann ein gepulster Nd:YAG- Laser sein, dessen 1064 nm Laserlinie im weiteren Verlauf der Messung verwendet wird. Das Laseriicht 41 trifft auf eine Zerstreuungslinse 14, die im Strahlengang noch vor anderen optischen Komponenten angeordnet ist und mit welcher durch Verschiebung die Strahlparameter wie Durchmesser und Divergenz des Laserlichts eingestellt werden können. Im Anschluss durchläuft das Laseriicht 41 ein Strahlführungssystem 2, welches in mehrere relativ zueinander verschiebbare und/oder drehbare Segmente unterteilt ist und trifft auf eine Fokussiereinrichtung 15, mit welcher es auf eine Oberfläche 31 einer Probe 3 gebündelt bzw. fokussiert wird.FIG. 1 a shows a laser source 11 suitable for generating high-energy laser light 41. The laser source 11 can be a pulsed Nd: YAG laser, the 1064 nm laser line of which is used in the further course of the measurement. The laser light 41 strikes a diverging lens 14, which is arranged in the beam path in front of other optical components and with which the beam parameters such as diameter and divergence of the laser light can be adjusted by shifting. The laser light 41 then passes through a beam guidance system 2, which is subdivided into a plurality of segments which can be displaced and / or rotated relative to one another, and strikes a focusing device 15, with which it is focused or focused on a surface 31 of a sample 3.
Das auf der Probe 3 gezündete Plasma 31 emittiert charakteristische Strahlung 51 , welche über Strahlführungssystem 2 und entlang derselben optischen Achse 4 wie das Laserlicht 41 geführt und mit Hilfe eines habtransparenten Spiegels 17 einer Analyseeinrichtung 12 zugeführt wird. Die Analyseeinrichtung 12 kann beispielsweise ein handelsübliches wellenlängendispersives Spektrometer sein. Entlang einer zweiten optischen Achse 5 wird emittierte Strahlung zu einer Sammellinse 16 geleitet und auf einen positionsempfindlichen Detektor 13 gelenkt.The plasma 31 ignited on the sample 3 emits characteristic radiation 51, which is guided over the beam guidance system 2 and along the same optical axis 4 as the laser light 41 and is fed to an analysis device 12 with the aid of a transparent mirror 17. The analysis device 12 can be, for example, a commercially available wavelength-dispersive spectrometer. Emitted radiation is guided along a second optical axis 5 to a converging lens 16 and directed onto a position-sensitive detector 13.
Die innerhalb eines Gehäusebereiches 6 liegenden Teile der Vorrichtung 1 können in einem einzigen Gehäuse untergebracht sein und somit fernab von der zu untersuchenden Probe 3 betrieben und gegebenenfalls gewartet werden.The parts of the device 1 lying within a housing area 6 can be accommodated in a single housing and can thus be operated far from the sample 3 to be examined and, if necessary, serviced.
Das Strahlungführungssystem 2 ist in einer Ausführungsform in Figur 1 b näher dargestellt. Einzelne Armsegmente 21 sind zu einem Arm verbunden, welcher innen hohl ist und in dessen Inneren Laserlicht 41 sowie von einem Plasma emittierte Strahlung 51 leitbar ist. Die Armsegmente 21 weisen eine Drehachse A, A' oder A" auf, um welche sie gegeneinander drehbar sind. Prismen 22 befinden sich an Kreuzungspunkten der Drehachsen A, A' und A" und drehen sich jeweils mit einem Armsegment 21 mit. Selbstverständlich können neben drehbaren Armsegmenten 21 auch ausziehbare und zusammenfahrbare Segmente vorgesehen sein, um einen Arm an eine Probe 3 anzunähern.The radiation guidance system 2 is shown in more detail in one embodiment in FIG. 1b. Individual arm segments 21 are connected to form an arm which is hollow on the inside and inside which laser light 41 and radiation 51 emitted by a plasma can be conducted. The arm segments 21 have an axis of rotation A, A 'or A "about which they can be rotated relative to one another. Prisms 22 are located at intersections of the axes of rotation A, A' and A" and each rotate with an arm segment 21. In addition to rotatable arm segments 21, extendable and retractable segments can of course also be provided in order to bring an arm closer to a sample 3.
In Figur 1c sind die Auswirkungen einer Positionsänderung eines Plasmas 32 gezeigt. Ist zu Beginn einer Messung durch einen entlang einer optischen Achse einfallenden Laserstrahl 41 ein Plasma 32 auf einer Oberfläche einer Metallschmelze 81 gezündet, so emittiert dieses Strahlung, welche entlang einer zweiten optischen Achse mittels einer Linse auf einen positionsempfindlichen Detektor 13 wie ein Photodiodenarray fokussiert wird und dort mit Photodiode 13a detektiert wird. Steigt nun während einer Messung ein Pegel der Metallschmelze 81, so resultiert eine Emission des Plasmas 32' in einem Signal an Photodiode 13b. Die erkannte Änderung des Signals von Photodiode 13a nach Photodiode 13b kann genutzt werden, um den Abstand von Fokussiereinrichtung 15 zu Oberfläche der Metallschmelze 81 zu bestimmen und allenfalls nachzuregeln. Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung eines Prismas 22, wie es vorteilhaft in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt wird. Das Prima 22 weist einen Prismagrundkörper 22a aus Calciumfluorid (CaF2) auf, welcher sowohl für Laserlicht als auch für von einem Plasma 32 emittierte Strahlung 51 durchlässig ist. Auf dem Prismagrundkörper 22a sind Antireflexbeschichtungen 22b aus einem Fluorid aufgebracht, welche den Anteil von reflektiertem Laserlicht 41 herabsetzen. Dadurch kann unter anderem verhindert werden, dass signifikante Anteile von Laserlicht 41 in den Laser 11 zurück eingekoppelt werden, was zu Schäden bis hin zur Unbrauchbarkeit des Lasers 11 führen kann.The effects of a change in position of a plasma 32 are shown in FIG. 1c. If, at the start of a measurement, a plasma 32 is ignited on a surface of a molten metal 81 by a laser beam 41 incident along an optical axis, this emits radiation, which is focused along a second optical axis by means of a lens onto a position-sensitive detector 13, such as a photodiode array, and is detected there with photodiode 13a. If a level of the molten metal 81 now rises during a measurement, an emission of the plasma 32 ′ results in a signal at the photodiode 13b. The detected change in the signal from photodiode 13a to photodiode 13b can be used to determine the distance from the focusing device 15 to the surface of the molten metal 81 and, if necessary, to readjust it. FIG. 2 shows an embodiment of a prism 22 as it is advantageously used in a device according to the invention. The prima 22 has a prism base body 22a made of calcium fluoride (CaF 2 ) which is transparent to both laser light and radiation 51 emitted by a plasma 32. Anti-reflective coatings 22b made of a fluoride are applied to the prism base body 22a and reduce the proportion of reflected laser light 41. Among other things, this can prevent significant portions of laser light 41 from being coupled back into the laser 11, which can lead to damage or even render the laser 11 unusable.
In den Figuren 3a und 3b sind Spiegel 23 dargestellt, welche sich vorzüglich zur Verwendung in einer Vorrichtung nach Figur 1 eignen. Wie in Figur 3a gezeigt, weist ein Spiegel 23 einen Spiegelgrundkörper 23a auf, auf welchem eine metallische Beschichtung 23b zur Reflexion von vom Plasma emittierter Strahlung 51 aufgebracht ist. Auf der metallischen Beschichtung 23b ist eine dielektrische Beschichtung 23c angebracht, welche Laserlicht 41 wirkungsvoll reflektiert, für emittierte Strahlung 51 jedoch transparent ist.FIGS. 3a and 3b show mirrors 23 which are particularly suitable for use in a device according to FIG. 1. As shown in FIG. 3a, a mirror 23 has a mirror base body 23a, on which a metallic coating 23b for reflecting radiation 51 emitted by the plasma is applied. A dielectric coating 23c is applied to the metallic coating 23b, which effectively reflects laser light 41, but is transparent to emitted radiation 51.
Eine alternative Anordnung von Beschichtungen auf dem Spiegelgrundkörper 23a ist in Figur 3b gezeigt. In dieser Alternative sind eine metallischeAn alternative arrangement of coatings on the mirror base body 23a is shown in FIG. 3b. In this alternative, they are metallic
Beschichtung 23b auf einer Seite des Spiegelgrundkörpers 23a und eine dielektrische Beschichtung 23c auf einer gegenüberliegenden Seite angebracht. Dies erweist sich als Vorteil, wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bei hohen Temperaturen zum Einsatz kommt, zum Beispiel bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Stahlschmelze. Metallische Beschichtung 23b und dielektrische Beschichtung 23c, welche deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, sind dann voneinander isoliert. Deswegen kann sich die metallische Beschichtung 23b mit zunehmender Temperatur ohne Einfluss auf die dielektrische Beschichtung 23b ausdehnen. Eine Strahlweiche 7, deren Wirkungsweise und diverse Ausgestaltungen sind in den Figuren 4 bis 6 illustriert.Coating 23b on one side of the mirror base body 23a and a dielectric coating 23c applied on an opposite side. This proves to be an advantage when a device 1 according to the invention is used at high temperatures, for example when determining the chemical composition of a molten steel. Metallic coating 23b and dielectric coating 23c, which have significantly different coefficients of thermal expansion, are then insulated from one another. Therefore, the metallic coating 23b can expand with increasing temperature without influencing the dielectric coating 23b. A jet switch 7, its mode of operation and various configurations are illustrated in FIGS. 4 to 6.
Wie in Figur 4 dargestellt kann Laserlicht von einer Vorrichtung durch eine Strahlweiche 7 verschiedenen Strahlarmen 2, 2', 2" zugeleitet werden, welche das Laserlicht zu in metallurgischen Gefäßen 8, 8', 8" befindlichen Metallschmelzen 81, 81', 81" leiten. Ebenso können Plasmaemissionen über Strahlarme 2 und Strahlweiche 7 zu einer Vorrichtung 1 geleitet und dort analysiert werden.As shown in FIG. 4, laser light can be fed from a device through a beam splitter 7 to different beam arms 2, 2 ', 2 ", which guide the laser light to metal melts 81, 81', 81" located in metallurgical vessels 8, 8 ', 8 " Plasma emissions can also be directed to a device 1 via beam arms 2 and beam splitter 7 and analyzed there.
In der Strahlweiche 7 ist gemäß Figur 5a und 5b ein Prisma 22 vorgesehen, welches um eine Achse A drehbar ist und so Licht verschiedenen Strahlarmen 2 zuführen kann bzw. Licht von einzelnen Strahlarmen 2 einer Vorrichtung 1 zuführen kann.According to FIGS. 5a and 5b, a prism 22 is provided in the beam splitter 7, which can be rotated about an axis A and thus can feed light to different beam arms 2 or can feed light from individual beam arms 2 to a device 1.
Gemäß Figur 6 kann eine Strahlweiche 7 in einer Ausgestaltung auch ein linear verschiebbares Prisma 22 aufweisen, mit welchen individuellen Strahlarmen 2 Licht zuführbar bzw. von diesen abnehmbar ist. According to FIG. 6, a beam splitter 7 can also have a linearly displaceable prism 22 with which individual beam arms 2 can be used to supply or remove light.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, insbesondere Metallschmelzen, durch Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie, umfassend1. Device for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances, in particular metal melts, by laser-induced plasma spectroscopy, comprising
eine Laserquelle zur Erzeugung von Laserlicht,a laser source for generating laser light,
wahlweise optische Komponenten,optional optical components,
eine Fokussiereinrichtung, um das Laserlicht auf eine Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. in den gasförmigen Stoff zu führen und dort ein Plasma zu zünden,a focusing device in order to guide the laser light onto a surface of the solid or liquid substance or into the gaseous substance and to ignite a plasma there,
eine Analyseeinrichtung zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Stoffes durch spektrale Analyse der vom Plasma emittierten Strahlung,an analysis device for determining the chemical composition of the substance by spectral analysis of the radiation emitted by the plasma,
einen positionsempfindlichen Detektor für die vom Plasma emittierte Strahlung.a position sensitive detector for the radiation emitted by the plasma.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Detektor ein Photodiodenarray oder ein Zeilenkamerasystem ist.2. The apparatus of claim 1, wherein the detector is a photodiode array or a line scan camera system.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optischen Komponenten Spiegel und/oder Prismen umfassen.3. Device according to claim 1 or 2, wherein the optical components comprise mirrors and / or prisms.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vom Plasma emittierte Strahlung über die optischen Komponenten zur Analyseeinrichtung zuführbar ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein radiation emitted by the plasma can be fed via the optical components to the analysis device.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei diffus reflektiertes Laserlicht über die optischen Komponenten einem Messgerät zuführbar ist. 5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein diffusely reflected laser light can be fed to a measuring device via the optical components.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vom Plasma emittierte Strahlung über die optischen Komponenten zum Detektor zuführbar ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein radiation emitted by the plasma can be supplied to the detector via the optical components.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein Teil der optischen Komponenten mit einer Antireflexschicht versehen ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein at least part of the optical components is provided with an anti-reflective layer.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Antireflexschicht aus einer im Wellenlängenbereich von 120 nm bis 1500 nm strahlungsdurchlässigen Schicht besteht.8. The device according to claim 7, wherein the anti-reflective layer consists of a radiation-transmissive layer in the wavelength range from 120 nm to 1500 nm.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optischen Komponenten ein Prisma oder mehrere Prismen aus Calciumfluorid umfassen.9. Device according to one of claims 1 to 8, wherein the optical components comprise a prism or more prisms made of calcium fluoride.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die optischen Komponenten zumindest einen mit einer dielektrischen Schicht und einer metallischen Beschichtung versehenen Spiegel aufweisen.10. Device according to one of claims 1 to 9, wherein the optical components have at least one mirror provided with a dielectric layer and a metallic coating.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Spiegel auf einer Oberfläche mit einer metallischen Beschichtung und auf einer gegenüberliegenden Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht versehen ist und wobei die dielektrische Schicht sowie die zwischen den Oberflächen befindliche Teile des Spiegels im Wellenlängenbereich von 120 nm bis 1500 nm transparent sind.11. The device according to claim 10, wherein the mirror is provided on one surface with a metallic coating and on an opposite surface with a dielectric layer, and wherein the dielectric layer and the parts of the mirror located between the surfaces in the wavelength range from 120 nm to 1500 nm are transparent.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei zumindest ein Teil der optischen Komponenten und die Fokussiereinrichtung in einem einen Hohlraum aufweisenden Arm angeordnet sind.12. The device according to one of claims 1 to 11, wherein at least a part of the optical components and the focusing device are arranged in an arm having a cavity.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Arm relativ zueinander verschiebbare und/oder drehbare Segmente aufweist. 13. The apparatus of claim 12, wherein the arm has segments that are displaceable and / or rotatable relative to one another.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Arm ein oder mehrere Gelenke aufweist und an den jeweiligen Gelenkstellen ein Spiegel oder Prisma zur Umlenkung von Laserlicht bzw. emittierter Strahlung vorgesehen sind.14. The apparatus of claim 12 or 13, wherein the arm has one or more joints and a mirror or prism are provided at the respective articulation points for deflecting laser light or emitted radiation.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Fokussiereinrichtung bewegbar, insbesondere verschiebbar, ist.15. Device according to one of claims 1 to 14, wherein the focusing device is movable, in particular displaceable.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, welche eine Regeleinrichtung für eine Bewegung der Fokussiereinrichtung in Abhängigkeit einer vom positionsempfindlichen Detektor gemessenen Position oder Intensität der emittierten Strahlung oder in Abhängigkeit eines von der Analyseeinrichtung gemessenen Spektrums aufweist.16. The apparatus of claim 15, which has a control device for a movement of the focusing device as a function of a position or intensity of the emitted radiation measured by the position-sensitive detector or as a function of a spectrum measured by the analysis device.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, welche eine Korrektureinrichtung zur Einstellung eines Strahldurchmessers des Laserlichts aufweist.17. The device according to one of claims 1 to 14, which has a correction device for adjusting a beam diameter of the laser light.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, welche eine Regeleinrichtung zur automatischen Anpassung des Strahldurchmessers in Abhängigkeit einer vom positionsempfindlichen Detektor gemessenen Position oder Intensität der emittierten Strahlung oder in Abhängigkeit eines von der Analyseeinrichtung gemessenen Spektrums aufweist.18. The apparatus of claim 17, which has a control device for automatically adjusting the beam diameter as a function of a position or intensity of the emitted radiation measured by the position-sensitive detector or as a function of a spectrum measured by the analysis device.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die optischen Komponenten ein erstes Lichtleitsystem bilden und weitere optische19. Device according to one of claims 1 to 18, wherein the optical components form a first light guide system and further optical
Komponenten zumindest ein zweites Lichtleitsystem bilden und wobei die Vorrichtung eine Lichtweiche aufweist, durch welche Laserlicht und/oder emittierte Strahlung den jeweiligen Lichtleitsystemen bzw. von den Lichtleitsystemen der Analyseneinrichtung und/oder dem Detektor wahlweise zuleitbar ist. Components form at least one second light guide system and the device has a light switch through which laser light and / or emitted radiation can optionally be supplied to the respective light guide systems or from the light guide systems of the analysis device and / or the detector.
20. Verfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, insbesondere Metallschmelzen, durch Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie, wobei Laseriicht über eine Fokussiereinrichtung entlang einer optischen Achse auf eine Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. in den gasförmigen Stoff gelenkt und dort ein Plasma gezündet wird und wobei die vom Plasma emittierte Strahlung zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung spektral analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität von vom Plasma emittierter Strahlung an einer von der optischen Achse des Laserlichtes verschiedenen zweiten optischen Achse positionsempfindlich gemessen und daraus ein20. A method for determining the chemical composition of solid, liquid or gaseous substances, in particular metal melts, by means of laser-induced plasma spectroscopy, whereby the laser is not directed via a focusing device along an optical axis onto a surface of the solid or liquid substance or in the gaseous ones Material is directed and a plasma is ignited there and the radiation emitted by the plasma is spectrally analyzed to determine the chemical composition, characterized in that the intensity of radiation emitted by the plasma is measured in a position-sensitive manner on a second optical axis that is different from the optical axis of the laser light, and from it
Abstand der Fokussiereinrichtung von der Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. eine Position des Plasmas im gasförmigen Stoff bestimmt wird.Distance of the focusing device from the surface of the solid or liquid substance or a position of the plasma in the gaseous substance is determined.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Fokussiereinrichtung von der Oberfläche des festen oder flüssigen Stoffes bzw. vom Plasma im gasförmigen Stoff kontinuierlich bestimmt und automatisch geregelt wird.21. The method according to claim 20, characterized in that the distance of the focusing device from the surface of the solid or liquid substance or from the plasma in the gaseous substance is continuously determined and automatically controlled.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass über die gemessene Intensität der vom Plasma emittierten Strahlung eine22. The method according to claim 20, characterized in that a via the measured intensity of the radiation emitted by the plasma
Korrektureinrichtung zur Variation eines Strahldurchmessers des Laserlichtes geregelt wird.Correction device for varying a beam diameter of the laser light is regulated.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht und die emittierte Strahlung zumindest teilweise über dieselben optischen Komponenten geführt werden. 23. The method according to any one of claims 20 to 22, characterized in that the laser light and the emitted radiation are guided at least partially over the same optical components.
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