IT201900005388A1 - Probe, system and procedure for the compositional characterization of the wall materials of a hole made in the ground - Google Patents

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Salvatore Siano
Andrea Azelio Mencaglia
Juri Agresti
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Consiglio Nazionale Ricerche
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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sonda, sistema e procedimento per la caratterizzazione composizionale dei materiali della parete di un foro praticato nel terreno" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Probe, system and procedure for the compositional characterization of the materials of the wall of a hole made in the ground"

La presente invenzione riguarda una sonda, un sistema e un procedimento per la caratterizzazione composizionale dei materiali della parete di un foro praticato in un terreno secondo una qualunque direzione, ad esempio verso il basso o verso l’alto (qualora si operi all’interno di una cavità), in particolare di un foro di sondaggio per l’esplorazione mineraria, l’agricoltura di precisione, il controllo ambientale. The present invention relates to a probe, a system and a procedure for the compositional characterization of the materials of the wall of a hole made in a ground according to any direction, for example downwards or upwards (if one operates inside a a cavity), in particular a borehole for mining exploration, precision agriculture, environmental control.

La spettroscopia di breakdown indotto da laser (Laser Induced Breakdown Spectroscopy – LIBS) è una tecnica per rilevare la presenza di vari elementi in un campione, dirigendo l’emissione di un fascio ad alta potenza istantanea proveniente da un laser impulsato verso il campione in modo da stimolare la formazione di un plasma. Il plasma viene poi analizzato spettroscopicamente in modo da determinare la composizione del campione. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is a technique for detecting the presence of various elements in a sample by directing the emission of an instantaneous high-power beam from a pulsed laser towards the sample in a to stimulate the formation of a plasma. The plasma is then spectroscopically analyzed to determine the composition of the sample.

La tecnica LIBS è molto utilizzata in vari ambiti applicativi poiché è molto sensibile e non richiede preparazione del campione. The LIBS technique is widely used in various application fields as it is very sensitive and does not require sample preparation.

La caratterizzazione di materiali in situ attraverso profili e mappe elementali, molecolari e di riconoscimento cristallino utilizzando una sonda analitica, e un associato hardware e software, rappresenta un’importante problematica in molti contesti applicativi, e non trova una soddisfacente soluzione nella tecnica nota. The characterization of materials in situ through elemental, molecular and crystalline recognition profiles and maps using an analytical probe, and an associated hardware and software, represents an important problem in many application contexts, and does not find a satisfactory solution in the prior art.

Ad esempio, il problema della mappatura composizionale in situ della parete di fori di sondaggio minerario (compositional borehole logging), che rappresenta una fase cruciale per la valutazione dell’interesse minerario di un sito, è ad oggi sostanzialmente irrisolto, e lo stesso si può dire per le indagini del sottosuolo utili nell’agricoltura di precisione o per le verifiche chimiche di sicurezza ambientale. For example, the problem of compositional borehole logging, which represents a crucial phase for the evaluation of the mining interest of a site, is currently substantially unsolved. say for subsoil investigations useful in precision agriculture or for chemical tests of environmental safety.

In tali ambiti non sono stati proposti sistemi in grado di fornire “simultaneamente” la composizione elementale e mineralogica della parete di tali fori di sondaggio, a causa delle complesse condizioni operative in cui tali analisi dovrebbero essere eseguite, che contrastano con la criticità di tali tecniche (forti irregolarità della superficie, presenza di acqua, presenza di sporco sulla finestra ottica etc.). In these areas, no systems have been proposed capable of providing "simultaneously" the elemental and mineralogical composition of the wall of these boreholes, due to the complex operating conditions in which such analyzes should be performed, which contrast with the criticality of these techniques (strong surface irregularities, presence of water, presence of dirt on the optical window, etc.).

Nonostante siano state ipotizzate in letteratura tecniche di borehole logging basate, indipendentemente, sulla tecnica LIBS oppure sulla spettroscopia Raman, esse non sono state ancora applicate concretamente nei settori minerario, dell’agricoltura di precisione o ambientale a causa delle citate condizioni sfavorevoli, mentre l’ipotesi di strumenti ibridi non è stata nemmeno formulata. Although borehole logging techniques based, independently, on the LIBS technique or on Raman spectroscopy have been hypothesized in the literature, they have not yet been concretely applied in the mining, precision agriculture or environmental sectors due to the aforementioned unfavorable conditions, while the hypothesis of hybrid instruments has not even been formulated.

Esistono di per sè alcuni strumenti ibridi Raman-LIBS, che tuttavia non sono utilizzati dinamicamente in scansioni analitiche di fori nel terreno, e sfruttano inoltre setup e componenti ingombranti che mal si prestano alla compattazione richiesta nella citata applicazione del borehole logging. There are in themselves some hybrid Raman-LIBS instruments, which however are not dynamically used in analytical scans of holes in the ground, and also exploit bulky setups and components that are ill-suited to the compaction required in the aforementioned application of borehole logging.

Esiste quindi il problema della caratterizzazione composizionale dei materiali presenti nella parete di un foro di sondaggio nel terreno, di tubazioni o altre cavità con scarsa accessibilità (pozzi, pareti materiche raggiungibili solo con una sonda analitica compatta opportunamente movimentata, etc.). There is therefore the problem of the compositional characterization of the materials present in the wall of a borehole in the ground, of pipes or other cavities with poor accessibility (wells, material walls that can only be reached with a suitably moved compact analytical probe, etc.).

Scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre una sonda, un sistema e un procedimento per la caratterizzazione composizionale dei materiali della parete di un foro praticato nel terreno, in particolare di un foro di sondaggio minerario. The object of the present invention is therefore to propose a probe, a system and a procedure for the compositional characterization of the materials of the wall of a hole made in the ground, in particular of a mining borehole.

Questo scopo viene raggiunto con una sonda le cui caratteristiche sono definite nella rivendicazione 1, con un sistema che integra detta sonda per la caratterizzazione composizionale del materiale della parete di un foro praticato nel terreno come definito nella rivendicazione 8, e con un procedimento per la caratterizzazione composizionale dei materiali della parete di detto foro praticato nel terreno come definito nella rivendicazione 9. This object is achieved with a probe whose characteristics are defined in claim 1, with a system which integrates said probe for the compositional characterization of the material of the wall of a hole made in the ground as defined in claim 8, and with a procedure for the characterization compositional of the wall materials of said hole made in the ground as defined in claim 9.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrante della presente descrizione. Particular embodiments form the subject of the dependent claims, the content of which is to be understood as an integral part of the present description.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will appear from the following detailed description, carried out purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:

- la Figura 1 è una vista laterale di una sonda secondo la presente invenzione, Figure 1 is a side view of a probe according to the present invention,

- la Figura 2 è un diagramma temporale di acquisizione di un segnale LIBS e un segnale Raman; e Figure 2 is a timing diagram of acquisition of a LIBS signal and a Raman signal; And

- la Figura 3 è uno schema a blocchi dei passi di un procedimento per la caratterizzazione composizionale del materiale della parete di un foro nel terreno. - Figure 3 is a block diagram of the steps of a procedure for the compositional characterization of the wall material of a hole in the ground.

La sonda della presente invenzione include una serie di componenti che consentono di superare le difficoltà di utilizzo di strumenti tradizionali LIBS e Raman per la misura di profili e mappe composizionali di materiali in contesti operativi difficili. The probe of the present invention includes a series of components which allow to overcome the difficulties of using traditional LIBS and Raman instruments for the measurement of profiles and compositional maps of materials in difficult operating contexts.

La sonda della presente invenzione è atta all’inserimento all’interno di un foro praticato in un terreno per eseguire una caratterizzazione composizionale dei materiali della parete di detto foro. The probe of the present invention is suitable for insertion inside a hole made in the ground to perform a compositional characterization of the materials of the wall of said hole.

La sonda della presente invenzione comprende, in modo per sè noto, un tubo metallico esterno che racchiude i componenti descritti qui di seguito, e una finestra ottica in quarzo dalla quale fuoriesce una radiazione laser di eccitazione atta a colpire il materiale della parete del foro e dalla quale entrano i conseguenti segnali LIBS e Raman provenienti dal materiale, per eseguire la caratterizzazione materica, come descritto qui in seguito. The probe of the present invention comprises, in a per se known manner, an external metal tube that encloses the components described below, and a quartz optical window from which an excitation laser radiation capable of striking the material of the wall of the hole comes out and from which the consequent LIBS and Raman signals coming from the material enter, to perform the material characterization, as described below.

La sonda della presente invenzione si basa sulla spettroscopia del plasma indotto (LIBS), sulla parete di un foro oggetto d’indagine, da un primo fascio laser impulsato di alta intensità (ad esempio 10<8>-10<12 >W/cm<2 >per impulsi dell’ordine di 1-100ns), e su spettroscopia Raman eseguibile con eccitazione di un secondo fascio laser, in continua o impulsato, in un ampio range di intensità (10<2>-10<6 >W/cm<2>, dove il limite superiore si riferisce, come sopra, a impulsi laser dell’ordine di 1-100ns). The probe of the present invention is based on plasma spectroscopy induced (LIBS), on the wall of a hole under investigation, by a first pulsed high intensity laser beam (for example 10 <8> -10 <12> W / cm <2> for pulses of the order of 1-100ns), and on Raman spectroscopy that can be performed with excitation of a second laser beam, in continuous or pulsed, in a wide range of intensity (10 <2> -10 <6> W / cm <2>, where the upper limit refers, as above, to laser pulses of the order of 1-100ns).

La figura 1 mostra una vista laterale di una sonda 1 secondo la presente invenzione. Figure 1 shows a side view of a probe 1 according to the present invention.

La sonda 1 comprende due fibre ottiche 2 e 4 che accoppiano, rispettivamente, una sorgente laser di eccitazione Raman 2a e una sorgente laser di eccitazione LIBS 4a, un gruppo ottico 6 con associato gruppo roto-traslazionale 8, un gruppo di spettrometri 10 (comprendente spettrometri LIBS e Raman), e dispositivi elettroottici di comunicazione USB noti. Nell’allestimento di Fig. 1, il laser di eccitazione Raman 2a è posto fisicamente all’interno della sonda 1, quello di eccitazione LIBS 4a è posto all’esterno della sonda 1, e per questo mostrato con linea tratteggiata. The probe 1 comprises two optical fibers 2 and 4 which couple, respectively, a Raman excitation laser source 2a and a LIBS excitation laser source 4a, an optical group 6 with associated roto-translational group 8, a group of spectrometers 10 (comprising LIBS and Raman spectrometers), and known USB electro-optical communication devices. In the setup of Fig. 1, the Raman excitation laser 2a is physically placed inside the probe 1, the LIBS excitation laser 4a is placed outside the probe 1, and therefore shown with a dashed line.

In una variante dell’invenzione, entrambi i laser di eccitazione 2a, 4a sono collocati all’interno della sonda 1 o, in un’ulteriore variante, entrambi i laser di eccitazione 2a, 4a sono posti all’esterno della sonda 1. In a variant of the invention, both excitation lasers 2a, 4a are placed inside the probe 1 or, in a further variant, both excitation lasers 2a, 4a are placed outside the probe 1.

Il gruppo ottico 6 è atto a indirizzare detti fasci laser verso la parete di un foro in esame e, al tempo stesso, a raccogliere segnali LIBS e Raman provenienti da quest’ultima e inviarli al gruppo di spettrometri 10 attraverso rispettive fibre ottiche. The optical group 6 is able to direct said laser beams towards the wall of a hole under examination and, at the same time, to collect LIBS and Raman signals from the latter and send them to the group of spectrometers 10 through respective optical fibers.

La sonda 1 è atta ad essere collegata meccanicamente ad un’unità di movimentazione e flussaggio, ed entrambe sono collegate elettricamente e otticamente ad un’unità di calcolo per il pilotaggio, la raccolta e l’elaborazione dei dati analitici, non mostrate in figura. Probe 1 is designed to be mechanically connected to a handling and flushing unit, and both are electrically and optically connected to a computing unit for driving, collecting and processing analytical data, not shown in the figure.

La sonda 1, completa di sorgenti laser di eccitazione 2a, 4a, unità di movimentazione e flussaggio e unità di calcolo costituiscono nel complesso un sistema di scansione analitica per la caratterizzazione composizionale del materiale della parete di un foro praticato nel terreno. The probe 1, complete with excitation laser sources 2a, 4a, movement and flushing unit and calculation unit, constitute as a whole an analytical scanning system for the compositional characterization of the wall material of a hole made in the ground.

Vantaggiosamente, i laser di eccitazione 2a, 4a accoppiati nelle fibre 2, 4 sono un primo laser impulsato e un secondo laser di tipo CW, ad esempio un laser Nd:YAG QS a 1064nm e un laser a diodo CW a 638 nm, 785nm, o altre lunghezze d’onda, essendo noto il fatto che l’emissione Raman può essere agevolmente eccitata in tutta la regione Vis-NIR. Advantageously, the excitation lasers 2a, 4a coupled in the fibers 2, 4 are a first pulsed laser and a second CW type laser, for example a 1064nm Nd: YAG QS laser and a 638nm, 785nm CW diode laser, or other wavelengths, it being known that the Raman emission can be easily excited in the whole Vis-NIR region.

Il gruppo ottico 6 comprende uno specchio parabolico rotante 12, cinque linee ottiche 14 comprendenti ciascuna una fibra ottica, lenti di collimazione dei fasci di eccitazione laser 19 e lenti di focalizzazione in fibra dei segnali 16, due filtri 18 (uno sulla linea di eccitazione Raman, per bloccare il segnale Raman della fibra 2, e uno sulla linea di raccolta del segnale Raman dei materiali della parete, per bloccare la lunghezza d’onda del laser Raman 2a), e una linea optoelettronica di controllo. The optical group 6 comprises a rotating parabolic mirror 12, five optical lines 14 each comprising an optical fiber, collimation lenses of the laser excitation beams 19 and fiber focusing lenses of the signals 16, two filters 18 (one on the Raman excitation line , to block the Raman signal of the fiber 2, and one on the Raman signal collection line of the wall materials, to block the wavelength of the Raman laser 2a), and an optoelectronic control line.

L’eccitazione dei materiali della parete del foro da analizzare tramite i fasci laser di eccitazione (ovvero, il trasferimento dei fasci di eccitazione verso il materiale), e la raccolta dei segnali ottici LIBS e Raman provenienti da detti materiali, sono effettuate utilizzando lo specchio parabolico fuori asse 12 (ovvero, uno specchio il cui asse ottico non coincide con l’asse meccanico), che serve per la focalizzazione dei fasci di eccitazione e per la collimazione dei segnali LIBS e Raman provenienti dal materiale della parete in esame. The excitation of the materials of the hole wall to be analyzed by means of the excitation laser beams (that is, the transfer of the excitation beams towards the material), and the collection of the LIBS and Raman optical signals coming from said materials, are carried out using the mirror off-axis parabolic 12 (that is, a mirror whose optical axis does not coincide with the mechanical axis), which serves for focusing the excitation beams and for collimating the LIBS and Raman signals coming from the wall material under examination.

Lo specchio parabolico 12 è in grado di gestire almeno due fasci di radiazione, preferibilmente per focalizzare un fascio (una linea ottica) o focalizzare e raccogliere (due linee ottiche). The parabolic mirror 12 is able to manage at least two radiation beams, preferably to focus a beam (one optical line) or to focus and collect (two optical lines).

In particolare, nella presente invenzione, lo specchio parabolico 12 gestisce sei fasci di radiazione, considerando anche la radiazione proveniente da un sensore di radiazione 20 descritto in seguito. In particular, in the present invention, the parabolic mirror 12 manages six radiation beams, also considering the radiation coming from a radiation sensor 20 described below.

Il gruppo roto-traslazionale 8 conferisce al gruppo ottico 6 tre gradi di libertà; esso può ruotare su se stesso (come indicato dalla freccia R in figura 1) e traslare lungo due direzioni A e B definite, rispettivamente, longitudinale e trasversale rispetto ad un asse del foro. The roto-translational group 8 gives the optical group 6 three degrees of freedom; it can rotate on itself (as indicated by the arrow R in figure 1) and translate along two directions A and B defined, respectively, longitudinal and transversal with respect to an axis of the hole.

Un dispositivo di traslazione 8a di per sè noto collegato al gruppo ottico 6 effettua la traslazione trasversale, un dispositivo di traslazione 8b quella longitudinale, mentre un dispositivo di rotazione 8c effettua la rotazione dello specchio parabolico 12, e degli altri componenti ottici ad esso solidali. A per se known translation device 8a connected to the optical unit 6 carries out the transverse translation, a translation device 8b the longitudinal one, while a rotation device 8c rotates the parabolic mirror 12, and of the other optical components integral with it.

In particolare, il dispositivo di rotazione 8c è atto a sottoporre lo specchio parabolico 12 e tutti i componenti ad esso solidali ad un movimento di rotazione con velocità, ampiezza e verso variabili, in particolare un moto oscillatorio, di una data ampiezza, al limite fino a ±180 gradi. Tale moto oscillatorio produce uno spostamento del fuoco nel piano di rotazione dell’asse ottico. In particular, the rotation device 8c is adapted to subject the parabolic mirror 12 and all the components integral with it to a rotation movement with variable speed, amplitude and direction, in particular an oscillatory motion, of a given amplitude, up to the limit up to to ± 180 degrees. This oscillatory motion produces a displacement of the focus in the plane of rotation of the optical axis.

In una variante della sonda 1 la finestra ottica è di forma cilindrica, lo specchio parabolico 12 è svincolato dai supporti meccanici delle altre ottiche e compie un moto di rotazione continua di 360 gradi. In a variant of the probe 1 the optical window is cylindrical in shape, the parabolic mirror 12 is released from the mechanical supports of the other optics and performs a continuous rotation motion of 360 degrees.

Lo specchio parabolico 12 ha un angolo di focalizzazione rispetto ai fasci collimati compreso tra 30-120° (preferibilmente 90°). The parabolic mirror 12 has a focusing angle with respect to the collimated beams of between 30-120 ° (preferably 90 °).

La posizione ottimale dello specchio parabolico 12 rispetto al materiale in esame è determinata da una retroazione pilotata da un segnale di uscita S originato da un sensore di radiazione 20, il quale monitora la radiazione emessa (non quella riflessa) dal materiale in conseguenza dell’eccitazione da parte della sorgente laser LIBS 4a e produce detto segnale di uscita S rappresentativo della radiazione emessa dal materiale. The optimal position of the parabolic mirror 12 with respect to the material under examination is determined by a feedback driven by an output signal S originating from a radiation sensor 20, which monitors the radiation emitted (not the reflected one) by the material as a consequence of the excitation by the LIBS laser source 4a and produces said output signal S representative of the radiation emitted by the material.

Nella sonda 1 della presente invenzione, due linee ottiche 14 sono utilizzate per inviare i fasci di eccitazione, e tre linee ottiche 14 sono utilizzate per la raccolta dei segnali LIBS e Raman. In the probe 1 of the present invention, two optical lines 14 are used to send the excitation beams, and three optical lines 14 are used for collecting the LIBS and Raman signals.

I fasci di eccitazione sono collimati dalle lenti di collimazione 19 e i segnali LIBS e Raman, che sono anch’essi fasci di radiazione, vengono collimati dallo specchio 12 e focalizzati dalle lenti di focalizzazione 16 per essere accoppiati in fibra. The excitation beams are collimated by the collimating lenses 19 and the LIBS and Raman signals, which are also radiation beams, are collimated by the mirror 12 and focused by the focusing lenses 16 to be coupled in fiber.

I due canali di eccitazione possono, alternativamente, essere ridotti a uno (liberando una linea ottica 14 che può essere sfruttata per la raccolta del segnale), accoppiando i due laser 2a, 4a in una medesima fibra ottica mediante tecniche di mixing e filtraggio per sé note. The two excitation channels can, alternatively, be reduced to one (freeing an optical line 14 which can be used for signal collection), by coupling the two lasers 2a, 4a in the same optical fiber by means of mixing and filtering techniques per se. Note.

Alternativamente, è presente un solo laser di eccitazione, ad esempio Nd:YAG QS a 1064nm o a 532nm che, similmente, permette di ridurre le linee ottiche strettamente necessarie. Alternatively, there is only one excitation laser, for example Nd: YAG QS at 1064nm or at 532nm which, similarly, allows to reduce the strictly necessary optical lines.

Come sopra detto, l’emissione del segnale LIBS proveniente dalla parete irraggiata da analizzare viene monitorata continuamente attraverso il sensore di radiazione 20, il quale è preferibilmente una videocamera (che permette anche di osservare l’area in esame), un fotodiodo, un sensore termico, o gli stessi spettrometri LIBS. As mentioned above, the emission of the LIBS signal coming from the irradiated wall to be analyzed is monitored continuously through the radiation sensor 20, which is preferably a video camera (which also allows the area under examination to be observed), a photodiode, a sensor thermal, or the LIBS spectrometers themselves.

Il sensore di radiazione 20 produce il segnale di uscita S che determina la retroazione sopra citata sul gruppo di roto-traslazione 8, e che permette l’inseguimento della posizione ottimale per l’esecuzione della misura. The radiation sensor 20 produces the output signal S which determines the aforementioned feedback on the roto-translation group 8, and which allows the tracking of the optimal position for carrying out the measurement.

Il segnale di uscita S viene acquisito da un’unità di calcolo 20’ che lo elabora ed invia al gruppo roto-traslazionale 8 in modo per sé noto, in modo da controllarne il funzionamento. The output signal S is acquired by a calculation unit 20 'which processes it and sends it to the roto-translational group 8 in a per se known way, in order to check its operation.

La sonda 1 della presente invenzione integra in modo originale due tecniche note (LIBS e Raman) in un sistema ibrido, e consente quindi la misura di profili e mappe composizionali (elementali/atomiche, molecolari e di riconoscimento cristallino), superficiali (in prossimità della superficie) o di profondità (depth profile) dei materiali da analizzare. In ogni punto essa esegue un’acquisizione di tipo LIBS-Raman (coincidente /confocale)e quindi permette di ricavare un profilo composizionale facendo avanzare la sonda 1 nel foro. Tale profilo può diventare una mappa composizionale qualora si sfruttino, in maniera indipendente o combinata con detto spostamento longitudinale, i movimenti azionati dal gruppo roto-traslazionale 8. The probe 1 of the present invention integrates in an original way two known techniques (LIBS and Raman) in a hybrid system, and therefore allows the measurement of profiles and compositional maps (elemental / atomic, molecular and crystalline recognition), superficial (near the surface) or depth profile of the materials to be analyzed. At each point it performs a LIBS-Raman type acquisition (coincident / confocal) and therefore allows to obtain a compositional profile by advancing the probe 1 in the hole. This profile can become a compositional map if the movements operated by the roto-translational unit 8 are used independently or combined with said longitudinal displacement.

Nel sopra citato caso del borehole logging in ambito minerario, la sonda 1 della presente invenzione permette di ricavare la caratterizzazione geochimica e mineralogica “superficiale” dei materiali affioranti sulla parete del foro in funzione della quota di profondità, attraverso l’analisi dei profili composizionali misurati. In the aforementioned case of borehole logging in the mining sector, the probe 1 of the present invention allows to obtain the "superficial" geochemical and mineralogical characterization of the materials emerging on the wall of the hole as a function of the depth level, through the analysis of the measured compositional profiles .

Pur essendo l’ambito minerario il principale destinatario della sonda della presente invenzione, essa è facilmente adattabile a un’ampia varietà di problematiche di caratterizzazione materica, ad esempio in contesti ambientale, di agricoltura di precisione, di sicurezza alimentare, di archeometria, del controllo di processi, etc.., nell’ambito dei quali la sonda della presente invenzione può garantire un’agevole riproducibilità della misura e la possibilità di eseguire profili e mappe composizionali. Although the mining sector is the main recipient of the probe of the present invention, it is easily adaptable to a wide variety of material characterization problems, for example in environmental contexts, precision agriculture, food safety, archaeometry, control of processes, etc .., within which the probe of the present invention can guarantee easy reproducibility of the measurement and the possibility of executing compositional profiles and maps.

La sonda 1 permette di attuare un processo di inseguimento del massimo segnale, ovvero un inseguimento della posizione focale nella quale si ottiene la migliore qualità del segnale di radiazione acquisito dal sensore di radiazione 20. La ricerca di tale posizione viene eseguita generando una retroazione sul gruppo di rototraslazione 8 determinata dal segnale di uscita S del sensore di radiazione 20. The probe 1 allows to carry out a process of tracking the maximum signal, that is, a tracking of the focal position in which the best quality of the radiation signal acquired by the radiation sensor 20 is obtained. The search for this position is performed by generating a feedback on the group of roto-translation 8 determined by the output signal S of the radiation sensor 20.

Alternativamente, la retroazione sul gruppo di roto-traslazione 8 è determinata integrando opportunamente la radiazione acquisita dal gruppo di spettrometri 10. Alternatively, the feedback on the roto-translation group 8 is determined by suitably integrating the radiation acquired by the spectrometer group 10.

In questo caso, il segnale che viene usato per azionare il gruppo roto-traslazionale 8 non è più il segnale di uscita S bensì quello rivelato dagli spettrometri LIBS. In this case, the signal used to drive the roto-translational group 8 is no longer the output signal S but the one detected by the LIBS spectrometers.

In ogni caso (qualunque sia il segnale che si utilizza per determinare la retroazione), il gruppo di roto-traslazione 8, e in particolare il movimento lungo la direzione B è pilotato in modo tale per cui il segnale di uscita S del sensore di radiazione 20, e quindi quello rivelato dagli spettrometri LIBS, si mantenga attorno al valore massimale. In any case (whatever the signal used to determine the feedback), the roto-translation unit 8, and in particular the movement along the direction B, is driven in such a way that the output signal S of the radiation sensor 20, and therefore that revealed by the LIBS spectrometers, is maintained around the maximum value.

Se un piccolo spostamento nel posizionamento produce una diminuzione (caso “-“) di tale segnale di uscita, allora il gruppo di roto-traslazione 8 determina una inversione del senso del moto lungo la direzione B. Viceversa, se un piccolo spostamento produce un aumento del segnale di uscita (caso “+”), il gruppo roto-tralsazionale 8 determina un ulteriore spostamento nella stessa direzione B finché non si oltrepassa la posizione per la quale si ottiene il massimo segnale, per cui ci si ritrova nel caso “-“ e di conseguenza il senso del moto verrà invertito. If a small displacement in the positioning produces a decrease (case "-") of this output signal, then the roto-translation group 8 determines an inversion of the direction of motion along the direction B. Conversely, if a small displacement produces an increase of the output signal (case "+"), the roto-tralsational group 8 determines a further displacement in the same direction B until the position for which the maximum signal is obtained is exceeded, so that one finds oneself in the case "-" and consequently the sense of motion will be reversed.

Con un’opportuna e preventiva regolazione dei parametri che determinano l’ampiezza della retroazione, il gruppo di roto-traslazione 8 tenta di mantenere il segnale di uscita dal sensore di radiazione 20 attorno al suo valore massimo, passando alternativamente da posizioni più vicine a posizioni più distanti ma sempre molto prossime a quella ottimale. With an appropriate and preventive adjustment of the parameters that determine the amplitude of the feedback, the roto-translation unit 8 attempts to keep the output signal from the radiation sensor 20 around its maximum value, passing alternately from positions closer to positions more distant but always very close to the optimal one.

Questa modalità di ottimizzazione mediante spostamento lungo l’asse focale B si combina con gli altri due movimenti disponibili (secondo la direzione di traslazione indicata dalla freccia A e la rotazione R in figura 1) nel caso si operi in modalità di scansione. This optimization mode by moving along the focal axis B is combined with the other two available movements (according to the direction of translation indicated by the arrow A and the rotation R in figure 1) when operating in scanning mode.

Si ottiene grande efficacia massimizzando il segnale LIBS raccolto dallo specchio parabolico 12, a cui corrispondono anche valori massimali del segnale Raman. Great efficacy is obtained by maximizing the LIBS signal collected by the parabolic mirror 12, to which also maximum values of the Raman signal correspond.

Infatti, uno spostamento del fuoco del laser di eccitazione LIBS dell’ordine del centinaio di micron comporta enormi variazioni nel corrispondente segnale LIBS rivelato quando, come per la presente sonda, si utilizzano focali corte. In fact, a shift of the focus of the LIBS excitation laser of the order of a hundred microns involves enormous variations in the corresponding LIBS signal detected when, as for the present probe, short focal lengths are used.

Viceversa, per la spettroscopia Raman, un tale spostamento, se contenuto entro ±500 µm rispetto alla superficie, produce piccole variazioni del segnale acquisito (entro il 90% del massimo). Conversely, for Raman spectroscopy, such a displacement, if contained within ± 500 µm with respect to the surface, produces small variations in the acquired signal (within 90% of the maximum).

Spesso, il massimo segnale LIBS si ottiene posizionando il fuoco del fascio laser di eccitazione leggermente al di sotto della superficie del materiale (qualche centinaio di micron all’interno), ma, alternativamente, in dipendenza dalle proprietà fisiche del materiale irraggiato, il massimo segnale si manifesta con il fuoco del fascio laser di eccitazione posizionato sulla superficie o poco al di fuori. Often, the maximum LIBS signal is obtained by positioning the focus of the excitation laser beam slightly below the surface of the material (a few hundred microns inside), but, alternatively, depending on the physical properties of the irradiated material, the maximum signal it manifests itself with the focus of the excitation laser beam positioned on the surface or slightly outside.

Come sopra detto, lo specchio parabolico 12 può essere anche sottoposto ad un moto oscillatorio (modalità di scansione). As stated above, the parabolic mirror 12 can also be subjected to an oscillatory motion (scanning mode).

A fronte di materiali terrosi, lapidei e minerali disomogenei, nel caso si intenda misurare la loro composizione media locale oltre che puntuale, tale movimento permette di eseguire medie acquisendo molte misurazioni lungo una linea e aumentando così la rappresentatività delle misure LIBS-Raman. In the face of inhomogeneous earthy, stone and mineral materials, in the case of measuring their local average composition as well as punctual, this movement allows to perform averages by acquiring many measurements along a line and thus increasing the representativeness of the LIBS-Raman measurements.

Il moto di rotazione può anche essere sfruttato per accelerare il ripristino della condizione di massimo segnale LIBS durante l’acquisizione per scansione di profili e mappe, laddove la traslazione B, da sola, fosse poco efficace a causa di pronunciata irregolarità (marcata modulazione di profilo) della parete. In tal caso, detto moto di rotazione è controllato attraverso il segnale di retroazione del sensore di radiazione 20. The rotation motion can also be exploited to accelerate the restoration of the condition of maximum LIBS signal during the acquisition by scanning of profiles and maps, where translation B, alone, was not very effective due to pronounced irregularity (marked profile modulation ) of the wall. In this case, said rotational motion is controlled through the feedback signal of the radiation sensor 20.

Il dispositivo di traslazione e rotazione 8 è inoltre atto a sottoporre lo specchio parabolico 12 e tutte le ottiche ad esso solidali ad un movimento di traslazione lungo la direzione A, longitudinale alla sonda 1 e ortogonale al movimento lungo la direzione B. Questo permette uno spostamento fine della sonda 1, che può essere sfruttato in combinazione con il citato moto oscillatorio (effettuato dal dispositivo di rotazione 8c), oltre che con la traslazione, per la ricerca del massimo segnale, per ottenere profili composizionali longitudinali e mappe composizionali bidimensionali o tridimensionali (la terza dimensione è data dallo scavo prodotto dall’ablazione laser coinvolta nella LIBS), su aree di alcuni centimetri quadrati, eventualmente estendibili movimentando l’intera sonda 1. The translation and rotation device 8 is also adapted to subject the parabolic mirror 12 and all the optics integral with it to a translation movement along the direction A, longitudinal to the probe 1 and orthogonal to the movement along the direction B. This allows a movement end of probe 1, which can be exploited in combination with the aforementioned oscillatory motion (performed by the rotation device 8c), as well as with translation, to search for the maximum signal, to obtain longitudinal compositional profiles and two-dimensional or three-dimensional compositional maps ( the third dimension is given by the excavation produced by the laser ablation involved in the LIBS), on areas of a few square centimeters, possibly extendable by moving the entire probe 1.

La sonda della presente invenzione include ancora un canale 22 per il passaggio di gas (aria, argon o altro), unitamente ad un canale 24 per il passaggio di acqua. Tali canali 22, 24 sono collegati all’unità di movimentazione e flussaggio sopra descritta. The probe of the present invention also includes a channel 22 for the passage of gas (air, argon or other), together with a channel 24 for the passage of water. These channels 22, 24 are connected to the handling and flushing unit described above.

Il canale 22 per il passaggio di gas serve per aumentare il segnale analitico. Ad esempio, per i fori di sondaggio minerario in acqua è necessario creare una bolla d’aria o di altro gas (come ad esempio argon) in prossimità della zona da analizzare, che garantisca sufficiente emissività e rivelabilità del plasma indotto dall’impulso laser sulla superficie del materiale, e per rimuovere l’interferenza dell’acqua sullo spettro Raman. In un caso generale, la presenza di aria o gas migliora l’acquisizione del segnale. The gas passage channel 22 serves to increase the analytical signal. For example, for mining boreholes in water it is necessary to create an air or other gas bubble (such as argon) near the area to be analyzed, which guarantees sufficient emissivity and detectability of the plasma induced by the laser pulse on the surface of the material, and to remove water interference on the Raman spectrum. In a general case, the presence of air or gas improves signal acquisition.

Il canale per il passaggio di acqua 24 è utile, invece, nei casi in cui sono necessarie operazioni di pulitura della finestra ottica della sonda. The channel for the passage of water 24 is useful, on the other hand, in cases where cleaning operations of the optical window of the probe are necessary.

I flussi di aria e acqua nei rispettivi canali 22, 24 sono controllati da un segnale di feedback, in particolare dalla sequenza di immagini raccolte dal sensore 20 o dall’intensità del segnale che esso registra. The flows of air and water in the respective channels 22, 24 are controlled by a feedback signal, in particular by the sequence of images collected by the sensor 20 or by the intensity of the signal it records.

Verrà ora descritto con riferimento alla figura 3 un procedimento per la caratterizzazione composizionale del materiale della parete di un foro praticato nel terreno, preferibilmente di un foro di sondaggio minerario, secondo la presente invenzione. With reference to Figure 3, a method will now be described for the compositional characterization of the wall material of a hole made in the ground, preferably of a mining borehole, according to the present invention.

In un primo passo 100 si predispone una sonda 1 come quella sopra descritta in cui gli spettrometri del gruppo di spettrometri 10 rivelano parti complementari di spettro comprendenti i segnali LIBS e Raman, e la si introduce in un foro praticato nel terreno posizionando la finestra ottica in corrispondenza di un punto della parete del foro di interesse analitico. In a first step 100 a probe 1 like the one described above is prepared in which the spectrometers of the spectrometer group 10 detect complementary parts of the spectrum comprising the LIBS and Raman signals, and it is introduced into a hole made in the ground by positioning the optical window in correspondence to a point on the wall of the hole of analytical interest.

Si procede quindi al passo 102 con l’acquisizione di spettri LIBS e Raman che vengono tradotti in componenti composizione elementale, molecolare e cristallina previa interpretazione ed elaborazione degli spettri acquisiti in modo per sè noto. We then proceed to step 102 with the acquisition of LIBS and Raman spectra which are translated into elemental, molecular and crystalline composition components after interpretation and processing of the acquired spectra in a per se known manner.

Posizionata la sonda e iniziata l’acquisizione del segnale di uscita del sensore di radiazione 20, per ciò che riguarda le tempistiche delle acquisizioni LIBS e Raman, il procedimento secondo la presente invenzione consente di massimizzare l’efficienza e minimizzare interazioni indesiderate tra le due acquisizioni spettrali. Once the probe has been positioned and the acquisition of the output signal of the radiation sensor 20 has begun, as regards the timing of the LIBS and Raman acquisitions, the procedure according to the present invention allows to maximize efficiency and minimize unwanted interactions between the two acquisitions. ghostly.

L’acquisizione degli spettri LIBS e Raman avviene come qui sotto descritto con riferimento alla figura 2, che mostra un diagramma temporale di acquisizione di un segnale LIBS e un segnale Raman. The acquisition of the LIBS and Raman spectra takes place as described below with reference to Figure 2, which shows a timing diagram for the acquisition of a LIBS signal and a Raman signal.

Il laser di eccitazione Raman 2a è sempre acceso, il laser di eccitazione LIBS 4a emette un primo impulso che innesca il plasma e da il via all’acquisizione del conseguente spettro LIBS a cui viene assegnato un tempo di acquisizione al massimo pari a qualche centinaio di microsecondi (la durata tipica del segnale LIBS è limitata a qualche decina di microsecondi), al termine dei quali viene emesso un trigger (segnale o impulso di avvio) che avvia in cascata l’acquisizione dello spettro Raman, a cui viene assegnato un tempo di integrazione leggermente inferiore all’intervallo temporale che separa due impulsi laser successivi di eccitazione LIBS (100 ms nell’esempio di Fig. 2). The Raman 2a excitation laser is always on, the LIBS 4a excitation laser emits a first pulse that triggers the plasma and triggers the acquisition of the consequent LIBS spectrum which is assigned an acquisition time of a maximum of a few hundred microseconds (the typical duration of the LIBS signal is limited to a few tens of microseconds), at the end of which a trigger is emitted (start signal or pulse) which cascades the acquisition of the Raman spectrum, which is assigned a time of integration slightly less than the time interval that separates two successive LIBS excitation laser pulses (100 ms in the example of Fig. 2).

Al passo 104 gli spettri acquisiti vengono elaborati come qui sotto indicato. At step 104 the acquired spectra are processed as indicated below.

In particolare, il singolo spettro LIBS è acquisito ed elaborato, lo spettro Raman è dato dalla somma di un certo numero di acquisizioni secondo il procedimento appena descritto, al fine di accumulare un segnale Raman su tempi caratteristici di alcuni secondi. Lo spettro Raman finale è quindi elaborato secondo modalità note. In particular, the single LIBS spectrum is acquired and processed, the Raman spectrum is given by the sum of a certain number of acquisitions according to the procedure just described, in order to accumulate a Raman signal over characteristic times of a few seconds. The final Raman spectrum is then processed according to known methods.

Alternativamente, in un dato punto si acquisiranno un certo numero di spettri LIBS e, a seguire, con laser di eccitazione LIBS in standby, uno spettro Raman con tempo di acquisizione tipico di alcuni secondi. Alternatively, a certain number of LIBS spectra will be acquired at a given point and, subsequently, with the LIBS excitation laser in standby, a Raman spectrum with a typical acquisition time of a few seconds.

Infine, al passo 106, si esegue una caratterizzazione del materiale con tecniche per sè note. Finally, in step 106, a characterization of the material is carried out with techniques known per se.

In particolare, considerando la mappatura composizionale della parete del foro in esame, la sonda 1 consente diverse modalità operative riconducibili a metodologie note. Utilizzando una delle modalità temporali definite, si potrà operare la scansione uni- bi - o tridimensionale della parete del foro in una data area sfruttando i movimenti di rotazione R e traslazione lungo la direzione A (oscillazione e traslazione) del gruppo roto-traslazionale 8. In particular, considering the compositional mapping of the wall of the hole under examination, the probe 1 allows different operating modes attributable to known methodologies. Using one of the defined temporal modalities, it will be possible to perform the uni- or three-dimensional scanning of the wall of the hole in a given area by exploiting the movements of rotation R and translation along the direction A (oscillation and translation) of the roto-translational group 8.

Le misure vengono alla fine tradotte in termini di composizione media, profilo e mappa composizionale. The measurements are ultimately translated in terms of average composition, profile and compositional map.

I passi precedenti di misura vengono poi ripetuti a diverse profondità spostando la sonda 1 in modo per sè noto usando una sua meccanica di supporto. The previous measurement steps are then repeated at different depths by moving the probe 1 in a per se known way using one of its supporting mechanics.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of protection of the present document. invention defined by the appended claims.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Sonda per la caratterizzazione composizionale di un materiale della parete di un foro praticato in un terreno comprendente: - due sorgenti laser di eccitazione (2a, 4a) atte ad emettere rispettivi fasci di eccitazione diretti al materiale da analizzare, - un gruppo ottico (6) atto ad indirizzare i fasci di eccitazione sulla parete di un foro praticato nel terreno e a raccogliere i segnali generati dal materiale eccitato dai fasci di eccitazione, - un gruppo roto-traslazionale (8) collegato al gruppo ottico (6) e atto a far ruotare e traslare detto gruppo ottico (6); e - uno spettrometro Raman (10) e uno spettrometro LIBS (10) per l’acquisizione rispettivamente di un segnale Raman e un segnale LIBS provenienti dal materiale eccitato da analizzare. CLAIMS 1. Probe for the compositional characterization of a material of the wall of a hole made in a ground comprising: - two excitation laser sources (2a, 4a) able to emit respective excitation beams directed to the material to be analyzed, - an optical unit (6) adapted to direct the excitation beams on the wall of a hole made in the ground and to collect the signals generated by the material excited by the excitation beams, - a roto-translational unit (8) connected to the optical unit (6) and able to rotate and translate said optical unit (6); And - a Raman spectrometer (10) and a LIBS spectrometer (10) for the acquisition of a Raman signal and a LIBS signal respectively from the excited material to be analyzed. 2. Sonda secondo la rivendicazione 1, in cui il gruppo ottico (6) comprende uno specchio parabolico rotante (12) atto a trasferire i fasci di eccitazione verso il materiale da analizzare e raccogliere i segnali ottici LIBS e Raman provenienti da detto materiale. Probe according to claim 1, wherein the optical assembly (6) comprises a rotating parabolic mirror (12) adapted to transfer the excitation beams towards the material to be analyzed and to collect the LIBS and Raman optical signals coming from said material. 3. Sonda secondo la rivendicazione 2, in cui lo specchio parabolico (12) è uno specchio fuori asse 12 atto a focalizzare i fasci di eccitazione e a collimare i segnali LIBS e Raman provenienti dal materiale. 3. Probe according to claim 2, wherein the parabolic mirror (12) is an off-axis mirror 12 adapted to focus the excitation beams and to collimate the LIBS and Raman signals coming from the material. 4. Sonda secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il gruppo roto-traslazionale (8) conferisce al gruppo ottico (6) tre gradi di libertà, detto gruppo ottico (6) potendo ruotare su se stesso (R) e traslare lungo due direzioni (A,B) longitudinale e trasversale rispetto all’ asse del foro. 4. Probe according to any one of the preceding claims in which the roto-translational unit (8) confers three degrees of freedom to the optical unit (6), said optical unit (6) being able to rotate on itself (R) and translate along two directions (A, B) longitudinal and transverse to the axis of the hole. 5. Sonda secondo la rivendicazione 2, in cui il gruppo roto-traslazionale (8) comprende un dispositivo di traslazione (8a) atto ad effettuare una traslazione trasversale, un dispositivo di traslazione (8b) atto ad effettuare una traslazione longitudinale, e un dispositivo di rotazione (8c) atto ad effettuare una rotazione dello specchio parabolico (12). 5. Probe according to claim 2, wherein the roto-translational unit (8) comprises a translation device (8a) suitable for carrying out a transversal translation, a translation device (8b) suitable for carrying out a longitudinal translation, and a device rotation (8c) adapted to effect a rotation of the parabolic mirror (12). 6. Sonda secondo la rivendicazione 1, in cui le sorgenti laser (2a, 4a) comprendono un primo laser impulsato e un secondo laser di tipo CW, preferibilemnte un laser Nd:YAG QS a 1064nm e un diodo CW a 638nm. Probe according to claim 1, wherein the laser sources (2a, 4a) comprise a first pulsed laser and a second CW type laser, preferably a 1064nm Nd: YAG QS laser and a 638nm CW diode. 7. Sonda secondo la rivendicazione 2, in cui il gruppo ottico (6) comprende inoltre cinque linee ottiche (14) comprendenti ciascuna una fibra ottica, lenti di collimazione e focalizzazione (16) e due filtri (18). Probe according to claim 2, wherein the optical assembly (6) further comprises five optical lines (14) each comprising an optical fiber, collimating and focusing lenses (16) and two filters (18). 8. Sistema per la caratterizzazione composizionale del materiale della parete di un foro del terreno comprendente una sonda secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, un’unità di movimentazione e flussaggio collegata alla sonda e atta a fornire acqua e gas alla sonda, ed un’unità di calcolo per la raccolta e l’elaborazione dei dati acquisiti dalla sonda atta ad eseguire caratterizzazione composizionale del materiale. 8. System for the compositional characterization of the wall material of a soil hole comprising a probe according to any one of the preceding claims, a handling and flushing unit connected to the probe and suitable for supplying water and gas to the probe, and a unit calculation for the collection and processing of the data acquired by the probe to perform compositional characterization of the material. 9. Procedimento per la caratterizzazione composizionale del materiale della parete di un foro del terreno comprendete le operazioni di: - predisporre (100) una sonda secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7 e introdurla in un foro praticato nel terreno; - acquisire (102)spettri LIBS e Raman del materiale in cui la sorgente laser di eccitazione Raman (2a) è sempre accesa, la sorgente laser di eccitazione LIBS (4a) emette un primo impulso che avvia l’acquisizione dello spettro LIBS e a cui viene assegnato un tempo di integrazione predeterminato, al termine del quale viene emesso un trigger che avvia in cascata l’acquisizione dello spettro Raman, e a cui viene assegnato un tempo di integrazione inferiore all’intervallo temporale che separa due impulsi laser successivi di eccitazione LIBS; - elaborare (104) gli spettri acquisiti al passo precedente; - caratterizzare (106) il materiale. 9. A process for the compositional characterization of the wall material of a hole in the ground comprising the operations of: - preparing (100) a probe according to any one of claims 1 to 7 and introducing it into a hole made in the ground; - acquire (102) LIBS and Raman spectra of the material in which the Raman excitation laser source (2a) is always on, the LIBS excitation laser source (4a) emits a first pulse which starts the acquisition of the LIBS spectrum and to which it is assigned a predetermined integration time, at the end of which a trigger is emitted that starts the acquisition of the Raman spectrum in cascade, and which is assigned an integration time shorter than the time interval that separates two successive LIBS excitation laser pulses; - processing (104) the spectra acquired in the previous step; - characterize (106) the material.
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