MX2011013238A - Obtencion de emisiones atomicas de un material a partir de la formacion de un plasma mediante laser multipulso y dispositivo portatil para su caracterizacion. - Google Patents

Abstract

Diseño de un dispositivo portátil empleado para la caracterización de materiales a partir de la generación de emisiones atómicas y lectura de espectros de emisión, mediante la técnica LIBS. Se compone de un láser, preferentemente Nd:YAG, encargado de realizar disparos de haz láser sobre el material a analizar para su excitación, teniendo la característica de que cada disparo contiene una pluralidad de pulsos láser o tren de pulsos, donde el tiempo de interacción es desde 10 hasta 1000 microsegundos y donde cada pulso tiene una duración entre 5 y 100 nanosegundos estando los pulsos especiados entre sí entre 5 y 100 microsegundos, generados por medio de un conmutador saturable integrado al medio activo de Nd:YAG; cuenta además con un espectrómetro óptico, el cuál recibe las señales que son captadas por medio de una fibra óptica conectada, por uno de sus extremos al espectrómetro, y por el otro, por lo menos, a un detector o sensor de intensidad luminosa ubicado en la parte frontal del dispositivo, encargado de captar las señales que genera el plasma formado a partir de la irradiación del material con el haz láser; dicho dispositivo dispone de una lente óptica cuya función es focalizar la incidencia de la luz del haz láser sobre la muestra o material; finalmente se cuenta con una fuente de alimentación.

Description

OBTENCIÓN DE EMISIONES ATÓMICAS DE UN LA FORMACIÓN DE UN PLASMA MEDIANTE LÁSER MULTIPULSO Y DISPOSITIVO PORTÁTIL PARA SU CARACTERIZACIÓN i Objeto de la invención La presente invención se refiere a la tecnología óptica, particularmente a dispositivos^ láser para su uso en espectroscopia de emisión atómica y más particularmente a un dispositivo de tipo portátil que sirve para determinar la composición de materiales a partir de la generación de emisiones atómicas del mismo mediante el uso de un láser multipulsos. i : Antecedentes de la invención Los láseres se comenzaron a utilizar como fuentes de excitación para laespectroscopia de emisión óptica (OES), creando más adelante el campo de la espectroscopia de rjrptura inducida por láser (LIBS). Esta técnica permite el análisis composicional de diferentes materiales con el uso mínimo de muestras mediante el uso de rayos láser, ya que estos tienen la ventaja de poder ser enfocados y dirigidos con precisión sobre un área muy pequeña creando un estado de plasma, siendo colectado mediante elementos ópticos y posteriormente procesado la distribución espectral de dicha emisión óptica a través de un espectrómetro.

Por otra parte, LIBS hace posible la medición práctica de muestras sobre cualquier superficie ya sea sólida, líquida o gaseosa.

A pesar de los avances tecnológicos que la aplicación de esta técnica representa, los dispositivos LIBS desarrollados hasta la actualidad para estos fines muestran determinados aspectos desventajosos entre los que pudiésemos citar: i i 1 1 ! • Menor precisión o resolución que sistemas de espectroscopia clásicos utilizados como por ejemplo el ICP (Plasma Inductivamente Acoplado), ya que LIB$ depende directamente del grado de ionización del plasma.

• Para mejorar la ionización del plasma y obtener resultados más precisos se utilizan dos o más pulsos de láser incidiendo sobre el empleo de varios láseres sincronizados lo la complejidad de tales sistemas.

• Un requisito, que se reporta como ineludible hasta la fecha, es que la ejnergía del pulso láser sea superior al umbral de energía de la ablación, lo cual impone un límite sobre el tamaño del láser. Por lo general, se requieren energías de pulso por encima de 20 mJ, e incluso mayores. Un ejemplo específico de un láser para LUÍS es el equipo que fabrica Big Sky Láser Technologies Nd: YAG láser que tiene 50 mJ. El tamaño de su emisor óptico es de 50 mm x 75 mm x 200 mm, y su bloque enfriador y de poder tiene dimensiones 380 mm x 380 mm x 190 mm. Este láser es refrigerado por agua, requiere un mantenimiento periódico regular y produce 20 pulsos por segundo.

• Las condiciones antes mencionadas han limitado la aplicación de la técnica a locales de laboratorio, restringiendo el desarrollo de estudios en condiciones externas o ambientales.

Después de haber desarrollado una búsqueda del estado de la técnica anterior registrado se localizaron varios documentos, que si bien cumplen con el objetivo de la tecnología, sin embargo presentan los inconvenientes antes referidos. A continuación se hace mención a los documentos de patentes que más se relacionan con el campo de la invención, describiendo diferentes métodos y diseños para equipos LIBS: WO/201 1/1 1006156 "Method and apparatus to láser ablation-laser induced re¾kdown spectroscopy."Método y aparato para producir emisiones atómicas, el cual consta de dos láseres, creando un plasma y un subplasma.

WO/2010/123530 "High-resolution láser induced breakdown spectroscopy devises and methods."Se corresponde con un equipo LIBS configurado para obtener resoluciones de 10 µ?? o menos, mediante el empleo de dos láseres, uno de nanosegundos (4-6| nsj y otro de femtosegundos (10-150 fs) y con una radiación electromagnética en el rango de 10 nm a 800 nm.

W 0/2009/ 103154 "Apparatus and methodfor láser inducedbreakdownspectroscopyusing a multiband sensor" Sistema LIBS que comprende varios sensores o detectores ópticos para colectar gradualmente las emisiones atómicas. i i \ WO/2008/ 1936361 "Practical láser induced breakdown spectroscopy uni '.jEquipo manual diseñado para realizar espectroscopia láser-inducida por descomposición, comprende una unidad portátil, con un láser de bombeo y un controlador. Una combinación de un láser en estado sólido y un Q-conmutador que reciben una haz del láser de bombeo (Nd:YLF). La colección de la luz óptica recoge la luz del plasma inducido del material muestra por impulsos láser centrados. Un espectrómetro recibe la luz recogida y produce la información que describe su distribución espectral.

WO/2007/0251 13 "Multifuncional láser induced breakdown spectroscopy and láser ablation material analysis system and method". Sistema y método para la realización de la espectrometría de plasma láser para análisis del grado de depósito de acumulación de los componentes turbomáquina protegidos por recubrimientos. El sistema incluye una fuente de energía del láser y una fibra óptica interconectados con la fuente de energía láser para recibir un rayo láser de ella y luego dirigir el rayo láser sobre la superficie la espectroscopia láser del componente. La fibra está configurada además para recoger la radiación emitida por un plasma inducido por el rayo láser en la superficie del componente.

WC72003/081287 "Fiber optic láser induced breakdown spectroscopy sensor for tnolten materials" US/2002/640781 1 "Ambient methods and apparatus for rapid láser trace constituent analysis". Método y aparato se divulga para medir espectroscopia de fluorescencia inducida por láser en condiciones ambientales. La fluorescencia inducida por láser se realiza en una longitud de onda seleccionada correspondiente al estado de absorción del componente seleccionado. El valor de la intensidad de la señal de la decadencia de las emisiones que se genera se compara con los valores calibrados.

WO/2000/00043755 "Method and apparatus for materials analysis by enhariced láser induced plasma spectroscopy". Posee láseres pulsados de alta potencia, colimados, con sus haces centradas en el elemento, que proporcionan dos impulsos en la ultravioleta y en el infrarrojo cercano. El primer impulso láser vaporiza un pequeño volumen en la superficie del material y produce un plasma que será mejorado posteriormente por el segundo impulso láser. La emisión óptica del plasma se analiza con un espectrómetro óptico. ; US/2000/6069695, "Process and arrangement for laser-induced spectral analysis". Un láser pulsado se emplea para el análisis cuantitativo espectral de halógeno, no metálicos y parcialmente en la mayoría de los materiales metálicos en combinación cón un i grabador de imágenes, un espectrómetro y una cámara CCD, mediante la detección, resumiendo y analizando la intensidad luminosa de por lo menos una pprcjón del volumen desde el cono de expansión del plasma, ventajosamente esto es posible por el gradiente de temperatura y densidad del plasma.

Podemos concluir que los equipos LIBS reportados por el estado de la técnica, están compuestos de diversos sistemas y equipos que hacen de la aplicación un 'proceso o tecnología costosa y suelen tener dimensiones que limitan su portabilidad y aplicación en campo o lugares remotos, de difícil acceso o incluso donde no se tiene acceso a la alimentación de energía. En algunos casos se requiere del uso de hasta dps fuentes generadoras de láser y un posible medio ambiente con gases controlados para una buena captación de las señales. Con la propuesta que se presenta, se expone un proces† capaz de determinar la composición de materiales en sus diferentes estados: sólido, líquido o gaseoso mediante el estudio de la emisión óptica del plasma que se origina al hacer incidir ün haz láser en forma de trenes de pulso mediante el empleo de un espectrómetro portátil diseñado para este fin. : El empleo novedoso de un haz láser en forma de trenes de pulso, como modalidad de excitación de la muestra, permite mejorar la calidad de detección y caracterización del material.

Este dispositivo creado para la caracterización de muestras mediante técnica LIBS, por su carácter portátil tiene, además de ventajoso, permitir que las mediciones sean realizadas de modo rápido y directo en el lugar donde se encuentra la muestra a caracterizar, en su medio natural, sin necesidad de ser trasladada al laboratorio. ! DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN i La presente invención se trata de un dispositivo portátil diseñado para poder de1.errttinar la composición de diferentes materiales en cualquiera de sus estados; sólido, líquido o gaseoso, permitiendo de esta manera captar las señales que se obtienen del plasma que se genera por la emisión atómica del material al ser impactado por un tren de pulsos láser. Dicho equipo basa su funcionamiento en un proceso fundamentado en la técnica de LIBS. 1 La figura 1 constituye la representación esquemática de la unidad portátil (1) en la cual se albergan todos los elementos que componen al dispositivo, dicha unidad (1) recibe energía proveniente de una fuente de alimentación (2), esta fuente pudiera estar ubicada en el Interior del dispositivo o de manera externa. 1 El elemento (1) cuenta en su interior con un láser Nd:YAG (4) que emite trenes de pulsos, esto lo logra gracias a que cuenta con un conmutador saturable elaborado en base a Un cristal de Cr:YAGe integrado al elemento activo de Nd:YAG (10); posee por lo menos una fibra óptica (5) que sirve como conductor; esta fibra óptica (5) es conectada, por uno de sus extremos a un espectrómetro (3) para el análisis de las señales que se generan, y por el otro extremo se une a un detector (6) o sensor, el cual es el encargado de captar las señales que genera el plasma (1 1 ) y que se monta en la parte frontal de (1) y dirigido en la inisma dirección del haz láser (8); finalmente se dispone de una lente (7) cuya función es focalizar la luz del haz láser (8) sobre la muestra (9). ! Una de sus principales ventajas es que hace empleo de un láser de baja potencia de consumo inferior a 100 W, el cuál, con un solo disparo, tiene la capacidad de enviar un tren de pulsos en el mismo disparo, de tal modo que genera múltiples impactos sobre el material sin necesidad de emplear dos o más fuentes generadoras de láser. Además, permite realizar las pruebas en cualquier medio ambiente, sin que se altere la toma de la muestra debido al tipo de iluminación que se tenga en el momento de su aplicación. : I A manera de ejemplo demostrativo, más no limitativo, se describe el funcionamiento y modo de operación del dispositivo que se propone en esta invención.

Partiendo de la propuesta de que el dispositivo puede contar con una forma de pistola, esta es dirigida de forma perpendicular a la superficie de la muestra del material objeto de estudio (9), dicho dispositivo (1) se coloca a una distancia de entre 0.05 y 50cm, esta distancié puede variar dependiendo del material a analizar. Dicha distancia es suficiente como para que el sensor o detector (6) pueda captar la señal proveniente del plasma que se genera en el proceso.

Una vez que se activa el láser (4), y con la acción del conmutador saturable (10), la muestra (9) es irradiada con un tren de pulsos de láser, el cual puede contener de 2 a 100 pijlsos en cada disparo del láser, cada uno con una duración entre 5 y 100 nanosegundos, espaciados entre sí entre 5 y 100 microsegundos, estos parámetros son suficientes para los finés de la presente invención dado que la información que se requiere es obtenida con estas características del aparato.

La formación de los trenes de pulsos con las características descritas, es posible gracias al uso del conmutador (lO)integrado al medio activo, en este caso se hace empleo de uno que comprende un cristal compuesto por Itrio, Granate y Aluminio, denominado YAG, el cual contiene preferentemente el 1% de Cromo, cuya función es interrumpir de forma intermitente el haz láser, de tal manera que funciona como conmutador, de esta manera se generan los pulsos láser con la duración y espaciamiento descritos, siendo una característica adicional de este conmutador (10), que es más compacto que otros sistemas utilizados en el e$tado de la técnica para fines similares.

El funcionamiento del dispositivo es el siguiente; una vez que se determina el material a analizar, se activa o dispara el láser, de tal modo que incide el primero de los pulsos láser sobre (9), este primer impacto contempla o incluye el tren de pulsos, los cuales impactan el espécimen a examinar generando un plasma (1 1), de tal manera de que el primej- pulso genera el plasma requerido para el análisis del material (9), un segundo pulso es absorbido por el plasma y con ello se intensifica la luz generada en el plasma, lo cual ayuda á tej er una mejor lectura. Cabe mencionar que la luz que se emite va a depender de las propiedades del material de la muestra.

Una vez que se genera el plasma (1 1), la luz creada es captada por el detector (6), el cual consiste de una fibra óptica de cuarzo, cuyo diámetro es entre 0.1 y 2 mm, la cual colecta la emisión del plasma y transmite la señal al espectrómetro (3), este procesa la señal recibida para completar el espectro de luz que es característico y propio de cada composición de muestras. Los pulsos siguientes del tren de pulsos van a ser absorbidos parcialménttí por el plasma formado por el pulso anterior, con lo cual se aumenta el grado de ionización de dicho plasma y se provoca que sea más intensa la luz que se emite, obteniendo de esta forma una mejor lectura o muestra del material, lo cual le da mayor fiabilidad a los resultádo$.

Es importante mencionar que parte de los pulsos láser atraviesan el plasma formádo por el pulso anterior y llegan directamente a la superficie de la muestra, con ello se loj a extraer mayor cantidad de material que se convierte nuevamente en plasma, con ello sé aumenta nuevamente la intensidad de este y por lo tanto su emisión de luz, lo cual en su cQnjunto contribuye al aumento de la señal que es captada por el detector (6), lo que contribuye a mejorar el nivel y la calidad de la detección.

De forma práctica, para poder realizar una medición, la unidad portátil se puede sujetar manualmente, orientando la salida del haz láser hacia la superficie a medir y procediendo a emitir un pulso láser, realizándose de inmediato la medición, cuyo resultado será almacenado en el espectrómetro o en alguna otra unidad de memoria. Dicha información almacenada será digitalizada y almacenada en una unidad de memoria, la cual posteriormente podrá ser extraída y llevada a una unidad de procesamiento, como por ejemplo una computadora portátil, una PDA, un dispositivo móvil, etc., donde se efectuará el análisis de dichos datos utilizando un programa de cómputo de uso común para sistemas LIBS (por ejemplo el programa SpectraSuite).

Una de las variantes que se puede tener, es que dicha información, una vez almacenada en el dispositivo, puede ser transmitida a algún otro dispositivo para su análisis de forma inalámbrica, como puede ser por IR, bluethooth o alguna otra.

En una modalidad, dicho dispositivo portátil puede llegar a contener una unidad de almacenamiento de la información digitalizada, una unidad de procesamiento y finalmente una unidad de despliegue de imágenes donde se pueden observar las imágene$ y/o ! ?