Анализ углерода в сталях

LIBS – как технология SciAps превратила искровые оптико-эмиссионные тележки в портативные анализаторы.

Традиционным методом анализа Углерода в сплавах является искровая оптико-эмиссионная спектроскопия (искровая ОЭС). ОЭС использует искровой источник высокого напряжения для непрерывного прожига сплава. Тепло от искры испаряет поверхность металла, отгоняя внешние валентные электроны от атомов, которые составляют сплав. Эти валентные электроны образуют электронную плазму. По мере охлаждения плазмы электроны соединяются с атомами, вызывая излучение излучаемых из электронов электронов на известных длинах волн. Например, если электрон рекомбинирует с атомом углерода, то испускаемый свет будет уникальным (то есть характерным) для углерода. В случае углерода одна из общих длин волн этого света составляет 193,1 нм. То же самое справедливо и для других элементов, таких как Si, Cr, Mn и т. д.

Свет плазмы пропускается через волоконно-оптические пути и в спектрометр. Спектрометр разделяет все различные длины волн света через дифракционную решетку и систему линз и зеркал. Различные длины волн света разлетаются через детектор ПЗС, а встроенный компьютер определяет интенсивность света на каждой длине волны. Интенсивность света данной длины волны связана с концентрацией этого элемента в сплаве. Например, более высокая интенсивность света на волне 193,1 нм (углерод) означает больше углерода в материале.

​Анализ в среде инертного газа, как правило, аргона, является требованием для достижения низких пределов обнаружения, хорошей точности и количественной оценки с искровыми оптико-эмиссионными спектрометрами. Объем, определяемый расположением искры где свет попадает в волокно, должен быть очищен от кислорода. Кислород гасит свет плазмы, особенно в глубокой УФ-области спектра, где измеряются многие элементы, включая углерод. Выполнение анализа в среде аргона увеличивает силу сигнала (интенсивности) в 10x-50 раз в зависимости от элемента.

Аргон, большой ПК, источник питания для генерации электрической искры – необходимые условия для создания искровой системы ОЭС с тележкой, а также нужно не забыть добавить большой балон для аргона. Вряд ли это портативный и удобный вариант. Во многих областях правила по сжатому газу делают транспортировку большого аргонового резервуара сложным или невозможным. Например, для контроля углеродистых сталей на трубопроводе оператор должен иметь кран, который понижает давление в системе и резервуаре аргона в канале для тестирования. При перемещении в следующее место кран поднимает и транспортирует искровой блок ОЭС.
До недавнего времени, несмотря на ограничения мобильности, громоздкие искровые ОЭС были единственным решением, позволяющим измерять содержание Углерода в стали в полевых условиях. Портативная рентгеновская флуоресценция (XRF или РФА) не может анализировать такие элементы, как Углерод. Фактически портативные РФА измеряют элементы от Магния (атомный номер 12) и выше. Сверхлегкие элементы, включая Углерод, Бор, Бериллий, Литий, не могут быть измерены в сплавах с помощью XRF (РФА).

Лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (LIBS)

SciAps представила новую технологию – лазерную эмиссионную спектроскопию (LIBS) для анализа Углерода и других легирующих элементов. Анализатор Z-200 C + также является оптико-эмиссионным спектрометром. Только источник энергии искры заменил миниатюрный импульсный лазер.

Справедливо спросить, как этот маленький импульсный лазер с батарейным питанием заменяет мощность искрового источника высокого напряжения, используемого в искровых ОЭС? Одним из ключевых параметров является плотность мощности, то есть сбрасывание достаточной энергии за короткий промежуток времени в достаточно небольшой области для испарения части образца.

Лазер Z создает импульс, содержащий около 5 мДж энергии. Эта энергия выстреливает в очень коротком промежутке времени около 2 млрд. долей секунды (2 нс). Диаметр лазера составляет около 50 микрон, поэтому площадь составляет около 2000 мкм. Поэтому лазер обеспечивает примерно гигаватт мощности на квадратный сантиметр поверхности, но за очень короткий промежуток времени. Эта высокая и мгновенная мощность позволяет молниеносно испарять поверхность образца. Небольшой, но мощный лазер является критическим компонентом, который дает портативный форм-фактор для технологии LIBS.

Аргон

Расход аргона – еще одно преимущество технологии LIBS по сравнению с искровыми ОЭС. Как и искровому ОЭС, для LIBS также нужна продувка аргоном. Однако, поскольку лазерный луч очень малого диаметра, объем продувки для LIBS примерно в 1000 раз меньше, чем у искрового ОЭС. Это означает, что Вы можете получить разумные по цене тесты с использованием небольшого, заменяемого пользователем аргонового контейнера, расположенного в ручке прибора, (расход одного мини баллончика 600 тестов для обычных сплавов и около 200 для анализа сталей с углеродом).

В итоге “ключом” к портативному форм-фактору для анализа углерода является лазер и пониженный расход аргона. Импульсный лазер (LIBS) заменяет большой, мощный, потребляющий большое количество энергии источник (ОЭС). Лазер LIBS требует гораздо меньше аргона для достижения приемлемой продувки и создания нужной среды.

Z 200C+ – это первый и единственный в мире портативный анализатор, способный определять любой сплав, проводить экспресс анализ химсостава стали, включая углерод, и даже нержавеющей стали класса L.