ООО "Современные Технологии Неразрушающего Контроля" 


+7 (499)703-40-44  info@lab-ndt.ru



 

Bruker EOS Libs

изображение Bruker EOS Libs
Полное описание

Bruker EOS Libs

Анализаторы HH - XRF и HH - LIBS для анализа сплавов

Выбор правильного инструмента для правильной работы

 

Портативные рентгенофлуоресцентные спектрометры (HH-XRF) в последние 10 лет стали золотым стандартом элементарного анализа металлов и сплавов в полевых условиях. Более 5.000 анализаторов продается ежегодно по всему миру для сортировки металлолома и стилоскопии (PMI). PMI – это инструмент гарантии качества, обеспечивающий идентификацию марок сплавов в различных отраслях промышленности, использующих металлы, для подтверждения соответствия спецификации и во избежание смешивания материалов.  Портативные анализаторы на основе лазерной искровой эмиссионной спектрометрии (HH-LIBS)  - активно развивающаяся технология, которая предлагает многообещающие возможности для анализа сплавов и может в нем дополнять HH-XRF, особенно при анализе элементов с низким атомным номером, таких как Be, Li, Mg, Al и Si (напр., легкие элементы).

 Действие данных аппаратов основано на следующих принципах:

        Спектрометры XRF основаны на ЭДРФ - спектроскопии, при которой радиация, образуемая маленькой рентгеновской лампой, направляется на поверхность образца и вызывает ионизацию внутренней оболочки атомов, из которых состоит образец.  Пустоты, образующиеся в результате во внутренней оболочке атома, заполняются электронами из оболочек выше и, таким образом, испускаются фотоны, свойственные определенному элементу, которые определяются кремниевым детектором. Т.к. РФ - спектроскопия подразумевает переходы в пределах внутренних оболочек атомов, полученный спектр будет содержать ограниченный набор линий, обычно от 2 до 6 разрешенных линий на элемент для ЭДРФ-спектрометра. При анализе металлов спектрометр HH - XRF может определять одновременно элементы от Ti до Pb за несколько секунд. При необходимости используется второй луч для определения легких элементов, что делает измерение дольше - от 10 до 60 секунд.   Спектрометры Bruker EOS HH - LIBS основаны на методе оптический эмиссионной спектрометрии, но в отличие от искрового метода OES, эмиссия является следствием генерации плазмы, произведенной лазером. В спектрометрах HH-LIBS лазерный импульс  попадает на поверхность образца, оплавляет количество материала в пределах 1 нг и создает струю плазмы (частично ионизированный газ) температурой 5,000-20,000K. Энергия лазера низкая, но она фокусируется на микроскопической точке образца для генерирования плазмы.  В этой плазме вещество, из которого состоит образец, распадается на атомы  (атомизация) и частично ионизируется. Эти атомы и ионы подвергаются возбуждению (переход электронов с более низких на более высокие уровни энергии атомной оболочки) и при возвращении к исходному состоянию (переход с более высоких на более низкие уровни валентной оболочки), они испускают характерные для каждого элемента спектральные линии. Испускаемый свет передается через оптические волокна и полихроматическое излучение рассеивается в одном или более спектрометрах через дифракционные решетки и обнаруживается ИС на ПЗС.

 Спектр LIBS может содержать сотни и даже тысячи  линий для одного элемента. Чувствительность этих  линий может отличаться на несколько порядков и обеспечивать в результате очень богатый спектр, особенно, если образец содержит большое количество переходных металлов, как в случае со сплавами нержавеющей стали. В обычной системе  HH- LIBS мощность рассеивания спектрометра часто ограничена его размерами и некоторые важные спектральные линии не могут быть полностью определены по линиям испускаемыми матрицей. Чтобы покрыть весь спектральный диапазон от 180 до 800 нм могут потребоваться многоуровневые спектрометры. Более того, длина волокон менее 200 нм (напр., C 193.09 нм или S 180.73 м) сильно поглощается воздухом и требует аргоновой продувки оптического пути для определения.  Почти все элементы, обычно содержащиеся в металлах, могут быть определены спектрометрами HH - LIBS: чувствительность к щелочным  (Li, Na и т.д..) и щелочно -земельным металлам (Be, Mg и т.д..) очень высока, и  чувствительность к переходным металлам хорошая, за исключением тугоплавких элементов, таких как Nb, Mo, W, или Ta, которые сложно определить[1,2]. Чувствительности к C, P и S обычно недостаточно для анализа этих элементов на соответствующем уровне в сплавах.

bruker eos-2.jpg

Типичный диаметр пятна HH-XRF - от 3 до 8мм, в то время, как кратер, образуемый лазером HH-LIBS, имеет диаметр от 50 до 100 µм. В диаметре этого кратера анализируются только фракции от 15 до 20 µм. Следовательно, HH-LIBS может быть более чувствительным к местным неоднородностям.

 С другой стороны, более мелкие пятна и очень узкие сварные швы могут анализироваться с помощью HH-LIBS.

           Оптическая эмиссия, возбуждаемая лазером, - это переходное явление, в то время как рентгеновский луч является постоянным и хорошо контролируемым.  Следовательно,  предполагается, что спектрометры HH-XRF дают более стабильные, повторяемые и воспроизводимые результаты, чем спектрометры HH-LIBS. Количественный анализ считается Ахиллесовой пятой метода LIBS, во-первых, из-за сложного процесса взаимодействия лазера и образца, который зависит как от характеристик лазера, так и от свойств материала, во-вторых, из-за процесса взаимодействия плазмы и частиц, которые зависят от времени и площади.  [2].

 

 По сравнению с Bruker s1 Titan XRF, спектрометры Bruker EOS HH - LIBS предлагают новые возможности в области применений: можно обнаруживать Li в алюминиевых сплавах в авиапромышленности, Be в бериллиевой бронзе и C в углеродистой стали и чугуне. Кроме того, чувствительность к Mg и Al гораздо выше в HH-LIBS, чем в HH-XRF, что значительно ускоряет сортировку алюминиевых и титановых сплавов (несколько секунд против 30-60с с HH-XRF). Однако, спектрометры HH-LIBS могут не обнаруживать низкие концентрации S и P, которые могут быть вычислены спектрометром HH-XRF в нержавеющей стали (SS 303, SS 416) и фосфорной бронзе. В общем, в сортировке металлолома, спектрометры HH-LIBS работают быстрее с алюминиевыми сплавами и более-менее равны по скорости  HH-XRF при анализе нержавеющей стали. Спектрометры HH-LIBS могут сортировать большинство сплавов Ti быстрее, чем HH-XRF, за исключением Ti марки 11, содержащей 0.15% Pd, которую можно определить с помощью HH-XRF.

bruker eos-3.jpg


 

Сортировку нержавеющей стали можно произвести за несколько секунд при помощи как HH-XRF, так и HH-LIBS. Для более тяжелых сплавов, таких как суперсплавы, медные сплавы (кроме алюминиевой и бериллиевой бронзы), припои, свинцовые сплавы или сплавы драгоценных Figure 3: Metal sorting by means of handheld XRF металлов, HH-XRF обеспечивают более высокую чувствительность и точность, чем  HH-LIBS. Кроме того, измерение примесей в металлоломе может быть сложным для  HH-LIBS, например, определение Pb и Sn в сплавах нержавеющей стали 100-500 ppm будет проблематично для HH-LIBS.

 

Для быстрой сортировки алюминиевых сплавов на основе легких элементов HH-LIBS—однозначно лучшая альтернатива, так же как и для определения марок магния и титана. Когда большое значение имеют точность и аккуратность, как в  анализе PMI и контроле качества, или когда требуются  цифры по цене в торговле металлоломом (Ni, Mo и т.д.), по-прежнему лучший выбор - HH- XRF. С правовой точки зрения HH-XRF требует бумажной работы, лицензирования и, в некоторых странах, длительного обучения безопасности при работе с радиацией. В противоположность этому, использование лазеров (класс 1 или 3b) ничего этого не требует.

 

Таким образом, если ваше основное применение – анализ магниевых, алюминиевых или титановых сплавов, или цветных металлов со значительным содержанием  Be, Al или Si, ваш лучший выбор – Bruker EOS LIBS. Если ваше основное применение – это анализ нержавеющей стали, высокотемпературных сплавов или других тяжелых металлов, ваш лучший выбор – Bruker s1 Titan XRF.  Какой бы из данных аппаратов вы ни выбрали, вы сможете анализировать большинство классов сплавов, но при этом необходимо понимать, что есть определенные компромиссы в скорости и точности. Убедитесь, что вы оценили все возможные варианты на вашем уникальном наборе образцов и выбираете тот инструмент, который лучше всего отвечает вашим требованиям.

 

 

Плюсы и минусы HH XRF и HH LIBS

 

Плюсы

•    Скорость анализа для элементов Ti-U (2-5с)

•    Отработанная технология

•    Надежность метода

•    Большая анализируемая площадь (7 -50 мм2)

•              Превосходная чувствительность и точность для металлов с атомным номером >22

•    Хорошо подходит для анализа примесей

•    Полностью неразрушающий метод     Плюсы

•              Скорость анализа (2 с) в т.ч. для легких элементов

•              Более низкие пределы обнаружения для легких элементов с низким потенциалом возбуждения / низким потенциалом ионизации (щелочные и щелочно-земельные элементы)

•    Нет требований к безопасности, как у рентгеновских аппаратов

•    Идеально подходит для анализа сварочных швов

•    Способен измерять Li, Be, B, C

Минусы

•              Необходимо соответствие местному регламенту безопасности рентгеновских аппаратов

•              Долгое время анализа легких элементов (10 с и более)

•    Не определяет Li, Be, B, C, Na                Минусы

•    Не до конца отработанный метод

•              Не принят важными организациями, такими как API

•              Не подходит для следового анализа – напр., не может анализировать большинство примесей

•    Не может измерить количество C при 200-300 ppm

•    Высокий предел обнаружения для S, P.

•              Меньшая точность из-за переходной природы плазмы

•              Маленькая площадь анализируемой поверхности, чувствительность к неоднородностям

•              Разрешение компактных спектрометров/необходимость многоуровневых спектрометров + оптические волокна, что в результате делает аппараты более громоздкими и тяжелыми

•              Разрушающий метод (на анализируемом образце остается небольшой кратер или узор)

 


ООО "Современные Технологии Неразрушающего Контроля" 


+7 (499)703-40-44  info@lab-ndt.ru

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru