Multielementanalyse mittels LIBS

Multielementanalyse mittels LIBS
Multielementanalyse mittels LIBS

Die Laserplasmaanalyse (LIBS - Laser Induced Breakdown Spectroscopy) eröffnet neue Möglichkeiten zur Schnellanalytik beliebiger Stoffe ohne zeitaufwendigen Probenaufschluß. Die Verdampfung fester Proben mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls in Verbindung mit der gleichzeitigen spektralen Analyse des sich ausbildenden Mikroplasmas gestattet die unmittelbare chemische Analyse mikroskopisch kleiner Bereiche.

Die Echelle Spektrometer / Spektrographen der Serie ESA 4000 sind hervorragend für die Vermessung ultrakurzer Plasmaentladungen geeignet und ermöglichen eine echte simultane Multielementanalytik. Die Auswertung der emittierten elementspezifischen Linienstrahlung gestattet die gleichzeitige Bestimmung von Haupt- und Spurenelementen und damit eine direkte Analyse der atomaren Zusammensetzung von Stoffen.

Die Echelle Spektrometer / Spektrographen der Serie ESA 4000 sind spektral hochauflösende, kompakte Messgeräte, die nahezu beliebige Laserquellen steuern können. Applikationen für das Echelle System sind z.B. die LIBS-Analyse der Materialzusammensetzung technischer Gläser oder die Mikroanalytische Untersuchung von Metallen.

Analyse von Glas

Glasanalytik mit ESA 4000
Glasanalytik mit ESA 4000

Wegen der hohen Transparenz von Gläsern ist jede kleinste Inhomogenität sofort sichtbar. Die leichte Erkennbarkeit von Glasfehlern durch das menschliche Auge stellt deshalb eine hohe Anforderung an die Glasherstellung. Treten im Produktionsprozess Punktdefekte oder Schlieren auf, so ist eine rasche Klärung der Fehlerursache notwendig. Mit dem Lasermikroskop und einem angekoppelten Echellespektrometer ESA 4000 ist es möglich, solche Fehler ortsaufgelöst zu messen. Hierzu ist in der Regel eine einfache halbquanitative Analyse ausreichend. Diese ist durch einen einfachen Vergleich der am Defekt und aus dem umgebenden Volumenmaterial erhaltenen Plasmaspektren möglich.

Anwendungsbeispiel

Die folgende Abbildung zeigt einen lokalen Glaseinschluss in einem Trinkglas. Zur Klärung der Fehlerquelle erfolgte eine Mikrodefekt-Analyse entlang des eingezeichneten Pfeils. Die Messungen wurden mit einem diodengepumpten Nd:YAG-Laser bei einer Anregungswellenlänge von 266 nm durchgeführt. In der anschließenden Grafik sind die absoluten Intensitäten einer Silizium-, Kalzium- und Aluminiumlinie als Funktion des Ortes aufgetragen.

Im Vergleich zur umgebenden Glasmatrix zeigt der Linienscan einen starken Anstieg des Aluminiumgehaltes im Glasfehler, während sich der Kalziumanteil verringert. Die Silizium-konzentration variiert nur schwach. Solche Glasdefekte sind typisch für eine Korrosion mit einem hoch Al2O3-haltigen höchst-schmelzenden (refraktären) Erz.


Glassdefekt in einem Trinkglas - MikroskopbildÄnderung der Elementzusammensetzung an einem Glasfehler (Punktfehler) in einem Trinkglas - Linienscan










Analyse von Metalllegierungen

Echellespektrum einer Stahlprobe (LIBS Messung, Nd:YAG-Laser, 1064 nm)
Echellespektrum einer Stahlprobe (LIBS Messung, Nd:YAG-Laser, 1064 nm)

Zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Metalllegierungen, wird der Echelle Spektrometer ESA 4000 mit einem externen Laser gekoppelt. Durch die integrierte Echelleoptik können alle relevanten Analyselinien im Spektralbereich von 200 nm bis 800 nm mit einem Auflösungsvermögen von wenigen pm simultan erfasst und damit nahezu alle chemischen Elemente in einem Messschritt detektiert werden. Die Nachweisgrenzen reichen bis in den ppm-Bereich. Die Leistungsfähigkeit des Echelle Spektrometers widerspiegelt sich in ausgewählten Applikationen, wie der Analyse von Stahl-, Hartmetall-, Aluminium- bzw. Edelmetalllegierungen.

Durch die gute Fokussierfähigkeit von Laserlicht sowie der Verwendung von sehr kurzwelliger Strahlung im ultravioletten Spektralbereich lassen sich auch kleinste Materialmengen mit Abmessungen von einigen µm untersuchen. Die Möglichkeit der quasi punktuellen Verdampfung gestattet eine einfache und schnelle Erfassung lokaler Inhomogenitäten entlang der Probenoberfläche als auch die Aufnahme von Tiefenprofilen.

Anwendungsbeispiel

Mikroanalytische Untersuchung von Werkzeugstählen

Die starke Beanspruchung der gehärteten Schneidkanten während des Bearbeitungsvorganges stellt hohe Anforderungen an die physikalischen Materialeigenschaften. Eigenschaften wie Härte, Verschleiß-, Temperatur- und Kantenfestigkeit werden wesentlich von der mikroskopischen Struktur bestimmt. Die lokale Analyse der chemischen Zusammensetzung kleinster Materialbereiche kann deshalb wichtige Informationen zur Klärung der Ursachen für eine verringerte Belastbarkeit bzw. Abriebfestigkeit liefern.

Zur Charakterisierung von Materialinhomogenitäten besteht nicht unbedingt die Notwendigkeit einer exakten quantitativen Analyse. Eine Bestimmung der Natur des Fehlers ist durch einfachen Vergleich der elementaren Zusammensetzung zwischen dem Grundmaterial und dem eigentlichen „Defekt“ möglich. Die quasi punktuelle Anregung erlaubt ein gezieltes „Anschießen“ von mikroskopisch kleinen Veränderungen. Die Auswertung der Intensitätsverhältnisse elementspezifischer Spektrallinien aus der Plasmastrahlung ermöglicht eine einfache halbquantitative Analyse.

Die folgende Mikroskopaufnahme zeigt einen Drehstahl im Bereich der Schneidkante. Es handelt sich hierbei um ein Werkzeug mit eingelötetem Hartmetallplättchen. Zu sehen ist der Übergangsbereich Werkzeugträger – Lot – Hartmetall vor und nach der Plasmaanalyse. Der Linienscan wurde senkrecht zur Lötkante durchgeführt. Anhand der aufgenommenen Spektren ist eine sofortige qualitative Analyse der Elementzusammensetzung möglich. Ein eigenes Messprogramm zur automatischen Metallanalyse wurde durch die Auswahl geeigneter Analyselinien aufgestellt. Das Programm erlaubt den direkten Ausdruck von Messprotokollen mit den gewünschten Spektralbereichen und den ermittelten Linienintensitäten bzw. -verhältnissen.

Mikroskopaufnahmen eines Drehstahls im Bereich des Überganges Werkzeugträger – Lot – Hartmetall
a) vor b) nach LIBS Analyse (Linienscan, 90 µm Schrittweite, 1064 nm Anregung)

Mikroskopaufnahme Drehstahl vor LIBS Analyse Mikroskopaufnahme Drehstahl nach LIBS Analyse

Die Analyse des Hartmetalls ergab als Hauptkomponenten die Elemente Titan, Wolfram und Kobalt, die als sehr verschleiß- und wärmebeständige Bestandteile gelten. In geringerer Konzentration sind Tantal, Silizium und Spuren an Kupfer, Eisen und Chrom enthalten. Der Werkzeugträger ist eine mangan- und siliziumhaltige Stahllegierung mit zusätzlichen geringen Kupfer- und Chromanteilen. Betrachtet man die gemessenen Linienintensitäten entlang des durchgeführten Linienscans, so erhält man Aussagen über die Änderung der elementaren Zusammensetzung im Übergangsbereich Werkzeugträger – Hartmetall. Die ortsaufgelösten Messungen senkrecht zur Lötkante weisen auf Diffusionsvorgänge von einzelnen Elementen wie Silizium und Eisen in das Kupferlot hin.

Änderung der Elementzusammensetzung eines Drehstahls im Übergangsbereich Werkzeugträger – Hartmetall (Linienscan senkrecht zur Lötkante))
Aenderung Elementzusammensetzung Drehstahl