DE102004051310B4

DE102004051310B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie

Info

Publication number: DE102004051310B4
Application number: DE200410051310
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Makowe; Reinhard Dr. Noll; Ümit Dipl.-Phys. Aydin
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: DE102004051310A1

Abstract

Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie für die Analyse von stückigen Messobjekten, insbesondere Gesteinen, Mineralien, Erzen, Schüttgut oder Recyclingmaterialien, unter Verwendung mindestens eines gepulsten Lasers, bei dem N gepulste Laserstrahlen (27) zur Erzeugung laser-induzierter Plasmen an N Messorten, wobei N größer oder gleich 2 ist, auf ein stückiges Messobjekt (10) fokussiert werden und die von den N Plasmen (25) emittierte Strahlung (26) jeweils erfasst und damit eine Elementanalyse durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der N Plasmen innerhalb eines Zeitintervalls erfolgt, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser und kleiner ist als 10 ns.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind solche, bei denen eine Elementanalyse von inhomogen zusammengesetzten Messobjekten durchgeführt werden soll.
Stand der Technik
Bei der Laser-Emissionsspektrometrie (LIBS, laser-induced breakdown spectroscopy) werden die Konzentrationen verschiedener chemischer Elemente in einem Messobjekt dadurch bestimmt, dass mit Hilfe eines kollimierten oder eines fokussierten Laserstrahls ein Plasma auf der Oberfläche des Messobjekts erzeugt wird und die Konzentrationen dieser chemischen Elemente in dem Messobjekt durch Analyse der elementspezifischen Emissionen des laserinduzierten Plasmas bestimmt werden.
Sind die Messobjekte inhomogen zusammengesetzt, wie es beispielsweise bei Mineralien oder Erzen bei der Rohstoffgewinnung der Fall ist, muss im allgemeinen an verschiedenen Orten des Messobjekts eine Elementanalyse durchgeführt werden, um ein für das gesamte Messobjekt repräsentatives Ergebnis gewinnen zu können. Für die Laser-Emissionsspektrometrie bedeutet dies, dass an mehreren Oberflächenpositionen ein Plasma gezündet und anschließend ein Durchschnittswert der Signale gebildet werden muss, wobei die Verteilung und Anzahl der Messpositionen von der individuellen Zusammensetzung des Messobjektes abhängt.
Diese Aufgabe wird meist, wie etwa in der DE 102 29 498 A1 , so gelöst, dass mehrere Messungen nacheinander an verschiedenen Orten des Messobjektes durchgeführt werden. Dabei ist die maximal erreichbare Messrate durch technologische Rahmenbedingungen begrenzt, wie beispielsweise die erreichbare Pulswiederholfrequenz des Lasers oder der Geschwindigkeit der Detektions- und Auswerteelektronik. Insbesondere für Anwendungen, bei denen die Messungen online stattfinden müssen, kommt daher eine derart ausgestaltete systematische Analyse des gesamten Messobjektes durch viele, eng beieinanderliegende Messorte aus Zeitgründen nicht in Frage. Dies gilt vor allem auch für Anwendungen, bei denen ein hoher Teilchendurchsatz vorliegt, wie etwa für Messaufgaben bei der Rohstoffgewinnung, z. B. für die Analyse von Gesteinen, Mineralien, Erzen oder Schüttgütern oder beim Recycling von Rest- und Abfallstoffen. Stattdessen muss für derartige Anwendungen die Anzahl der Messorte pro Messobjekt minimal gehalten werden.
Die Laser-Emissionsspektrometrie kann wahlweise mit fester oder mit variabler Brennweite der Fokussieroptik betrieben werden. Bei der Laser-Emissionsspektrometrie mit Fokussieroptiken festgehaltener Brennweite von beispielsweise 200 mm muss das Messobjekt bis auf Bruchteile eines Millimeters genau positioniert werden, um mittels einer zuvor erstellten Kalibrierung eine quantitative Aussage über Analytkonzentrationen im Material des Messobjekts zu gewinnen. Bei einer Änderung der Probenposition relativ zur feststehenden Fokuslage des Laserstrahls oder einer Änderung der Neigung des Oberflächenelements ändert sich sowohl die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf der Oberfläche des Messobjekts als auch der detektierte Raumwinkel der Plasmaemission bedingt durch den veränderten Abstand der Probenoberfläche zur festgehaltenen Position der Empfangsoptik der Detektoreinheit oder durch eine partielle Abschattung des laserinduzierten Plasmas durch das Messobjekt. Diese Veränderung kann teilweise dadurch kompensiert werden, dass das Verhältnis des Messsignals der betrachteten Emissionslinie zu der Emission einer Referenzlinie eines dominanten Matrixelements oder zu einer Kombination von anderen Linienemissionssignalen und einem zur Gesamtemission des betrachteten Plasmas proportionalen Signals ausgewertet wird. Dieses Verfahren wird als „Referenzierung” oder „interne Standardisierung” bezeichnet.
Ein weiterer systematischer Fehler ergibt sich jedoch ferner aus einer veränderten Charakteristik der Emission des laserinduzierten Plasmas. Eine quantitative Aussage über Analytkonzentrationen im Material des Messobjekts wird dadurch erschwert oder unmöglich gemacht bzw. die gemessene Analytkonzentration ist fehlerbehaftet.
Die letztgenannte Fehlerursache kann zum Teil durch den Einsatz einer Autofokuseinheit in Verbindung mit einem gepulsten Laser festgehaltener Repetitionsrate behoben werden. Dabei wird mittels der Autofokuseinheit der Abstand zur Probenoberfläche mit einem Laser-Triangulationssensor bestimmt und die Fokuslage des Analyselasers auf diesen Abstand eingestellt.
Insgesamt sind jedoch die Lösungen aus dem Stand der Technik hinsichtlich Messrate oder Messgenauigkeit unbefriedigend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung einer Elementanalyse inhomogener Messobjekte anzugeben, womit eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig kurzer Analysedauer und hoher Messrate erzielt wird.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie gemäß der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich das technische Problem durch ein Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie unter Verwendung mindestens eines gepulsten Lasers lösen lässt, bei dem N gepulste Laserstrahlen zur Erzeugung laser-induzierter Plasmen an N Messorten, wobei N größer oder gleich 2 ist, auf ein Messobjekt fokussiert werden, die von den N Plasmen emittierte Strahlung jeweils erfasst und damit eine Elementanalyse durchgeführt wird. Die Erzeugung der N Plasmen erfolgt dabei innerhalb eines Zeitintervalls, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser.
Das Messobjekt wird somit an mehreren Orten mit einem fokussierten Laserpuls beaufschlagt. An allen Messorten wird ein Plasma gezündet und die vom Plasma emittierte Strahlung detektiert, d. h. es wird jeweils eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen. Gemäß der Erfindung werden dabei alle N Plasmen innerhalb eines Zeitintervalls, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser, gezündet. Vorzugsweise werden die N Plasmen innerhalb eines Zeitintervalls gezündet, das kleiner ist als der minimale technisch realisierbare zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Laserpulse einer für die Laseremissionsspektrometrie geeigneten Laserquelle. Auf diese Weise kann die Analysedauer im Vergleich zum Stand der Technik beträchtlich verringert werden. Insbesondere ist die Begrenzung der Messrate bei der Vermessung von vielen inhomogenen Messobjekten, wie etwa bei der Rohstoffgewinnung oder dem Wertstoffrecycling, deutlich weniger von der maximal erreichbaren Pulsfrequenz des Lasers und der Geschwindigkeit der Detektions- und Auswerteelektronik abhängig. Bei vorgegebener Messrate kann im Vergleich zum Stand der Technik eine größere Anzahl von Messorten untersucht werden und auf diese Weise die Analysesicherheit beträchtlich erhöht werden. Durch die Erfindung werden Online-Messungen mit hohem Teilchendurchsatz und verbesserter Messgenauigkeit möglich.
Grundsätzlich ist es möglich, mehrere Laserquellen für die Erzeugung der N Laserstrahlen vorzusehen. Ein kompakterer Messaufbau ist jedoch realisierbar, wenn lediglich eine Laserquelle verwendet wird, mit welcher die N Laserstrahlen erzeugbar sind. In diesem Fall können zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen ein oder mehrere Strahlteiler verwendet werden. Bei der Verwendung lediglich einer Laserquelle kann eine zeitliche Synchronisation der Laserstrahlen unterbleiben.
Vorzugsweise soll die Erzeugung der N Plasmen gleichzeitig erfolgen. Eine exakt gleichzeitige Erzeugung der N Plasmen ist im allgemeinen technisch nicht realisierbar. Unter Gleichzeitigkeit versteht der Fachmann jedoch generell ein bestimmtes kleines zeitliches Intervall. In diesem Fall ist mit der gleichzeitigen Erzeugung der N Plasmen gemeint, dass der zeitliche Abstand zwischen der Erzeugung der Plasmen klein gegenüber dem minimalen technisch realisierbaren zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Laserpulse einer für die Laseremissionsspektrometrie geeigneten Laserquelle ist. Die Erzeugung der N Plasmen erfolgt in diesem Sinne nahezu gleichzeitig, d. h. der zeitliche Abstand zwischen der Erzeugung der Plasmen liegt innerhalb eines Intervalls von 10 μs, vorzugsweise jedoch innerhalb eines Intervalls von 10 ns. Auf diese Weise kann eine besonders starke Verringerung der Analysedauer im Vergleich zum Stand der Technik erzielt werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es insbesondere aber auch möglich, die Emissionen aller N Plasmen gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig zu erfassen. Diese Vorgehensweise ist zudem besonders einfach und hinsichtlich der Messrate vorteilhaft. Insbesondere kann dies mit einer einzigen Detektionsvorrichtung geschehen, wodurch ein besonders kompakter Aufbau realisierbar ist. Diese Detektionsvorrichtung führt die Emissionen zusammen, so dass typischerweise über N Plasmen eine Mittelung stattfindet. Die Detektionsvorrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die Signale aller N Plasmen gleich gewichtet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dann gegeben, wenn vor der Erzeugung der laser-induzierten Plasmen für alle N Messorte jeweils der Abstand zwischen Messort und Fokussiereinrichtung bestimmt wird. Dies kann beispielsweise mit einem Laser-Triangulationssensor erfolgen. Anhand dieser ermittelten Abstände kann für jeden Messort automatisch die Brennweite eingestellt werden. Die Messungen werden somit mit variabler Brennweite vorgenommen. Grundsätzlich ist es dabei möglich, für alle Messorte dieselbe Brennweite vorzusehen oder aber für alle Messorte eine individuelle Brennweite einzustellen. Abhängig vom Anwendungsfall kann es im Hinblick auf die Messgenauigkeit ausreichend sein, für alle Messorte dieselbe Brennweite vorzusehen, insbesondere bei der Analyse von Messobjekten mit vergleichsweise ebener Oberfläche. In einem solchen Fall kann die Einstellung der gemeinsamen Brennweite für alle Messorte z. B. abhängig von dem durchschnittlichen Abstand zwischen Messort und Fokussiereinrichtung gewählt werden. Dies stellt eine erhebliche Vereinfachung für den Messaufbau dar. Für viele Anwendungsfälle müssen jedoch die Unterschiede, welche die Abstände zwischen Messort und Fokussiereinrichtung jeweils zueinander aufweisen, berücksichtigt werden, um eine hinreichende Messgenauigkeit gewährleisten zu können. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Brennweite für alle Messorte individuell einzustellen. Durch diese Vorgehensweise wird sichergestellt, dass alle Laserstrahlen mit hinreichend und ähnlich starker Fokussierung auf das Messobjekt treffen.
Vorteilhaft ist es auch, für alle Messorte dieselbe Brennweite dann vorzusehen, wenn die Abstände sich paarweise um höchstens einen vorgegebenen Wert unterscheiden, und andernfalls für alle Messorte die Brennweite individuell einzustellen. Für den vorgegebenen Wert, mit dem die Abstandsdifferenzen verglichen werden, kann beispielsweise die Rayleighlänge der fokussierten Laserstrahlen angesetzt werden.
Die Anzahl N der gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig erzeugten Plasmen ist erfindungsgemäß größer oder gleich 2. Die optimale Anzahl hängt dabei vom Anwendungsfall ab und liegt typischerweise zwischen 2 und 10. Eine besonders große Anzahl ist vorteilhaft für eine schnelle Vermessung besonders inhomogen zusammengesetzter Messobjekte. Begrenzt ist die Anzahl jedoch insbesondere für den Fall, dass lediglich eine Laserquelle verwendet wird, dadurch, dass die Energie jedes Laserpulses für die emissionsspektrometrische Messung ausreichend hoch sein muss.
Die Gesamtanzahl von auf einem Messobjekt erzeugten Plasmen kann durch N gegeben sein, es können je nach erwünschter Messgenauigkeit und Messrate jedoch auch mehr Messorte untersucht werden, in diesem Fall wird das Verfahren mehrfach hintereinander durchgeführt, wobei jeweils mehrere Plasmen gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig erzeugt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie vorgeschlagen, bei dem gepulste Laserstrahlung zur Generierung laserinduzierter Plasmen an mehreren Messorten auf ein Messobjekt fokussiert wird, bei dem die von den Plasmen emittierte Strahlung jeweils erfasst und damit eine Elementanalyse durchgeführt wird. Dabei wird vor der Plasmagenerierung eine Vorabmessung der Inhomogenität der Materialzusammensetzung durchgeführt und abhängig vom Ergebnis der Vorabmessung die Lage und/oder die Anzahl der Messorte, an denen eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen wird, bestimmt.
Auf diese Weise wird erreicht, dass mit der emissionspektrometrischen Messung auf sehr effizientem Weg ein möglichst repräsentatives Ergebnis der Materialzusammensetzung des Messobjekts erzielbar ist. Durch die erfindungsgemäße Hinzufügung der Vorabmessung der Inhomogenität der Materialzusammensetzung kann die Anzahl der pro Messobjekt untersuchten Messorte gesenkt werden, ohne die Analysesicherheit zu verringern, und damit die Messrate erhöht werden. Andererseits kann bei vorgegebener Messrate die Anzahl der pro Messobjekt untersuchten Messorte und damit die Analysesicherheit erhöht werden. Insgesamt ist es möglich, die Messgenauigkeit und/oder die Messrate zu erhöhen.
Gemäß der ersten Alternative wird abhängig vom Ergebnis der Vorabmessung die Lage der Messorte, an denen eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen wird, bestimmt. Es wird somit gezielt eine solche Auswahl von Messorten getroffen, die geeignet ist, ein repräsentatives Bild der Materialzusammensetzung des Messobjekts zu liefern. Fehlanalysen, die durch eine schlechte Auswahl von Messorten entstehen, werden somit vermieden. Genauso ist es möglich, emissionsspektrometrische Messungen an Messorten, die redundante Information erzielen würden, zu vermeiden.
Gemäß der zweiten Alternative wird abhängig vom Ergebnis der Vorabmessung die Anzahl der Messorte, an denen eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen wird, bestimmt. Das bedeutet, die Dichte der Messorte auf der Oberfläche des Messobjektes wird an die ermittelte Inhomogenität der Materialzusammensetzung angepasst. Je inhomogener sich die Materialzusammensetzung darstellt, desto mehr Messorte müssen für eine emissionsspektrometrische Messung pro Flächeneinheit vorgesehen werden, um ein hinreichend repräsentatives Ergebnis erzielen zu können.
Eine Vorabmessung kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass zunächst Signale erfasst werden, welche von der Oberfläche des Messobjekts ausgehen und auf die chemische Materialzusammensetzung des Messobjekts hinweisen. Mehrere Messverfahren sind für die Vorabmessung denkbar, die Einsetzbarkeit und Vorteilhaftigkeit eines bestimmten Messverfahrens hängt dabei vom Anwendungsfall ab. Zu betonen ist, dass durch die Vorabmessung nicht bereits die Materialzusammensetzung des Messobjekts bestimmbar sein muss. Dies würde zumindest hinsichtlich der Messrate des gesamten Verfahrens im allgemeinen keine Vorteile erbringen. Stattdessen zielt die Vorabmessung lediglich auf die Ermittlung der Inhomogenität der Materialzusammensetzung ab, d. h. es sollen Oberflächenteilbereiche unterschiedlicher chemischer Materialzusammensetzung durch die Vorabmessung mit einer akzeptablen Sicherheit unterscheidbar sein, nicht notwendig ist jedoch die explizite Kenntnis der jeweiligen Materialzusammensetzung.
In bestimmten Fällen können Oberflächenteilbereiche unterschiedlicher Materialzusammensetzung anhand ihrer Rauhheit bzw. Glattheit der Oberfläche unterschieden werden. Durch Bestimmung des Oberflächenprofils, d. h. der Topographie der Oberfläche kann damit in solchen Fällen die Inhomogenität der Materialzusammensetzung ermittelt werden. Die Bestimmung des Oberflächenprofils ist durch einen laserbasierten Lichtschnittsensor, eine Multipunkt-Triangulationseinheit oder mehrere Triangulationssensoren realisierbar. In einigen Anwendungsfällen ist auch anhand der Farbe oder der Reflektivität der Oberfläche ein akzeptable Unterscheidbarkeit von Oberflächenteilbereichen unterschiedlicher Materialzusammensetzung möglich. Eine derartige Messung kann z. B. mittels einer Kamera erfolgen.
Bei der Vorabmessung kann es sich aber selbst auch um emissionsspektrometrische Messungen handeln. Anders ausgedrückt wird die Untersuchung des Messobjekts mit emissionsspektrometrischen Messungen in diesem Fall somit in zumindest zwei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase, der Vorabmessung, werden einige Plasmen erzeugt, deren Emissionen ausgewertet und damit die Inhomogenität des Messobjekts abgeschätzt. Abhängig vom Ergebnis wird entschieden, wie viele Messorte in der zweiten Phase, der eigentlichen Messung, mittels (weiterer) emissionsspektrometrischer Messungen untersucht werden. Auf diese Weise lässt sich die Gesamtzahl von emissionsspektrometrischen Messungen, die zur Erreichung einer bestimmten Analysesicherheit notwendig sind, möglichst gering halten. Selbstverständlich ist es auch denkbar, das gesamte Verfahren mit mehr als zwei Phasen durchzuführen.
Eine weitere Möglichkeit ist es, im Rahmen der Vorabmessung laser-induzierte Fluoreszenzmessungen vorzunehmen. Dabei wird gepulste ultraviolette Laserstrahlung auf das Messobjekt gelenkt und auf diese Weise das Material zur Fluoreszenz angeregt. Durch die spektrale Analyse des emittierten Lichtes und anhand der Abklingzeit des Fluoreszenzsignals können Rückschlüsse auf die chemische Materialzusammensetzung gezogen werden. Da die UV-Strahlung das Messobjekt in aufgeweiteter Form beaufschlagt und die Fluoreszenz vorzugsweise ortsaufgelöst detektiert wird, ist es vergleichsweise schnell möglich, die Inhomogenität der Materialzusammensetzung zu erfassen und geeignete Messorte für die emissionsspektrometrischen Messungen auszuwählen.
Möglich ist es natürlich, mehrere der genannten Messverfahren im Rahmen der Vorabmessung zu kombinieren, um die Inhomogenität der Materialzusammensetzung möglichst sicher und genau bestimmen zu können.
Anhand der erfassten, von der Oberfläche des Messobjekts ausgehenden und auf die Materialzusammensetzung des Messobjekts hinweisenden Signale werden Oberflächenteilbereiche unterschiedlicher Materialzusammensetzung identifiziert. Das bedeutet, es werden mehrere Oberflächenteilbereiche identifiziert, die jeweils eine zusamenhängende Fläche bilden und jeweils eine homogene Materialzusammensetzung aufweisen und von denen zwei benachbarte Oberflächenteilbereiche eine voneinander verschiedene Materialzusammensetzung aufweisen.
Für die derartig in einzelne Oberflächenteilbereiche unterteilten Oberfläche des Messobjekts wird ein Wert für ein Inhomogenitätsmaß G bestimmt. Dieses stellt ein Maß für die Inhomogenität der Materialzusammensetzung des Messobjektes dar. Das Inhomogenitätsmaß G kann beispielsweise als mittlerer Abstand des geometrischen Schwerpunkts zweier benachbarter Oberflächenteilbereiche definiert werden. Weitere Definitionsmöglichkeit ist die mittlere Größe der Oberflächenteilbereiche. Bei diesen beiden Definitionen wird durch G somit eine Längenskala angegeben. Auf dieser Längenskala ändert sich die chemische Zusammensetzung des Messobjekts in signifikanter Weise.
Möglich ist es jedoch auch, G nicht als Längenmaß, sondern durch eine Zahl zu definieren, so z. B. durch die Anzahl der identifizierten Oberflächenteilbereiche oder durch die Anzahl der Oberflächenteilbereiche mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung. Bei letztgenannter Definition gibt G die minimale Anzahl von Messorten an, an denen eine emissionsspektrometrische Messung vorzunehmen ist. Wird genau diese Anzahl für die LIBS-Messungen vorgesehen, so wird die höchstmöglichste Messrate realisiert. Dabei ist jede unterscheidbare Materialzusammensetzung mit genau einer LIBS-Messung zu untersuchen. Eine höhere Analysesicherheit gewinnt man jedoch, wenn eine höhere Anzahl von LIBS-Messungen vorgesehen wird.
Die Vorabmessung liefert zwei Ergebnisse, nämlich einerseits die räumliche Anordnung der identifizierten Oberflächenteilbereiche und andererseits der daraus ermittelte Wert für G. Die erfindungsgemäße Auswahl der Lage und/oder der Anzahl der Messorte erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit eines dieser oder beider Ergebnisse.
Eine Alternative ist es, wenn die Auswahl der Anzahl der Messorte in Abhängigkeit von G erfolgt. Dies ist besonders einfach und stellt vergleichsweise geringe Anforderungen an die Laserstrahlführung und -steuerung. Eine höhere Messgenauigkeit ist erzielbar, wenn eine Auswahl der Lage und der Anzahl der Messorte abhängig von der räumlichen Anordnung der identifizierten Oberflächenteilbereiche und dem Wert für G erfolgt.
Als Beispiel soll die Analyse eines Messobjekts aus Granit beschrieben werden, wofür sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders eignet. Granit besteht aus drei Bereichsarten, d. h. Oberflächenteilbereichen mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung, nämlich Feldspat, Quarz und Glimmer. Diese drei Bereichsarten sind über die gesamte Oberfläche verteilt. Eine typische Größe eines Oberflächenteilbereichs beträgt wenige Quadratmillimeter. Für ein typisches wenige Quadratzentimeter großes Messobjekt liegen beispielsweise drei Bereichsarten und 250 Oberflächenteilbereiche mit einer mittleren Größe von ca. 3 Quadratmillimetern und einem mittleren Abstand des geometrischen Schwerpunkts zweier benachbarter Oberflächenteilbereiche von ca. 2 mm vor. Aufgrund der drei unterschiedlichen Bereichsarten, die mittels der Vorabmessung ermittelt werden, sind drei Messorte für emissionsspektrometrische Messungen vorzusehen. Diese können zur Klassifizierung des Messobjekts durch die Auswertung der Plasmen und der Ergebnisses der Vorabmessung ausreichend sein, insbesondere wenn für die Lage der Messorte die Vorabmessung derart berücksichtigt wird, das jeder Messort sich in einem Oberflächenteilbereich mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung befindet. Möglich ist es aber auch, mehrere (aber mindestens drei) emissionspektrometrische Messungen vorzunehmen, und dabei lediglich den Abstand der Messorte an den ermittelten mittleren Abstand des geometrischen Schwerpunkts zweier benachbarter Oberflächenteilbereiche anzupassen. Dabei entfällt das Erfordernis, die Laserstrahlen auf bestimmte vorgegebene Oberflächenteilbereiche zu lenken.
Besonders vorteilhaft ist es, beide Aspekte der Erfindung zu kombinieren. Das bedeutet, es wird zunächst eine Vorabmessung der Inhomogenität der Materialzusammensetzung durchgeführt und abhängig vom Ergebnis der Vorabmessung die Lage und die Anzahl der Messorte, an denen eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen wird, bestimmt. Anschließend werden N gepulste Laserstrahlen zur Erzeugung laser-induzierter Plasmen an N in der Vorabmessung ausgewählten Messorten, wobei N größer oder gleich 2 ist, auf das Messobjekt fokussiert, die von den N Plasmen emittierte Strahlung jeweils erfasst und damit eine Elementanalyse durchgeführt, wobei die Erzeugung der N Plasmen innerhalb eines Zeitintervalls erfolgt, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser.
Durch die Kombination beider Aspekte der Erfindung kann die Messgenauigkeit und -geschwindigkeit gleichermaßen gesteigert werden. Insbesondere kann durch die Vorabmessung die Anzahl der Messorte, an denen auf dem Messobjekt eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen wird, bei vorgegebener Analysesicherheit des gesamten Verfahrens auch für inhomogene Messobjekte derart klein gehalten werden, dass alle ausgewählten Messorte auf dem Messobjekt entsprechend des ersten Aspekts der Erfindung innerhalb eines Zeitintervalls von 10 μs, d. h. gleichzeitig bzw. nahezu gleichzeitig, also durch gleichzeitige oder nahezu gleichzeitige Erzeugung laser-induzierter Plasmen und Erfassung der von den Plasmen emittierten Strahlung, untersucht werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, für die Erfassung der von den N Plasmen emittierte Strahlung jeweils eine separate Detektionsvorrichtung vorzusehen. Dies ermöglicht insbesondere eine Korrelationsanalyse zwischen der Vorabmessung und den Ergebnissen der laseremissionsspektrometrischen Elementanalyse. Dabei kann auch die Interpretation der Ergebnisse der Vorabmessung und die aufgrunddessen vorgenommene Auswahl der Messorte überprüft und für nachfolgend untersuchte Messobjekte verbessert werden. Auf diese Weise kann das Messverfahren ”trainiert” und damit die Messgenauigkeit bei der Vermessung einer großen Zahl von nacheinander untersuchten Messobjekten sukzessive optimiert werden.
Der vorrichtungsseitige Teil der Problemlösung besteht in einer Vorrichtung zur Durchführung der Emissionsspektrometrie mit einem oder mehreren Laser, durch den oder durch die ein Messobjekt innerhalb eines Zeitintervalls, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser, mit N gepulsten Laserstrahlen zur Generierung von N Plasmen an N Messorten auf dem Messobjekt beaufschlagt werden kann, wobei N größer oder gleich 2 ist, mit einer oder mehreren Fokussiereinrichtungen zum Fokussieren der Laserstrahlen auf das Messobjekt, mit mindestens einem Detektor zur Erfassung der von den Plasmen emittierten Strahlung, mit Mitteln zur Bestimmung des Oberflächenprofils des Messobjekts und mit einer Steuereinheit zur Einstellung der Brennweite der Laserstrahlen.
Um die gepulsten Laserstrahlen auf das Messobjekt zu fokussieren, muss die Vorrichtung zumindest eine Fokussiereinrichtung aufweisen. Diese muss ansteuerbar sein, so dass mittels einer Steuereinheit die Brennweite der Laserstrahlen einstellbar ist. Diese Steuerung erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit des ermittelten Oberflächenprofils des Messobjekts. Die Bestimmung des Oberflächenprofils ist durch einen laserbasierten Lichtschnittsensor, eine Multipunkt-Triangulationseinheit oder mehrere Triangulationssensoren realisierbar. Die Bestimmung des Oberflächenprofils ist vorzuziehen gegenüber einer einfachen Abstandsmessung, insbesondere deswegen, weil neben dem Abstand weitere Informationen durch eine derartige Messung erzielbar sind. So kann mit diesen beispielsweise die Eignung eines potentiellen Messortes überprüft werden und damit verhindert werden, dass Messungen an Messorten vorgenommen oder berücksichtigt werden, deren Oberfläche in geometrischer Hinsicht ungeeignet für eine quantitative Messung ist. Eine möglichst genaue Messung setzt nämlich voraus, dass die geometrische Beschaffenheit des Messortes weitgehend identisch zu derjenigen ist, welche bei der Aufnahme der Kalibrierkurve vorgelegen hat. Wurde die Kalibrierkurve bei Geometrie-Parametern P1, P2...PM gemessen, so erfüllt sie nämlich nur dann ihre Sollfunktion der Kalibrierung exakt, wenn – bei ansonsten festgehaltenen Parametern, wie insbesondere den Laserparametern – bei der Vermessung eines Messobjekts dieselben Geometrie-Parameter vorliegen.
Wenn lediglich eine Laserquelle zur Erzeugung der N Laserstrahlen eingesetzt wird, kann mit einem oder mehreren Strahlteilern die Laserstrahlung in mehrere Teilstrahlen aufgespalten werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines diffraktiven Strahlteilers. Dieser moduliert den Laserstrahl derart, dass je nach Ausführung und Anwendungsfall eine nahezu beliebige räumliche Struktur des Laserstrahls produzierbar und insbesondere eine bestimmte erwünschte Anzahl von Teilstrahlen erzeugbar ist. Durch die Verwendung lediglich eines Strahlteilers, welcher diffraktiv ausgebildet ist, ist eine besonders kompakte Ausführungsform der Erfindung gegeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, für die Fokussiereinrichtung jedes der N Laserstrahlen eine separate Fokussiereinrichtung vorzusehen. Damit kann auf einfache Weise eine individuelle Steuerung und Einstellung der Brennweiten erfolgen. Wenn keine individuelle Einstellung der Brennweiten notwendig ist, ist es besonders einfach und damit vorteilhaft, wenn lediglich eine Fokussiereinrichtung vorhanden ist, mittels derer alle N Laserstrahlen auf das Messobjekt fokussierbar ist.
Ein besonders kompakter mit besonders wenigen optischen Komponenten realisierbarer Aufbau ist durch die Verwendung einer optischen Einheit, welche zugleich Strahlteiler als auch Fokussiereinrichtung ist, gegeben. Eine derartige optische Einheit kann beispielsweise durch einen diffraktiven Strahlteiler gebildet sein. Ein solcher ist nicht nur in der Lage, einen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, sondern auch dazu, diese jeweils zu fokussieren. Der diffraktive Strahlteiler wirkt somit als Fokussiereinrichtung. Insbesondere kann auf weitere Fokussiereinrichtungen verzichtet werden. Der diffraktive Strahlteiler kann vorteilhafterweise auch derart ausgeführt sein, dass die Brennweiten der Teilstrahlen unterschiedlich sind und von der Steuereinheit während des Messvorgangs individuell eingestellt werden können.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die chemische Elementanalyse von inhomogen zusammengesetzten Messobjekten, insbesondere von Gesteinen, Mineralien, Erzen, Schüttgütern und Recyclingmaterial.
Als Anwendungsbeispiel sei die Trennung von Kalkstein und Dolomit mit einem System zur automatischen Sortierung beschrieben. Kalkstein und Dolomit können im Regelfall nur nach einer chemischen Analyse eindeutig voneinander unterschieden werden. Sie sind Naturprodukte und weisen eine inhomogene Zusammensetzung auf. Somit reicht es für eine präzise Analyse und Klassifizierung des Objektes als Kalkstein oder Dolomit nicht aus, lediglich einen Punkt pro Objekt zu vermessen, sondern es muss an mehreren Messorten eine Messung durchgeführt werden. Allerdings ist die Trennung nur wirtschaftlich, wenn ein ausreichend großer Massendurchsatz, der typischerweise bei 150 t/h liegt, erreicht wird. Eine solche Messrate lässt sich durch die erfindungsgemäße Lösung erzielen. Dabei wird das Material zunächst nach dem Abbau in der Lagerstätte gebrochen und auf ein Förderband aufgebracht. Die Position und die Form der Einzelkörner werden von einem Sensor, beispielsweise einem Lasertriangulationssensor, festgestellt. Außerdem wird die Inhomogenität des Messobjekts anhand der Daten eines weiteren Sensors, beispielsweise einer Kamera, ermittelt. Eine Steuer- und Auswerteeinheit, beispielsweise ein PC, errechnet anhand der von Lasertriangulationssensor und Kamera gesammelten Daten die Verteilung der Messorte auf dem Messobjekt. Die Verteilung wird so aufgenommen, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit jeweils ein Bereich unterschiedlicher Zusammensetzung analysiert wird. Im Anwendungsfall von Kalkstein und Dolomit wäre die optimale Anordnung von beispielsweise vier Messorten derart, dass zwei Messorte in einem Bereich, der aus Kalkstein, und zwei Messorte in einem Bereich, der aus Dolomit besteht, liegen. Der Abstand der LIBS-Messorte zueinander wird mit Hilfe eines diffraktiven Elements eingestellt. Beispielsweise können die Messorte in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sein, wobei drei Messpunkte in den Ecken und ein Messpunkt in der Mitte angeordnet ist. Der Abstand der Messorte liegt für diesen Anwendungsfall typischerweise bei einigen Zentimetern. Zum Zünden der Plasmen wird die Laserstrahlung nach dem Durchlaufen durch das diffraktive Element fokussiert und mit einem Ablenkspiegel auf das Objekt gelenkt. Die Emission der Plasmen wird in koaxialer Anordnung detektiert. Dazu wird die Emission über den Ablenkspiegel zurückgeführt und anschließend mit einem dichroitisch beschichteten Strahlteiler und einer Linse auf einen Lichtwellenleiter oder -bündel abgebildet. Mit dem Lichtwellenleiter wird die Strahlung in ein Spektrometer eingekoppelt und analysiert. Anhand der Messergebnisse wird eine Austragseinheit so gesteuert, dass stark dolomithaltige Objekte aussortiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: Erläuterung einer LIBS-Messung nach dem Stand der Technik
2: Durch eine Vorabmessung ermittelte Inhomogenität eines Messobjekts
3: Auswahl der für eine LIBS-Messung vorgesehenen Messorte
4: Schnittprofil eines Messobjekts mit drei beispielhaften Messorten
5: Schematischer optischer Strahlengang zur simultanen Erzeugung dreier Foki mittels dreier Strahlteiler
6: Schematischer optischer Strahlengang zur simultanen Erzeugung dreier Foki mittels eines diffraktiven Strahlteilers
7: Strahlführung der Laserstrahlen
8: Strahlführung der Messstrahlung bei koaxialem Aufbau
Wege zur Ausführung der Erfindung
In 1 sind die bei der Erzeugung des laserinduzierten Plasmas auf der Oberfläche des Messobjekts (10) bedeutsamen Größen dargestellt. Eine Fokussieroptik (1) fokussiert einen gepulsten Laserstrahl (2) mit der Propagationsrichtung (3) auf ein Oberflächenelement (4) des Messobjekts (10). Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die Propagationsrichtung (3) des Laserstrahls (2) antiparallel zur z-Achse verläuft. Die Normale (5) des Oberflächenelements (4) schließt mit der z-Achse bzw. der Laserstrahlachse einen Winkel α ein. Der Durchstoßpunkt (6) der Propagationsrichtung (3) mit dem Oberflächenelement (4) ist das Zentrum der Projektion (7) des Laserstrahlquerschnitts auf dem Flächenelement (4). Der Abstand der Brennebene (8) des Laserstrahls (2) vom Durchstoßpunkt (6) wird mit Δs bezeichnet. Liegt die Brennebene (8) von der Fokussieroptik (1) aus gesehen hinter dem Durchstoßpunkt (6), so entspricht dies positiven Werten für Δs. Typischerweise wird Δs positiv gewählt. Der Abstand der Fokussieroptik (1) vom Durchstoßpunkt (6) wird mit d bezeichnet.
Die Emission des entstehenden laserinduzierten Plasmas am Durchstoßpunkt (6), d. h. dem Messort, wird von der Empfangsoptik der Detektoreinheit (9) gesammelt und in ein Spektrometer geführt. Die Detektoreinheit (9) des Spektrometers bestimmt hierbei in einem definierten Zeitfenster die zeitintegrierte Emission der betrachteten Spektrallinien. Für jedes Analytelement wird in Bezug zum anregenden Laserpuls mit Hilfe einer Kalibrierfunktion aus den abschnittsweise zeitlich integrierten Emissionen der betrachteten Spektrallinien die Konzentration des Analyten in der Probe bestimmt. Hierzu ist es bekannt, die Eingangsgröße der Kalibrierfunktion aus dem Verhältnis der Emission einer betrachteten Analytlinie zu der Emission einer Referenzlinie eines dominanten Matrixelements oder zu einer Kombination der Emissionen anderer Spektrallinien bzw. eines für die Gesamtemission des Plasmas repräsentativen Messsignals zu berechnen.
Das in 2 dargestellte Messobjekt (10) weist gemäß einer durchgeführten Vorabmessung sieben Oberflächenteilbereiche auf, die einen Teil der Oberfläche des Messobjekts bedecken und aus drei verschiedenen Bereichsarten A, B und C bestehen. Die Größe, Anzahl und die relative Ausrichtung der Oberflächenteilbereiche, die aus derselben Bereichsart bestehen, sind im allgemeinen unterschiedlich. In 2 sind die Oberflächenteilbereiche, die gemäß der Vorabmessung eine gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen und somit zu der gleichen Bereichsart gehören, in gleicher Weise schraffiert dargestellt. Als Beispiel ist in 2 die Größe G, definiert als mittlerer Abstand des geometrischen Schwerpunktes von zwei benachbarten Oberflächenteilbereichen, dargestellt. Auf einer Längenskala, die durch G beschrieben wird, ändert sich somit die chemische Zusammensetzung des Messobjekts in signifikanter Weise. Falls G in diesem Beispiel durch die Anzahl der Oberflächenteilbereiche mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung definiert werden würde, erhielte man in diesem Fall G = 3.
Für die Laser-Emissionsspektrometrie ist es günstig, zunächst geeignete Messfelder auf dem Messobjekt zu bestimmen. Das bedeutet, es wird zunächst ein zusammenhängender Bereich der Oberfläche des Messobjekts identifiziert, innerhalb dessen alle potentiellen Messorte aus geometrischer Sicht für eine LIBS-Messung geeignet sind, d. h. in diesem Bereich befinden sich für alle potentiellen Messorte jeweils die ermittelten Geometrie-Parameter jeweils innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs. In 3 ist als Beispiel ein solches Messfeld 11 mit der Ausdehnung H eingezeichnet. Innerhalb eines solchen Messfeldes werden N Messorte, mit N gleich oder größer als 2, festgelegt, in 3 als Beispiel drei Messpunkte 12, 12', 12'', die ein gleichseitiges Dreieck mit der Kantenlänge a bilden. Grundsätzlich können die Messorte in beliebiger Form und mit verschiedenen Abständen zueinander in einem Messfeld beliebiger Form angeordnet sein, wie beispielhaft die vier Messorte 13, 13', 13'' und 13''' im Messfeld 14 in 3. Das Messfeld muss ausreichend groß sein, um alle Messorte aufnehmen zu können. Die Abstände a der einzelnen Messorte innerhalb eines Messfeldes und damit die Größe des Messfeldes H, werden der Inhomogenität G angepasst und liegen im Bereich G ≅ a < H.
4 zeigt ein Schnittprofil eines Messobjekts (10) mit drei beispielhaften Messorten (16, 16', 17), welches sich auf einem Transportband (15) befindet. Vor der Plasmagenerierung wird das Höhenprofil in z-Richtung des Messobjektes (10) bestimmt und damit der Abstand d für jeden vorhergesehenen Messort (16, 16', 17) zu der Fokussieroptik (1) bestimmt. Die z-Richtung entspricht der Richtung der Laserstrahlen, mit denen das Messobjekt (10) beaufschlagt wird. Für alle ausgewählten N Messorte wird der maximale Positionsunterschied der Messorte (16, 16', 17) in z-Richtung Δz ermittelt. Dieser wird mit einem vorgegebenen Wert, in diesem Fall der Rayleighlänge z_R, verglichen. Wird dieser Wert überschritten, wie dies in diesem Fall für einen Messort (17) der Fall ist, wird die Brennweite für alle Messorte individuell eingestellt werden.
5 zeigt beispielhaft den optischen Strahlengang zur simultanen Erzeugung dreier Foki. Der Laserstrahl (2) wird durch drei Strahlteiler (18, 18', 18'') in drei Strahlen aufgeteilt. Die Energie des jeweiligen Strahls kann durch die geeignete Wahl der Strahlteiler eingestellt werden. Beispielsweise führt die Verwendung eines Strahlteilers (18), der 33% der einfallenden Energie transmittiert und 66% reflektiert, sowie die Verwendung eines weiteren Strahlteilers (18'), der 50% der einfallenden Energie transmittiert und 50% reflektiert, und des dritten Strahlteilers (18''), der 100% der einfallenden Strahlung reflektiert, zu einer gleichen Verteilung der Energie auf die drei Laserstrahlen. Nach der Teilung des Laserstrahls (2) können die Teilstrahlen beispielsweise jeweils durch ein Teleskop geführt werden, das die individuelle Einstellung der Brennweite für jeden Teilstrahl und damit eine unterschiedliche Lage der jeweiligen Fokusebenen ermöglicht. Werden beispielsweise die Zerstreulinsen (19, 19', 19'') beweglich, beispielsweise auf einer Linearachse, angebracht, so ist die Anpassung der Fokuslage während des Messprozesses möglich, beispielsweise wenn Objekte mit unterschiedlichem Abstand oder unterschiedlicher Größe analysiert werden.
6 zeigt beispielhaft einen möglichen Aufbau, der unter Verwendung einer Sammellinse (20) und eines diffraktiven Strahlteilers (21) drei Foki erzeugt. Ein diffraktiver Strahlteiler (21) moduliert den Laserstrahl (2) derart, dass je nach Ausführung und Anwendungsfall eine nahezu beliebige räumliche Struktur des Laserstrahls (2) realisiert werden kann. Im Beispiel werden in einer Brennebene drei Foki erzeugt. Es ist ebenso möglich, den diffraktiven Strahlteiler (21) derart auszuführen, dass auf eine Sammellinse (20) verzichtet werden kann, oder dass beispielsweise die Brennebenen der Foki unterschiedlich sind.
In 7 und 8 ist ein möglicher Aufbau für die Laser- und Messstrahlungsführung unter Verwendung eines diffraktiven Strahlteilers und der Auskopplung der Messtrahlung mit einem dichroitischen Spiegel in einer koaxialen Anordnung dargestellt. Aus Gründen des Übersichtlichkeit sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit nur zwei LIBS-Plasmen dargestellt. In 7 ist nur der Strahlengang der Laserstrahlung (2), in 8 der Strahlengang der Messstrahlung (26, 26') eingezeichnet. Die Laserstrahlung (2) durchläuft den diffraktiven Strahlteiler (21), der sie in zwei Teilstrahlen (27, 27') aufteilt. Diese werden anschließend durch die Fokussieroptik (1) fokussiert und von einem Ablenkspiegel (24) auf das Messobjekt (10) gelenkt, wo zwei Plasmen (25, 25') gezündet werden. Die Messstrahlung (26, 26') wird, wie in 8 dargestellt, über den Ablenkspiegel (24) auf den dichroitischen Spiegel (22) und weiter auf eine Abbildungsoptik (28) gelenkt. Die Abbildungsoptik (28) erzeugt die Bilder (23, 23') der Plasmen (25, 25'), die mit einem Detektor analysiert werden können. Beispielsweise kann mit Lichtwellenleitern, in diesem Fall mit zwei Lichtwellenleitern, die Strahlung einem Spektrometer zugeführt werden.

1: Fokussieroptik
2: Laserstrahl
3: Propagationsrichtung
4: Element der Probenoberfläche
5: Oberflächennormale
6: Durchstoßpunkt
7: Projektion des Laserstrahlquerschnitts auf das Oberflächenelement
8: Brennebene
9: Detektionsvorrichtung
10: Messobjekt
11: Erstes Messfeld
12, 12', 12'': Messorte innerhalb des ersten Messfeldes
13, 13', 13'', 13''': Messorte innerhalb des zweiten Messfeldes
14: Zweites Messfeld
15: Transportband
16, 16': Messorte
17: Messort
18, 18', 18'': Strahlteiler
19, 19', 19'': Zerstreulinse
20, 20', 20'': Sammellinse
21: Diffraktiver Strahlteiler
22: Dichroitischer Spiegel
23, 23': Bilder der Plasmen
24: Ablenkspiegel
25, 25': Plasmen
26, 26': Messstrahlung der Plasmen
27, 27': Laser-Teilstrahlen
28: Abbildungsoptik

Claims

Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie für die Analyse von stückigen Messobjekten, insbesondere Gesteinen, Mineralien, Erzen, Schüttgut oder Recyclingmaterialien, unter Verwendung mindestens eines gepulsten Lasers, bei dem N gepulste Laserstrahlen (27) zur Erzeugung laser-induzierter Plasmen an N Messorten, wobei N größer oder gleich 2 ist, auf ein stückiges Messobjekt (10) fokussiert werden und die von den N Plasmen (25) emittierte Strahlung (26) jeweils erfasst und damit eine Elementanalyse durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der N Plasmen innerhalb eines Zeitintervalls erfolgt, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser und kleiner ist als 10 ns.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der N Plasmen gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierte Strahlung (26) aller N Plasmen (25) gleichzeitig erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierte Strahlung (26) aller N Plasmen (25) mit derselben Detektionsvorrichtung (9) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung der laser-induzierten Plasmen für alle N Messorte jeweils der Abstand zwischen Messort und einer Fokussiereinrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Messorte dieselbe Brennweite vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Messorte die Brennweite individuell eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Abstände sich paarweise um höchstens einen vorgegebenen Wert unterscheiden, für alle Messorte dieselbe Brennweite vorgesehen wird, während andernfalls für alle Messorte die Brennweite individuell eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass N zwischen 3 und 10 liegt.
Verfahren zur Durchführung der Emissionsspektrometrie für die Analyse von stückigen Messobjekten, insbesondere Gesteinen, Mineralien, Erzen, Schüttgut oder Recyclingmaterialien, bei dem gepulste Laserstrahlung zur Generierung laserinduzierter Plasmen an mehreren Messorten auf ein stückiges Messobjekt (10) fokussiert wird, bei dem die von den Plasmen (25) emittierte Strahlung (26) jeweils erfasst und damit eine Elementanalyse durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Plasmagenerierung eine Vorabmessung der Inhomogenität der Materialzusammensetzung des Messobjektes (10) durchgeführt wird, bei der von der Oberfläche des Messobjekts (10) ausgehende und auf die Materialzusammensetzung des Messobjekts (10) hinweisende Signale erfasst und mehrere Oberflächenteilbereiche, die jeweils eine homogene Materialzusammensetzung aufweisen und von denen zwei benachbarte Oberflächenteilbereiche eine voneinander verschiedene Materialzusammensetzung aufweisen, identifiziert werden, und dass abhängig vom Ergebnis der Vorabmessung die Lage und/oder die Anzahl der Messorte auf dem Messobjekt (10), an denen eine emissionsspektrometrische Messung vorgenommen wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Vorabmessung ein Wert für das Inhomogenitätsmaß G bestimmt wird, welches ein Maß für die Inhomogenität der Materialzusammensetzung des Messobjektes darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Lage und/oder der Anzahl der Messorte abhängig von der räumlichen Anordnung der identifizierten Oberflächenteilbereiche und/oder dem Wert für G erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Inhomogenitätsmaß G durch den mittleren Abstand des geometrischen Schwerpunktes von zwei benachbarten Oberflächenteilbereichen oder durch die mittlere Größe eines Oberflächenteilbereichs gegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der am Messobjekt durchgeführten emissionsspektrometrischen Messungen mindestens der Anzahl der identifizierten Oberflächenteilbereiche mit paarweise unterschiedlicher Materialzusammensetzung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass pro Oberflächenteilbereich höchstens eine emissionsspektrometrische Messung durchgeführt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Vermessung von Gesteinen, Mineralien, Erzen und Schüttgütern, insbesondere Steinen, Pulvern und Sänden, sowie von Recyclingmaterialien.
Vorrichtung zur Durchführung der Emissionsspektrometrie, insbesondere eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem oder mehreren gepulsten Laser oder Lasern, durch den oder durch die ein stückiges Messobjekt (10) innerhalb eines Zeitintervalls, welches kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Laserpulsen des oder der verwendeten gepulsten Laser und kleiner ist als 10 ns, mit N gepulsten Laserstrahlen (27) zur Generierung von N Plasmen (25) an N Messorten auf dem Messobjekt (10) beaufschlagt werden kann, wobei N größer oder gleich 2 ist, mit genau einer Fokussiereinrichtung, mittels derer alle N Laserstrahlen (27) auf das stückige Messobjekt (10) fokussierbar sind, mit mindestens einer Detektionsvorrichtung (9) zur Erfassung der von den Plasmen emittierten Strahlung (26), mit Mitteln zur Bestimmung des Höhenprofils des Messobjekts (10) und mit einer Steuereinheit zur Einstellung der Brennweite der Laserstrahlen (27).
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein Laser vorhanden ist und mit diesem die N gepulsten Laserstrahlen (27) erzeugbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Strahlteiler (18) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Strahlteiler (21) vorhanden ist und dieser diffraktiv ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine Fokussiereinrichtung vorhanden ist, mittels derer alle N Laserstrahlen (27) auf das Messobjekt fokussierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Einheit vorhanden ist, welche zugleich Fokussiereinrichtung und Strahlteiler ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit derart ausgebildet ist, dass die Brennweite aller daraus austretenden Laserstrahlen individuell einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang der Laserstrahlen und der erfassten, von den Plasmen emittierten Strahlung koaxial angeordnet ist.