Chemie und Prozesstechnik
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A novel technique based on laser induced plasma imaging is proposed to measure residual pressure in sealed containers with transparent walls, e.g. high voltage vacuum interrupter in this paper. The images of plasma plumes induced on a copper target at pressure of ambient air between 10−2Pa and 105Pa were acquired at delay times of 200ns, 400ns, 600ns and 800ns. All the plasma images at specific pressures and delay times showed a good repeatability. It was found that ambient gas pressure significantly affects plasma shape, plasma integral intensities and expansion dynamics. A subsection characteristic method was proposed to extract pressure values from plasma images. The method employed three metrics for identification of high, intermediate and low pressures: the distance between the target and plume center, the integral intensity of the plume, and the lateral size of the plume, correspondingly. The accuracy of the method was estimated to be within 15% of nominal values in the entire pressure range between 10−2Pa and 105Pa. The pressure values can be easily extracted from plasma images in the whole pressure range, thus making laser induced plasma imaging a promising technique for gauge-free pressure detection.
The elemental analysis of seawater is often critical to the understanding of marinechemistry, marine geochemistry, and the deep-sea ecosystems. Laser-induced breakdownspectroscopy (LIBS) with the advantage of rapid multi-elements detection, has a greatpotential for in-situ elemental analysis of seawater. In practice, it is crucial to create acompact, low cost and power saving instrument for the long-term deep-sea observation. Arecently appeared diode-pumped solid-state (DPSS) laser seems to be a promising candidateas it is both compact and robust. Additionally, its high repetition rate up to hundreds of kHzcan provide a considerable throughput for LIBS analysis. However, the DPSS lasers operateat moderate pulse energies, usually less than one mJ, which cannot sustain stablebreakdowns in bulk water. To ensure stable laser-induced plasmas underwater with such aμJ-DPSS laser, we introduced an ultrasound source to assist the breakdown process. Thephase interface and mass flow generated by the near-field ultrasound can greatly reduce thebreakdown threshold and enhance element-specific emissions. Meanwhile, the highrepetition-rate pulses can also improve the breakdown probability and generate uniqueemission lines originated from the water molecule. We further demonstrate that the highrepetition-rate DPSS laser combined with the Echelle spectrometer can provide effectivequantitative analysis for metal elements in bulk water.
Laser Induced Breakdown Spectroscopy – A Tool for Imaging the Chemical Composition of Concrete
(2022)
One of the most common causes of damage is the ingress of harmful ions into the concrete, which can lead to deterioration processes and affect structural performance. Therefore, the increasingly aging infrastructure is regularly inspected to assess durability. Regular chemical analysis can be useful to determine the extent and evolution of ion ingress and to intervene in a timely manner. This could prove more economical than extensive repairs for major damage, particularly for critical infrastructure. In addition to already established elemental analysis techniques in civil engineering such as potentiometric titration or X-ray fluorescence analysis, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) can provide further important complementary information and benefits. The possibilities of LIBS are demonstrated using the example of a drill core taken from a parking garage.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for the analysis of the chemical composition of sample materials. Generally, the measurement of all elements of the periodic table is possible. In particular, light elements such as H, Li, Be, S, C, O, N and halogens can be measured. Calibration with matrix-matching standards allows the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. LIBS can also be used on-site with mobile systems. Hand-held systems are available for point measurements.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. Due to the high spatial resolution of LIBS and the consideration of the heterogeneity of concrete, the determination of precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure is possible. In addition to the identification of materials, it is also possible to assess the composition for example of hardened concrete, which involves the cement or aggregate type used. Other important fields of application are the detection of environmentally hazardous elements or the material classification for sorting heterogeneous material waste streams during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
In this work, an overview of LIBS investigations on concrete is given based on exemplary laboratory and on-site applications.
Es wird ein alternatives Verfahren zur schnellen zweidimensionalen Analyse der chemischen Zusammensetzung von Baustoffen vorgestellt. Dieses beruht auf der Kombination des Abtrags einer geringen Materialmenge durch einen gepulsten Laser, der Plasmaerzeugung und der Analyse der Lichtemission des Plasmas mittels optischer Spektroskopie. Es können prinzipiell alle Elemente gleichzeitig nachgewiesen werden. Damit ist es möglich einerseits Informationen über den Baustoff an sich als auch über den Eintrag potentiell schädigender Elemente (z. B. Cl, C, Na, K, S) zu gewinnen. Das Verfahren kann automatisiert im Labor oder als mobile Version direkt vor Ort eingesetzt werden. Es liefert zweidimensionale Bilder der Elementverteilung in Echtzeit. Es kann ohne große Probenvorbereitung z. B. direkt an der Querschnittsfläche eines Bohrkernes gemessen werden. Die Messung dauert nur wenige Minuten. Das Prinzip der Messung, die Vor- und die Nachteile, sowie die verfügbare Gerätetechnik für den Einsatz im Labor oder direkt am Bauwerk werden vorgestellt. Abschließend werden praktische Beispiele für die Anwendung des LIBS-Verfahrens zur Erfassung des Chlorid-Eintrages, der Karbonatisierung und der Verteilung von Schwefel präsentiert.
Die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl.: Laser-induced Breakdown Spectroscopy, kurz: LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels eines energiereichen Laser-Pulses, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Ein LIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Ist-Zustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als – Qualitätssicherung – der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.
In Zusammenarbeit zwischen Industriepartnern und der BAM wurden ein Labor und ein mobiles LIBS-System für die Vor-Ort-Messungen entwickelt. Die Analyse erfolgt vollautomatisch. Die Ortsauflösung beträgt bis zu 0,1 mm x 0,1 mm. Es können Messflächen von 140 mm x 170 mm gescannt werden. Die Erstellung von 2D-Elementverteilungen im Beispiel unten benötigt weniger als 10 Minuten.
A big part of the infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. In addition, the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from deicing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through
formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulphates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2 , SO4 2-and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a drill core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Die „Laser Induced Breakdown Spectroscopy“ (LIBS) bietet die Möglichkeit, direkt auf der optisch zugänglichen Oberfläche von Baustoffen 2-dimensional die Elementverteilung zu erfassen. Durch das zugrundeliegende Prinzip sind alle Elemente des Periodensystems detektierbar, auch leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium.
Einerseits können alle für die Zusammensetzung des Zementes und der Gesteinskörnung relevanten Elemente erfasst werden, andererseits auch die für Schädigungsprozesse in Beton wichtigen Elemente Chlor, Schwefel, Natrium, Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Nachweis kann simultan erfolgen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt in der einfachen Probenvorbereitung, der direkten Messung auf der Oberfläche des Festkörpers und der Schnelligkeit der Messung. Die Heterogenität von Beton wird im Ergebnis berücksichtigt. Die Konzentrationen von schädigenden Ionen lassen sich bezogen auf den Bindemittelgehalt angeben. LIBS liefert standardmäßig qualitative Werte. Durch Kalibrierung anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich.
Das Potenzial des Verfahrens wird am Beispiel der Bestimmung der Chlorid-Verteilung in der Bindemittelmatrix vorgestellt. Andere Anwendungen sind die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe, die Bestimmung des Eintrages von Alkalien oder die Bestimmung der Verteilung von Schwefel.
Das Verfahren kann im Labor zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben oder vor-Ort zur schnellen Entscheidungsfindung eingesetzt werden. Kommerzielle Geräte sind seit kurzem verfügbar.
Die örtliche Auflösung der Messung beträgt bis zu 0,1 mm × 0,1 mm. Ein Messpunkt hat einen Durchmesser von ca. 100 μm. Die Messfrequenz liegt bei 100 Hz. Als Ergebnis entstehen für jedes Element eine 2D-Darstellungen der Konzentration über der Messfläche.
Der Scan eines Bohrkerns von 50 mm x 70 mm dauert bei einer Auflösung von 0,5 mm lateral und 1 mm vertikal ca. 7 min. Es können auch raue oder gebrochene Oberflächen durch Nachführung der z-Achse untersucht werden. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung des Chlorgehaltes bezogen auf den Bindemittelgehalt liegt bei 0,03 M-%.
Der Unterausschuss LIBS im Bauwesen im FA ZfP im Bauwesen der DGZfP arbeitet an der Erstellung von Merkblättern und Regelwerken zur Anwendung des Verfahrens.