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PMI检测技术–XRF vs LIBS

PMI检测技术–XRF vs LIBS

长期以来,手持式XRF一直是PMI检测领域的有效手段。近年来,随着仪器性能的提升,扩大了这些仪器的适用范围,而手持式LIBS分析仪也引起了人们的广泛关注,并证明了它们在行业中的地位。手持式仪器因其外形小巧,便携性和无损快速识别材料,无需取样到实验室进行分析的能力而变得非常流行。

在石油和天然气精炼,化学加工,发电,航空航天和船舶等一系列行业中,PMI是品质管理的关键。PMI还用于制造过程中,以确保正确的合金库存用于相关应用。

人们经常问这个问题,哪种技术更好?在本文中,我们将介绍这两种技术/仪器,以了解它们最适合您的应用。

手持式XRF

1994年,第一台商用手持式XRF面世,使实验室技术人员和地质学家摆脱了拥有大型台式和落地式设备的限制。从那时起,手持式XRF设备变得越来越小,越来越轻,检测速度越来越快,检测精度越来越高,并且具有越来越长的电池寿命和新功能,增加了其可用性,现在,市面上手持式XRF仪器的品牌众多。目前市场上最新的手持式XRF光谱仪是SciAps X-550,它在性能和功能方面不断提高,并具有纤薄的外形,因此可以进入更狭窄的空间。

手持式XRF的工作方式与台式机相似,每一个原子都有自己固定数量的电子(负电微粒)运行在核子周围的轨道上。而且其电子的数量等同于核子中的质子(正电微粒)数量。从元素周期表中的原子数我们则可以得知质子的数目。每一个原子数都对应固定的元素名称, 例如铁,元素名是Fe,原子数是26。 能量色散X荧光与波长色散X荧光光谱分析技术特别研究与应用了最里层三个电子轨道即K,L,M上的活动情况,其中K轨道最为接近核子,每个电子轨道则对应某元素一个个特定的能量层。

XRF分析法中,从X光发射管里放射出来的高能初级射线光子会撞击样本元素。这些初级光子含有足够的能量可以将最里层即K层或L层的电子撞击脱轨。这时,原子变成了不稳定的离子。由于电子本能会寻求稳定,外层L层或M层的电子会进入弥补内层的空间。在这些电子从外层进入内层的过程中,它们会释放出能量,我们称之为二次X射线光子。而整个过程则称为荧光辐射。每种元素的二次射线都各有特征。而X射线光子荧光辐射产生的能量是由电子转换过程中内层和外层之间的能量差决定的。

手持式XRF可以有效地测量从镁到铀的所有元素。他们能够准确地分析大多数金属和合金(例如不锈钢,钛,镍,钴基合金以及基于锆,钨的特殊合金等)。新一代的手持式XRF,例如SciAps X-550,现在能够在2秒内快速而准确地分析铝和镁合金,而较早的仪器则难以在短时间时间范围内分析此类合金,一般需要20秒以上。

一直以来,使用XRF和便携式XRF测量轻元素非常困难。这是因为由发光元件产生的轻元素的X射线荧光能量非常低,使得它们难以在空气背景下被检测器侦测。虽然硅漂移检测器(SDD)的发展减轻了这一限制但是,比镁轻的元素仍然超出了手持XRF的检测能力。

手持LIBS

激光发明不久后的1960年代就发现了LIBS(激光诱导击穿光谱)现象,而第一个大型LIBS检测设备是在1990年代出现的。但是,手持LIBS光谱仪是在最近几年才进入市场。

LIBS技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体,利用光谱仪对等离子体发射光谱进行分析,以此来识别样品中的元素组成成分,进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。原理类似于火花直读光谱仪器,但Libs使用激光再样品表面产生瞬间高温,产生等离子体,然后用CCD收集特征光信号,转化从数字信号,特征光波长确认元素种类,强度对应元素含量。

使用激光是该技术小型化的关键,因为它的节能特性可以由电池供电。另一方面,产生电火花需要大量能量。激光光斑的尺寸也比火花部位小得多,所需的氩气要少得多(约少1000倍)。因此,在火花OES需要使用体积庞大的氩气瓶(通常需要40L)的情况下,手持式LIBS可以用一个非常小的氩气瓶(16mL)来装在仪器上使用,另一个因素是检测器的小型化。尽管它们的体积很小,但这两种技术都能产生相同的结果。

SciAps Z200 C +手持式LIBS光谱仪在测试过程中,使用氩气吹扫测量区域,隔绝空气,以确保被测样品表面处于氩气环境下。这些仪器通常还会在一次测量中分析多个位置,以确保数据的准确性。

在过去的几年中,这种类型的仪器真正引起了人们的关注,因为它具有精确测量碳含量的能力,而XRF却无法做到。精度高的仪器(如:SciAps Z-200C+)能够区分L,H和标准等级的不锈钢(例如碳含量少于0.03%316L,含碳量在0.03%~0.08%的316和含碳量大于0.08%的316H)和其他碳素钢。此外,内置算法允许技术人员确定碳当量(CE),这对于需要焊接维修(例如管道维护)的现场品质管理非常重要。

手持式LIBS仪器还擅长测量低浓度的合金元素。其中包括镍,铬和铜等元素,这些元素在石油化学和核电站的碳钢中少量使用。

LIBS与XRF相比具有优势,因为它能够测量轻元素和碳,还可以分析含锂,铍和硼的合金。

LIBS也是分析炼油厂中的硫化物腐蚀的理想解决方案,它可以在不到3秒的时间内测量硅含量低于0.02%的材料。它也是确定流加速腐蚀(FAC)的理想之选,而FAC可以在短短几秒钟内无需X射线辐射即可测量含量小于0.03%的铬。

尽管手持式LIBS技术是市场上相对较新的技术,但它已被美国石油协会(API)公认是一种公认有效的现场检测合金材料成分的方法,可用于API推荐规程578(第3版)测量钢和不锈钢中的碳和其他合金元素。First Gas(NZ)还使用手持式LIBS出于相同的目的开发了自己的工作流程,从而影响了燃气管道的焊接维修和热处理流程,从而避免了将样品送回实验室的耗时需求。

结束语

在这两种情况下,仪器都有内置的库/数据库,可以进行瞬时金属/合金识别。一些仪器还配备了摄像头,因此可以将特定区域作为分析目标,并具有记录图像的能力,以及GPS,因此可以将测量结果匹配到特定位置。为了方便起见,其中一些还包括WiFi和蓝牙通信,因此可以将测量结果实时传输回另一台PC或中央实验室。可能使用的其他功能包括自定义的自动报告,将数据自动备份到云中以及来自多个工具(包括XRF或LIBS,甚至来自不同制造商)的数据合并。

两种技术都有相对的优点和缺点,这使它们在鉴定阳性金属方面比竞争产品更具互补性。因此,这取决于您需要分析的内容。简而言之,如果您需要测量含碳钢和低合金钢的合金,尤其是需要区分L级和H级不锈钢,则LIBS非常适合您。对于几乎所有其他内容,XRF是更好的选择。如果您不知道要处理什么,最好使用“一体式解决方案”将两种仪器带入现场。


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