Method for fast and precise elemental analysis of industrial scrap metals by laser induced breakdown spectroscopy

Abstract

Laser-induced breakdown spectroscopy is regarded as a promising technique for industrial applications due to its capacity of fast multi-elemental and in-air analysis. In this dissertation, the method for fast and precise elemental analysis of industrial metals by LIBS is investigated. The research consisted of three parts: signal processing algorithm for real-time identification of constituent elements (chapter 2), improvement of classification accuracy based on elemental intensity ratio (chapter 3) and emission characteristics of LIBS plasma under varying laser irradiation conditions (chapter 4). Certified reference materials (CRMs) related to industrial metals were selected as the target sample in this study. First, this work reports a method for signal processing which ensures high accuracy and high speed during similar metal sorting by LIBS. In the proposed method, the original data matrix is substantially reduced for fast processing by selecting new input variables (spectral lines) using the information for the constituent elements of similar metals. The results demonstrated that incorporating the information for constituent elements can significantly accelerate elemental analysis without loss of accuracy. Secondly, a method for intensity-ratio-based LIBS classification of stainless steel applicable to highly fluctuating LIBS signal conditions is proposed in chapter 3. The spectral line pairs for intensity ratio calculation are selected according to elemental concentration and upper levels of emission lines. The proposed method is considered to be suited to an industrial LIBS system that requires minimal maintenance and low system price. Lastly, plasma characteristics in Galvano-based LIBS system are investigated by simultaneously recording the plasma image, which corresponds to LIBS signals. The normalization method was proposed for the background reduction and quantification of plasma image. The change of fluence is more dominant in the intensity of plasma emission rather than that of scanning angle. It is also assumed that nonlinearity increased when individual line emission are added since individual plasma plumes are spatially non-uniformly distributed. These results demonstrated that the analysis of plasma characteristics seems to be crucial to improving the measurement uncertainty of industrial LIBS analysis.|레이저유도붕괴분광법(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)은 공기 중에서 실시간으로 다중 원소분석이 가능하기에, 전반적인 산업 응용 분야에 유망한 기술로 알려지고 있다. 본 논문에서는 LIBS를 이용한 산업용 금속의 고속 및 정밀 원소분석 방법에 대한 연구결과를 보고한다. 본 연구는 실시간 분석을 위한 신호 처리 알고리즘 (2 장), 분류 정확도 향상 기법 (3 장)과 다양한 레이저 조사 조건에 따른 LIBS 플라즈마의 방출 특성 분석(4 장)으로 구성되어 있으며, 산업용 금속과 관련된 표준물질을 분석 대상 시료로 선정하였다. 첫 번째 연구는 동종 금속 분류를 위해 높은 정확도로 실시간 선별이 가능한 신호 처리 방법을 보고한다. 금속의 구성 요소를 고려한 특정 분광선들 만을 선택함으로써 원래의 데이터 차원을 실질적으로 줄일 수 있으며, 제안된 방식은 정확도 손실 없이 산업 원소 분석에 적용 가능함을 보여준다. 두 번째 연구로는, 변동선이 큰 LIBS 신호 조건에 적용 가능한 특정 분광선들의 비율 기반 분류 기법을 제안한다. 비율 계산을 위한 특정 분광선의 쌍들은 원소 농도와 해당 분광선들의 에너지 준위를 고려하여 선택될 수 있으며, 제안된 방법은 최소한의 유지 보수와 낮은 시스템 가격을 요구하는 산업용 LIBS 시스템에 적합한 것으로 간주된다. 마지막으로, LIBS 신호에 해당하는 플라즈마 이미지를 동시에 획득함으로써, 갈바노 스캐너 기반 LIBS 시스템 내에서의 플라즈마 특성을 분석하였다. 획득한 플라즈마 이미지의 잡음 배경 감소 및 정량화를 위해 정규화 방법이 제안되었으며, 레이저 에너지의 변화는 조사 각도보다 플라즈마 방출의 강도에 더 지배적이었다. 또한, 개별 플라즈마의 형태가 공간적으로 불 균일하게 분포되기 때문에 개별적인 분광선들이 전체적으로 추가 될 때 비선형 성이 증가한 것으로 가정된다. 본 연구는 갈바노 스캐너를 사용하는 대부분 산업 응용 분야에 적용 가능한 보다 안정적인 분석법을 제안할 수 있으며, 나아가 이러한 결과는 LIBS 신호에 해당되는 플라즈마 특성 분석이 산업 LIBS 분석의 정밀도를 개선하고 측정 불확실성을 줄이는 데 결정적으로 기여할 것으로 보인다.