Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag December 1, 2015

Single-shot LIBS spectral quality for waste particles in open air

Ermittlung qualitativer Spektren von Bauschuttpartikeln in der Atmosphäre durch LIBS-Einzelpunktmessungen
Han Xia and Maarten C. M. Bakker
From the journal tm - Technisches Messen

Abstract

This work investigates the ability of LIBS to produce quality spectra from small particles of concrete demolition waste using single-shot spectra collected in open air. The 2–8 mm materials are rounded river gravel, green glass shards, and plastic flakes. Considered are focal length, air, moisture, laser energy, and laser incidence angle (LIA). The research methodology is an experimental study using the so-called observation depth(OD) and spectral abundance as quality indicators. The relation between ablation volume, breakdown threshold, optical signal strength, and OD is captured in a simplified model to provide a better understanding of the dependence of the spectra on the LIA and material positioning in the laser beam. A 100 mm lens provided a compromise between spectral abundance, level of air interference and achievable OD. The study indicates LIBS can yield good quality data, even in cases of up to 3 mm surface roughness. Surface moisture did raise the percentage of bad spectra from an average 4% to 18%, but overall LIBS is still capable of providing quality data under challenging conditions.

Zusammenfassung

Der Beitrag untersucht die Eignung von laserinduzierter Plasmaspektroskopie (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS) zur Generierung qualitativer Spektren kleiner Bauschuttpartikel durch Einzelmessungen von Spektren im Freien. Bei den Materialien handelt es sich um 2–8 mm große Partikel aus rundlichem Flusskies, grünen Glasscherben und Plastikspänen. Betrachtet werden Brennweite, Luft, Feuchtigkeit, Laserenergie und der Einfallswinkel des Lasers (laser incidence angle, LIA). Zur Untersuchung wird nach einer experimentellen Methodik vorgegangen, welche die sogenannte Beobachtungstiefe (observation depth, OD) und die spektrale Fülle als Gütekriterien nutzt. Die Beziehung zwischen dem Ablösungsvolumen, dem Durchschlagsschwellwert, der optischen Signalstärke und der Beobachtungstiefe wurde in einem vereinfachten Modell abgebildet, um ein besseres Verständnis für die Abhängigkeit der Spektren von Lasereinfallswinkel und der Materialpositionierung im Laserstrahl zu ermöglichen. Eine 100 mm Linse führte zum besten Verhältnis zwischen spektraler Fülle, Interferenz mit der Atmosphäre und der erreichbaren Beobachtungstiefe. Unsere Ergebnisse zeigen, dass LIBS – sogar bei einer Oberflächenrauheit von 3 mm – gut zur Erfassung qualitativer Daten geeignet ist. Oberflächenfeuchtigkeit führte zu einer Erhöhung der schlechten Spektren von durchschnittlich 4% zu 18%. Dennoch ist es auch unter ungünstigen Bedingungen möglich, mit Hilfe von LIBS qualitative Daten zu erhalten.

Acknowledgement

This work is financially supported by the European Commission in the FP7 collaborative project C2CA, Grant Agreement No. 265189 and the European Commission in the H2020 collaborative project HISER, Grant Agreement No. 642085.

Received: 2015-6-16
Revised: 2015-9-3
Accepted: 2015-9-30
Published Online: 2015-12-1
Published in Print: 2015-12-28

©2015 Walter de Gruyter Berlin/Boston