Refine
Keywords
This dissertation presents the application of the molecular LIBS method, a novelapproach of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), to optimize the detection of pitting chlorides in concrete structures, which are e.g. contaminated bydeicing salt in winter. Potentiometric titration as the standard method for chloride determination in building material analysis is costly and time-consuming. Ithas the decisive disadvantage that the determination of chloride concentrationis based on the total mass of the concrete and not on the cement content asrequired by the European standard EN 206. The imaging capabilities of LIBS forphase separation of the concrete meet this requirement. LIBS was already usedby BAM in 1998 in building material analysis, but the detection of chlorides withLIBS requires expensive helium purging and spectrometers outside the visiblespectral range to detect emissions of atomic chlorine. The approach of molecular LIBS is to quantify the emission of chloride-containing molecular radicalsformed during the cooling phase of the laser-induced plasma. The advantagescompared to conventional LIBS method are the emission in the visible spectralrange and the applicability without noble gas purging. In this thesis the influenceof the experimental components on the time behaviour of the relevant molecularemission bands is investigated, signal deviations due to plasma fluctuations aresignificantly reduced and for plasma analysis the molecular formation is simulated on atomistic scales and compared with standard methods. In simultaneousmeasurements, atomic and molecular Cl emission are directly compared and the quantification is optimized by data combination. Molecular LIBS will be extended to a quantifying and imaging method that can detect chlorides withoutnoble gas purging.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (”Laser Induced Breakdown Spectroscopy”, im Folgenden auch ”LIBS” genannt) stellt eine schnelle und berührungslose Messmethode zur Elementanalyse von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen unter normalen Umgebungsbedingungen ohne besondere Probenvorbereitung dar. Dazu wird ein gepulster Laser, dessen Intensität einen bestimmten Grenzwert überschreiten muss, auf eine Probe fokussiert. Das dort bestrahlte Material verdampft schlagartig und es bildet sich bei einer Temperatur von rund 10000 K ein Plasma aus. Die angeregten Atome und Ionen im Plasma strahlen bei der Rückkehr in energetisch niedrigere Zustände ein charakteristisches optisches Emissionsspektrum ab, welches über eine schnelle spektroskopische Analyse die Elementzusammensetzung des untersuchten Materials liefert. LIBS bietet in diesem Fall auch die Möglichkeit, ein unkompliziertes und bildgebendes Messverfahren aufzubauen, indem Elementverteilungen auf einer topographischen Oberfläche analysiert werden, um beispielsweise Materialübergänge, Einschlüsse oder Verschmutzungen sicher zu detektieren. Bei unebenen Oberflächen wird eine ständige Anpassung des Laserfokus an die Probenkontur benötigt, da die notwendige Intensität zur Erzeugung des Plasmas nur im Fokus aufgebracht werden kann. Als Grundlage dafür dient ein neu entwickelter Fokussieralgorithmus, der ohne jegliche Zusatzgeräte auskommt, und die Reproduzierbarkeit von LIBS-Messungen deutlich steigern kann, da die Messungen kontrolliert im Fokus stattfinden. Durch ihn ergeben sich neue Möglichkeiten des sogenannten „Element-Mappings", dem Erzeugen von Elementlandkarten, welche die Elementverteilungen in Falschfarben grafisch darstellen. Dabei ist das System nun nicht mehr auf eine ebene Oberfläche angewiesen, sondern kann beliebige Strukturen, auch mit scharfen Kanten und Löchern, sicher vermessen. Als Ergebnis erhält man ein flächiges Höhenprofil, welches zusätzlich die Elementinformationen für jeden Messpunkt beinhaltet. Dies erleichtert es dem Benutzer, gezielt Punkte von Interesse schnell wiederzufinden und zu analysieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines bildgebenden Low-Power-LIBSSystems mit niedriger Pulsenergie und hoher Pulsrate, welches sich mit dem dazugehörigen
Fokussieralgorithmus automatisiert an unebene Probenoberflächen anpassen kann. Als Ergebnisse werden die Analysen von ausgewählten metallhaltigen, geologischen, organischen und archäologischen Proben bzw. Fundstücken gezeigt.
