Anwendungen im Bereich Atomemissionsspektroskopie
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Laserinduzierte Plasmaspektrometer (LIPS) erlauben die Ermittlung der chemischen Zusammensetzung
verschiedenster Materialien nahezu in Echtzeit. Vorteile gegenüber alternativen Meßverfahren sind ein geringerer präparatver
Aufwand und damit eine Zeit- und Kosteneinsparung. Dadurch stößt die früher vorwiegend im Forschungs- und Laborbereich untersuchte
LIPS-Technik in den letzten Jahren auf ein zunehmendes Interesse bei industriellen Anwendern. Einer breiten Anwendung stehen hier jedoch eine Vielzahl an Defiziten und ungelösten Problemen auf Seite der softwaretechnischen Auswerteverfahren gegenüber. Diese hängen eng mit den start variierenden physikalischen Eigenschaften des LIPS-Meßprinzips zusammen. So versagt die klassische univariate Kalibrierung dieser Geräte, wenn die Proben Elemente mit stark schwankenden Konzentrationsbereichen aufweisen, da hier nichtlineare Interelementeffekte (Matrixeffekte) auftreten. Aus diesem Grunde werden nichtklassische Verfahren für die Auswertung der Atom-Spektren benötigt. Hier hat unsere Forschungsgruppe in verschiedenen Projekten große Fortschritte auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz in verschiedenen Industriezweigen erzielt. Verfahren zur Bewertung von AtomemissionsspektrenFür die Untersuchungen standen Spektren von Braunkohle- und Glasproben zur Verfügung. Die Komplexität der Daten verlangte die Nutzung der gesamten Spaktralinformation, wofür spezielle Algorithmen zur Verarbeitung großer Datenmengen entwickelt werden mußten. Eine multivariate Modellierung erlaubte die korrekte Zuordnung der Proben, ist jedoch insbesondere für eine genaue quantitative Analyse der Spurenelemente noch zu ungenau. Ein sehr wichtiges Projektergebnis ist die Tatsache, daß eine exakte quantitative Kalibrierung ohne Kontrolle der stark schwankenden Anregungsbedingungen nicht möglich ist. Diese lassen sich hauptsächlich durch die verschiedenen Teilchentemperaturen charakterisierenNeue Verfahren zur Mustererkennung spektroskopischer DatenIn diesem Projekt wurden in Phase I Verfahren zur Merkmalsextraktion und Datenvorverarbeitung (merkmalserhaltende Filter) untersucht. Eine Verbesserung der Bestimmung spektraler Intensitten konnte durch Anpassung analytischer Profile an die Daten erreicht werden. Für die LIPS-Daten wurde in enger Kooperation mit der LLA Instruments GmbH eine speziell angepaßte Software zur Bestimmung verschiedener Teilchentemperaturen entwickelt, welche auf der Boltzmann-Statistik beruht. Die Temperatur dient dabei als quantitatives Kriterium zur Kontrolle der stark schwankenden Anregungsbedingungen der einzelnen Teilchenarten. Durch Versuche bei LLA Instruments GmbH mit Einkomponentensystemen in wässriger Lösung konnte nachgewiesen werden, daß über die Plasmatemperatur eine Korrektur, und damit eine Steuerung des Energieeintrages in die Probe möglich ist. In Phase II wurden für den Vergleich von Klassifikatoren statistische Verfahren , selbststrukturierende neuronale Netze und Support Vector Maschinen reale Daten von LLA Instruments GmbH herangezogen, wobei sich Support Vector Maschinen als besonders leistungsfähig erwiesen. Als Nachteil bei deren Anwendung stellte sich heraus, daß die Parametrisierung der nichtlinearen Kernel-Funktionen und des Trainingsverfahrens ein erhebliches Maß an Intuition bzw. Erfahrung erfordert. Ein systematischer Klassifikatorentwurf stellt aber eine wichtige Voraussetzung für die generelle Anwendbarkeit des Verfahrens dar. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde ein selbstlernendes Klassifikationverfahren (Support Vector Lernen, Cross-Validierung, populationsbasierte Parameteradaption) auf der Basis von Support Vector Maschinen entwickelt. Die Anwendung einer Klassifikationsmethode selbst wird von den Rahmenbedingungen der Messung bestimmt. Bei der Klassifikation von Einzelmessungen wurden Erkennungsraten von 98 % bis 100 % erreicht. Durch Majoritäts-Voting wird immer eine 100 % Erkennung mit wenigen Messungen realisierbar. Der Einsatz von Support Vektor Klassifikatoren oder andren Verfahren (z.B. maschinell generierten Klassifikationsbäumen) hängt ebenfalls von den Einsatzbedingungen ab (on-line/off-line, Zeitahmen für das Klassifikationsergebnis etc.). Laserinduzierte Plasmaanalyse für GlasAusgehend von Untesuchungen zur Plasmatemperatur wurde erstmals ein Verfahren zur gekoppelten Schätzung der Plasmatemperatur aller Teilchensorten entwickelt. Dies spiegelt die Annnahme eines lokalen thermischen Gleichgewichtes wieder. Erstmals gelang die Berechnung der Elektronendichte des erzeugten Plasmas. Davon ausgehend könne die Dichten verschiedener Teilchensorten geschätzt werden. Die daraus erhaltenen Informationen über den Grad der Ionisierung lassen die teilweise Korrektur von Matrixeffekten zu. Über die Teilchendichten der einzelnen Stoffe lassen sich auch Aussagen zu Reabsorptionseffekten treffen, mit deren Hilfe in Zukunft die Korrektur dieser Effekte möglich sein soll. Für Experimente steht eine große Anzahl an Messungen von Borosilikat- und Alkalikalkglasproben zur Verfügung, die in Zusammenarbeit mit der LLA und dem Zentrum für Glas und Umweltanalytik in Ilmenau entstanden sind. Ergebnistransfer in kleine und mittelständige UnternehmenDie Software zur Schätzung der Plasmatemperaturen liegt als optionales Modul zur Gerätesoftware der LLA vor. Die Software zur Schätzung von Elektronendichten, Teilchendichten und Ionisierungsraten befindet sich in Entwicklung, genau wie die Software zur entsprechenden Korrektur der Linienintensitäten.Die industrielle Anwendung erfolgt in enger Kooperation mit der LLA Instruments GmbH, Berlin. Bei Verfügbarkeit verbesserter Gerätesoftware wird sich die LIPS-Technik von Laborapplikationen zu industriellen Anwendungen in der Stahl- und Glasindustrie, der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Kohle- und Rohstoffindustrie entwickeln, ebenso gibt es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bei der Umweltmeßtechnik und in der Prozeßkontrolle. |
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Die Software zur Plasmaanalytik ist als optionales Modul zur LLA-Gerätesoftware erhältlich. |
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| Verfahren zur Bewertung von
Atomemissionsspektren Gefördert vom BMWi (Reg.-Nr. 1231/98) Neue Verfahren zur Mustererkennung spektroskopischer Daten Gefördert vom BMWi (Reg.-Nr. 1251/00) Laserinduzierte Plasmaanalyse für Glas Gefördert im Rahmen von PROINNO (KF 0012520KFK3)
Projektpartner
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Weitere InformationenH.-M. Voigt, K. Löbe Plasmastatistik optimiert LIBS-Analyse QZ Qualität und Zuverlässigkeit, Jahrgang 49(2004) 7, 42-45, München: Hanser Verlag 2004 |
© GFaI 1994-2005 Kontakt: Dr. H.-M. Voigt
