ПОРТАТИВНЫЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/64 G01N9/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а конкретнее к разработке приборов для люминесцентного анализа, и предназначено для проведения экспрессионного люминесцентного анализа во внелабораторных (полевых) условиях при геологических исследованиях, контроле экологической чистоты помещений складов, полигонов, контроле качества сельхозпродукции, экспрессионного анализа в криминалистике, в банковском деле и в других областях, где требуется повышенная надежность анализа в натурных условиях.

Известны приборы, предназначенные для люминесцентного обнаружения разного рода веществ во внелабораторных условиях. Такими приборами являются ЛСП-101 [1] и его усовершенствованная модификация ЛСП-3. Эти приборы приспособлены облучать ультрафиолетовым излучением (коротковолновым λ254 нм или длинноволновым l365 нм) исследуемый объект и наблюдать его люминесценцию. Источником УФ-излучения является высокочастотная безэлектродная ртутная лампа ВБС-1. Питание прибора автономное.

Недостатком является то, что прибор позволяет только субъективно оценивать интенсивность и цвет люминесценции исследуемого объекта.

Известен цифровой флуориметр "Digital Fluormeter Model 450" фирмы Seguoia-Turner [2] который позволяет объективно оценивать интенсивность люминесценции, измерять ее спектральный состав. Флуориметр обладает рядом встроенных удобств, обеспечивающих возможность проведения большой серии измерений для экспрессной люминесцентной диагностики.

Однако его использование в некоторых случаях недостаточно обеспечивает точность проведения люминесцентного анализа, так как отсутствует возможность измерения затухания люминесценции, что важно при идентификации объектов, в особенности с близким спектральным составом излучения. Кроме того, отсутствие автономного питания и большой вес прибора (около 8 кг) не позволяют использовать его как портативный анализатор для работы в труднодоступных районах.

Известен переносной цветной люминометр "Luminance meter ВМ-5" для измерения окраски объекта и цвета его люминесценции со встроенным микрокомпьютером фирмы Tokyo optical co. [3] Прибор обладает портативностью и автономным питанием и позволяет производить экспрессный люминесцентный анализ на местности. Однако недостатком является отсутствие возможности дифференцировать объекты по длительности затухания люминесценции.

Известен также портативный люминесцентный анализатор минералов "LC-2" фирмы Scintrex Ltd. [4] с помощью которого можно производить люминесцентный анализ минералов в полевых условиях. Наличие в приборе импульсного источника света позволяет дифференцировать люминесцирующие минералы по затруднению люминесценции. Однако недостатком является отсутствие возможности определять спектральный состав излучения. В приборе также не предусмотрена возможность возбуждать люминесценцию в двух различных областях ультрафиолетового возбуждения: коротковолновой или длинноволновой.

Известен портативный люминесцентный анализатор [5] наиболее близкий к предлагаемому изобретению по решению технической задачи. Анализатор позволяет измерять интенсивность и качественно определять спектральный состав люминесценции исследуемого объекта, а также имеет возможность для возбуждения люминесценции в двух областях ультрафиолетового излучения: коротковолновой или длинноволновой. Чтобы решать такие задачи прибор снабжен ФЭУ с соответствующим усилителем, сигнал с которого поступает на микроамперметр, что позволяет измерять относительную величину сигнала. Кроме того, в прибор встроена система светофильтров, позволяющая качественно оценивать спектральный состав люминесценции, а также люминесцирующая пластинка-эталон, обеспечивающая получение сопоставимых результатов независимо от стабильности потока возбуждающего света. Шайба из паралона позволяет плотно прижимать прибор к излучаемому объекту и тем самым производить измерения при дневном освещении.

Недостатками известного устройства являются невысокая надежность при проведении люминесцентного анализа объектов, в особенности с близким спектральным составом излучения, а также низкая комфортность при оперативном сборе и обработке информации в процессе его эксплуатации. Кроме того, известное устройство имеет ограниченную сферу применения. Это обусловлено тем, что прибор не имеет приспособлений для измерений длительности послесвечения люминесценции, что необходимо для расширения его функциональных возможностей.

Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение надежности проведения люминесцентного анализа во внелабораторных условиях, а также создание сервисных удобств при эксплуатации прибора. Кроме того, целью является увеличение областей применения прибора за счет расширения его функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что в известный портативный анализатор, содержащий источник ультрафиолетового излучения, высокочастотный генератор, оптические системы для возбуждения и регистрации люминесценции, фотоэлектронный умножитель тока, преобразователи напряжения, аккумуляторную батарею, блок регистрации, снабженный аналого-цифровым преобразователем и цифровой индикацией, при этом источник оптически связан с оптической системой для возбуждения люминесценции и подключен к высокочастотному генератору, соединенному через преобразователи напряжения с аккумуляторной батареей, фотоэлектронный умножитель оптически связан с оптической системой для регистрации люминесценции и соединен с усилителем постоянного тока, соединенным с блоком регистрации, в соответствии с предлагаемым изобретением анализатор дополнительно содержит устройство запуска схемы измерения послесвечения, запоминающее устройство и прерыватель, при этом устройство запуска схемы измерения послесвечения соединено с оптической системой для возбуждения люминесценции, выход устройства запуска схемы измерения послесвечения через аналого-цифровой преобразователь и запоминающее устройство подключен к цифровой индикации, а через прерыватель, например, заслонку к источнику света.

На чертеже изображена блок-схема портативного люминесцентного амортизатора.

Портативный люминесцентный анализатор содержит оптическую систему 1 для возбуждения люминесценции, источник света 2, высокочастотный генератор (ВЧ) 3, оптическую систему 4 для регистрации люминесценции, фотоэлектронный умножитель тока (ФЭУ) 5, умножитель напряжения питания ФЭУ 6, цифровую индикацию 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, запоминающее устройство (ЗУ) 9, устройство 10 запуска схемы измерения послесвечения, усилитель 11 постоянного тока, преобразователь (10 B) 12, преобразователь (25 B) 13, аккумуляторную батарею 14, конвертор (100 B) 15. Элементы блок схемы 1 11 могут быть расположены для удобства эксплуатации в корпусе 1, а элементы 12 15 для той же цели в корпусе 2. На чертеже элементы, расположенные в корпусе 1 и 2 отделены пунктирной линией.

Предлагаемый анализатор работает следующим образом.

Возбуждение люминесценции образца производится ультрафиолетовым излучением высокочастотного разряда паров ртути, возникающем в источнике света 2. Высокочастотный разряд создается высокочастотным генератором 3. Ультрафиолетовое излучение через оптическую систему 1 для возбуждения, состоящую из светофильтров, которые выделяют либо область коротковолнового ультрафиолета с l_макс 254 нм, либо область длинноволнового с λ_макс 365 нм, с помощью линзы фокусируется на образец.

Люминесцентное излучение от образца проходит через оптическую систему для регистрации люминесценции 4 и попадает на ФЭУ 5. Оптическая система 4 содержит набор светофильтров, которые позволяют производить регистрацию интенсивности либо в интегральном свете, либо в разных участках видимого диапазона длин волн (синей, зеленой, желто-оранжевой или красной); имеется также встроенная люминесцирующая пластинка эталон, обеспечивающая получение сопоставимых результатов независимо от стабильности потока возбуждающего света.

Питание ФЭУ 5 осуществляется умножителем напряжения питания 6, а электрический сигнал с ФЭУ поступает на вход усилителя постоянного тока 11 и с его выхода через АЦП 8 и ЗУ 9 на цифровую индикацию 7. По такой схеме производится измерение интенсивностей люминесценции и качественно определяется ее спектральный состав.

При измерениях послесвечения люминесценции в работу дополнительно подключается устройство 10 запуска схемы измерения послесвечения. Одним из конструктивных элементов этого устройства является прерыватель (фотозатвор), входящий в оптическую систему 1 возбуждения люминесценции. При закрывании фотозатвора прекращается доступ возбуждающего света на образец и срабатывает контактная группа. В результате чего электрический сигнал от преобразователя 13 устанавливает в режим готовности запоминающее устройства 9, в котором запоминается значение интенсивности свечения образца в момент закрывания фотозатвора, т. е. прекращения возбуждения. В дальнейшем сигнал послесвечения от образца через оптическую систему 4 поступает на ФЭУ 5 и далее в виде электрического сигнала, пройдя через усилитель 11 постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь 8 поступает в запоминающее устройство 9, которое, управляемое устройством запуска 10, запоминает через равные промежутки времени последовательно 16 значений убывающей в процессе послесвечения интенсивности излучения образца.

В качестве первичного источника питания электрической схемы прибора используется аккумуляторная батарея 14 с суммарным напряжением 5 B. Преобразователи напряжения, стабилизированные по напряжению 10 B и 25 B, вырабатывают электрические сигналы, которые питают: ВЧ-генератор 3, усилитель 11 постоянного тока, через конвертор 15 умножитель напряжения питания ФЭУ 6, а также устройство запуска схемы измерения послесвечения.

Конкретная реализация предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим примером. Устройство выполнено в виде двух корпусов (чертеж). В корпусе 1, имеющем габариты 230х170х90 мм и массу 1,5 кг, расположены: источник света (высокочастотная лампа ВСБ-1), оптический конденсатор, фокусирующий возбуждающий свет на образец, светофильтр УФС-1 в комбинации с кюветой, в которой находится водный раствор NiSO₄, выделяющие коротковолновую часть из спектра излучения источника с λ_макс 254 нм, и светофильтр УФС-2, выделяющий длинноволновую часть с λ_макс 365 нм; люминесцирующий эталон, относительно которого проводятся измерения интенсивностей образцов. Кроме того, в корпусе расположена регистрирующая часть прибора, в которую, в частности, входят светофильтры, выделяющие свет люминесценции от исследуемого образца в следующих областях видимого спектра: синяя 400-460 нм, зеленая - 460-540 нм, желто-оранжевая 540-640 нм и красная 640-800 нм, а для интегральной регистрации света люминесценции используется светофильтр, пропускающий свет в области 400 800 нм. Светофильтры расположены непосредственно перед ФЭУ 68. У выходного отверстия корпуса имеется шайба из паралона, позволяющая плотно прижать тубус прибора к излучаемому объекту и производить измерения в условиях дневной освещенности. Через смотровое окно, закрываемое откидной крышкой, имеется возможность визуально наблюдать люминесценцию объектов до начала измерений. Ирисовой диафрагмой, расположенной на тубусе устройства, можно выделить свечение локального участка исследуемой поверхности.

В корпусе 2, имеющем габариты 60х200х150 мм и массу около 2,5 кг, расположены питающие и преобразующие устройства: первичный источник питания - аккумуляторная батарея с суммарным напряжением 5 B, и состоящая из четырех никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 7 А/ч каждый, которые обеспечивают непрерывную работу прибора в полевых условиях без их перезарядки в течение 5 ч, а также преобразователи напряжений, стабилизированные по напряжению 10 В и 25 В и конвертор на 100 В. Этот корпус в процессе эксплуатации может переноситься на ремне через плечо.

Потребляемая мощность анализатора 7 Вт; регистрируемая длительность послесвечения не менее 10 мс; объем памяти запоминающего устройства 256 байт.

Для осуществления измерений послесвечения люминесценции исследуемых объектов в работу дополнительно подключено устройство запуска схемы измерения послесвечения, прерыватель которого, например, выполненный в виде легкой заслонки, прекращает доступ возбуждающего света на образец. В момент прекращения доступа возбуждающего света устройство 10 вырабатывает электрический сигнал, включающий в работу ЗУ 9, на вход которого через ФЭУ, усилитель постоянного тока и АЦП, поступает сигнал послесвечения люминесценции от образца. При этом в ЗУ заносится 16 значений интенсивностей послесвечения, регистрируемых с временным интервалом 10 мс. Результаты измерений могут быть накоплены и длительно храниться в памяти прибора, а при необходимости могут быть выведены на цифровую индикацию. Кроме того, результаты измерений могут быть обработаны в виде графика зависимости интенсивности от времени, из которого может быть рассчитано время затухания (τ) люминесценции.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с мировым уровнем техники, в качестве которого принят прототип, состоит в том, что дополнительное введение в прибор устройства запуска схемы измерения послесвечения создает возможность производить измерения длительности послесвечения и тем самым позволяет более надежно проводить люминесцентную диагностику исследуемых объектов во внелатораторных условиях, т.к. получаемая при этом дополнительная информация повышает надежность люминесцентного анализа. Это особенно важно, например, в случае исследуемых объектов с близким спектральным составом люминесцентного излучения. Наличие запоминающего устройства повышает оперативность работы, упрощает снятие показаний и дает возможности для обработки результатов большой серии измерений как непосредственно на местности в труднодоступном районе, так и возможность производить их хранение и дальнейшую обработку в лабораторных условиях на персональном компьютере.

Предлагаемое изобретение коммерчески реализуемо. Портативный люминесцентный анализатор может найти широкое применение для экспрессной люминесцентной диагностики во внебалораторных условиях при геологических исследованиях для прогноза и поиска минерального сырья, в алмазодобывающей промышленности при сортировке технических и ювелирных алмазов на местах их добычи, в криминалистике, в сельском хозяйстве, пищевой и текстильной промышленности, в банковском деле, при исследованиях экологической чистоты помещений, площадей полигонов от технических загрязнений. Кроме того, предполагаемое изобретение выгодно отличается от прототипа тем, что имеет набор встроенных сервисных услуг, которые упрощают снятие показаний и обработку результатов измерений.

Литература.

1. Степина З. А. Бердников С. Л. Зеликин Я. М. Полевые люминесцентные анализаторы. Тезисы докладов XXVII совещания по люминесценции. Рига, 1980, с. 271.

2. ПК 13672-90 фирмы "Sequia Turner" США, "Цифровой флуориметр. Модель 450".

3. ПК 13110-89 фирмы "Tokyo optical co. ltd", Япония, "Цифровой переносной цветовой люминометр со встроенным микрокомпьютером для измерения окраски и люминесценции".

4. Supplement to Catalogue of Geophysical instrumentation and Services "Scintrex Limited", Canada, 1983, "LG-2 Portable Luminescencent Mineral Analyzer".

5. Бердников С. Л. Зеликин Я. М. Трушин В. М. Портативный люминесцентный анализатор ЛИГА-ЭФ, ПТЭ, 1982, N 1, с. 265.

Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: в анализатор дополнительно введено устройство запуска схемы измерения после свечения и запоминающее устройство. 1 ил.

Портативный люминесцентный анализатор, содержащий источник ультрафиолетового излучения, высокочастотный генератор, оптические системы для возбуждения и регистрации люминесценции, фотоэлектронный умножитель с блоком питания, усилитель постоянного тока, преобразователи напряжения, аккумуляторную батарею, блок регистрации, снабженный аналого-цифровым преобразователем и цифровой индикацией, при этом источник оптически связан с оптической системой для возбуждения люминесценции и подключен к высокочастотному генератору, соединенному через преобразователи напряжения с аккумуляторной батареей, фотоэлектронный умножитель оптически связан с оптической системой для регистрации люминесценции и соединен с усилителем постоянного тока, соединенным с блоком регистрации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит устройство запуска схемы измерения послесвечения, запоминающее устройство и прерыватель, при этом устройство запуска схемы измерения послесвечения соединено с оптической системой для возбуждения люминесценции, выход устройства запуска схемы измерения послесвечения через аналого-цифровой преобразователь и запоминающее устройство подключен к цифровой индикации, а через прерыватель, например заслонку, к источнику света.