УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭМИССИОННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА Российский патент 1997 года по МПК G01N21/67 

Изобретение относится к спектральной аналитической аппаратуре, в частности к эмиссионным спектрометрам, и может быть использовано для анализа микропримесей в материалах и изделиях полупроводниковой техники, для анализа микроэлементов в объектах окружающей среды, в сельском хозяйстве, в медицине и других областях науки и техники.

Известны устройства для эмиссионного спектрального анализа, содержащие камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева. Нагреваемый электрод является атомизатором и одновременно может выполнять роль катода [1] или анода [2] Камеру заполняют аргоном или гелием. Источник постоянного или переменного электрического тока подключают к электродам для получения между электродами тлеющего [1-2] или высокочастотного разряда [3] Камеру оптически связывают со спектральным прибором.

Недостатком известных устройств является недостаточно низкий предел обнаружения анализируемых элементов.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство для эмиссионного спектрального анализа [4] содержащее камеру с электродами, один из которых выполнен с возможностью нагрева. Он выполняет роль атомизатора и одновременно является катодом. Роль анода выполняет часть камеры, электрически изолированная от катода. Устройство имеет источник электрического тока, подключенный к аноду и катоду для образования тлеющего разряда. Камеру заполняют аргоном и оптически связывают со спектральным прибором.

Недостатком данного устройства, как и других известных устройств, является недостаточно низкий предел обнаружения элементов из-за высокой интенсивности сплошного фона, излучаемого плазмой разряда.

Известно, что сплошной бесструктурный фон в излучении плазмы появляется главным образом вследствие рекомбинации электронов с положительными ионами или при торможении электронов в электрическом поле ионов. Спектр такого излучения является непрерывным и накладывается на все линии анализируемых элементов, что вследствие неизбежных флуктуаций фона является основным фактором, ограничивающим предел обнаружения элементов.

Интенсивность сплошного фона подчиняется известной формуле Унзольда:
,
где J_ф интенсивность сплошного фона;
A некоторая постоянная;
n_e, n_i концентрации электронов и положительных ионов;
K постоянная Больцмана;
T абсолютная температура плазмы.

Из этого выражения следует, что интенсивность сплошного фона сильно зависит от концентрации электронов и положительных ионов и намного слабее от температуры плазмы. Учитывая, что эффективность возбуждения атомов анализируемых элементов зависит главным образом от концентрации электронов (естественно, при достаточной для возбуждения атомов энергии), единственным путем для уменьшения интенсивности сплошного фона является снижение концентрации положительных ионов.

При использовании любого самостоятельного разряда для возбуждения атомов анализируемых элементов уменьшить концентрацию положительных ионов по сравнению с концентрацией элементов не представляется возможным, так как электроны и ионы образуются из нейтральных атомов путем ударной ионизации и их концентрации в плазме практически равны.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для эмиссионного спектрального анализа, в котором возбуждение атомного пара производится потоком электронов, энергия которых достаточна для возбуждения атомов анализируемых элементов, но недостаточна для ионизации окружающего газа, например гелия, чем достигается отсутствие или значительное уменьшение интенсивности сплошного фона и за счет этого значительное снижение предела обнаружения анализируемых элементов.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для эмиссионного спектрального анализа, содержащем камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева, источник электрического тока, подключенный к электродам, и спектральный прибор, оптически связанный с камерой, согласно изобретению, электроды имеют между собой зазор, обеспечивающий при напряжении источника тока ниже порога зажигания самостоятельного разряда прохождение электрического тока между электродами с помощью электронов, эмитируемых нагретым электродом, а сам зазор оптически связан со спектральным прибором.

Известное устройство для эмиссионного спектрального анализа не дает возможности осуществить возбуждение атомного пара потоком электронов при напряжении между электродами ниже порога зажигания самостоятельного разряда из-за достаточно большого межэлектродного промежутка. Электроны, эмитируемые нагретым катодом, тормозятся частицами окружающего газа, всегда присутствующего в камере, и образуют вокруг катода отрицательно заряженное электронное облако, заряд которого препятствует движению электронов к аноду. Энергия электронов в этом облаке недостаточна для возбуждения атомов большинства анализируемых элементов. Уменьшение зазора между электродами до 0,5-3 мм (в зависимости от давления газа в камере) влечет за собой рассасывание объемного разряда и по крайней мере часть электронов при этом достигает анода, вызывая появление в цепи электрического тока. В этих условиях электроны, получив ускорение в электрическом поле между электродами, приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов анализируемых элементов. Изменяя напряжение источника тока, можно подобрать такие условия, когда электроны имеют энергию, достаточную для возбуждения анализируемых атомов, но недостаточную для ионизации окружающего газа, например гелия. Учитывая, что потенциал ионизации гелия составляет 24,5 эв, а для возбуждения большинства элементов достаточна энергия 2-10 эв, очевидно, что с помощью предлагаемого устройства достаточно легко можно подобрать условия, при которых происходит эффективное возбуждение атомов анализируемых элементов и в то же время отсутствуют положительные ионы, а следовательно, и сплошной фон.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства для эмиссионного спектрального анализа.

Устройство содержит герметичную прозрачную камеру 1, выполненную из кварцевого стекла. Камера имеет два ввода 2, 3 для подключения к источнику инертного газа, в качестве которого использовали гелий, и к вакуумному насосу. Кроме того, камера имеет отверстие с пробкой (на схеме не показано) для ввода анализируемой пробы.

Внутри камеры расположены два электрода. Один из них, катод-атомизатор 4, выполнен с возможностью нагрева и представляет собой спираль из тугоплавкого материала, в данном случае вольфрама. Импульсный разогрев катода-атомизатора 4 производят при помощи батареи конденсаторов 5. Заряд конденсаторов осуществляют при помощи регулируемого источника постоянного тока 6. Для включения разогрева катода-атомизатора служит включатель 7.

Другой электрод, выполняющий роль анода 8, выполнен из электропроводящего материала, например стеклоуглерода. Анод 8 соединен с положительным полюсом источника постоянного тока 9 с регулируемым выходным напряжением 0 300 В. Отрицательный полюс источника соединен с катодом-атомизатором.

Катод-атомизатор 4 и анод 8 расположены таким образом, чтобы зазор между ними составлял 0,5-1,5 мм. В этих условиях при нагреве катода-атомизатора выше 2500^oC и напряжении между электродами ниже порога зажигания самостоятельного разряда в цепи между анодом и катодом-атомизатором течет ток, обусловленный эмиссией электронов с нагретого катода, в широком интервале давлений инертного газа в камере.

Сам зазор расположен на оптической оси спектрального прибора 10, например монохроматора, за выходной щелью которого установлен фотоприемник, связанный с регистрирующим устройством 11.

Работа предлагаемого устройства для эмиссионного спектрального анализа осуществляется следующим образом.

При помощи дозатора через отверстие в камере (на схеме не показано) пробу анализируемого раствора наносят на спираль катода-атомизатора 4. Закрывают отверстие и производят сушку пробы, откачивая камеру вакуумным насосом и подавая небольшое напряжение на спираль катода-атомизатора для его подогрева.

После окончания сушки устанавливают определенное напряжение между анодом 8 и катодом-атомизатором 4 и заряжают блок конденсаторов 5 до заданного напряжения.

При помощи включателя 7 разряжают конденсаторы 5 на спираль катода-атомизатора 4, благодаря чему происходит импульсный нагрев спирали до температуры порядка 3000^oC. Сухой остаток пробы при этом испаряется и атомизируется, а вокруг спирали образуется облако атомного пара анализируемых элементов. Одновременно нагретая спираль эмитирует электроны, которые приобретают дополнительную энергию в электрическом поле между анодом 8 и катодом-атомизатором 4 и, сталкиваясь с атомами анализируемых элементов, возбуждают их с излучением характеристических линий.

Световое излучение зазора между анодом и катодом-атомизатором любым известным способом подают на спектральный прибор 10, где выделяются аналитические линии определяемых элементов и при помощи фотоприемника преобразовываются в электрический сигнал, который подают затем на регистрирующее устройство 11.

В качестве катода-атомизатора используют стандартную лампу накаливания (8 В, 20 Вт) после удаления стеклянного баллона. Анодом служит стержень из стеклоуглерода. Зазор между анодом и катодом составляет 1-1,5 мм.

Емкость батареи конденсаторов составляет 30 000 мкф. Заряд конденсаторов осуществляют до напряжения 16-17 В. Напряжение между электродами составляет 150-180 В. Давление гелия в камере в режиме сушки поддерживают 30-40 мм рт. ст. а в режиме атомизации и возбуждения 300-400 мм рт.ст.

Зазор между электродами при помощи кварцевой линзы проектируют на щель монохроматора, в качестве которого используют монохроматор НК 1000 фирмы "Жобэн Ивон". Ширина входной щели 0,01 мм, выходной 0,02 мм.

Сигнал с фотоумножителя подают на усилитель постоянного тока типа ИМТ-05, а регистрацию сигнала осуществляют с помощью самопишущего потенциометра КСП-4.

Градуировочные растворы анализируемых элементов готовят из государственного стандартного образца раствора металлов (ГСОРМ-2) путем соответствующего разбавления его бидистиллированной водой, приготовленной в аппарате из кварцевого стекла.

Наносят на спираль катода-атомизатора 15 мкл приготовленного раствора соответствующей концентрации и регистрируют сигналы. Строят градуировочные графики. Предел обнаружения для меди, кобальта, никеля, стронция, железа и некоторых других элементов с учетом 3б-критерия составляет 1•10^-9 - 5•10^-8 мас. что значительно ниже, чем в известных устройствах для эмиссионного спектрального анализа.

Использование: область спектрального анализа, спектральная аппаратура и может быть использовано для определения микропримесей элементов в различных объектах. Сущность: устройство для эмиссионного спектрального анализа содержит камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева, источник электрического тока, подключенный к электродам, и спектральный прибор, оптически связанный с камерой. Электроды имеют между собой зазор, обеспечивающий при напряжении источника тока ниже порога зажигания самостоятельного разряда, протекание электрического тока между электродами с помощью электронов, эмитируемых нагретым электродом, а сам зазор оптически связан со спектральным прибором. 1 ил.

Устройство для эмиссионного спектрального анализа, содержащее камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева, источник электрического тока, подключенный к электродам, и спектральный прибор, оптически связанный с камерой, отличающееся тем, что электроды имеют между собой зазор, обеспечивающий при напряжении источника тока ниже порога зажигания самостоятельного разряда прохождение электрического тока между электродами с помощью электронов, эмитируемых нагретым электродом, а сам зазор оптически связан со спектральным прибором.