ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2001 года по МПК G01N21/63 G01N21/67 G01N21/39 

Изобретение относится к исследованию химических и физических свойств веществ и может быть использовано в спектральном анализе для атомизации и возбуждения атомов при интенсивном испарении исследуемых объектов лазерным излучением в электрическом поле, а именно для повышения чувствительности, точности и репрезентативности анализа. Известно техническое решение для локального лазерного спектрального анализа химического состава материала образца, позволяющее с помощью испарения лазерным лучом материала исследуемого образца и использования электрического разряда между двумя основными и третьим вспомогательным электродом, расположенным над первыми двумя, получать более длительное время свечения плазмы паров материала исследуемого образца, что, по мнению автора, увеличивает чувствительность и точность анализа (А. с. СССР N 1562798, МПК G 01 N 21/67, "Устройство для локального лазерного спектрального анализа", опубл. 07.05.90, БИ N 17). Однако использованная конфигурация электрических полей и неоднородный выброс вещества материала образца при его интенсивном взрывном испарении в мощном лазерном луче приводят к пространственной неоднородности и нестабильности свечения плазменного факела. Это ведет к различной интенсивности свечения в спектральных линиях и, как следствие, к различным данным количественного спектроанализа при повторных реализациях (т.е. нерепрезентативности результатов). Как показывает опыт, различия в показаниях количественного анализа могут достигать десятки и даже сотни процентов (могут отличаться в несколько раз).

Хорошо известно, что отношение яркости свечения спектральных линий в плазменном факеле к яркости фона, т.е. отношение сигнал/фон (сигнал/шум) (под отношением сигнал/фон подразумевается отношение интенсивности свечения спектральной линии элемента к сплошному (белому) свечению плазмы), которое определяет чувствительность и точность анализа, существенно зависит от величины временного интервала между начальным моментом лазерного импульса и моментом начала регистрации сигнала (в рассматриваемом примере моментом включения электрического разряда). Включение электрического разряда без регулировки момента включения, как в рассматриваемом аналоге, не всегда является оптимальным, наконец, описанное в аналоге устройство позволяет производить анализ только локально, что неприемлемо для неоднородных образцов, например образцов почвы и других образцов, где требуются данные, усредненные по всему анализируемому образцу.

Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки, разработать и создать устройство, позволяющее повысить чувствительность, точность и репрезентативность элементного анализа, обеспечить получение информации о химическом и физическом составе исследуемых образцов неоднородного состава в режиме реального времени, автоматизировать измерения.

Для решения поставленной технической задачи предлагается устройство для лазерного спектрального анализа, содержащее лазер, излучение которого фокусируется на анализируемый объект, расположенный под ним предметный столик для анализируемого объекта, два электрода аналитического разрядного промежутка, размещенные один над другим и расположенные над поверхностью анализируемого объекта и, конденсатор, обкладки которого соединены с электродами аналитического разрядного промежутка. Устройство отличается тем, что с целью стабилизации плазменной области в межэлектродном пространстве верхний электрод аналитического разрядного промежутка выполнен в виде кольца, плоскость которого перпендикулярна лазерному лучу, и расположенного коаксиально с фокусирующим устройством лазера.

Подобная конструкция электродов позволяет создать конфигурацию напряженности электрического поля, близкую к конусу, в котором развитие плазменного облака происходит пространственно более устойчиво по сравнению с прототипом. Для увеличения объема плазменной зоны устройство отличается тем, что верхний электрод аналитического разрядного промежутка размещен выше нижнего электрода на максимальном расстоянии, еще обеспечивающем устойчивый искровой разряд в аналитическом разрядном промежутке после испарения образца лазерным импульсом. Для улучшения условий испарения материала образца, а также увеличения времени рекомбинации и времени свечения спектральных линий анализируемый объект размещен в вакуумной камере с окнами, прозрачными для лазерного и анализируемого спектрального излучения. Устройство может дополнительно содержать газонаполненный разрядник, последовательно соединенный с электродами аналитического разрядного промежутка, что позволяет включать электрическое поле с регулируемым временным интервалом относительно начала лазерного импульса с целью выбора оптимального момента начала регистрации спектра. Кроме того, наличие управляемого разрядника делает безопасной работу оператора, так как высокое напряжение на электроды подается только по команде оператора при запуске лазерного импульса.

Устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит блок управления газонаполненным разрядником, который включается командным импульсом аналогично включению лазера. Кроме того, устройство отличается тем, что блок управления газонаполненным разрядником выполнен в виде программного блока управления, входящего в систему автоматизированного управления всем устройством. Устройство может отличаться тем, что оно вместо газонаполненного содержит вакуумный разрядник, последовательно соединенный с электродами аналитического разрядного промежутка, а также, дополнительно содержит блок управления вакуумным разрядником. Блок управления вакуумным разрядником может быть выполнен в виде программного блока управления. С целью увеличения интенсивности свечения спектральных линий в плазме устройство дополнительно содержит дроссель, соединенный последовательно с электродами аналитического разрядного промежутка. Предметный столик для анализируемого объекта выполнен с возможностью перемещения по команде блока управления, что позволяет анализировать неоднородные по составу образцы и при необходимости обследовать всю поверхность образца. Для синхронизации перемещения столика с выстрелами лазера устройство дополнительно содержит блок управления перемещением предметного столика. Устройство может отличаться тем, что блок управления перемещением предметного столика выполнен в виде программного блока управления.

На фиг. 1 представлено устройство для лазерного спектрального анализа, где 1 - лазер, воздействующий на исследуемый образец; 2 - источник высокого напряжения с вариацией от 0 до 10000 вольт; 3 - конденсатор, питающий плазму разряда в момент лазерной вспышки; 4 - вакуумный или газовый разрядник; 5 - программно-управляемый источник высокого напряжения для включения вакуумного или газового разрядника; 6 - дроссель; 7 - нижний разрядный электрод; 8 - верхний кольцевой разрядный электрод; 9 - исследуемый образец; 10 - программно-управляемый столик с образцом.

Спектрорегистрирующая часть, включающая спектрограф, многоэлементный фотоприемник, блок управления столиком, компьютер на фиг. 1 не показаны.

На фиг. 2 представлено то же устройство, что и на фиг. 1, но с вакуумной камерой 11, имеющей прозрачные окна 12. Остальные обозначения те же, что и на фиг. 1.

Устройство для лазерного спектрального анализа (фиг. 1 и 2), содержащее лазер 1, излучение которого фокусируется на анализируемый объект 9, расположенный на предметном столике 10, два электрода аналитического разрядного промежутка 7, 8, размещенные один над другим, и высоковольтный источник напряжения 2 для зарядки конденсатора 3, обкладки которого соединены с электродами аналитического разрядного промежутка. Верхний электрод 8 аналитического разрядного промежутка выполнен в виде кольца, плоскость которого параллельна поверхности исследуемого образца 9.

Устройство работает следующим образом. Один из электродов 7 (см. фиг. 1) из спектрально-чистого графита, заточенный на конус, располагают в непосредственной близости от поверхности образца 9 и фокальной области системы, фокусирующей лазерное излучение на образец 9. Второй электрод 8, выполненный в виде кольца, располагают над поверхностью исследуемого образца по перпендикуляру к его поверхности, восстановленному из точки фокусировки лазерного излучения на образец 9. Конденсатор 3 заряжается от источника высокого напряжения 2 до напряжения 4000 - 10000 В за время t < T (где T - время между импульсами лазера).

После команды на запуск всего устройства блок управления (на фиг. 1 не показан) ждет разрешающего сигнала от фотоприемного устройства (на фиг. 1 не показано), после чего вырабатывает командный импульс синхронизации на запуск лазера и включение высоковольтного разрядника 4, который подключает через дроссель 6 высокое напряжение с обкладок конденсатора 3 на электроды 8 и 7, одновременно либо со сдвигом по времени на ±Δτ, включается лазер 1. Включение лазера приводит к генерации импульса излучения, сфокусированного на исследуемый образец 9, что, в свою очередь приводит к испарению и частичной ионизации атомов материала образца 9 в межэлектродном пространстве. Вследствие ионизации межэлектродного пространства развивается электрический пробой и происходит разряд конденсатора 3. Благодаря этому сравнительно долго и достаточно ярко высвечиваются спектральные линии материала образца 9, которые регистрируются с помощью спектрографа и фотоприемного устройства (на фиг. 1 не показаны), после чего спектральные данные обрабатываются в компьютере и фиксируется результат измерения. Если исследуемый образец имеет неоднородную структуру, в соответствии с выбранной методикой измерения, следует перемещение с помощью электродвигателей столика 10 с образцом 9 на некоторое расстояние в горизонтальной плоскости (xy) и весь цикл измерения повторяется с последующим осреднением данных измерений по всей поверхности образца.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, точности и репрезентативности анализа в режиме реального времени без сложной пробоподготовки.

В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример реально созданного образца экспресс-анализатора почв, включающего в свой состав твердотельный лазер, программно-управляемый столик с нижним обычным и верхним кольцевым электродами, полихроматор с многоэлементным фотоприемником, блоком управления, персональным компьютером с необходимым программным обеспечением, а также всеми остальными элементами, отраженными на фиг. 1.

В результате применения заявляемого устройства удалось повысить чувствительность и репрезентативность устройства в 3-10 раз, что позволило определять микроколичества различных токсичных элементов (As, Be, Cd, Co, Cu, Mo, Ni, Pb, Zn и др.) в почвенной матрице на уровне фоновых концентраций (1-10 мкг/г), что отвечает требованиям экологической экспертизы.

Ниже в таблице приведены результаты одного из измерений концентрации микроэлементов в почвенной матрице. Измерения выполнялись без сложной пробоподготовки в режиме реального времени с автоматической записью результатов анализа на магнитный носитель в память компьютера. Время количественного анализа составило не более 1-2 мин.

Проверка основной относительной погрешности D определения массовой концентрации загрязняющих веществ (токсичных элементов) лазерно-искровым экспрессным анализатором элементного состава проводилась на государственном стандартном образце (ГСО) почвы. Использовались ГСО почвы с аттестованным содержанием компонентов (элементов) (например, стандартный образец СЧТ-1 ГСО 2507-83). Результаты измерений приведены в таблице в % массовой концентрации (C_i).

Полученные результаты показывают возможность определения, например, фоновых концентраций цинка (Zn) в почве на уровне 5-10 мкг/г с погрешностью не выше 15%, что отвечает требованиям экологической экспертизы.

Использование изобретения позволяет создавать сравнительно недорогие экспресс-анализаторы элементного состава с достаточно высокой чувствительностью для таких областей науки и техники, как экология, геология, металлургия, санитария и гигиена и др., а также оперативно проводить мониторинг загрязнения земель и других природных объектов.

Изобретение относится к спектральному анализу. Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит лазер с устройством, фокусирующим излучение на анализируемый объект, два электрода аналитического разрядного промежутка, размещенные один над другим над поверхностью столика для анализируемого объекта, и конденсатор, обкладки которого соединены с электродами. Верхний электрод выполнен в виде кольца, плоскость которого перпендикулярна лазерному лучу, и расположенного коаксиально с фокусирующим устройством лазера. Верхний электрод размещен выше нижнего электрода на максимальном расстоянии, еще обеспечивающем устойчивый разряд в разрядном промежутке. Технический результат: повышение чувствительности и точности анализа. 11 з. п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Устройство для лазерного спектрального анализа, содержащее лазер с устройством, фокусирующим излучение на анализируемый объект, расположенный под ним предметный столик для анализируемого объекта, два электрода аналитического разрядного промежутка, размещенные один над другим по направлению лазерного луча и расположенные над поверхностью предметного столика для анализируемого объекта, конденсатор, обкладки которого соединены с электродами аналитического разрядного промежутка, отличающееся тем, что верхний электрод аналитического разрядного промежутка выполнен в виде кольца, плоскость которого перпендикулярна лазерному лучу, и расположенного коаксиально с фокусирующим устройством лазера. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний электрод аналитического разрядного промежутка размещен выше нижнего электрода на максимальном расстоянии, еще обеспечивающем устойчивый разряд в аналитическом разрядном промежутке. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что анализируемый объект размещен в вакуумной камере с окнами, прозрачными для лазерного и анализируемого спектрального излучения. 4. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит газонаполненный разрядник, последовательно соединенный с электродами аналитического разрядного промежутка. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок управления газонаполненным разрядником. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок управления газонаполненным разрядником выполнен в виде программного блока управления. 7. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вакуумный разрядник, последовательно соединенный с электродами аналитического разрядного промежутка. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок управления вакуумным разрядником. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит дроссель, подключенный последовательно с электродами. 10. Устройство по п.1, или 6, или 9, отличающееся тем, что предметный столик для анализируемого объекта выполнен с возможностью перемещения. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок управления перемещением предметного столика. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что блок управления перемещением предметного столика выполнен в виде программного блока управления.