СПОСОБ ИНТЕГРАЛЬНО-СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТНО-ФАЗОВОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА С ФРАКЦИОННЫМ ИСПАРЕНИЕМ ЕГО В ПЛАЗМУ Российский патент 2012 года по МПК G01N21/67 

Предложение относится к области исследования химических и физических свойств вещества и может быть использовано при геологических, металлургических, технологических и др. исследованиях и производственных работах.

Известен способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества, путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя, на дне которого размещают исследуемое вещество, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, регистрацию фракционных сцинтилляционных спектральных сигналов, определение по ним элементного состав вещества с использованием образцов сравнения, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач (Основы количественного спектрального анализа руд и минералов, Русанов А.К., М.: Недра, 1978 г., с.38-74; Физические основы спектрального анализа. Райхбаум Я.Д., М.: Наука, 1980 г., с.37-78).

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту к данному техническому решению является способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя с дном, на котором размещают исследуемое вещество так, чтобы оно находилось на расстоянии более 2 мм от верхнего открытого края испарителя и полностью испарялось из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, создание условий для получения фракционных сцинтилляциоцных аналитических спектральных сигналов и регистрацию спектральных сигналов с применением интегрально-сцинтилляционного метода регистрации спектров, при котором осуществляют покадровую синхронную регистрацию спектральных сигналов с прерывистым периодическим кратковременным накоплением спектральных сигналов, в процессе расчета результатов исследования проводят сортировку сигналов с учетом соотношения «сигнал-шум» и времени появления сигналов, используя каждое периодическое накопления сигнала, определение по полезным аналитическим сигналам элементного состава вещества с использованием образцов сравнения и метода расчета содержаний химических элементов по «соотношению условных содержаний» большого числа элементов без знания массы исследуемого вещества, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач (патент РФ №2368890, Способ интегрально-сцинтилляционного эмиссионного анализа с испарением вещества из кратера дугового разряда. Аполицкий В.Н., 2009 г. - прототип).

Недостатками способов анализа вещества (аналога и прототипа) является не возможность детального исследования фазовых характеристик вещества, процессов плавления, испарения и термодинамических взаимодействий веществ.

Целью данного предложения является создание возможности одновременного проведения интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового спектрального изучения вещества, его термодинамических свойств и протекающих химических взаимодействий молекулярных соединений в его расплаве.

Поставленная цель достигается за счет того, что способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя с дном, на котором размещают исследуемое вещество так, чтобы оно находилось на расстоянии более 2 мм от верхнего открытого края испарителя и полностью испарялось из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, создание условий для получения фракционных сцинтилляционных аналитических спектральных сигналов и регистрацию спектральных сигналов с применением интегрально-сцинтилляционного метода регистрации спектров, при котором осуществляют покадровую синхронную регистрацию спектральных сигналов с прерывистым периодическим кратковременным накоплением спектральных сигналов, расчет результатов исследования, при котором проводят сортировку сигналов с учетом соотношения «сигнал-шум» и времени появления сигналов, используя каждое периодическое накопления сигнала, определение по полезным аналитическим сигналам элементного состав вещества с использованием образцов сравнения и метода расчета содержаний химических элементов по «соотношению условных содержаний» большого числа, элементов без знания массы исследуемого вещества, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач, расстояние от верхнего края испарителя до его дна делают более 5 мм, а дно изготовляют в виде конуса с вершиной вниз, исследуемые вещества с массой меньшей 2-3 мг располагают в нижней части дна испарителя так, чтобы оно находилось в центре дна и при его нагревании не соприкасалось с боковыми стенками испарителя, которое полностью испаряют из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, при этом в процессе исследования ведут покадровое измерение температуры нагрева вещества, лежащего на дне испарителя, а после расчета содержаний химических элементов, входящих в состав исследуемого вещества, производят фазовую диагностику или идентификацию вещества путем сравнения соотношения содержаний химических элементов в исследуемом веществе и покадровых термодинамических характеристика исследуемого вещества, получаемых в процессе изучения зависимости количества попадаемых атомов химических элементов в плазму от покадровой температуры расплава вещества, с соотношением содержаний этих элементов и термодинамических характеристик в хорошо известных и изученных веществах с помощью известных и предлагаемого метода.

С целью получения информации о процессах взаимодействия химических элементов в расплаве вещества, диагностики молекулярных химических соединений, находящихся или появляющихся в расплаве в процессе нагревания его, при расчете результатов исследования производят покадровый расчет содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках вещества, поступающих в плазму в различные моменты (кадры) времени испарения вещества, с использованием метода расчета содержаний элементов в виртуальных микронавесках неизвестной массы по «соотношению условных содержаний» элементов в микронавесках, и по соотношению содержаний химических элементов в микронавесках, отражающих характерный состав испаряющихся молекулярных соединений, а также по покадровой измеренной температуре расплава вещества проводят диагностику или идентификацию этих химических молекулярных соединений, сопоставляя соотношение покадровых содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках, состоящих из испаряющихся фракционно молекул, с соотношением содержаний этих элементов в известных химических соединениях, а также сравнения температуру кипения изучаемых молекул с температурой кипения известных молекулярных соединений или проводят дополнительные исследования наиболее близких по молекулярному составу расплавов веществ с целью выявления близости соотношений содержаний элементов и термодинамических характеристик исследуемого молекулярного соединения с аналогом. При исследовании легко летучих химических молекулярных соединений в расплаве вещества выбирают оптимальный режим охлаждения дна испарителя снизу, а при изучении труднолетучих молекулярных соединений наоборот ухудшают теплопроводность электрода под дном испарителя.

Для изучения химических и физических взаимодействий веществ в испаритель помещают совместно различные вещества.

Сущность предлагаемого способа исследования вещества.

Существуют различные способы исследования вещества с фракционным испарением вещества в плазму электрического разряда с постепенным повышением его температуры (испарение частиц пробы в самой плазме, испарением навески вещества из кратера дугового электрода в плазму, испарение вещества в графитовых кюветах и различных печах). В процессе таких исследований в качестве аналитического сигнала, характеризующего процесс поступления вещества во времени при нагревании вещества в плазму разряда, используется появление в ней различного количества атомов химических элементов вещества в плазме разряда, которое обнаруживают с помощью известных аналитических методов, изучающих элементный атомный состав плазмы. Процесс испарения вещества зависит от конструкции испарителя вещества, от температуры испарителя, от атмосферного давления газа, находящегося в испарителе, химического состава газа, материала, из которого сделан испаритель и элементного, фазового состава исследуемого вещества.

В качестве испарителя предлагается использовать вертикальный полый цилиндрический испаритель, изготовленный из трудно испаряемого материала, с дном, нагреваемым сверху плазмой за счет теплопроводности боковых стенок испарителя. Исследуемое вещество размещают на дне испарителя, изготовленного в виде конуса с вершиной вниз, так чтобы вещество не имело контакта с боковыми стенками испарителя, температура которых выше, чем температура дна испарителя, при этом тепло веществу передают только через контакт вещества с дном испарителя в центральной части. Процесс постепенного нагревания вещества ведут при медленном сгорании боковых стенок испарителя, с приближение плазмы к веществу до полного сгорания стенок и дна. При этих условиях пары вещества свободно попадают через верхнее отверстие цилиндрического испарителя в аналитическую зону плазмы в процессе пространственно-временного исследования вещества. При изучении на одной и той же экспериментальной установке малых масс вещества (менее 1 мг), располагаемых на дне испарителя, создаются условия для испарении вещества из испарителе и атомизации его паров в плазме разряда, слабозависящие от элементного и фазового состава вещества в течение всего времени его исследования.

В процессе нагревания вещества происходит вначале разрушение кристаллической решетку вещества, его плавление, которые проявляются в виде первого появления паров вещества, испаряющихся в аналитическую плазму из расплава в виде молекулярных соединений химических элементов, которые атомизируются. Количество атомов, попадающих в плазму, регистрируется с помощью выбранного атомного элементного спектрального метода анализа. В процессе нагревания вещества из его расплава происходит фракционное испарение в плазму химических молекулярных соединений элементов разной летучести, при этом возникают сцинтилляционные фракционные аналитические спектральные сигналы различной амплитуды и формы, которые дают информацию о химическом составе молекулярных соединений, испаряющихся в плазму из расплава в различные моменты времени исследования вещества. Если в процессе исследования вещества измерять температуру нагревания вещества, то появляется возможность оценить по появлению аналитических спектральных сигналов химических элементов температуру разрушения кристаллической решетки вещества, его температуру плавления, молекулярный химический состав расплава вещества, температуру кипения химических соединений, изучать химические и физические взаимодействия в расплаве вещества в процессе нагревания веществ в испарителе.

Предлагаемый способ основан на интегрально-сцинтилляционном пространственно-временном исследовании вещества, при котором производят фракционное испарение вещества по частям (с испарением виртуальных микронавесок вещества) в плазму, в которой возникают аналитические спектральные сигналы, регистрируемые интегрально-сцинтилляционным способом с использованием какого-либо из известных аналитических методов (атомного эмиссионного анализа, масс-спектрометрического анализа, атомно-абсорбционного анализа и др.), при которых проводится интегрально-сцинтилляционная периодическая кратковременная покадровая регистрация аналитических спектральных сигналов. Особенности и возможности предлагаемого способа можно продемонстрировать на примере с использованием прямого эмиссионного атомного спектрального метода анализа вещества с фракционным испарением его из испарителя (кратера электрода) в плазму дугового разряда постоянного тока.

В качестве испарителя используется относительно глубокий кратер, высверленный в верхней части угольного цилиндрического электрода дугового разряда, горящего вертикально с размещением этого электрода внизу. Глубину кратера делают более 5 мм, а дно в виде конуса с вершиной вниз. Исследуемые вещества в малых количествах помещают в центральной части дна кратера, чтобы при нагревании расплав вещества в испарителе не касался горячих боковых стенок испарителя. Повышение температуры дна кратера электрода происходит в зависимости от времени горения дугового разряда по мере сгорания боковых стенок кратера, с приближением плазмы к дну кратера, до полного сгорания стенок кратера (температура нагрева вещества изменяется от десятков градусов до величины, большей 5000°C). Сам процесс исследования осуществляют подобно прототипу с определением содержаний всех химических элементов, находящихся в веществе, без знания массы вещества, за счет осуществления расчета содержаний элементов в веществе или в его малых частях по «соотношению условных содержаний» элементов подобно прототипу.

Если исследуемое вещество (например, зерно минерала или его частица) монофазное и определены все химические элементы, входящие в состав вещества, как это делается в прототипе, для диагностики или идентификации вещества предлагается провести сравнение полученных содержаний химических элементов в исследуемой частице вещества с содержанием элементов в известных фазах, веществах (используя, например, справочную литературу) и в зависимости от близости их содержаний осуществить диагностику или идентификацию вещества. Для более точной диагностики вещества рационально использовать дополнительную информацию о внешнем виде, цвете сравниваемых веществ (как это делают минералоги при изучении зерен минералов).

Для более точной диагностики вещества и получения новой информации о веществе предлагается изучить характер фракционного испарения молекулярных соединений химических элементов из расплава вещества и физико-химические процессы, происходящих в расплаве, в зависимости от температуры нагревания вещества от дна испарителя, на котором расположено вещество. Для оценки температуры вещества в процессе его исследования, температуры плавления вещества Тпл и кипения химических соединений элементов Тк необходимо применить измерение температуры вещества в процессе его испарения (например, как это делается в аналогах с помощью термопары, оптических методов и др.). Удобно создать калиброванную покадровую шкалу температуры нагрева вещества, используя испарение из кратера хорошо известных химических соединений, для которых установлена достаточно точно температура плавления и кипения (например, испаряя с дна испарителя чистые металлы различных химических элементов). Калиброванную одновременно по кадрам и температуре шкалу можно использовать для оценки температуры испарения различных химических соединений из расплава вещества, находящегося в испарителе. Используя «временную (покадровую) развертку» аналитических спектральных сигналов - зависимость количества атомов элемента, попадающих в плазму, от времени регистрации кадра и связь временного номера кадра с температурой дна испарителя (кратера) можно оценить температуру начала испарения расплава вещества (температуру плавления вещества Тпл) и температуру кипения химического соединения в расплаве вещества Ткип по резкому возрастанию количества атомов элемента в плазме дуги. Это позволяет более правильно диагностировать исследуемое вещество (частицу) и изучать термодинамические процессы, происходящие в расплаве.

С целью исследования молекулярных соединений расплава вещества предлагается оценивать элементный химический состав виртуальных микронавесок, фракционно испаряющихся из расплава вещества, в различные моменты времени исследования, производить покадровый расчет содержаний элементов в микронавесках с использованием метода расчета содержаний по «соотношению условных содержаний» без знания массы виртуальной микронавески. Диагностику молекулярных соединений, фракционно испаряющихся из расплава, предлагается осуществлять по синхронности попадания атомов различных химических элементов в плазму, сравнением содержаний элементов в микронавесках расплава с содержаниями этих элементов в известных молекулярных соединениях с использованием данных справочников или путем исследования выбранного известного аналога (вещества) с помощью предлагаемого способа исследования. При этом рационально осуществлять перевод массовых процентов элементов, находящихся в микронавесках вещества, в атомные соотношения элементов, входящих в состав молекул, для получения химической формулы химического соединения. Так как методы атомного спектрального анализа не позволяют определять содержания всех химических элементов в веществах (например, элементов, которые входят в состав анионной части молекулярных соединений O, S, H и т.п.), то рационально при диагностике или идентификации вещества производить сравнение только определяемых содержаний химических элементов в веществе.

Создания новых способов для изучения термодинамических свойств вещества и термодинамических химических реакций, происходящих в широком интервале температур, для современного производства является актуальной задачей.

Примеры реализации предлагаемого способа.

Пример. Необходимо провести изучение физико-химических свойств частиц вещества с крупностью менее 1 мм латунно-желтого цвета, с неизвестной массой, и определить их элементно-фазовый состав.

Для проведения исследований использовалась конструкция установки, с помощью которой осуществлялся прямой интегрально-сцинтилляционный эмиссионный спектральный атомный метод анализа порошкового вещества с использованием фракционного испарения вещества из глубокого кратера нижнего анодного электрода дуги постоянного тока, которая изложена в описании прототипа. Для уменьшения температуры дна кратера угольного анодного электрода его глубина была увеличена до 7 мм, а дно кратера делалась на конус, так чтобы исследуемое вещество и его расплав располагались в вершине конуса, толщина стенок кратера была 1,3 мм, а угольный анодный электрод диаметром в 6 мм вставлялся в зажим держателя электрода, охлаждаемого водой. Исследуемое вещество с массой менее нескольких мг помещают в центре дна кратера анодного электрода, так чтобы оно и его расплав не касались боковых стенок кратера. В качестве катодного верхнего электрода использовали угольный электрод, заточенный на усеченный конус. Покадровая регистрация спектров производилась интегрально-сцинтилляционным методом с периодическим синхронным покадровым накоплением аналитических сигналов (подобно прототипу) при использовании ПЗС-линеек (время одного кадра - 1000 мс, для детального исследования процессов испарения молекулярных соединений из расплавах - около 100 мс). Регистрировались спектральные аналитические линии более 50 химических элементов. Время регистрации спектров около 200 кадров, до полного испарения стенок кратера электрода.

Расчет содержаний химических элементов в веществе и микронавесках расплава осуществлялся аналогично тому, как это делалось в прототипе с использованием расчета содержаний по «соотношению условных содержаний» элементов без знания массы исследуемой навески. Сам экспериментальный интегрально-сцинтилляционный процесс регистрации спектров выполняется подобно прототипу, отличием его является не наполнение кратера анодного электрода веществом, а расположение вещества малой массы в центральной части дне кратера так, чтобы расплав вещества при его нагревании не соприкасался с боковыми стенками кратера, температура которых выше, чем температура дна кратера. Такие условия позволяют исключить влияние на испарение вещества горячих боковых стенок испарителя, температура которых существенно выше температуры дна, создать более стандартные условия нагревания вещества и исключить конденсацию паров расплава на стенках кратера при их движении вверх в плазму разряда. В процессе горения дуги стенки кратера анодного электрода постепенно сгорают, в результате температура дна кратера медленно возрастает от десятков градусов до более 5000°C, когда полностью сгорают боковые стенки кратера и плазма сама испаряет вещество. В процессе нагревания дна кратера сверху через его стенки в веществе вначале разрушается кристаллическая решетка, происходит плавление вещества, фракционное испарение компонентов расплава - испарение молекулярных химических соединений различных элементов, находящихся в расплаве, в зависимости от летучести этих соединений, и кипение расплава с интенсивным испарением из него характерного молекулярного соединения расплава. Особенность такого процесса нагревания вещества, лежащего на дне кратера, является слабая зависимость этого процесса исследования от элементного и фазового состава относительно малого количества изучаемого вещества. Это создает условия для стандартизированного способа исследования вещества и использования постоянной покадровой шкалы температур дна кратера испарителя.

Процесс интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового предлагаемого способа исследования вещества начинается с температурной калибровки покадровой временной шкалы исследования вещества, с создания шкалы зависимости температуры нагреваемого вещества, лежащего на дне испарителя, от времени (номера кадра) исследования вещества. Эта операция может быть выполнена различными способами (см. аналоги) с применением термопар, оптических методов и др., при которых проводят исследования различных веществ, для которых хорошо известны температура плавления Тпл и кипения Тк вещества, по которым осуществляют температурную калибровку покадровой шкалы (зависимость температуры вещества от временного номера кадра). На Фиг.1 показана «временная развертка»- зависимость спектрального излучения атомов элементов I усл. от времени исследования t, номеров кадров и температуры вещества T°C в случае исследования чистых металлов химических элементов. Калибровка шкалы кадров по температуре осуществляется по температурам плавления и кипения исследуемых чистых металлов. Температуру плавления вещества оценивают по первому появлению атомов вещества, которые испаряются в момент начала плавления вещества, температуру кипения металла оценивают по температуре, при которой начинается покадровое резкое возрастание количества атомов в плазме, входящих в состав металла или вещества.

После создания покадровой температурной шкалы начинают осуществлять изучение исследуемого вещества подобно тому, как это делается в прототипе. После получения 200 покадровых спектров микронавесок вещества за время полного испарения вещества из кратера осуществляют расчет условных содержаний химических элементов в исследуемом веществе с использованием калибровочных графиков элементов, построенных по образцам сравнения с известной массой, как это делается в прототипе. Получают условные содержания элементов в неизвестной массе вещества и, применяя способ расчета содержаний в веществе по «соотношению условных содержаний», оценивают содержания химических элементов во всей неизвестной навеске вещества (в частице) (см. прототип). Результаты такого расчета для пяти частиц массой менее 1 мг исследуемого вещества разной крупности представлены в табл.1. Некоторые расхождения в результатах анализа связаны в первую очередь с природной неоднородностью вещества, с исследованием малых масс вещества. Основными матричными химическими элементами исследуемого вещества являются медь (58%) и железо (41%) без учета анионной элементной части молекулярного соединения вещества (атомы этих элементов не регистрировались). По справочнику таким веществом может быть минерал халькопирит - содержание меди и железо в нем без учета анионной элементной части его химической формулы соответственно составляет 54% и 46%. Учитывая природную неоднородность минералов и их внешнее сходство, цвет, исследуемые частицы, можно диагностировать исследуемое вещество как частицы минерала халькопирит, что подтверждают специальные исследования вещества.

Следующим достоинством предлагаемого способа является возможность одновременно с определением содержаний химических элементов в веществе и диагностикой вещества получить фазовые характеристики вещества и исследовать физико-химические процессы, происходящие в расплаве вещества - для этого используются аналитические спектральные сигналы, зарегистрированные с помощью интегрально-сцинтилляционной покадровой регистрации спектрального излучения исследования вещества. Характерные «временые (покадрово-температурные) развертки» фракционного испарения для трех частиц различной крупности изучаемого вещества при нагревании дна кратера анодного электрода дуги постоянного тока показаны на Фиг.2. Известно из теоретических и экспериментальных исследований, что скорость испарения вещества возрастает с повышением температуры нагревания вещества, а при температуре кипения вещества Тк эта скорость резко возрастает, при этом фракционные аналитические спектральные сигналы в плазме резкого возрастают. Если рассматривать «временные развертки», ранее полученные исследователями (см. аналоги), то их вид резко отличается от полученных (см. фиг.1 и 2). На «временных развертках» четко виды фракционные сцинтилляционные спектральные сигналы, имеющие различную форму, которые появляются в различные моменты времени и зависят от элементов, входящих в состав вещества (его расплава), от температуры его нагревания в испарителе. Момент первого появления аналитического спектрального сигнала (излучения спектральной линии химического элемента вещества в плазме) сообщает о разрушении кристаллической решетки исследуемого вещества, образовании расплава вещества, о том, что вещество нагрето до температуры его плавления Тпл. Первыми после разрушения кристаллической решетки изучаемого вещества из испарителя (кратера анодного электрода) начинают испарятся в плазму пары молекулярного соединения атомов меди (см. наиболее чувствительная спектральная линия Cul), которая является матричным элементом исследуемого вещества, в состав этого соединения не входит матричный элемент Fe. По кадровой шкале температур начало плавления вещества начинается в кадре №4 при температуре, близкой к 1000°C, она близка к температуре плавления металлической меди. Дальнейшее нагревание расплава приводит к постепенному возрастанию интенсивностей спектральных линии атомов меди, входящих в состав вещества, в зависимости от содержания элементов в веществе и молекулярных форм их нахождения в расплаве. Обычно спектральное излучения атомов с повышением температуры расплава монотонно возрастает и, достигнув критического значения (температуры кипения молекулярного соединения элемента Тк), резко возрастает, достигает максимального излучения и после чего уменьшается за счет уменьшения содержания испаряющегося молекулярного соединения в объеме расплава. Эти закономерности видны на «временных развертках» чистых металлов и исследуемого вещества (см. Фиг.1 и Фиг.2).

Приведенные экспериментальные исследования вещества с помощью предлагаемого интегрально-сцинтилляционного метода изучения вещества во многих случаях согласуются с вышеизложенным, но процесс кипения расплавов чистых металлов и исследуемых веществ, как показывают исследования, не всегда наблюдается на «временных развертках» (например, при испарении малых масс вещества - см. Фиг.2а - медь, чувствительная спектральная линия Cu1-n и малочувствительная пиния Cu2-n или Фиг.2б, в - серебро, чувствительная линия Ag hal-n и Ag hal-к). Это связано с тем, что температура нагрева расплава, вещества не достигает критической температуры кипения, медь и серебро полностью испаряются из расплава вещества до температуры их кипения (температура кипения, как отмечают исследователи, в ряде случаев зависит и от внешних условий и свойств изучаемого молекулярного химического соединения). При нагревании исследуемых частиц халькопирита процесс кипения молекулярного соединения меди в расплаве по каким-то причинам затягивается до температуры кипения второго матричного элемента халькопирита железа, молекулярное химическое соединение которого начинает испарятся в кадре №49 при покадровой температуре 1600°C (температура плавления железа 1540°C), а закипает это соединение при температуре, близкой к 2900°C (температура кипения железа 2870°C, температура кипения халькопирита не известна), и обычно полностью испаряется из расплава за очень короткое время, за 2-4 кадра. Возможно процесс кипения соединения железа несколько повышает скорость испарения меди, но после испарения железа медь еще продолжает испарятся из расплава. Фракционные импульсы кипения соединений меди и железа происходят почти одновременно, но всегда фракционное кипение меди начинается перед кипением железа (на Фиг.2б, в они неразличимы) Такое явление, по-видимому, является характерной особенностью испарения частиц халькопирита. Характерным является и странное фракционное испарения некоторых примесных элементов исследуемого вещества в момент кипения соединения железа. Приместные элементы синхронно с железом испаряются в отдельных кадрах в течение его кипения. Это такие элементы, как никель, марганец и затянувшееся импульсное испарение серебра (см. Фиг.2в). В тоже время испарение соединений серебра и магния происходит независимо от испарения матричных элементов.

Для более детального изучения физико-химических процессов, происходящих на молекулярном уровне в расплаве, предлагается применить покадровый расчет содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках расплава, в молекулярных соединениями расплава, фракционно испаряющихся в течение одного кадpa в плазму, с применением расчета содержаний элементов по «соотношению условных содержаний» в испаренной в течение одного кадра виртуальной микронавеске вещества. Покадровый расчет содержаний химических элементов в микронавесках вещества, фракциоино испаренных из расплава вещества, представлен частично в Таблице 2 для относительно небольшого числа зарегистрированных кадров. Соотношение содержаний химических элементов в молекулярных соединениях, фракционно испаряющихся из расплава, как правило, не изменяется в течение фракционного испарения и однозначно характеризует испаряющееся молекулярное соединения. Расчет содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках испаренного вещества в отличие от «временных разверток» интенсивностей излучения атомов исключает неравномерность испарения молекулярных соединений элементов из расплава и позволяет четко наблюдать (обнаруживать) покадровое изменения химического состава молекулярных соединений, испаряющихся из расплава в различные моменты времени (см. Табл.2).

На фиг.3 эта таблица представлена в виде «временной покадровой развертки» содержаний химических элементов, находящихся в виртуальных микронавесках испаренного из расплава вещества. Как это видно из табл.2 и фиг.3 покадровый состав микронавесок испаряемого вещества из расплава длительное время мало изменяется и состоит из одного матричного элемента, содержание которого в микронавесках близко к 100%, - в начале это медь, а в момент бурного кипения вещества - железо. Так как четкого детального кипения молекулярных соединений на «временных развертках» не наблюдается, то сложно диагностировать наблюдаемое в кадрах соединение меди. В халькопирите медь связана с железом и серой и из теоретических соображений при нагревании сульфит меди должен потерять серу и превратиться в металл. Вид «временной развертки», полученный при испарении металлической чистой меди, очень похож на «временную развертку» молекулярного соединения меди при испарении исследуемого вещества - это относительно быстрый (в отличие от испарения металлического железа) процесс испарения молекул расплава до момента его кипения. Есть основания утверждать, что из расплава испарялась металлическая медь. Железо в халькопирите так же связано с серой, а сульфит железа при нагревании должен разлагаться, с потерей серы и образованием металлического железа, что хорошо согласуется с покадровой температурой кипения железа (см. Табл.2 - это номера кадров 101, 102). Для подтверждения в центральной части дна кратера размещались металлические частицы меди и железа одинаковой крупности (размером в 1 мм) и испарялись по предлагаемому способу. Полученные «временные развертки» излучения атомов меди и железа оказались похожими на «временные развертки» этих излучений при исследовании халькопирита.

При проведении интегрально-сцинтилляционных исследований расплавов различных веществ могут наблюдаться аналитические сцинтилляционные спектральные сигналы, связанные с фазовой неоднородностью исследуемых веществ, со случайными загрязнениями его в процессе подготовки объекта к исследованию, при взаимодействии молекулярных соединений в расплаве, с окружающей его средой, что не только осложняет процесс изучения вещества, но и дает возможность получить важную информацию о фазовых неоднородности вещества, о специфических физико-химических процессах, происходящих в расплаве вещества. Для изучения молекулярного состава расплавов веществ, осуществления различных химических реакций в глубоком кратере при этом на его дно лучше помещать небольшие массы вещества (частицы размером менее 100 мкм) и исследовать «временную развертку» до кипения молекулярных соединений (см. Фиг.2а). Это дает возможность изучать монофазные вещества и исследовать частицы малого размера до 30-20 мкм и ниже, если использовать, например, масс-спектрометрический метод анализа.

Таким образом за счет использования интегрально-сцинтилляционного пространственно-временного метода исследования вещества, при котором производится изучение большого числа виртуальных частей (микронавесок) вещества, помещаемого на дно испарителя с исключением возможности появления контакта расплава вещества с боковыми стенками испарителя, нагреваемого сверху плазмой электрического разряда, используется периодическая прерывистая кратковременная регистрации аналитических сигналов, осуществляется расчет содержаний химических элементов во всем веществе и отдельных виртуальных микронавесках фракционно испаряющегося расплава вещества без знания исследуемых масс с использованием расчета содержаний элементов по «соотношению условных содержаний» химических элементов, что позволило одновременно определять не только содержания химических элементов в изучаемом веществе неизвестной массы, но и получать информацию о фазовом составе изучаемого объекта и молекулярных химических соединениях, находящихся в расплаве исследуемого вещества, проводить диагностику и идентификацию веществ, оценивать температуру плавления и кипения различных химических соединений и более детально изучать химические и физические процессы, происходящие при плавлении и испарении веществ, что сделать с помощью прототипа не возможно.

Изобретение относится к спектральному анализу. В способе расстояние от верхнего края испарителя до его дна делают более 5 мм, а исследуемое вещество кладут на дно испарителя так, чтобы исследуемое вещество находилось в центре дна и при его нагревании не соприкасалось с боковыми стенками испарителя. На дне цилиндрического испарителя размещают небольшую массу исследуемого вещества, которая полностью испаряется из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, при этом в процессе исследования ведут покадровое измерение температуры нагрева вещества. Аналитические сигналы, характеризующие количество атомов, испаряющихся из расплава вещества, в различные моменты времени (кадры) регистрируют с использованием атомного спектрального анализа с применением интегрально-сцинтилляционного покадрового метода регистрации спектров. Результаты исследования вещества и его расплава получаются с использованием расчета содержаний химических элементов по «соотношению условных содержаний» большого числа элементов без знания массы исследуемого вещества или его виртуальных микронавесок. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя с дном, на котором размещают исследуемое вещество так, чтобы оно находилось на расстоянии более 2 мм от верхнего открытого края испарителя и полностью испарялось из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, создание условий для получения фракционных сцинтилляционных аналитических спектральных сигналов и регистрацию спектральных сигналов с применением интегрально-сцинтилляционного метода регистрации спектров, при котором осуществляют покадровую синхронную регистрацию спектральных сигналов с прерывистым периодическим кратковременным накоплением спектральных сигналов, расчет результатов исследования, при котором проводят сортировку сигналов с учетом соотношения «сигнал-шум» и времени появления сигналов, используя каждое периодическое накопление сигнала, определение по полезным аналитическим сигналам элементного состава вещества с использованием образцов сравнения и метода расчета содержаний химических элементов по «соотношению условных содержаний» большого числа элементов без знания массы исследуемого вещества, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач и исследуемого вещества путем изменения величины анализируемой массы вещества, размера кратера, силы тока горения дуги, отличающийся тем, что расстояние от верхнего края испарителя до его дна делают более 5 мм, а исследуемое вещество кладут на дно испарителя так, чтобы исследуемое вещество находилось в центре дна и при его нагревании не соприкасалось с боковыми стенками испарителя, для исследования вещества на дне цилиндрического испарителя в зависимости от решаемых задач размещают небольшую массу исследуемого вещества, которая полностью испаряется из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, при этом в процессе исследования ведут покадровое измерение температуры нагрева вещества, лежащего на дне испарителя, а после расчета содержаний химических элементов, входящих в состав исследуемого вещества, производят фазовую диагностику или идентификацию вещества путем сравнения соотношения содержаний химических элементов в исследуемом веществе с соотношением содержаний этих элементов в известных веществах и оценки температуры плавления и температуры кипения исследуемого вещества, при этом используется зависимость количества атомов химических элементов, попадающих в плазму, от покадровой температуры расплава, а также связь температуры нагрева вещества с временным номером кадра, создаваемая при испарении со дна испарителя известных соединений, для которых установлена температура плавления и кипения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно производят покадровый расчет содержаний химических элементов, поступающих в плазму в различные моменты (кадры) времени испарения вещества, с использованием метода расчета содержаний элементов в микронавесках неизвестной массы, отражающий состав испаряющихся молекулярных соединений, и проводят дополнительную диагностику или идентификацию химических молекулярных соединений, испаряющихся из расплава в процессе его нагревания, сопоставляя соотношение покадровых содержаний химических элементов, а также сравнивая температуру кипения изучаемых молекул с температурой кипения известных молекулярных соединений, причем для выявления близости указанных соотношений используют наиболее близкие по молекулярному составу расплавов вещества.